Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиад школьников по биологии
advertisement
Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиад школьников по биологии 2008 г. Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии АНАТОМИЯ РАСТЕНИЙ ..................................................................................................................................... 3 ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ СРЕЗОВ РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНОВ СОСУДИСТЫХ РАСТЕНИЙ .......................................... 3 Подготовка к работе ...................................................................................................................................... 3 Приготовление среза ....................................................................................................................................... 4 Окрашивание препарата ................................................................................................................................. 6 Микроскопическое исследование и зарисовка.................................................................................................. 6 Часто возникающие при приготовлении срезов ошибки ...............................................................................10 Определение систематического положения растения по анатомии листа ................................................10 Определение систематического положения растения с помощью изучения строения проводящего пучка .........................................................................................................................................................................13 Определение систематического положения растения с помощью изучения структуры и расположения мезофилла........................................................................................................................................................18 ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ................................................................................................................................19 ОСМОТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ. ПЛАЗМОЛИЗ ........................................................................19 Осмос и осмотические явления. Осмотическое давление ..............................................................................19 Тургор растительной клетки .........................................................................................................................22 Плазмолиз. Виды плазмолиза ..........................................................................................................................24 Изучение форм плазмолиза на препарате листа элодеи................................................................................25 Влияние разных агентов, вызывающих плазмолиз, на форму плазмолиза .....................................................26 Исследование колпачкового плазмолиза в раствора роданида калия. ...........................................................27 Деплазмолиз.....................................................................................................................................................28 Сравнение проницаемости клеточных мембран для различных веществ .....................................................28 РАЗДЕЛЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ МЕТОДОМ ТОНКОСЛОЙНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ............................30 Методика проведения тонкослойной хроматографии (на бумаге) ...............................................................30 Механизм разделения пигментов ....................................................................................................................30 НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ДВИЖЕНИЕМ УСТЬИЦ ..................................................................................................................34 Строение и механизм работы устьиц ...........................................................................................................35 Особое строение устьиц злаков .....................................................................................................................36 АНАТОМИЯ ЧЕЛОВЕКА ....................................................................................................................................37 ОПИСАНИЕ КОСТЕЙ СКЕЛЕТА ЧЕЛОВЕКА ................................................................................................................37 Установление принадлежности позвонка к отделу позвоночника ...............................................................38 Установление принадлежности кости к отделу скелета ............................................................................43 Верхняя конечность ........................................................................................................................................44 Нижняя конечность........................................................................................................................................47 Осевой скелет: позвоночник ...........................................................................................................................51 Череп ...............................................................................................................................................................55 ГИСТОЛОГИЯ.......................................................................................................................................................62 ИЗУЧЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ ПРЕПАРАТОВ ЖИВОТНЫХ ТКАНЕЙ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА ТКАНИ ........................62 Виды гистологических препаратов ................................................................................................................62 ГИСТОЛОГИЯ.......................................................................................................................................................63 ИЗУЧЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ ПРЕПАРАТОВ ЖИВОТНЫХ ТКАНЕЙ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА ТКАНИ ........................63 Виды гистологических препаратов ................................................................................................................63 Окрашивание гистологических препаратов...................................................................................................65 Определение вида ткани по постоянному препарату ...................................................................................68 БИОХИМИЯ...........................................................................................................................................................85 ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ ............................................................................................................85 Реакции на белки и аминокислоты .................................................................................................................85 Реакции на углеводы .......................................................................................................................................87 Реакции на нуклеиновые кислоты...................................................................................................................90 Реакции на липиды ..........................................................................................................................................90 Реакции на аминокислоты ..............................................................................................................................91 ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................................................................................... 101 -2- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Анатомия растений Приготовление препаратов срезов различных органов сосудистых растений С целью изучения анатомии различных органов сосудистых растений широко применяется приготовление временных или постоянных препаратов срезов этих органов. На биологических олимпиадах задание по приготовлению среза органа растения является стандартным и обязательным для участника из 10-11 классов. Обычно на практическом туре в кабинете анатомии растений предлагается приготовить временный окрашенный препарат среза листа (реже другого органа), рассмотреть препарат под микроскопом и зарисовать, а также определить систематическое положение растения, которому принадлежал лист (стебель), на основании микроанатомических признаков. Возможны и дополнительные задания – к примеру, определение типа метаболизм углерода у предложенных растений, опираясь на анатомию листа. Подготовка к работе Приготовление хороших тонких срезов требует определенных навыков, техники и, кроме того, инструментов. Готовясь к экспериментальному туру, нужно взять простой мягкий хорошо подточенный карандаш, очень хорошо также принести с собой свои бритвенные лезвия для приготовления срезов. Лезвия нужно выбирать хорошие, так как от их качества зависит результат работы. Садясь за стол в кабинете анатомии растений на экспериментальном туре, нужно внимательно оглядеть все предложенное оборудование и реактивы – все ли на месте? нет ли чего лишнего? На столе должны присутствовать: Исправный микроскоп с осветительным прибором Чистые предметные и покровные стекла Вода (капельница с водой, емкость с водой и пипетка и т.п.) Фильтровальная бумага Препаровальные иглы (пинцет, стеклянная палочка и т.п.) Новые (!) бритвенные лезвия для приготовления срезов. Если на столе только одно лезвие, попросите дать еще -3- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии «Субстрат» для приготовления срезов – кусочки картофеля, пенопласта, сердцевины бузины Краситель флороглюцин и концентрированная соляная кислота (если требуется приготовить окрашенный препарат) Предложенные для изучения и определения органы растения (обычно листья) Может также присутствовать глицерин, используемый иногда для просветления среза Не следует торопиться сразу делать срез, сначала нужно внимательно прочитать задание и составить план действий. Затем нужно настроить микроскоп (включить освещение, сфокусироваться на малом увеличении – это удобно делать по краю чистого предметного стекла). Может звучать странно, но также нужно подготовить к работе и руки. Руки – основной инструмент при приготовлении срезов, поэтому они должны действовать точно и не дрожать. Для этого кисти рук нужно помассировать, размять. Далее нужно положить перед собой одно-два предметных стекла, капнуть на них воду, чтобы потом, со сделанным срезом в руках не искать предметные стекла, рискуя потерять срез. Приготовление среза Листья большинства растений тонкие и достаточно нежные. При попытке сделать поперечный срез листа, держа его в руке, лист гнется и сминается, а срезы получаются очень толстыми или даже продольными. Решением этой проблемы служит закрепление листа в «субстрате» – кусочке плотного легко режущегося материала. В кусочке субстрате делается надрез, в который вставляется лист, в дальнейшем лист и субстрат режутся вместе. Субстратом могут служить стебель бузины, морковь, картофель (желательно не очень крахмалистый, так как зерна крахмала мешают рассматривать препарат), пенопласт. Наилучшим вариантом считается пористая сердцевина стебля бузины – она удобна в работе, не пачкает срез, легко режется. К сожалению, бузину сложней раздобыть, чем остальные субстраты, ее сердцевину нужно заготавливать и сушить летом, поэтому к весне (сезону олимпиад) бузины обычно не остается. Пенопласт многим не нравится, так как не всегда легко и тонко режется и неприятно скрипит. Для приготовления тонкого поперечного среза нужно взять лист растения, рассмотреть его, найти жилки, чтобы резать в правильной ориентации – поперек срединной жилки, а не вдоль (если того не требует задание). Удобно отрезать от листа небольшой кусочек (чуть -4- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии больше куска субстрата), а остальное отложить на случай, если не удастся сразу сделать тонкого среза. Держать в руке целый лист, особенно если он большой, неудобно, к тому же легко помять лист в процессе изготовления среза. Приготовив фрагмент листа, нужно взять кусочек субстрата (обычно на олимпиаде субстрат дают уже порезанным), сделать в нем продольный срез, не прорезая до конца. Получился своеобразный «карманчик». В этот карманчик нужно поместить образец, так, чтобы сторона, с которой собираетесь работать, выглядывала из верхней прорези субстрата. Далее нужно плотно зажать лист в субстрате, стараясь не сдвигать половинки кусочка субстрата друг относительно друга. Той же бритвой, что резали лист (это «черновая» бритва), как можно ровнее срезаете верхнюю часть субстрата вместе с листом, так, чтобы получилась ровная поверхность, перпендикулярная оси листа. Теперь все готово к получению тонких поперечных срезов. Возьмите новое лезвие (не то, которым резали пенопласт). Лезвие можно смочить водой – по опыту некоторых участников, оно начинает резать лучше и тоньше. Возьмите брусочек субстрата с зажатым листом в левую руку перед собой, а лезвие в правую. Руки лучше опереть о стол – так они будут меньше дрожать. Приставьте лезвие к верху брусочка поперек оси листа с дальней от вас стороны и постарайтесь сделать как можно более тонкий срез, ведя лезвие к себе. При этом все время пытайтесь сохранить лезвие перпендикулярным оси листа – это позволит сделать не косой срез. Лучше сразу сделать серию срезов, при этом срезы остаются на бритве (прилипают к ней) и никуда не деваются. Когда сделаете достаточно тонкий прозрачный срез, поднесите бритву к капле воды на заранее приготовленном предметном стекле и смойте или осторожно снимите пинцетом или иглой срезы в каплю. Не старайтесь удалить кусочки субстрата со стекла – их наличие нормально, если они не мешают рассматривать препарат. Пытаясь удалить субстрат со стекла или бритвы, вы можете повредить или потерять срез. Добейтесь, чтобы срез лежал на стекле перпендикулярно проходящему лучу света (находился не на боку и не свернувшись). Срезы очень плотных и толстых листьев, а также большинства стеблей делаются без использования субстрата. Наиболее сложно делать срезы нежных листьев папоротников и пленчатых жестких листьев злаков (например, кукурузы). Какой срез считается хорошим? Хороший срез должен быть тонким, прозрачным, светлым (но не исчезающим), так, чтобы были видны все анатомические особенности органа. Срез не должен быть косым (толщина среза на всем протяжении должна быть приблизительно одинаковой), иначе могут исказиться некоторые микроанатомические -5- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии признаки. В крайнем случае, не очень прозрачный срез можно попытаться осветлить глицерином (капнуть сверху на срез глицерин). Окрашивание препарата Для окрашивания препарата чаще всего предлагается воспользоваться стандартным красителем – флороглюцином. Этот краситель в кислой среде окрашивает мертвые растительные ткани, в том числе ксилему, в темно-красный цвет. На препарате, окрашенном флороглюцином, четко выделяются сосуды и мертвые механические элементы (склеренхима). Если в задании указано окрасить срез, нужно капнуть на него флороглюцин, потом соляную кислоту (осторожно, при окрашивании используется концентрированная HCl). Капли нужно делать небольшие, избегая избытка красителя и особенно кислоты, но такие, чтобы весь срез оказался покрытым красителем. Не смывая красителя, накройте препарат покровным стеклом, стараясь не допустить возникновение пузырьков воздуха. Для этого поставьте покровное стекло одним краем рядом с препаратом и осторожно опускайте его препаровальной иглой до момента, когда покровное стекло образует с плоскостью предметного угол в 45 градусов. После этого можно опускать покровное стекло. Если пузырьки все же образовались, можно попытаться отогнать их, слегка нажимая препаровальной иглой на покровное стекло. Флороглюцин, или 1,3,5-триоксибензол – органический краситель. Спиртовой раствор флороглюцина, используемый в анатомии растений – бесцветная прозрачная жидкость, хранится в темных флаконах. Флороглюцин широко распространен в растительном мире, его гликозидные производные входят в состав антоциановых и флавоновых пигментов, определяющих окраску цветов. Микроскопическое исследование и зарисовка Препарат необходимо рассмотреть сначала на малом увеличении, и только затем перевести на большое. Следует отметить характерные анатомические особенности листа (наличие полостей, вместилищ, аэренхимы, колленхимы; расположение проводящих пучков, -6- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии их вид, выраженность механической ткани в обкладке пучков; выраженность паренхимы; подразделение мезофилла на столбчатый или губчатый). Если объектом исследования является не лист, нужно определить, что перед вами – стебель или корень, если корень – то какого строения – первичного или вторичного и т.п. Согласно анатомическим особенностям, нужно попытаться определить систематическую принадлежность растения, которому принадлежал исследуемый орган (до отдела, если отд. Покрытосеменные – до класса, желательно как можно больше рассказать о систематическом положении растения). Зарисовывать контуры органа нужно на малом увеличении, дальше следует перевести микроскоп на большое увеличение и внутри контура добавить детали. Необязательно зарисовывать все, что видно – так никакого времени не хватит. Обычно органы растений симметричны и содержат повторяющиеся элементы строения, поэтому достаточно зарисовать один такой элемент (один проводящий пучок, сектор стебля или листа и т.п.). Рисунок должен отражать реальность, предпочтительней рисунок, похожий на оригинал, а не схема. Контуры клеток нужно показать четко – «спиральки» и незамкнутые контуры клеток недопустимы. Для выделения отдельных деталей можно использовать штриховку и цветные карандаши, однако штриховка не должна заменять собой рисунка клеток. Ниже приведены несколько правильных рисунков срезов. Эти рисунки взяты из учебников: Рис. 1. Поперечный срез стебля рдеста, демонстрирующий аэренхиму. -7- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 2. Поперечный срез листа кукурузы. Рис. 3. Поперечный срез стебля лютика ползучего. -8- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии А эти сделаны участниками олимпиад: Б . Рис. 4. А. Поперечный срез корня ириса, обратите характерные внимание U-образные на клетки эндодермы. Б. Поперечный срез листа злака, виден свойственного проводящий злакам пучок строения и мезофилл, не дифференцированный на столбчатый и губчатый. А . Рис. 5. Поперечный срез листа осоки. -9- Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Ниже приведен неправильный рисунок – контуры клеток на нем не замкнуты, клетки не прилегают одна к другой, к тому же зарисованный срез явно сделан косо (о чем свидетельствуют удлиненные клетки в правой части среза): Рис. 6. Поперечный срез листа олеандра Часто возникающие при приготовлении срезов ошибки Приготовление срезов тонких листьев без использования субстрата Приготовление среза в неправильной плоскости (продольные срезы, срезы сделанные параллельно центральной жилке) Приготовление среза, положив брусочек субстрата с листом на стол (нарезка листа, «как колбасы») Схематичная зарисовка, не отражающая реального строения среза Определение систематического положения растения по анатомии листа При исследовании среза листа сосудистого растения первое, на что следует обратить внимание, – строение проводящих пучков и структура мезофилла. Эти два признака обычно позволяют определить систематическое растение до отдела, а в случае отд. Покрытосеменные – и до класса. Во вторую очередь нужно обращать внимание на частные - 10 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии особенности строения листа – наличие аэренхимы, включений, млечников, вместилищ, очень толстой кутикулы и др. На основании таких признаков можно если не определить систематическое положение растения, то приблизительно описать условия его существования, рассказать немного о его физиологии. Следует помнить, что состав и строение тканей, слагающих листовую пластинку, неразрывно связан с выполняемыми ею функциями. Некоторые характерные признаки микроанатомии листа позволяют определять растения до рода и даже до вида. К примеру, эпидерма листа, обычно однослойная, у фикусов делится периклинально (параллельно поверхности листа) и становится трехслойной, что отлично видно на тонком срезе; кроме многослойной эпидермы, содержимое листа защищено еще и мощной гиподермой, в клетках которой иногда встречаются гроздевидные включения – цистолиты (рис. 7). Рис. 7. Строение листа фикуса. Обратите внимание на многослойную эпидерму (1 и 9), мощную гиподерму (2), наличие цистолита в одной из клеток гиподермы (3). Обозначения: 1 – верхняя эпидерма, 2 – гиподерма, 3 – цистолит, 4 – столбчатая паренхима, 5 – губчатая паренхима, 6 – ксилема, 7 – флоэма, 8 – склеренхима 9 – нижняя эпидерма, 10 – устьичный аппарат. - 11 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии У цитрусовых в толще мезофилла развиваются лизигенные вместилища, содержащие эфирные масла (рис. 7). Эти вместилища трудно спутать с чем-либо другим, поэтому определить листья цитрусовых не составляет труда (да и сам лист пахнет очень характерно). Рис. 8. Лизигенное вместилище околоплодника мандарина. В листьях цитрусовых имеются точно такие же вместилища, накапливающие эфирные масла. Обозначения: 1 – разрушающиеся клетки, 2 – полость с накапливающимися маслами. Лист олеандра, если посчастливится сделать срез в месте устьица, вы ни с чем не спутаете. У олеандра устьица располагаются на дне глубоких впадин на нижней поверхности листа. Внутрь такой впадины от стенок отходят специальные волоски. Кроме того, эпидермис олеандра, так же как и фикуса, многослоен (рис. 8, см. также рис. 6). Все эти приспособления служат сохранению воды в условиях засухи (олеандр произрастает в засушливых условиях) Рис. 8. Строение листа олеандра. Обратите внимание на устьица, обозначенные цифрой 5. Устьица находятся на дне глубокой впадины, в которую вдаются волоски (6). Цифрами 1 и 4 обозначены, соответственно, верхний и нижний многослойный эпидермис листа. - 12 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Определение систематического положения растения с помощью изучения строения проводящего пучка При изучении проводящего пучка растений следует обратить внимание на взаимное расположение флоэмы и ксилемы в пучке, наличие или отсутствие обкладки пучка, тип этой обкладки (склеренхимная, паренхимная). Классификация проводящих пучков По взаимному расположению проводящих тканей (флоэмы и ксилемы) и форме пучка все проводящие пучки делятся на следующие типы: коллатеральный биколлатеральный концентрический амфикрибральный концентрический амфивазальный радиальный Коротко рассмотрим каждый из этих типов. Коллатеральные пучки характеризуются расположением флоэмы и ксилемы бок о бок, на одной оси (на одном радиусе стебля, к примеру). В биколлатеральных пучках флоэма прилегает к ксилеме с обеих сторон. Концентрические пучки отличаются расположением проводящих тканей друг вокруг друга. Если в таком пучке снаружи располагается ксилема, пучок носит название концентрического амфивазального, если наоборот, флоэма замкнутым кольцом окружает ксилему, – концентрического амфикрибрального. В радиальных пучках ксилема расходится лучами от центра, а флоэма располагается между лучами. Такие пучки характерны для корней высших растений. Радиальные пучки классифицируются по числу лучей ксилемы на моно-, ди-, три-, тетра- и полиархные. Последний тип характерен для корней однодольных покрытосеменных (см. срез корня ириса на рис. 4) По наличию или отсутствию камбия и, соответственно, по возможности вторичного роста, пучки подразделяются на закрытые и открытые. В открытых пучках между ксилемой и флоэмой есть камбий. Такие пучки свойственны стеблям двудольных покрытосеменных и голосеменных растений, а также корням, способным к вторичному утолщению. В закрытых пучках камбия между флоэмой и ксилемой нет, и количество проводящих элементов в таком пучке увеличиваться не может. В листьях проводящие пучки относятся, как правило, к закрытому типу. На рисунке схематически представлены разные типы проводящих пучков. - 13 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 8. Типы проводящих пучков: А – открытый коллатеральный; Б – открытый биколлатеральный; В – закрытый коллатеральный; Г, Д – концентрические (Г – амфивазальный, Д – амфикрибральный); Е – радиальный. Обозначения: 1 – флоэма, 2 – камбий, 3 – ксилема. В сформировавшихся взрослых листьях огромного большинства покрытосеменных и голосеменных растений проводящая система представлена закрытыми коллатеральными пучками. Иногда, обычно при изучении постоянных препаратов срезов листьев, возникает вопрос – как отличить верхнюю сторону листа от нижней, если не видно устьиц, (либо устьица располагаются с обеих сторон листа), и мезофилл не дифференцирован на палисадный и губчатый? Очень просто отличить – по расположению флоэмы и ксилемы в пучке. В коллатеральном проводящем пучке листа покрытосеменных и голосеменных ксилема всегда располагается ближе к верхней (вентральной) стороне листа, а флоэма – к нижней (дорзальной) стороне. Если в жилке пучки располагаются кольцом (как в черешке), - 14 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии то ксилема в верхних (абаксиальных) пучках обращена, как правило, к верхней стороне листа, а нижних (адаксиальных) пучках – к нижней стороне листа. Пучки листьев папоротников (во всяком случае, те, которые могут предложить для определения на олимпиаде) отличаются концентрическим амфикрибральный строением, что позволяет без труда отличить лист папоротника от листьев других сосудистых растений. Различить стороны листа папоротника по причине концентрического строения пучка достаточно сложно. Попробуем определить растение по виду проводящего пучка листа. Самым своеобразным строением отличаются, пожалуй, проводящие пучки злаков – «мордочки» (рис. 9, см. также рис. 4). Описывать их здесь подробно нет смысла – настолько особенный они имеют вид, такие пучки достаточно увидеть один раз и запомнить. Пучки подобного строения встречаются только у злаков Рис. 9. Строение проводящего пучка стебля злака (кукурузы). В листьях кукурузы пучки анатомически сходны с показанным. закрытому Пучок относится коллатеральному к типу. Обозначения: 1 – флоэма, 2 – ксилема, 3 – механическая обкладка пучка, 4 – паренхимная обкладка Кроме специфического строения пучков, злаки от других растений может отличать особое строению эпидермиса (у некоторых из них, например, у ковыля или проса, имеются пузыревидные клетки – рис. 9). Злакам, фиксирующим углерод по C4-типу свойственна так называемая кранц-анатомии (см. рис. 9) – наличие паренхимной обкладки пучка, состоящей из тонкостенных хлорофиллоносных клеток и радиальной ориентацией мезофилла вокруг пучков. Кранцевый тип листьев свойственен кукурузе, просу, щетиннику. - 15 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Для листьев папоротников, как уже упоминалось выше, свойственны концентрические амфикрибральные пучки. В таких пучках флоэма окружает ксилему. Проводящие пучки хвойных растений характеризуются особым расположением внутри листа. Листья хвойных отличаются от листьев покрытосеменных наличием только одной средней жилки, состоящей из одного или двух проводящих пучков. Последние защищены мощной общей эндодермой (рис. 10). От папоротников голосеменные отличаются отсутствием концентрических пучков. Пространство вокруг пучков и между ними, ограниченное эндодермой, заполнено трансфузионной тканью, которая имеется у всех голосеменных и свойственна только этим растениям. Трансфузионная ткань участвует в проведении веществ внутри листа. Листья большинства хвойных растений обычно легко определить благодаря их характерному внешнему виду (игольчатые у сосны, ели, пихты, лиственницы; чешуйчатые у кипариса и туи), а также микроанатомии: наличию эпидермы с утолщенным наружным стенками и хорошо выраженной кутикулой и смоляных ходов. Листья других голосеменных, кроме хвойных, для определения, скорее всего, не предложат, ибо гинкго и саговники в нашей полосе редки. Однако есть хвойные растения – ногоплодник, агатис, обладающие пластинчатыми листьями. Такие растения нужно определять, опираясь на микроанатомию листа (наличие одной жилки, трансфузионной ткани и т.п.). Рис. 10. Строение листа (хвои) сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) с центрическим типом мезофилла: А – детальный рисунок; Б – схема. Обозначения: 1 – эпидерма, 2 – устьичный аппарат, 3 – гиподерма, 4 – складчатая паренхима, 5 – смоляной ход, 6 – эндодерма, 7 – ксилема, 8 – флоэма, 7-8 – проводящий пучок, 9 – склеренхима, 10 паренхима. - 16 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Если вы уверены, что предложенный лист принадлежит не папоротнику и не хвойному растению, значит, «обладатель» листа относится к покрытосеменным. Надо сказать, что листья растений именно из этого отдела чаще всего предлагают для определения на олимпиаде. Отдел покрытосеменные включает два класса – двудольные и считающиеся эволюционно более молодыми однодольные. Как по срезу листа отличить двудольные растения от однодольных, если попался не злак? Во-первых, по строению мезофилла: у однодольных покрытосеменных паренхима листа чаще всего однородная, у двудольных, как правило, есть дифференциация на столбчатый и губчатый мезофилл. Обычно на олимпиадах «выбор» однодольных, предлагаемых для определения, небольшой – либо лист хлорофитума, либо лист злака. Строение листа хлорофитума представлено на рисунке: Рис. 11. Строение листа хлорофитума. Обозначения: 1 – эпидерма; 2 – устьице; 3 – воздушная полость; 4 – мезофилл; 5 – обкладочные клетки; 6 – ксилема; 7 – флоэма. У некоторых двудольных, к примеру, у цитрусовых, олеандра, фикуса, тоже весьма специфическое строение листьев, по которому их всегда можно узнать, к примеру, цитрусовые, олеандр и фикус, в заданиях дают в основном листья именно этих растений (характерные признаки их листьев обсуждались в начале этого раздела). - 17 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Определение систематического положения растения с помощью изучения структуры и расположения мезофилла Выше уже было сказано, как по строению мезофилла отличить двудольные растения от однодольных: у первых, в отличие от последних, как правило, наблюдается подразделение мезофилла на столбчатый, или палисадный, и губчатый. Если такая дифференциация имеет место, столбчатый мезофилл обращен в верхней стороне листа, губчатый – к нижней. Заметим, что не все двудольные растения обладают дифференциацией мезофилла. Кроме того, состояние мезофилла зависит от условий, в которых находился лист. В теневых листьях дифференциация мезофилла может быть незаметна. По расположению мезофилла различают несколько типов листьев: Бифациальный тип характеризуется приуроченностью столбчатого мезофилла к верхней стороне листовой пластинки. Таковы листья многих двудольных растений Изолатеральный тип в разных источниках определяется по-разному. В общем тип характеризуется одинаковым строением листа как с одной так и с другой стороны. Примером листа изолатерального типа служит лист хлорофитума (см. рис. 11). У изолатерального листа эвкалипта столбчатый мезофилл располагается с обеих сторон листовой пластинки. Унифациальный или радиальный тип листа представляет собой модификацию изолатерального типа. Он свойствен узким цилиндрическим или трубчатым листьям. Столбчатый мезофилл у листьев такого типа располагается под эпидермой по всей окружности поперечного среза листа. У папоротниковидных мезофилл однородный, состоящий из более или менее одинаковых паренхимных клеток, между которыми всегда есть межклетники, обеспечивающие газообмен (что необходимо для листа как для органа, фиксирующего углерод). У некоторых растений, к примеру, у ветреницы, борца, бузины субэпидермальный слой мезофилла состоит из клеток, внешние стенки образуют складки, вдающиеся в их полости. Такие клетки с односторонними складками, увеличивающими внутреннюю поверхность оболочек клетки, называют дланевидными. У некоторых хвойных (к примеру, у сосен) все клетки мезофилла имеют подобные складки, причем не на одной стороне Ю а по всей поверхности. Такой мезофилл является складчатым. Складчатый мезофилл – очень характерный признак, позволяющий определять листья сосен и других хвойных. - 18 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Физиология растений Задания по физиологии растений, как правило, попадаются на практическом туре 10-11-м классам. Обычно предлагают работы, связанные с осмотическими явлениями в растительных клетках (плазмолиз и деплазмолиз), работой устьиц или разделением фотосинтетических пигментов методом хроматографии. Осмотические явления в растительной клетке. Плазмолиз Осмос и осмотические явления. Осмотическое давление Все биологические мембраны представляют собой полупроницаемые мембраны, так как в силу своей структуры они пропускают одни вещества (воду, газы), а другие (крупные заряженные молекулы, к примеру, глюкозу) – нет. На самом деле, конечно, в мембране клетки есть переносчики для глюкозы, но они строго регулируются и не позволяют веществу проходить в клетку бесконтрольно; то же самое можно сказать про каналы для ионов. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается одним из признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует поступление и веществ внутрь себя и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за липидной природы даже мембрана мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и менее «избирательной», чем мембрана живой. Избирательность транспорта через проницаемую мембрану ведет к возникновению в клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют: плазмалемма – мембрана, разделяющая цитоплазму и внеклеточную среду, и тонопласт – мембрана, разделяющая цитоплазму и клеточный сок, представляющий собой содержимое вакуоли растительной клетки. Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества. Явление осмоса может быть продемонстрировано на классическом примере. Представим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной, в одной половине сосуда находится более концентрированный раствор соли (к примеру, 1M NaCl), в другой – менее концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта (рис. 12A) объем раствора в каждой из половин одинаков, а концентрация соли различается. - 19 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 12. Схема, демонстрирующая явление осмоса Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул воды. Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит в отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но интенсивность перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы – покрыты гидратной «шубой». Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически связываются с ионами хлора и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине сосуда (см. рис. 12) концентрация Na+ и Cl- больше, соответственно больше воды требуется для гидратирования этих ионов. В связи с этим вода интенсивнее переходит из отсека с малой концентрацией соли в отсек с большой концентрацией. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате уровень раствора в первом понижается, а в последнем повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис 12B). Заметим, что изменение объема жидкости и концентрации соли связано с перераспределением только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для ионов натрия и хлора. Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией соли давление (красная стрелка на рисунке 12B), диффузия воды замедлится. Давление, при котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением. - 20 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое давление раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление – очень важная величина, характеризующая осмос. В физической химии осмотическое давление обозначается буквой π и вычисляется по простой формуле: π = CRT, где C – концентрация раствора, R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж ), T – абсолютная температура (K). Попробуем проанализировать это выражение. R моль K – просто постоянная величина, константа, которая никак не влияет на осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную величину, поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком температурном диапазоне (мы не будем принимать во внимание бактерий-экстремальных термофилов). Следовательно, по большому счету, осмотическое давление раствора зависит только от его концентрации, причем зависимость линейная: чем больше концентрация соли (или сахара, или другого вещества, не проходящего через полупроницаемую мембрану – осмотически активного вещества) в растворе, тем больше его осмотическое давление. В нашем случае осмотическое давление раствора поваренной соли с концентрацией 0,01M гораздо меньше, чем осмотическое давление раствора с концентрацией 1M. Обычно при описании живых систем, биологических жидкостей и других растворов не указывают значение осмотического давления, пользуясь относительной характеристикой. Принято описывать осмотическое давление растворов относительно интересующей нас жидкости (к примеру, крови, цитоплазмы, клеточного сока). Если осмотическое давление раствора больше, чем давление «нашей» жидкости, раствор называют гипертоническим; если меньше – гипотоническим, если такое же – изотоническим. В этом определении слова «осмотическое давление» смело можно заменить на «концентрация осмотически активного вещества», так как мы уже выяснили, что осмотическое давление раствора зависит от концентрации линейно. В приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01M NaCl является гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1M NaCl. Широко используемый в медицинской практике физиологический раствор, является изотоническим по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом растворе и плазме крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление. Заметим, что существует несколько типов физиологических растворов с одинаковым - 21 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии осмотическим давлением и немного отличающимся составом солей – растворы Рингера – Локка, Рингера – Тироде и Кребса – Рингера. Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень значительным. К примеру, осмотическое давление жидкостей человеческого тела в среднем равно семи (!) атмосферам. Именно за счет осмотического давления вода из корней деревьев доходит до листьев. Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» - начнется переход растворителя из отсека с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это явление носит название обратного осмоса. Обратный осмос находит широкое применение в производстве фильтров для очистки питьевой воды. Тургор растительной клетки Если взять клетки животных, например, эритроциты, и поместить их в физиологический раствор, морфология клеток не изменится, так как физиологический раствор изотоничен плазме крови (содержит физиологическое количество солей). Если же поместить эритроциты в гипертонический раствор, например, в раствор с концентрацией соли 10%, вода по закону осмоса будет выходить из цитоплазмы (как из жидкости с меньшей концентрацией соли) в окружающий раствор, в результате чего эритроциты сморщатся. При помещении эритроцитов в гипотоническую среду (дистиллированную воду), вода будет проникать внутрь клеток, «стараясь» уравновесить концентрации солей внутри и вне клетки. В конце концов, эритроциты лопнут, их содержимое высвободится в воду, превратив содержимое пробирки в так называемую «лаковую кровь» - прозрачную красную жидкость. Этот известный эксперимент показывает, что клетки животных не окружены плотной оболочкой и вынуждены существовать в очень ограниченном диапазоне концентраций солей. Клетки пресноводных простейших, не обладающих достаточно плотной оболочкой (амебы, инфузории) справляются с проблемой переизбытка воды с помощью сократительных вакуолей, постоянно «вычерпывающих» лишнюю воду за пределы клетки. Если поместить взрослые клетки растений (в составе ткани, к примеру, эпидермиса) в гипотонические условия, они не лопнут, поскольку каждая клетка растения окружена более или менее толстой клеточной стенкой. Последняя служит ригидной структурой, не позволяющей притекающей воде разорвать клетку. Если бы клеточная стенка и - 22 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии плазматическая мембрана клетки могли растягиваться, вода входила бы в клетку до тех пор, пока концентрация осмотически активных веществ снаружи и внутри клетки не выровнялась бы. В реальности клеточная стенка – прочная нерастяжимая структура, и в гипотонических условиях входящая в клетку вода давит на клеточную стенку, плотно прижимая к ней плазмалемму. Давление протопласта изнутри на клеточную стенку называется тургорным давлением. Говорят, что клетки растений обладают тургесцентностью. Тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды в клетку. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора. Заметим, что клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях, поскольку содержимое растительной клетки богато осмотически активными веществами, большая часть которых (органические кислоты, сахара, солей, низкомолекулярных пигментов) входят в состав клеточного сока, расположенного внутри вакуоли. Вакуоли – органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана, ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с плазмалеммой. Это мембрана, обладающая избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью запасения или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. Таким образом, с помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент осмолярности – клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор. Тургор – показатель оводненности и состояния водного режима растений. Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. Именно за счет тургора органы растений находятся в выпрямлено, упругом состоянии. Увядание растения – не что иное, как понижение тургорного давления его клеток. Неверно думать, что тургесцентность свойственна только клеткам растений или бактерий, обладающих клеточной стенкой. Тургор есть и у животных клеток, но он невелик из-за гораздо меньшей прочности плазмалеммы по сравнению с клеточной стенкой (именно из-за наличия тургора, а также из-за эластичности цитоплазматической мембраны, эритроциты в гипотонических условиях разрушаются не сразу, а после некоторого набухания). При разрушении клеточных стенок растительных клеток тургесцентность - 23 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии последних резко падает, и в гипотонических условиях обнаженные протопласты клеток растений ведут себя так же, как клетки млекопитающих. Плазмолиз. Виды плазмолиза Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, как было указано выше, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки. Известно, что живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм, поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм. Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений. - 24 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери воды цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый. Изучение форм плазмолиза на препарате листа элодеи В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Рассмотрим плазмолиз клетки листа элодеи, помещенного в гипертонический раствор. Для наблюдения плазмолиза нужно сделать временный препарат листа элодеи, для начала поместив лист в воду и накрыв покровным стеклом. Клетки листа следует рассматривать на большом увеличении. Вода – гипотоничная относительно содержимого клетки среда, и пока лист элодеи находится в воде, клетки находятся в состоянии тургора, их протопласт плотно прижат тургорным давлением к клеточной стенке (рис. 8A). При этом на микропрепарате не видно мест, где находятся плазмодесмы (плазмодесмы – объект электронномикроскопического исследования, их средний диаметр составляет 0,3-0,4 нм). Для того чтобы вызвать плазмолиз в клетках, нужно сменить внеклеточную среду на гипертоничную. С этой целью препарат снимают со столика микроскопа, с одного бока покровного стекла, прикрывающего лист элодеи, помещают каплю гипертонического раствора так, чтобы она касалась покровного стекла. С другой стороны стекла аналогично помещают кусочек фильтровальной бумаги. Из-за возникающих капиллярных сил вода, находящаяся под стеклом, впитывается бумагой, втягивая гипертонический раствор под стекло. После замены раствора нужно немного подождать (5 минут), затем наблюдать формы плазмолиза, переходящие одна в другую. В начале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 13Б). Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 13В). Места, в которых сохраняется связь протопласта с клеточной стенкой, отражают расположение групп плазмодесм в клетке. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого (рис. 13Г). Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт - 25 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта, прикрепляющимися к клеточной стенке в местах расположения групп плазмодесм. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 13Д). Рис. 13. Плазмолиз растительной клетки: А – клетка в состоянии тургора; Б – уголковый; В – вогнутый; Г – выпуклый; Д – судорожный. 1 - оболочка, 2 - вакуоль, 3 цитоплазма, 4 - ядро, 5 - нити Гехта. Приготовить временный препарат кожицы лука, листа элодеи либо эпидермиса листа высшего растения. Вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло каплю раствора соли - более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока раствор соли не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз. Влияние разных агентов, вызывающих плазмолиз, на форму плазмолиза Форма плазмолиза зависит не только и не столько от стадии процесса (очень редко удается проследить возникновение всех форм плазмолиза на одном и том же препарате), как от свойств цитоплазмы клетки: ее вязкости, гидрофильности, коллоидного состояния - 26 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии (гель или золь). Те или иные свойства цитоплазмы могут быть модулированы агентами, вызывающими плазмолиз. Задание: Исследовать влияние ионов натрия и кальция на форму плазмолиза. Ход работы: Взять два чистых предметных стекла, капнуть на одно из них 1M KNO3? на другое – 1M Ca(NO3)2, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять-десять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза. Результат: В растворе нитрата калия возникает главным образом выпуклый плазмолиз (см. рисунок 13Г), в растворе нитрата кальция – судорожный плазмолиз (см. рисунок 13Д). Ион калия (очень медленно по сравнению с водой проходящий через мембрану за счет наличия калиевых каналов) уменьшает вязкость цитоплазмы, способствуя ее отделению от клеточной стенки, вследствие чего возникает выпуклый плазмолиз. Ион кальция, напротив, повышает вязкость цитоплазмы, увеличивая силы ее сцепления с клеточной стенкой, что вызывает преимущественно судорожный плазмолиз. Оба описанных вида плазмолиза обычно предваряются вогнутым плазмолизом. Исследование колпачкового плазмолиза в раствора роданида калия. Задание: Вызвать возникновение колпачкового плазмолиза в клетках растений. Объяснить, в связи с чем возникает указанный тип плазмолиза. Ход работы: На чистое предметное стекло капается 1M раствор роданида калия KSCN (или нитрата калия KNO3), в каплю кладется кожица лука или лист элодеи, препарат накрывается покровным стеклом и рассматривается под микроскопом на большом увеличении. Результат: При длительном нахождении клеток в растворе роданида или нитрата калия (15 мин. и более) цитоплазма набухает, там, где протопласт не касается клеточных стенок, вокруг вакуолей образуются так называемые колпачки цитоплазмы (рис. 14). - 27 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 14. Колпачковый плазмолиз в клетке листа элодеи, длительно находящейся в растворе KNO3. Белым показана вакуоль, ограниченная коричневатыми колпачками цитоплазмы. Вывод: Колпачковый плазмолиз возникает при разной проницаемости плазмалеммы и тонопласта: ионы калия, медленно проникают в цитоплазму через калиевые каналы, вызывая ее набухание. В тонопласте таких каналов не имеется, и поэтому объем вакуоли не увеличивается. Деплазмолиз Плазмолизированные клетки обычно остаются живыми, особенно если клетка провела в состоянии плазмолиза короткое время. При помещении живой плазмолизированной клетки в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз – клетка вернется в состояние тургора и приобретет нормальный вид. В условиях гипотонического раствора, концентрация осмотических веществ в котором меньше, чем в клеточном соке, вода из внеклеточной среды будет поступать внутрь клетки (а там – внутрь вакуоли, «стараясь» уменьшить концентрацию клеточного сока). В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая, в свою очередь, которая начнет приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение. Деплазмолиз обычно происходит медленнее, чем плазмолиз. Сравнение проницаемости клеточных мембран для различных веществ По интенсивности плазмолиза и по времени наступления деплазмолиза можно оценить проницаемость мембраны для тех или иных веществ. Задание: исследовать проницаемость мембран растительной клетки для сахарозы и мочевины (карбамида). - 28 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Ход работы: Взять два чистых предметных стекла, на одно капнуть 1M раствор сахарозы, на другое – 1M мочевину, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза. Отметить время начала плазмолиза. Оставить препараты на полчаса, затем снова рассмотреть их под микроскопом. Отметить, в каком препарате произошел деплазмолиз, зарисовать клетки из обоих препаратов. Вывод: В условиях гипертонического раствора как сахарозы, так и мочевины в клетках возникает плазмолиз, поскольку оба указанных вещества растворимы в воде и осмотически активны. В растворе сахарозы деплазмолиз не возникает, так как плазмалемма непроницаема для крупных молекул сахаров и раствор сахарозы остается гипертоничным относительно содержимого клетки с течением времени. В растворе мочевины по прошествии некого промежутка времени происходит деплазмолиз, так как плазмалемма обладает проницаемостью для мочевины (хотя меньшей, чем для воды, поэтому плазмолиз изначально возникает), и постепенно мочевина проходит в клетку. За ней внутрь клетки следует вода, обеспечивающая тургорное давление – возникает деплазмолиз. Для сравнительной оценки плазмолиза в тканях существует 2 метода: пограничного плазмолиза и плазмометрический. Первый метод, разработанный Гуго Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией осмотичнески активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50% клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объем клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам). - 29 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Разделение фотосинтетических пигментов методом тонкослойной хроматографии Задание: Разделить фотосинтетические пигменты, входящие в состав предложенной вытяжки, методом тонкослойной хроматографии (на бумаге), определить пигменты на полученной хроматограмме. Что делать: Провести разделение, следуя предложенной методике. На полученной хроматограмме обвести карандашом и подписать пятна пигментов, отметить линию фронта и вычислить значения Rf. Объяснить полученный результат. Методика проведения тонкослойной хроматографии (на бумаге) Полоску хроматографической бумаги шириной 2-3 см и длиной, соответствующей высоте хроматографической камеры, положить на чистую поверхность стола и нанести карандашом линию старта на расстоянии 2 см от края. Аккуратно перенести небольшую порцию вытяжки с помощью шприца или капилляра на линию старта (диаметр пятна на должен превышать 1 см). После полного высыхания повторить процедуру 3-4 раза с целью повышения концентрации пигментов. Поместить полоску хроматографической бумаги в хроматографическую камеру, на дне которой налит неполярный растворитель (бензин, гексан). При этом пятно пигментов должно находится выше уровня растворителя. Плотно закрыть хроматографическую камеру (для предотвращения высыхания растворителя с хроматографической бумаги, которое приводит к увеличеснию размытости пятен), подождать, пока расстояние между фронтом растворителя и верхним краем полоски бумаги не достигнет 2-3 см. Вынуть полученную хроматограмму из хроматографической камеры и сразу же отметить на ней карандашом положение фронта растворителя и пятнен пигментов. Механизм разделения пигментов Разделение пигментов основано на различие их растворимостей в подвижной и неподвижной фазах. В качестве подвижной фазы обычно используют неполярные растворители (бензин, гексан), в качестве подвижной фазы выступает полярный - 30 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии растворитель – вода, адсорбированная на волокнах целлюлозы, из которой состоит бумага. При проведении хроматографии подвижная фаза движется по бумаге под действием капиллярных сил. Чем выше отношение растворимостей пигмента в подвижной и неподвижной фазах, тем большее расстояние он проходит. Таким образом, наибольший пробег соответствует неполярным пигментам, наименьший – полярным. Фотосинтетические пигменты распределяются в следующем порядке (начиная от фронта растворителя): каротины (светло-желтые), ксантофиллы (желтые), феофитин (серый), хлорофилл a (сине-зеленый), хлорофилл b (желто-зеленый), лютеин (один из ксантофиллов, ярко-желтый) – рис. 15-17. Феофитин является ассоциированным со II фотосистемой переносчиком электронов, но в значительно большем количестве образуется при разрушении хлорофиллов. Большое количество феофитина на хроматограмме говорит о том, что предложенная вытяжка пигментов была несвежей. Расстояние, пройденной пигментом, характеризуется величиной Rf, которая представляет собой отношение расстояния, пройденного пигментом, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя подвижной фазы. В стандартных условиях эта величина является постоянной для каждого пигмента и приводится в справочниках. Рис. 15. Пример хроматограммы. Расположение фронта растворителя, пятна каротинов и ксантофиллов не показаны феофитин хлорофилл a хлорофилл b Направление движения фронта растворителя лютеин точка нанесения - 31 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии А. Б. В. Г. Рис. 16. Некоторые дополнительные фотосинтетические пигменты Высших растений. А. β-каротин. Б, В. Ксантофиллы (криптоксантин и лютеин соответственно). Г. Феофитин. - 32 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии А. Б. Рис. 17 (А, Б). Хлорофилл a (А) и хлорофилл b (Б). - 33 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Наблюдение за движением устьиц Задание: 1. Приготовить препарат эпидермиса листа растения (в воде), рассмотреть его и зарисовать состояние устьиц. 2. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества низкой концентрации (5% глицерин или 0.1М сахароза). Наблюдать за происходящими изменениями, зарисовать состояние устьиц. 3. Заменить раствор осмотически активного вещества на воду, наблюдать за происходящими измененииями. 4. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества в высокой концентрации (20% глицерин или 1М сахароза), наблюдать за происходящими изменениями. 5. Объяснить происходившие изменения. Что делать: Для приготовления препарата необходимо надломить лист и подцепить лоскут эпидермиса препаровальной иглой. Если лист достаточно тонкий (например, лист злака), достаточно резко разорвать его в направлении, параллельном жилкованию. По краю разрыва под микроскопом будут видны участки эпидермиса (рис. 18). Полученный препарат поместить в каплю воды под покровное стекло. Для того, чтобы сменить воду на раствор осмотически активного вещества, необходимо нанести каплю раствора на край покровного стекла и убрать воду, прикоснувшись фильтровальной бумагой к противоположному краю покровного стекла. При этом раствор осмотически активного вещества будет затянут под покровное стекло. При помещении препарата эпидермиса в раствор осмотически активного вещества вода начинает покидать вакуоли замыкающих клеток устьиц, что приводит к уменьшению в них внутриклеточного давления и закрывание устьичной щели (см. главу, посвященную плазмолизу). При помещении в воду происходят обратные процессы. Для осуществления повторного закрывания устьичной щели необходимо поместить препарат в раствор более высокой концентрации. Это связано с тем, что некоторое количество осмотически активного вещества ранее проникло внутрь вакуолей замыкающих клеток, повысив осмотическое давление внутри них. - 34 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии устьице устьице побочная клетка Рис. 18 (А, Б). Эпидермис листа ириса (А) и листа кукурузы (Б). Строение и механизм работы устьиц Устьице состоит из двух замыкающих клеток, ограничивающих устьичную щель. Внутренные стенки замыкающих клеток утолщены значительно сильнее, чем наружние. Неодинаковая толщина стенок устьиц приводит к тому, что при изменении внутриклеточного давления они способны менять свою форму, вызывая открывание или закрывание устьичной щели. При увеличении внутриклеточного давления тонкие наружние стенки растягиваются, что приводит к деформации и расхождению более жестких внутренних стенок (устьичная щель открывается). При уменьшении внутриклеточного давления растяжение наружних стенок ослабевает, и внутренние стенки возвращаются в недеформированное состояние (устьичная щель закрывается). Различают три типа движения устьиц: гидропассивные, гидроактивные и фотоактивные. Гидропассивные движения. Насыщение водой клеток, прилежащих к устьицам, вызывает увеличение их объема. Это приводит к механическому сдавливанию замыкающих клеток устьица и закрыванию устьичной щели. - 35 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Гидроактивные движения. При повышении водного дефицита в замыкающих клетках синтезируется абсцизовая кислота, подавляющая работу H+-насосов. Это приводит к снижению осмотического давления внутри клеток и закрыванию устьичной щели. Фотоактивные движения. Понижение интенсивности освещения вызывает закрывание устьичной щели. Механизм фотоактивных движений окончательно не установлен. Существует гипотеза, утверждающая, что при уменьшении освещенности падает интенсивность фотосинтеза. Это вызывает понижение концентрации сахаров в цитоплазме и, как следствие, снижение осмотического давления и закрывание устьичной щели. Особое строение устьиц злаков Устьица злаков имеют гантелевидую форму, причем утолщены не только стенки замыкающих клеток, обращенные в сторону устьичной щели, но и стенки, примыкающие к соседним клеткам эпидермиса. Замыкающие клетки окружены ромбовидной побочной клеткой. Механизм открывания и закрывания устьиц при изменении внутриклеточного давления связан с изменением объема концевых утолщений замыкающих клеток (рис. 19). замыкающие клетки побочная клетка устьичная щель А Б Рис. 19 (А, Б). Строение устьичного аппарата злаков. А. Устьичная щель закрыта. Б. Устьичная щель открыта. - 36 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Анатомия человека Описание костей скелета человека Задания по анатомии человека, связанные с описанием костей скелета человека, часто предлагают на практическом туре 10-11-м классам. Для успешного выполнения заданий советую помимо прочтения данной главы ознакомиться с рисунками костей в анатомическом атласе. Да, на собственном примере убедился, что выписывание латинских названий костей и их частей в ответе на задание дополнительных баллов не приносит (но и не идет в минус, естественно). Так что не тратьте на них время. Задание: Составить описание выданной кости. Что делать: При составлении описания кости необходимо указать: 1. ее название; 2. принадлежность к одной из групп классификации костей (трубчатые, губчатые, плоские, смешанные, воздухоносные); 3. принадлежность к одному из отделов скелета; 4. кости, с которыми она сочленяется; 5. строение. - 37 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Установление принадлежности позвонка к отделу позвоночника Предлагаем вам ознакомиться с рисунками 20-27 и приведенной ниже таблицей, в которой указаны основные признаки, по которым можно установить принадлежность позвонка к шейному, грудному или поясничному отделам позвоночника. В таблицу также включено описание позвонков, имеющих нетипичное строение (I, II и VII шейные, XII грудной). Тело Позвоночное отверстие Остистый отросток Другие признаки I шейный (атлант) отсутствует округлое большого диаметра отсутствует поперечное отверстие II шейный (эпистрофей) небольшое треугольное раздвоенный зуб, поперечное отверстие III-VI шейные небольшое треугольное раздвоенный поперечное отверстие VII шейный (выступающий) небольшое треугольное нераздвоенный поперечное отверстие I-XI грудные массивное округлое нераздвоенный реберные ямки XII грудной массивное округлое нераздвоенный реберные ямки, сосцевидный отросток I-V поясничные массивное овальное нераздвоенный, закруглен на конце сосцевидный отросток - 38 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 20. I шейный позвонок (атлант), вид сверху позвоночное отверстие поперечное отверстие Рис. 21. II шейный позвонок (эпистрофей), вид слева зуб позвоночное отверстие тело позвонка остистый отросток поперечное отверстие - 39 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 22. VI шейный позвонок, вид сверху остистый отросток позвоночное отверстие поперечное отверстие тело Рис. 23. VI шейный позвонок, вид справа позвоночное отверстие остистый отросток тело поперечное отверстие - 40 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 24. VIII грудной позвонок, вид сверху позвоночное отверстие остистый отросток реберная ямка тело Рис. 25. VIII грудной позвонок, вид справа позвоночное отверстие остистый отросток тело реберная ямка - 41 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 26. III поясничный позвонок, вид сверху позвоночное отверстие остистый отросток сосцевидный отросток тело Рис. 27. III поясничный позвонок, вид справа позвоночное отверстие сосцевидный отросток остистый отросток тело - 42 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Установление принадлежности кости к отделу скелета Скелет осевой скелет скелет туловища скелет конечностей скелет головы позвоночник грудная клетка шейные – 7 шт. (от общего типа отличаются: I-атлант, IIэпистрофей, VIвыступающий позвонок) грудные – 12 шт. поясничные – 5 шт. крестцовые – 5 шт. (сросшиеся) копчиковые – 4-5 шт. (сросшиеся) грудина ребра верхняя нижняя пояс конечности свободная конечность лопатка ключица плечо: плечевая кость предплечье: локтевая кость лучевая кость кисть: запястье пястье фаланги пальцев пояс конечности свободная конечность кости таза: подвздошная седалищная лобковая - 43 - бедро: бедренная кость голень: большая берцовая кость малая берцовая кость стопа: предплюсна плюсна фаланги пальцев Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Верхняя конечность Лопатка Лопатка – плоская кость треугольной формы, участвующая в формировании пояса верхней конечности; имеет три края: верхний, латеральный и медиальный и три угла: верхний, нижний и латеральный. Верхний край лопатки относительно короткий, несет надлопаточную вырезку, через которую проходит одноименный нерв, и латерально переходит в клювовидный отросток, служащий местом крепления связок плечевого сустава. Медиальный край лопатки истончен, обращен в сторону позвоночника. Латеральный край утолщен и направлен в подмышечную область. Латеральный угол лопатки несет суставную ямку, служащую для сочленения с головкой плечевой кости. Суставная ямка отделена сужением – шейкой лопатки. Над и под суставной ямкой располагаются, соответственно, верхний и нижний бугорки, к которым прикрепляются мышцы. Передняя, или реберная поверхность лопатки вогнута и носит название подлопаточной ямки. Подлопаточная ямка заполнена подлопаточной мышцей. Задняя поверхность лопатки разделена на две части остью лопатки. Верхняя часть носит название надостной ямки, нижняя – подостной ямки. В них начинаются одноименные мышцы. Латеральный отдел ости лопатки переходит в акромион, несущий суставную поверхность акромиона для сочленения с ключицей. Плечевая кость Плечевая кость – длинная трубчатая кость, образующая плечевой отдел скелета свободной верхней конечности. Различают тело плечевой кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело плечевой кости Тело плечевой кости в верхнем отделе округло, в нижнем – трехгранно. На медиальной поверхности несколько ниже середины длины располагается питательное отверстие. Несколько выше на латеральной поверхности расположена дельтовидная бугристость, к которой прикрепляется дельтовидная мышца. На задней поверхности расположена борозда лучевого нерва, в которой залегает одноименный нерв. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз утолщен и несет на себе суставную поверхность – головку плечевой кости, сочленяющуюся с суставной ямкой лопатки. Головка отделена сужением – анатомической шейкой. Латеральнее головки располагаются два бугорка – большой и - 44 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии малый, разделенные межбугорковой бороздой. В ней проходит сухожилие двуглавой мышцы плеча. Проксимальный эпифиз отделен от тела хирургической шейкой. 3. Дистальный эпифиз Дистальный эпифиз сжат во фронтальной плоскости. Он несет две суставные поверхности – головку мыщелка плечевой кости, сочленяющуюся с лучевой костью, и блок плечевой кости, сочленяющийся с локтевым отростком локтевой кости. На передней поверхности эпифиза располагаются два углубления – лучевая ямка (над головкой мыщелка) и венечная ямка (над блоком), в которую входит венечный отросток локтевой кости. На задней поверхности расположена локтевая ямка, в которую входит локтевой отросток локтевой кости. Дистальный эпифиз ограничен латеральным и медиальным надмыщелками. У латерального надмыщелка располагается борозда локтевого нерва, по которой проходит одноименный нерв. Локтевая кость Локтевая кость – длинная трубчатая кость, участвующая в формировании скелета предплечья. Различают тело локтевой кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело локтевой кости Тело локтевой кости имеет трехгранную форму. Острый межкостный край обращен в сторону лучевой кости. В средней части длины на передней поверхности располагается питательное отверстие, проксимальнее находится бугристость локтевой кости, служащая местом крепления мышц. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз локтевой кости утолщен и несет блоковидную вырезку, сочленяющуюся с блоком плечевой кости. Она ограничена двумя отростками – локтевым и венечным, входящими, соответственно, в локтевую и венечную ямку плечевой кости. На венечном отростке расположена лучевая вырезка – суставная поверхность, сочленяющаяся с суставной окружностью лучевой кости. Позади располагается гребень супинатора, являющийся местом крепления мышц. 3. Дистальный эпифиз Дистальный эпифиз локтевой кости имеет округлую форму и заканчивается головкой локтевой кости. Нижняя часть головки несет суставную поверхность, соединяющуюся с костями запястья, наружная часть несет суставную поверхность, соединяющуюся с лучевой - 45 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии костью – суставную окружность локтевой кости. Дистальный эпифиз заканчивается медиальным шиловидным отростком. Лучевая кость Лучевая кость – длинная трубчатая кость, участвующая в формировании скелета предплечья. Различают тело лучевой кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело лучевой кости Тело лучевой кости имеет трехгранную форму. Межкостный край, направленный в сторону локтевой кости, заострен. На передней поверхности в середине длины находится питательное отверстие. Проксимальнее расположена бугристость лучевой кости, являющаяся местом крепления мышц. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз представлен головкой лучевой кости, ограниченной более узкой шейкой. Верхняя часть головки вогнута и сочленяется с головкой мыщелка плечевой кости. Боковая часть – суставная окружность лучевой кости – образует сустав с лучевой вырезкой локтевой кости. 3. Дистальный эпифиз Дистальный эпифиз утолщен и расширен во фронтальной плоскости. На медиальной поверхности располагается локтевая вырезка, соединяющаяся с суставной окружностью локтевой кости. Латерально дистальный эпифиз переходит в латеральный шиловидный отросток. Нижняя поверхность вогнута и сочленяется с костями запястья – запястная суставная поверхность. Запястье Кости запястья располагаются в два ряда. Проксимальный прилегает к дистальной поверхности костей предплечья, дистальный – к пястным костям. 1. 2. Проксимальный ряд (слева направо, 1-4): ладьевидная кость (несет бугорок ладьевидной кости); полулунная кость; трехгранная кость; гороховидная кость (сесамовидная, прилегает к трехгранной). Дистальный ряд (слева направо, 5-8): - 46 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии многоугольная (несет суставные поверхности для сочленения с I и II пястными костями); трапецевидная (сочленяется со II пястной костью); головчатая (сочленяется с III пястной костью, имеет круглую головку, соединяющуюся с полулунной и ладьевидной костями); крючковидная (сочленяется с IV и V пястными костями, несет крючок крючковидной кости). Лучезапястный сустав – двуосный эллипсовидный, среднезапястный (между головчатой, крючковидной костями и впадиной, образованной костями проксимального ряда), I запястно-пястный сустав – двуосный седловидный, прочие запястно-пястные суставы – плоские, V запястно-пястный сустав приближается к седловидному. 5 6 7 1 8 2 - 47 - 3 4 Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Нижняя конечность Тазовая кость - образует боковую и переднюю стенки таза, формирует пояс нижних конечностей Тазовая кость образована тремя сросшимися костями: подвздошной, седалищной и лобковой. Тела этих костей, соединяясь, формируют вертлужную впадину тазовой кости – место сочленения с головкой бедренной кости. Вертлужная впадина представлена вертлужной ямкой, окруженной суставной полулунной поверхностью. В нижней части полулунная поверхность прерывается вырезкой вертлужной впадины. 1. Подвздошная кость (формирует верхний отдел вертлужной впадины) Подвздошная кость состоит из тела и уплощенного крыла, разделенных дугообразной линией, проходящей по внутренней поверхности. Сверху крыло подвздошной кости ограничено утолщением – гребнем подвздошной кости. Гребень состоит из трех губ: наружной, промежуточной и внутренней, которые являются местом начала мышц живота. Гребень подвздошной кости заканчивается спереди выступом - передней верхней остью, ниже располагается нижняя передняя ость. На задней поверхности крыла подвздошной кости расположены ушковидная поверхность, сочленяющаяся с одноименной поверхностью крестца, и два выступа – задняя верхняя ость и задняя нижняя ость. Задняя нижняя ость ограничивает сверху большую седалищную вырезку, в образовании которой участвует также седалищная кость. Задняя поверхность крестцовой кости несет три линии – переднюю, заднюю и нижнюю ягодичные, к которым прикрепляются большая, средняя и малая ягодичные мышцы. 2. Седалищная кость (формирует задний отдел подвздошной впадины) Седалищная кость состоит из тела и изогнутой ветви, ограничивающей сзади запирательное отверстие. Тело имеет выступ – подвздошную ость, ограничивающую снизу большую подвздошную вырезку и сверху – малую подвздошную вырезку. 3. Лобковая кость (формирует передний отдел подвздошной впадины) Лобковая кость состоит из тела и двух ветвей, ограничивающих спереди запирательное отверстие. На верхней ветви находится запирательная борозда, в которой залегает одноименный нерв и сосуды. Тело лобковое кости несет симфизальную поверхность, симфизальные поверхности лобковых костей соединяются посредством лобкового симфиза. - 48 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Бедренная кость Бедренная кость – длинная трубчатая кость, образующая бедренный отдел скелета свободной нижней конечности. Различают тело бедренной кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело бедренной кости Тело бедренной кости имеет цилиндрическую форму. На задней поверхности тела проходит вертикальная шероховатая линия. Она представлена двумя губами: латеральной и медиальной. В нижней части тела они расходятся, ограничивая подколенную поверхность. В верхней части латеральная губа переходит в ягодичную бугристость, а медиальная – в гребенчатую линию. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз на границе с телом несет два выступа – большой и малый вертелы. На передней поверхности кости они разделены межвертельной линией, на задней – межвертельным гребнем. У основания большого вертела расположено углубление – вертельная ямка. Остальная часть эпифиза направлена вверх и медиально и представлена шейкой бедренной кости, несущей округлую головку бедренной кости. В средней части поверхности головки расположена ямка головки, служащаю местом крепления связки головки бедра. 3. Дистальный эпифиз Дистальный эпифиз бедренной кости уплощен во фронтальной плоскости. Он представлен двумя мыщелками: латеральным и медиальным, которые сочленяются с мыщелками большеберцовой межмыщелковой ямкой; кости. впереди Мыщелки мыщелки бедренной переходят друг кости в друга, разделены образую надколенниковую поверхность, соединяющуюся с надколенником. Большеберцовая кость Большеберцовая кость – длинная трубчатая кость, участвующая в образовании скелета голени. Различают тело большеберцовой кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело большеберцовой кости Тело большеберцовой кости призматической формы. Оно имеет три поверхности (медиальную, латеральную и заднюю) и три края (передний, межкостный и медиальный). Передний край большеберцовой кости заострен и переходит в верхних отделах в - 49 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии бугристость большеберцовой кости. В верхней части задней поверхности проходит линия камбаловидной мышцы, к которой прикрепляется одноименная мышца. Ниже и латеральнее этой линии располагается питательный канал. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз большеберцовой кости утолщен и представлен двумя мыщелками: латеральным и медиальным, которые несут гладкие суставные поверхности, соединяющиеся с суставными поверхностями дистального эпифиза бедренной кости. Мыщелки разделены латеральным и медиальным межмыщелковыми бугорками, образующими межмыщелковое межмыщелковыми полями. возвышение, Латерально а также передним и задним располагается суставная поверхность малоберцовой кости, образующая сустав с головкой малоберцовой кости. 3. Дистальный эпифиз Дистальный эпифиз большеберцовой кости несет нижнюю суставную поверхность, образующую сустав с таранной костью предплюсны. Медиально располагается выступ – медиальная лодыжка, латерально находится вырезка малоберцовой кости, сочленяющаяся с нижней частью малоберцовой кости. Малоберцовая кость Малоберцовая кость – длинная трубчатая кость, участвующая в образовании скелета голени. Различают тело малоберцовой кости (диафиз) и два конца – проксимальный и дистальный эпифизы. 1. Тело малоберцовой кости Тело малоберцовой кости призматической формы. Оно имеет три поверхности (латеральную, медиальную и заднюю) и три края (передний, латеральный и межкостный). На задней поверхности тела расположено питательное отверстие, через который проходит питающий кость кровеносный сосуд. 2. Проксимальный эпифиз Проксимальный эпифиз представлен головкой малоберцовой кости. Медиально располагается верхняя суставная поверхность, сочленяющаяся с проксимальным эпифизом большеберцовой кости, медиально – верхушка головки малоберцовой кости. 3. Дистальный эпифиз - 50 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Дистальный эпифиз несет нижнюю суставную поверхность, сочленяющуюся с суставной поверхностью таранной кости предплюсны. Латеральнее расположен выступ – латеральная лодыжка. Предплюсна Кости предплюсны образуют два ряда: проксимальный и дистальный. К проксимальному ряду относятся таранная и пяточная кости, к дистальному – ладьевидная, кубовидная и клиновидная кости. 1. Таранная кость (сочленяется с костями голени). 2. Пяточная кость. 3. Ладьевидная кость. 4. Кубовидная кость (сочленяется с VI и V костями плюсны). 5. Медиальная клиновидная кость (сочленяется с I костью плюсны). 6. Промежуточная клиновидная кость (сочленяется со II костью плюсны). 7. Латеральная клиновидная кость (сочленяется с III костью плюсны). 2 1 3 4 7 6 5 - 51 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Осевой скелет: позвоночник Атлант - I шейный позвонок, вместе с осевым позвонком и затылочной костью черепа формирует атланто-затылочный комплекс, обеспечивающий подвижность головы, принимает участие в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Атлант состоит из двух дуг – передней и задней, соединенных между собой двумя более развитыми частями – латеральными массами. Дуги атланта ограничивают широкое позвоночное отверстие. На средней части наружной поверхности дуг располагаются передний и задний бугорки. На верхней поверхности задней дуги располагается борозда позвоночной артерии. Латеральные массы сверху и снизу имеют две суставные поверхности. Верхние суставные поверхности вогнутые, они сочленяются с затылочными мыщелками. Нижние суставные поверхности плоские, они сочленяются с верхними суставными поверхностями осевого позвонка. На внутренней поверхности передней дуги атланта имеется пятая суставная поверхность – ямка зуба, которая образует сустав с зубом осевого позвонка. От латеральных масс в обе стороны отходят поперечные отростки. Каждый из них состоит из двух отростков: собственно поперечного (сзади) и реберного (спереди), являющегося рудиментом ребра. Собственно поперечный и реберный отростки ограничивают поперечное отверстие, в котором залегают симпатическое нервное сплетение, артерии и вены. Осевой позвонок - II шейный позвонок, вместе с атлантом и затылочной костью черепа формирует атлантозатылочный комплекс, обеспечивающий подвижность головы, принимает участие в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Осевой позвонок состоит из тела, от которого отходит дуга позвонка. От тела позвонка вертикально вверх отходит отросток – зуб, на передней поверхности которого располагается передняя суставная поверхность. Передняя суставная поверхность зуба образует сустав с ямкой зуба, расположенной на внутренней поверхности передней дуги атланта. На задней поверхности зуба располагается задняя суставная поверхность, к которой прилегает поперечная связка атланта. Дуга позвонка ограничивает позвоночное отверстие. На верхней поверхности дуги у ее основания находятся верхние суставные поверхности, сочленяющиеся с нижними суставными поверхностями атланта. Кроме того, дуга позвонка несет пять отростков: вертикально вниз отходят нижние суставные отростки, несущие - 52 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии суставные поверхности, сочленяющиеся с III шейным позвонков, в обе стороны отходят поперечные отростки и назад отходит непарный остистый отросток, расщепленный сзади. Поперечный отросток образован двумя отростками: собственно поперечным (сзади) и реберным (спереди). Собственно поперечный и реберный отросток ограничивает поперечной отверстие, в котором залегает симпатическое нервное сплетение, артерии и вены. В отличие от других шейных позвонков (кроме атланта), у осевого позвонка отсутствуют передние и задние бугорки поперечного отростка, а также борозда спинномозгового нерва. Шейный позвонок - принимает участие в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Шейный позвонок состоит из относительно небольшого тела, от которого отходит дуга позвонка. Дуга позвонка ограничивает позвоночное отверстие треугольной формы. Ее ножки несут верхние и нижние позвоночные вырезки, которые вместе с нижними и верхними позвоночными вырезками соответственно соседних позвонков образуют межпозвоночные отверстия, через которые выходят спинномозговые нервы. От основания дуги позвонка отходят шесть отростков: вертикально вверх – верхние суставные отростки, сочленяющиеся с нижними суставными отростками вышележащих позвонков, вертикально вниз – нижние суставные отростки, сочленяющиеся с верхними суставными отростками нижележащих позвонков, а также поперечные отростки. Каждый поперечный отросток состоит из двух отростков – собственно поперечного (сзади) и реберного (спереди), являющегося рудиментом ребра. Собственно поперечный и реберный отросток заканчиваются соответственно задним и передним бугорками, разделены бороздой спинномозгового нерва, в которой залегает одноименный нерв и ограничивают поперечной отверстие, в котором располагается симпатическое нервное сплетение, артерии и вены. От средней части дуги позвонка отходит назад остистый отросток, раздвоенный на конце (кроме VII шейного, или выступающего позвонка). Грудной позвонок - принимает участие в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Грудной позвонок состоит из тела и дуги позвонка. В верхней части тела позвонка расположены верхние реберные ямки, в нижней части – нижние реберные ямки. Нижняя ямка вышележащего позвонка образует с верхней ямкой нижележащего позвонка полную - 53 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии суставную ямку, с которой соединяется головка ребра. Ножки дуги позвонка несут верхние и нижние позвоночные вырезки, которые вместе с нижними и верхними позвоночными вырезками соответственно соседних позвонков образуют межпозвоночные отверстия, через которые выходят спинномозговые нервы. Дуга позвонка ограничивает округлое позвоночное отверстие и несет семь отростков: верхние и нижние суставные, на которых почти вертикально (во фронтальной плоскости) расположены суставные поверхности, сочленяющиеся с суставными поверхностями соседних позвонков, поперечные, которые несут поперечные реберные ямки – места сочленения с бугорками ребер, и непарный нераздвоенный остистый отросток. Поясничный позвонок - принимает участие в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Поясничный позвонок представлен массивным телом, от которого отходит дуга позвонка. Дуга ограничивает позвоночное отверстие неправильной треугольной формы. Ножки дуги позвонка несут по две вырезки – верхние и нижние позвоночные. Соединяясь, соответственно, с нижними и верхними позвоночными вырезками соседних позвонков, они образуют межпозвоночные отверстия, через которые выходят спинномозговые нервы. Дуга поясничного позвонка несет следующие отростки: верхние и нижние суставные, служащие для соединения позвонков друг с другом, реберные, представляющие собой рудименты ребер, добавочные, которые находятся на задней поверхности реберных и являются рудиментами поперечных отростков, сосцевидные, к которым прикрепляются мышцы, и непарный нераздвоенный остистый отросток. Суставные поверхности суставных отростков практически вертикальны и залегают в сагиттальной плоскости. Крестец - формирует заднюю стенку малого таза, участвует в формировании позвоночного столба и позвоночного канала Крестец представлен пятью сросшимися крестцовыми позвонками. Следы сращения сохраняются на внутренней поверхности крестца в виде поперечных линий. По всей длине крестца в его дорсальной части проходит крестцовый канал. Различают две поверхности крестца – тазовую, обращенную к малому тазу, и дорсальную, два боковых края, основание (сверху) и вершину (снизу). На тазовой поверхности крестца расположены четыре пары тазовых крестцовых отверстия, ведущих в крестцовый канал. Через них выходят передние - 54 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии ветви спинномозговых нервов. По дорсальной поверхности вертикально проходят пять гребней: срединный крестцовый гребень, затем промежуточные крестцовые гребни, переходящие в крестцовые рога (сочленяются с копчиковыми рогами) и латеральные крестцовые гребни. Между промежуточными и латеральными гребнями располагаются четыре пары дорсальных крестцовых отверстия, ведущих в крестцовый канал. Через них выходят задние ветви спинномозговых нервов. Верхненаружные отделы крестца (латеральные части) образованы сросшимися поперечными отростками крестцовых позвонков. На латеральной поверхности этих частей расположены ушковидные поверхности, служащие для сочленения с подвздошными костями таза. От заднего отдела основания крестца отходят суставные отростки. Их суставные поверхности расположены в сагиттальной плоскости и соединяются с нижними суставными отростками V поясничного позвонка. Череп Затылочная кость - непарная, участвует в формировании основания черепа и его свода В нижней части кости располагается большое затылочное отверстие, соединяющее полость черепа и позвоночный канал. Вокруг большого затылочного отверстия расположены: базилярная часть (спереди), две латеральные части (по бокам) и чешуя затылочной кости (сзади). 1. базилярная часть Мозговая поверхность гладкая, вместе с прилегающим участком клиновидной кости образует скат (на нем лежат продолговатый мозг и мост). У наружного края мозговой поверхности расположена борозда нижнего каменистого синуса, в которой залегает одноименный венозный синус твердой мозговой оболочки. На нижней поверхности находится глоточный бугорок, служащий местом крепления связок глотки. Базилярная часть соединяется с клиновидной костью, образуя клиновидно-затылочный синхондроз, который с возрастом окостеневает. 2. латеральные части На нижней поверхности расположены суставные отростки – затылочные мыщелки – сочленяющиеся с верхними суставными ямками атланта. Позади мыщелка находится мыщелковый канал, являющийся местом залегания мыщелковой эмиссарной вены. На - 55 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии боковой стороне латеральной части имеется яремная вырезка, ограниченная сзади яремным отростком и разделенная на две части внутрияремным отростком. Соединяясь с одноименной вырезкой височной кости, яремная вырезка затылочной кости образует канал, являющийся местом залегания внутренней яремной вены, а также IX – XI пар черепных нервов. Рядом с яремным отростком также имеется отверстие подъязычного нерва. На мозговой поверхности латеральной части находится борозда сигмовидного синуса, в которой залегает одноименный синус твердой мозговой оболочки. 3. чешуя затылочной кости На наружной поверхности в центре расположен наружный затылочный выступ, от которого расходится в обе стороны верхняя выйная линия и отходит наружный затылочный гребень. Параллельно верхней выйной линии проходит нижняя выйная линия. На мозговой поверхности находится крестообразной возвышение, в центре которого расположен внутренний затылочный выступ. От крестообразного возвышения в расходятся борозда поперечного синуса и борозда верхнего сагиттального синуса, в которых залегают одноименные венозные синусы твердой мозговой оболочки, а также внутренний затылочный гребень. Чешуя затылочной кости образует швы с височными и теменными костями. Лобная кость - непарная, участвует в формировании свода черепа, верхней стенки глазницы и носовой полости, височной и передней черепной ямки Лобная кость состоит из лобной чешуи, глазничных частей и носовой части. 1. лобная чешуя Граница между лобной чешуей и глазничными частями проходит по надглазничному краю лобной кости. Надглазничный край заканчивается скуловым отростком, сочленяющимся с лобным отростком скуловой кости. Выше надглазничного края выступает надбровная дуга, над которой находится округлое возвышение – лобный бугор. Между надбровными дугами расположена углубленная площадка – надпереносье. Надглазничный край имеет два отверстия (вырезки): латеральнее располагается надглазничное отверстие, медиальнее – лобное отверстие, через которые проходят латеральная и медиальная ветви надглазничного нерва. На мозговой поверхности располагается борозда верхнего саггитального синуса, в которой залегает одноименный венозный синус твердой мозговой оболочки, переходящая в лобный гребень, на котором крепится серп большого мозга. - 56 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Лобный гребень заканчивается слепым отверстием, в которое проникает отросток твердой мозговой оболочки. Лобная чешуя образует швы с клиновидной, височными и теменными костями. 2. глазничные части Глазничные части имеют два углубления – ямку слезной железы (в которой располагается слезная железа) и блоковую ямку, в которой располагается блоковая ость. Обе глазничные перпендикулярная части разделены пластинка решетчатой решетчатой вырезкой, кости. По краям в которую проникает решетчатой вырезки располагаются решетчатые ямочки, закрывающие отверстия решетчатого лабиринта. Задний край глазничной части образует шов с малым крылом клиновидной кости. 3. носовая часть Носовая часть в виде дуги замыкает решетчатую вырезку. В средней части выступает носовая ость, соединяющаяся с носовыми костями. Рядом с носовой остью располагается апертура лобной пазухи, соединяющая лобную пазуху с носовой полостью. Клиновидная кость - непарная, участвует в формировании основания и свода черепа, задней стенки глазницы и носовой полости, передней черепной, подвисочной и крылонебной ямки. Клиновидная кость состоит из тела, малых крыльев, больших крыльев и крыловидных отростков. На мозговой поверхности тела клиновидной кости расположено турецкое седло, в центре которого находится гипофизарная ямка (в ней залегает гипофиз). Кпереди от гипофизарной ямки расположен бугорок седла, отделяющий ее от борозды перекреста (в ней лежит зрительный перекрест). Борозда перекреста переходит в зрительные каналы, через которые проходит II пара черепных нервов. Перед бороздой перекреста расположена гладкая поверхность – клиновидное возвышение. Кзади от гипофизарной ямки расположена спинка седла, соединяющаяся с базилярной частью затылочной кости посредством клиновидно-затылочного синхондроза, который с возрастом окостеневает. Передняя поверхность тела клиновидной кости обращена в носовую полость. В центре проходит клиновидный гребень, по бокам расположена тонкая пластинка – клиновидная раковина, которая образует стенки клиновидной пазухи. Клиновидная пазуха сообщается со носовой полостью через апертуру клиновидной пазухи. 2. Малые крылья - 57 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Малые крылья расходятся в обе стороны от клиновидного возвышения. Они ограничивают сверху верхнюю глазничную щель и образуют шов с глазничной частью лобной кости. 3. Большие крылья Большое крыло отделено от тела клиновидной кости сонной бороздой (по ней проходит внутренняя сонная артерия). У основания крыла имеются три отверстия: круглое (пропускает верхнечелюстной нерв), кзади от него – овальное (пропускает нижнечелюстной нерв), еще кнаружи и кзади – остистое (пропускает среднюю менингеальную артерию, вену и нерв). На мозговой поверхности большого крыла находятся бороздовые вдавления и артериальные борозды – отпечатки рельефа прилегающей части головного мозга. Внешняя поверхность большого крыла формирует стенки подвисочной и крылонебной ямок, глазничная поверхность образует заднюю стенку глазницы, ограничивает снизу верхнюю глазничную щель и сверху – нижнюю глазничную щель. Большое крыло образует швы с височными, теменными, скуловыми, решетчатой и лобной костями, а также с верхнечелюстными костями. 4. Крыловидные отростки Крыловидный отросток отходит от основания большого крыла вниз. Он состоит из латеральной пластинки и медиальной пластинки, оканчивающейся крыловидным крючком. Латеральная и медиальная пластинки разделены крыловидной вырезкой, заполненной отростком небной кости. У основания крыловидного отростка расположен крыловидный канал, через который проходят сосуды и нервы, а также борозда слуховой трубы. Височная кость - парная, участвует в формировании основания черепа и его свода, является вместилищем преддверно-улиткового органа и опорой жевательного аппарата. На внешней стороне кости находится наружной слуховое отверстие. Вокруг него располагаются: чешуйчатая часть (сверху), каменистая часть (сзади) и барабанная часть (спереди). 1. Чешуйчатая часть На внешней поверхности расположен скуловой отросток, образующий вместе с височным отростком скуловой кости скуловую дугу. У основания скулового отростка находится суставная нижнечелюстная ямка, в которую входит головка нижнечелюстной - 58 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии кости. Нижнечелюстную ямку ограничивает спереди суставной бугорок. Мозговая поверхность несет пальцевые вдавления (отпечатки рельефа поверхности головного мозга) и артериальную борозду, в которой залегает средняя менингеальная артерия. Чешуйчатая часть образует швы с теменной, затылочной, клиновидной и лобной костями. 2. Каменистая часть В заднелатеральной области каменистой части находится сосцевидный отросток, служащий местом крепления мышц жевательного аппарата. Снизу он отделен сосцевидной вырезкой, сзади от него находится сосцевидное отверстие (венозный выпускник). На внутренней поверхности сосцевидного отростка находится борозда сигмовидного синуса, в которой залегает одноименный венозный синус твердой мозговой оболочки. Переднемедиальную область каменистой части образует пирамида, имеющая три поверхности. В центральной части верхней поверхности располагается дугообразной возвышение, под которым проходит передний полукружный канал лабиринта. Латеральнее находится углубление – крыша барабанной полости. Рядом с дугообразным возвышением параллельно друг другу проходят борозды большого и малого каменистых нервов. Рядом с вершиной пирамиды располагается тройничное вдавление – след прохождения V пары черепных нервов. В центральной части задней поверхности пирамиды расположено внутреннее слуховое отверстие, через которое выходят VI – VIII пары черепных нервов. На нижней поверхности пирамиды расположена яремная вырезка, разделенная внутрияремным отростком. Вместе с одноименной вырезкой затылочной кости она образует канал, через который проходит внутренняя яремная вена, а также IX – XI пары черепных нервов. Кпереди от яремной вырезки расположен сонный канал, через который проходит внутренняя сонная артерия. Латерально от яремной вырезки расположен шиловидный отросток, служащий местом крепления мышц. 3. Барабанная часть Барабанная часть имеет кольцевидную форму и образует нижнюю и переднюю стенки наружного слухового прохода. Решетчатая кость - непарная, участвует в формировании верхних отделов носовой полости, глазниц и передней черепной ямки. Решетчатая кость состоит из решетчатой пластинки, перпендикулярной пластинки и решетчатого лабиринта. - 59 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Решетчатая пластинка заполняет решетчатую вырезку лобной кости, являясь верхней стенкой носовой полости. Она продырявлена небольшими отверстиями, через которые проходят обонятельные нервы. Перпендикулярная пластинка расположена вертикально и состоит из двух неравных частей – верхней и нижней. Верхняя часть представлена петушиным гребнем (к нему прикрепляется серп большого мозга). Нижняя часть формирует верхнюю часть костной перегородки носовой полости, соединяясь с клиновидным гребнем и сошником. Решетчатый лабиринт – парное образование, лежит по обе стороны перпендикулярной пластинки параллельно ей. Он представлен воздухоносными решетчатыми ячейками, которые сообщаются с решетчатыми ямочками лобной кости. Ячейки делятся на передние, открывающиеся в средний носовой ход, средние и задние, открывающиеся в верхний носовой ход. Латеральная стенка лабиринта представлена глазничной пластинкой, формирующей большую часть боковой стенки глазницы. Она соединяется с глазничной поверхностью лобной кости, глазничным отростком верхнечелюстной кости и большим крылом клиновидной кости. Медиальная стенка лабиринта представлена тонкими завернутыми кнаружи отростками: верхней носовой раковиной и средней носовой раковиной. Между ними проходит верхний носовой ход, средняя носовая раковина ограничивает сверху средний носовой ход. Книзу от носовых раковин расположен крючковидный отросток, служащий местом прикрепления нижней носовой раковины. Верхнечелюстная кость - парная, участвует в формировании нижней стенки глазницы и латеральной стенки полости носа, костного неба, подвисочной и крылонебной ямок. Верхнечелюстная кость состоит из тела и четырех отростков: лобного, скулового, небного и альвеолярного. Внутри тела верхнечелюстной кости расположена обширная полость – верхнечелюстная (гайморова) пазуха, открывающаяся на носовой поверхности апертурой верхнечелюстной пазухи. Кпереди от апертуры верхнечелюстной пазухи расположен раковинный гребень, к которому прикрепляется нижняя носовая раковина. Глазничная поверхность тела верхнечелюстной кости гладкая, ограничена подглазничным краем, переходящим в скуловой отросток, который соединяется со скуловой костью. Задний край глазничной поверхности ограничивает снизу нижнюю глазничную щель. В средней части глазничной поверхности расположена подглазничная борозда, переходящая затем в канал, - 60 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии который открывается на передней поверхности. Через подглазничный канал проходит подглазничный нерв, артерия и вена. Подвисочная поверхность формирует стенки подвисочной и крылонебной ямок, на ней открываются альвеолярные каналы, через которые проходят нервы к зубам верхней челюсти. На передней поверхности тела верхнечелюстной кости имеется носовая вырезка. Носовые вырезки верхнечелюстных костей формируют грушевидное отверстие, ведущее в полость носа. Лобный отросток верхнечелюстной кости соединяется с лобной и носовой костью. Небный отросток представляет собой горизонтальную пластинку. Небные отростки верхнечелюстных костей (соединены срединным небным швом) вместе с небными костями (соединены с верхнечелюстными поперечным небным швом) формируют костное небо. В передней части небного отростка расположена резцовая вырезка. Вместе с резцовой вырезкой соседней верхнечелюстной кости она формирует резцовое отверстие. Альвеолярный отросток несет зубные альвеолы, отделенные друг от друга межальвеолярными перегородками. перегородками Альвеолярные и разделенные отростки на части верхнечелюстных межкорневыми костей соединены межверхнечелюстным швом. Нижнечелюстная кость - непарная, образует нижний отдел лицевого черепа. Нижнечелюстная кость состоит из тела и двух отростков, называемых ветвями. Верхний край тела нижнечелюстной кости образован альвеолярной дугой. На ней находятся зубные альвеолы, отделенные друг от друга межальвеолярными перегородками и разделенные межкорневыми перегородками. На наружной поверхности тела в средней части находится небольшой подбородочный выступ. Кнаружи от этого выступа находится подбородочное отверстие, соответствующее корню второго малого коренного зуба и открывающееся в нижнечелюстной канал. На внутренней поверхности тела нижнечелюстной кости расположена подбородочная ость. Кнаружи от нее расположена подъязычная ямка (след прилегания подъязычной железы), ниже располагается нижнечелюстная ямка (след прилегания поднижнечелюстной железы). Подъязычная и нижнечелюстная ямки разделены челюстно-подъязычной линией, служащей местом прикрепления мышц жевательного аппарата. У нижнего края внутренней поверхности располагается двубрюшная ямка, от которой берет начало двубрюшная мышца. - 61 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Посередине внутренней поверхности ветви расположено нижнечелюстное отверстие, прикрытое язычком нижней челюсти и ведущее в нижнечелюстной канал, через который проходят нервы к зубам нижней челюсти. На верхнем конце ветви имеются два отростка – венечный и мыщелковый, разделенные вырезкой нижней челюсти. Мыщелковый отросток формирует сустав с нижнечелюстной ямкой височной кости. Он заканчивается головкой нижней челюсти, переходящей в шейку нижней челюсти. Гистология Изучение постоянных препаратов животных тканей с целью определения типа ткани Гистология – раздел биологии, изучающий строение тканей живых организмов. Сложилось так, что современная гистология изучает в основном ткани млекопитающих, оставив без внимания ткани остальных хордовых и всех беспозвоночных, а также растительные ткани (которые традиционно изучаются в курсе анатомии растений). По данной причине в этом разделе мы будем касаться строения только тканей млекопитающих. На экспериментальном туре в кабинете гистологии (9 класс) стандартным заданием является определение вида ткани, предложенной в виде постоянного препарата. Приготовление большинства гистологических препаратов требует длительного времени и специального оборудования (гистологической «проводки», микротома), поэтому не может быть дано в качестве задания на экспериментальном туре олимпиады. 10-11-м классам как правило предлагают задания, связанные с определением и описанием микрофотографий, сделанных на электронном микроскопе. Виды гистологических препаратов В гистологии принято пользоваться постоянными препаратами, временные припараты применяются только для прижизненного изучения некоторых тканей и структур: брыжеек, крови. Различают несколько основных видов препаратов тканей: срез тотальный препарат - 62 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Посередине внутренней поверхности ветви расположено нижнечелюстное отверстие, прикрытое язычком нижней челюсти и ведущее в нижнечелюстной канал, через который проходят нервы к зубам нижней челюсти. На верхнем конце ветви имеются два отростка – венечный и мыщелковый, разделенные вырезкой нижней челюсти. Мыщелковый отросток формирует сустав с нижнечелюстной ямкой височной кости. Он заканчивается головкой нижней челюсти, переходящей в шейку нижней челюсти. Гистология Изучение постоянных препаратов животных тканей с целью определения типа ткани Гистология – раздел биологии, изучающий строение тканей живых организмов. Сложилось так, что современная гистология изучает в основном ткани млекопитающих, оставив без внимания ткани остальных хордовых и всех беспозвоночных, а также растительные ткани (которые традиционно изучаются в курсе анатомии растений). По данной причине в этом разделе мы будем касаться строения только тканей млекопитающих. На экспериментальном туре в кабинете гистологии (9 класс) стандартным заданием является определение вида ткани, предложенной в виде постоянного препарата. Приготовление большинства гистологических препаратов требует длительного времени и специального оборудования (гистологической «проводки», микротома), поэтому не может быть дано в качестве задания на экспериментальном туре олимпиады. 10-11-м классам как правило предлагают задания, связанные с определением и описанием микрофотографий, сделанных на электронном микроскопе. Виды гистологических препаратов В гистологии принято пользоваться постоянными препаратами, временные припараты применяются только для прижизненного изучения некоторых тканей и структур: брыжеек, крови. Различают несколько основных видов препаратов тканей: срез тотальный препарат - 63 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии пленка отпечаток мазок Рассмотрим каждый тип гистологического препарата подробнее. Наиболее распространенным является срез. Срезы в гистологии делятся на три вида, в зависимости от толщины и способа приготовления: парафиновые, тонкие и полутонкие срезы. Первые обладают наибольшей толщиной, готовятся путем заливки ткани в парафин и нарезания кусочка парафина вместе с тканью на микротоме. Парафиновые срезы – самые обычные гистологические препараты, именно их обычно дают для изучения и определения на олимпиаде. Тонкие и полутонкие срезы готовятся на криотоме (ткань замораживается, а затем тонко срезается) и отличаются толщиной: полутонкие срезы - , тонкие - . Такие срезы используются, к примеру, в иммуногистохимии для выявления локализации определенных белков в различных тканях, и на олимпиаде не предлагаются. Тотальный препаратом называют препарат целой, ненарушенной ткани, части органа, органа или даже организма. Препараты такого типа широко распространены в эмбриологии, поскольку хороши для исследования строения стадий развития эмбриона. На тотальном препарате особенно удобно рассматривать прозрачные и обладающие небольшой толщиной ткани, органы и организмы (например, тотальный препарат сальника, ворсинки хориона и ланцетника, соответственно). Тотальный препарат какой-либо ткани может быть предложен на олимпиаде с целью определения типа этой ткани. Пленки – тонкие естественные слои тканей, толщина которых достаточно мала, чтобы использовать для их изучения световую микроскопию. Пленки могут быть использованы для приготовления как постоянных, так и временных (прижизненных) препаратов. В виде пленок изучаются являются брыжейки, мягкая оболочка мозга. Пленка для гистологического исследования клеток, участвующих в воспалительном процессе, может быть приготовлена «искусственно». Для этого в коже подопытного животного делается надрез, куда вставляется покровное стекло. На месте инородного тела возникает воспаление. По прошествии некоторого времени стекло осторожно вынимают и исследуют пленку налипших на него клеток воспаления. Отпечаток представляет собой специфический тип приготовления препарата. Для получения отпечатка интересующую ткань плотно прижимают к предметному стеклу, затем ткань убирают, а оставшиеся на стекле клетки (отпечаток) фиксируют, окрашивают и исследуют. Понятно, что отпечаток может быть сделан не со всех тканей, а только с рыхлых, - 64 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии обладающих большим числом межклеточного вещества, относительно легко «рассыпающихся», то есть с соединительных тканей. Отпечаток рутинно используется в гистологической и медицинской практике для исследования костного мозга. Вероятность того, что препарат в виде отпечатка предложат на олимпиаде, мала. Мазок, как и отпечаток – достаточно «узкоспециализированный» препарат. Мазки используют для исследования жидких тканей, то есть крови, лимфы, ликвора. Мазки, как и пленки, могут служить объектами прижизненного изучения тканей. Мазок крови может быть дан на олимпиаде для определения различных клеток крови. Окрашивание гистологических препаратов Большая часть тканей живых организмов окрашена достаточно слабо, в организме высших хордовых исключением являются пигментные клетки, а также эритроциты крови. Гистологические препараты исследуются на световом микроскопе, поэтому должны пропускать свет через себя, поэтому срезы, пленки, мазки и отпечатки – тонкие, прозрачные, слабоокрашенные и неокрашенные препараты. Тотальные препараты могут быть окрашенными в силу большей толщины. На неокрашенном препарате сложно увидеть границы клеток, различить ядра в цитоплазме. По этой причине гистологические препараты требуют окраски. Даже относительно яркие и естественно окрашенные препараты (к примеру, мазок крови), обычно докрашивают дополнительно, чтобы выявить детали (в приведенном примере – выявить прозрачные в норме лейкоциты). Окрашивание гистологических препаратов позволяет выявить различные микроструктуры клеток и тканей, повысить их контрастность. Микроструктуры, отличающиеся по своим физико-химическим свойствам, по-разному воспринимают красители, среди которых различают основные, кислые и нейтральные. Основные красители – обычно красящие соли оснований (гематоксилин, метиловый синий, толуидиновый синий, азуры и др.), связываясь с кислотными группами внутри клеток и в межклеточном веществе, вызывают их окрашивание. Структуры, базофильными. Кислые воспринимающие красители (эозин, основные эритрозин), красители, связываясь называются с оснОвными соединениями внутри и вне клетки, вызывают их окрашивание в цвета красителя. Структуры, воспринимающие кислые красители, носят название оксифильных. Нейтральные красителисодержат как основные, так и кислые красящие компоненты. Нейтральные красители менее распространены в гистологической практике, чем кислые и основные. - 65 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Остановимся немного подробнее на самом распространенном способе окраски гистологических препаратов – окраске гематоксилином и эозином. Сочетание этих красителей позволяет увидеть ядра клеток, что зачастую достаточно для изучения препаратов. Гематоксилин сам по себе красящим веществом не является, но под влиянием окислителей, например слабой азотной кислоты, или при действии кислорода воздуха на щелочной раствор его гематоксилин переходить в гематеин – синефиолетовый краситель (рис. 28). При попадании в клетку он связывается с отрицательно заряженным (кислым) сахарофосфатным остовом нуклеиновых кислот. Концентрация нуклеиновых кислот в клетке гораздо выше в ядре, чем в цитоплазме, поэтому с помощью гематоксилина на препарате выявляются ядра. Гематоксилин представляет собой бесцветные кристаллы, добываемые из древесины кампешевого дерева из семейства бобовых, произрастающего в экваториальных лесах. Рис. 28. Структура гематоксилина (слева) и гематеина (справа). Красным показана связь, которой отличаются эти вещества. В гематеине имеется сопряженная пи-система электронов, за счет чего гематеин является окрашенным веществом. В гематоксилине такая система сформироваться не может за счет «неудачного» положения выделенной двойной связи, поэтому он бесцветен. Эозин – кислый базофильный спирторастворимый краситель, он окрашивает цитоплазму клетки в розовый цвет. Существует несколько подвидов эозина, различающихся по строению и свойствам, в гистологии чаще всего применяется так называемый эозин Y (рис. 29). Окраска препарата в зависимости от типа красителя (гематоксилин Карачи, гематоксилин Эрлиха, разные виды эозина и т.п.), от времени нахождения препарата в красителе и других факторов может быть более или менее насыщенной - 66 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 29. Структура эозина Y, наиболее распространенного в гистологической практике. Обратите внимание на карбоксильную группу, делающую эозин кислым красителем. Рис. 30. Препарат коркового вещества почки, окрашенный гематоксилином и эозином. - 67 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Кроме окраски гематоксилином и эозином в гистологической практике также применяется окрашивание метиленовым или толуидиновым синим, фуксином и др. неспецифическими к определенному типу клеток красителями Препараты, окрашенные описанными способами, наиболее часто предлагаются для изучения на олимпиадах. Существует также дифференциальная окраска, позволяющая отличить одни клетки от других, выявить определенные типы клеток. Такой является, к примеру, окраска крови по Романовскому-Гимза, позволяющая исследовать разнообразие лейкоцитов. Определение вида ткани по постоянному препарату Все ткани, слагающие тело млекопитающего, подразделяются на четыре неравноценные: эпителиальные, мышечные, нервные ткани и ткани внутренней среды. Последнюю группу еще называют соединительными тканями, однако сейчас принято включать соединительные ткани как подгруппу в группу тканей внутренней среды. Не будем глубоко вдаваться в вопросы гистологической номенклатуры, а лучше рассмотрим каждую из названных групп по отдельности, определим особенности тканей каждой группы, позволяющие отличить их од других тканей. Эпителиальные ткани Эпителиальные ткани (эпителии) покрывают поверхность тела и выстилают слизистые оболочки, отделяя организм от внешней среды, а также образуют железы (железистый эпителий). Для всех эпителиев характерны следующие признаки: 1. Эпителий образует слой (слои) клеток, лежащих на базальной мембране. Базальная мембрана – слой межклеточного вещества, тонкая пластинка, подстилающая эпителий. В световой микроскоп может быть и незаметна, но о ее наличии говорит четкая ровная граница между клетками эпителия и подлежащей тканью. 2. Эпителий никогда не содержит ярко выраженного межклеточного вещества, кроме базальной пластинки; 3. Клетки всех эпителиев расположены бок о бок очень плотно и соединены многочисленными контактами. Эти контакты доступны для детального изучения только на электронномикроскопическом уровне, однако об их наличии говорит плотное прилегание клеток эпителия друг к другу. Клетки любого эпителия плотно прилегают как друг к другу, так и к базальной мембране. - 68 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии 4. И в самом эпителии, и в базальной мембране нет сосудов; в организме клетки эпителиев питаются за счет подлежащей соединительной ткани. Следовательно, под любым эпителием всегда есть более или менее выраженный слой соединительной ткани (дерма кожи питает эпидермис, сосудистая оболочка глаза питает пигментный эпителий и т.п.) Классификация эпителиев Для системы эпителиальных тканей используется 2 классификации – морфофункциональная (по строению и функции) и гистогенетическая (по происхождению или источникам развития). Здесь мы рассмотрим только первую классификацию, поскольку в первую очередь именно ее знание требуется на экспериментальном туре олимпиады. В зависимости от количества клеток эпителии подразделяются на однослойные и многослойные. «Промежуточным» типом служит многорядный эпителий. Рассмотрим названые группы эпителиев. Однослойные эпителии обладают наиболее простым строением, представляя один слой клеток, лежащих на базальной мембране. Эти клетки могут быть плоскими, кубическими, цилиндрическими. Клетки последнего типа могут обладать ресничками на апикальном (противоположном базальной мембране) конце. Соответственно указанной морфологии, выделяют однослойный плоский, однослойный кубический, однослойный призматический (цилиндрический) эпителий, однослойный призматический реснитчатый (мерцательный) эпителий. Плоский эпителий выстилает участки, где необходима высокая проницаемость эпителия для различных веществ – сосуды изнутри (эндотелий), серозные оболочки (мезотелий) и др. Кубический эпителий представлен кубовидными клетками, которые выстилают почечные канальцы, наружную поверхность яичника и другие органы. Призматический эпителий представлен клетками цилиндрической формы, им выстлан желудок, кишечник, матка и другие органы. Ресничный эпителий представлен клетками, на поверхности которых имеются реснички. Биение этих ресничек обуславливает перемещение слизи и других веществ по эпителиальному слою. Выстилает бронхиолы, маточные трубы. Многорядные эпителии относятся к однослойным, хотя и могут выглядеть как многослойные. В этих эпителиях клетки разной формы располагаются «этажами», но каждая прикрепляется к базальной мембране. Все клетки контактируют с базальной мембраной, но имеют разную высоту и поэтому ядра располагаются на разных уровнях, то есть в несколько - 69 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии рядов. Многорядный реснитчатый эпителий выстилает воздухоносные пути вплоть до бронхов второго порядка. В составе этого эпителия различают разновидности клеток: короткие и длинные вставочные клетки (обеспечивают регенерацию); бокаловидные клетки - имеют форму бокала, плохо воспринимают красители (в препарате - белые), вырабатывают слизь; реснитчатые клетки, на апикальной поверхности имеют мерцательные реснички. Клетки истинно многослойных эпителиев располагаются слоями так, что в средних и верхних слоях эпителиоциты не прикрепляются к базальной мембране. Среди многослойных эпителиев выделяют многослойный плоский ороговевающий и неороговевающий эпителий, а также переходный эпителий. Многослойный плоский неороговевающий эпителий - выстилает передний (ротовая полость, глотка, пищевод) и конечный отдел (анальный отдел прямой кишки) пищеварительной системы, роговицу. Функция этого эпителия – механическая защита названных отделов кишечника. Состоит из следующих слоев: а) базальный слой – цилиндрической формы эпителиоциты б) шиповатый слой – состоит из значительного количества слоев клеток шиповатой формы в) покровные клетки – плоские, стареющие клетки, не делятся, с поверхности постепенно слущиваются Многослойный плоский ороговевающий эпителий – это эпителий кожи. Развивается из эктодермы, выполняет защитную функцию – защита от механических повреждений, лучевого, бактериального и химического воздействия, отделяет организм от окружающей среды. Состоит из следующих слоев: а) базальный слой - во многом похож на аналогичный слой многослойного неороговевающего эпителия; дополнительно: содержит до 10% меланоцитов - отросчатые клетки с включениями меланина в цитоплазме; имеется небольшое количество клеток Меркеля (входят в состав механорецепторов); дендритические клетки с защитной функцией путем фагоцитоза; в эпителиоцитах содержатся тонофибриллы (органоид специального назначения - обеспечивают прочность). б) шиповатый слой – состоит из эпителиоцитов с шиповидными выростами. Клетки могут делиться - 70 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии в) зернистый слой - из нескольких рядов вытянутых уплощенно-овальных клеток с базофильными гранулами кератогиалина (предшественник рогового вещества - кератина) в цитоплазме; клетки не делятся. г) блестящий слой - клетки полностью заполнены элеидином (образуется из кератина и продуктов распада тонофибрилл), отражающим и сильно преломляющим свет; под микроскопом границ клеток и ядер не видно. д) слой роговых чешуек - состоит из роговых пластинок из кератина. С поверхности чешуйки слущиваются. Переходный эпителий - выстилает полые органы, стенка которых способна сильному растяжению (лоханка, мочеточники, мочевой пузырь). Слои: базальный слой из мелких низкопризматических или кубических клеток. Обеспечивает регенерацию; промежуточный слой - из крупных грушевидных клеток, узкой базальной частью, контактирующий с базальной мембраной (стенка не растянута, поэтому эпителий утолщен); когда стенка органа растянута, грушевидные клетки уменьшаются по высоте и располагаются среди базальных клеток. покровные клетки - крупные куполообразные клетки; при растянутой стенке органа клетки уплощаются; клетки не делятся, постепенно слущиваются. Таким образом, строение переходного эпителия изменяется в зависимости от состояния органа: когда стенка не растянута, эпителий утолщен за счет "вытеснения" части клеток из базального слоя в промежуточный слой; при растянутой стенки толщина эпителия уменьшается за счет уплощения покровных клеток и перехода части клеток из промежуточного слоя в базальный. Ткани внутренней среды (ТВС) Самые разнорые на вид ткани объединяются в группу тканей внутренней среды двумя основными признаками: происхождением в онтогенезе из мезенхимы и важной ролью, которую играет межклеточное вещество в функционировании ткани. Первый признак имеет в нашем случае меньшее значение, поскольку по препарату ткани невозможно проследить происхождение этой ткани. По выраженности межклеточного вещества ткани внутренней среды представляют собой «антиэпителий». Межклеточное вещество тканей внутренней среды очень хорошо выражено и чаще всего занимает больший объем ткани, чем клетки. Клетки ТВС зачастую оказываются замурованными в толще выделяемого ими же - 71 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии межклеточного вещества, что имеет место, к примеру, в кости, хряще, плотной соединительной ткани. Следовательно, если на препарате ткани видно, что клетки расположены рыхло, не связаны между собой, и их окружает большое количество межклеточного вещества, значит перед вами препарат одной из тканей внутренней среды. Но на этом определение ткани не оканчивается, поскольку ТВС чрезвычайно разнообразны и включают такие разные разновидности тканей, как кровь, кость и жировую ткань. Классификация ТВС Согласно современным представлениям, ткани внутренней среды делятся на несколько групп: I. Кровь и лимфа (ТВС, выполняющие трофическую и защитную функцию). II.Собственно соединительные ткани (выполняют опорно-механичекую, трофическую и защитную функции): 1. Волокнистые соединительные ткани. а) рыхлая волокнистая соединительная ткань; б) плотная волокнистая соединительная ткань: оформленная плотная волокнистая соединительная ткань; неоформленная плотная волокнистая соединительная ткань. 2. Соединительные ткани со специальными свойствами: а) ретикулярная ткань; б) жировая ткань; в) слизисто-студенистая ткань; г) пигментная ткань; III. Скелетные ткани (выполняют опорно-механическую функцию): 1. Хрящевые ткани. а) гиалиновый хрящ; б) эластический хрящ; в) волокнистый хрящ 2. Костные ткани. а) тонковолокнистая костная ткань б) грубоволокнистая костная ткань - 72 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии В списке жирным шрифтом выделены ткани, препараты которых больше всего можно ожидать на олимпиаде. Рассмотрим особенности этих тканей, позволяющие отличить их друг от друга и от остальных ТВС. Кровь. Спутать препарат крови вряд ли с чем удастся, поэтому на олимпиаде этот препарат может быть предложен скорее не для определения, а для описания составляющих его компонентов. Из клеточных элементов на препарате крови наиболее представлены эритроциты. Сложнее найти лейкоциты, еще сложнее – лейкоциты всех основных типов. Найти все разнообразие лейкоцитов на одном препарате почти никогда не удается, поэтому не следует пугаться, если не удается найти какого-нибудь базофила. Достаточно найти несколько лейкоцитов, назвать и описать их. С наибольшей вероятностью попадутся нейтрофилы, поскольку они составляют около 75 процентов лейкоцитов крови. Нейтрофилы, эозинофилы и базофилы – представители гранулоцитов (гранулосодержащих лимфоцитов). Их отличает наличие большого числа гранул в цитоплазме. На окрашенном препарате эти гранулы обычно разноцветные, что дополнительно позволяет отличать гранулоциты один от другого. Наиболее своеобразный вид имеют гранулы эозинофилов – они крупные, яркооранжевые. В некоторых случаях эозинофил очень напоминает красную икринку из-за обилия гранул, за которыми не видно ядра. Эозинофил трудно найти и так же трудно спутать с какой-либо другой клеткой. Базофил найти еще труднее – это самый редкий «гость» на срезе. Базофильные лейкоциты имеют достаточно крупные гранулы, окрашенные в синий цвет, и ядро, часто напоминающее песочные часы. Упомянутые выше нейтрофилы легче всего найти в сегментоядерной форме. Гранулы нейтрофилов мелкие и красятся как основными, так и кислотными красителями. - 73 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 31. Гранулоциты крови. Слева направо: базофил, эозинофил, сегментоядерный нейтрофил. Остальные лейкоциты относятся к агранулоцитам, в их цитоплазме столь характерных гранул нет (но не стоит думать, что их цитоплазма равномерная и без включений. Не забывайте, что это все-таки лейкоциты – «защитники» организма и в них как минимум есть большое количество лизосом). Лимфоциты легко отличить от остальных клеток по огромному ядру. Ядро лимфоцита занимает большую часть клетки, типичный лимфоцит выглядит как ядро с ободком цитоплазмы. Рис. 32. Лимфоциты Моноцит – представитель еще одной группы агранулоцитов – это, как правило, самая большая и бледноокрашенная клетка на препарате. Имеют характерное бобовидное ядро, сдвинутое к периферии. Тромбоциты – кровяные пластинки, найти достаточно трудно, но возможно. Не забывайте, что это не клетки, а просто участки цитоплазмы, и ядра у них нет. Рыхлая волокнистая соединительная ткань (РВСТ) легко узнаваема и вполне оправдывает свое название. Это рыхлая ткань с большим количеством хаотично расположенных аморфном веществе коллагеновых и эластиновых волокон и разбросанными между ними клетками. Из последних чаще всего встречаются – фибробласты - 74 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии и фиброциты, которые как раз и выделяют упомянутые волокна. Могут попадаться и другие клетки – макрофаги, плазмоциты, жировые клетки. РВСТ характеризуется большим разнообразием клеток. Очень часто в РВСТ встречаются кровеносные капилляры. РВСТ в организме выполняет в основном трофическую функцию, но также и защитную, опорномеханическую и пластическую (регенеративную). Рис. 33. Рыхлая волокнистая соединительная ткань. Плотная волокнистая соединительная ткань, в отличие от РВСТ, выполняет только опорно-механическую функцию, поэтому богаче волокнами и беднее клетками. Общей особенностью для ПВСТ является преобладание межклеточного вещества над клеточным компонентом, а в межклеточном веществе волокна преобладают над основным аморфном веществом и располагаются по отношению друг к другу очень близко (плотно). По расположению волокон ПВСТ подразделяется на оформленную ПВСТ (волокна располагаются упорядоченно – параллельно друг к другу) и неоформленную ПВСТ (волокна располагаются беспорядочно). К оформленной ПВСТ относятся сухожилия, связки, фасции, а к неоформленной ПВСТ – сетчатый слой дермы, капсулы паренхиматозных органов. В ПВСТ между коллагеновыми волокнами встречаются прослойки рыхлой соединительной ткани с кровеносными сосудами и нервными волокнами. - 75 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 34. Сухожилие, состоящее из плотной оформленной соединительной ткани Жировая ткань - это скопление жировых клеток (адипоцитов, липоцитов). Различают белые и бурые жировые клетки: 1. Белые липоциты – округлые клетки с узенькой полоской цитоплазмы вокруг одной большой капельки жира в центре. В цитоплазме органоидов мало. Небольшое ядро располагается эксцентрично. При изготовлении гистопрепаратов обычным способом капелька жира растворяется в спирте и вымывается, поэтому оставшаяся узкая кольцеобразная полоска цито-плазмы с эксцентрично расположенным ядром напоминает перстень. Белые липоциты выполняют запасающую функцию. 2. Бурые липоциты - округлые клетки с центральным расположением ядра. Жировые включения в цитоплазме выявляются в виде многочисленных мелких капелек. В цитоплазме много митохондрий с высокой активностью железосодержащего (придает бурый цвет) окислительного фермента цитохромоксидазы. Бурые липоциты, в отличие от белых, не накапливают жир, а наоборот, "сжигают" его в митохондриях, а освободившееся при этом тепло расходуется для согревания крови в капиллярах. Таким образом, бурые липоциты участвуют в терморегуляции В соответствие наличию 2 типов жировых клеток различают 2 разновидности жировой ткани: белый жир (скопление белых жировых клеток) - имеется в подкожной жировой клетчатке, в сальниках, вокруг паренхиматозных и полых органов; бурый жир (скопление бурых жировых клеток) - имеется у животных впадающих в зимнюю спячку, у человека в - 76 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии основном только в период новорожденности и в раннем детском возрасте. У взрослого человека небольшое количество бурого жира сохраняется в шее – для согревания крови, идущей к мозгу. Рис. 35. Белая жировая ткань Пигментная ткань - скопление большого количества меланоцитов (пигментных клеток). Имеется в определенных участках кожи (вокруг сосков молочных желез), в радужке глаза, и т.д. Выполняет функцию защиты от ультрафиолетового излучения Солнца. Пигментные клетки очень часто предлагают для определения, потому что их с первого взгляда можно спутать с нейронами. Пигментные клетки – сильноотростчатые, содержат гранулы пигмента меланина. В отличие от нейронов, все отростки меланоцитов равноценны (у нейронов выделяется длинный отросток – аксон и остальные отростки – дендриты). - 77 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 36. Пигментные клетки. Неокрашенный препарат. Хрящи легко отличить от других тканей, но при попытке различить разные виды хряща между собой зачастую возникают трудности. Хрящевая ткань, как любая соединительная ткань, состоят из клеток и межклеточного вещества. Мы рассмотрим здесь строение взрослого хряща, не останавливаясь на его развитии. Хондроциты - основные клетки хрящевой ткани, располагаются в полостях – лакунах. Характерным признаком хрящевой ткани являются клетки, по одной или чаще группами (изогенными группами) «замурованные» в межклеточном веществе. Гиалиновый хрящ - покрывает все суставные поверхности костей, содержится в грудинных концах ребер, в воздухоносных путях. Главное отличие гиалинового хряща от остальных хрящей в строении межклеточного вещества: межклеточное вещество гиалинового хряща в препаратах окрашенных гематоксилинэозином кажется гомогенным, не содержащим волокон. В действительности в межклеточном веществе имеется большое количество коллагеновых волокон, у которых коэффициент преломления одинаковый с коэффициентом преломления основного вещества, поэтому коллагеновые волокна под микроскопом не видимы, они маскированы. Второе отличие гиалинового хряща - вокруг изогенных групп имеется четко выраженная базофильная зона – так называемый территориальный матрикс. Это связано с тем, что хондроциты выделяют в большом количестве гликозаминогликаны с кислой реакцией, поэтому этот участок окрашивается - 78 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии основными красками, т.е. базофилен. Слабооксифильные участки между территориальными матриксами называются интертерриториальным матриксом. Рис. 37. Гиалиновый хрящ. Обратите внимание на гомогенность межклеточного вещества. Эластический хрящ имеется в ушной раковине, надгортаннике, рожковидных и клиновидных хрящах гортани. Главное отличие эластического хряща – в межклеточном веществе кроме коллагеновых волокон имеется большое количество беспорядочно расположенных эластических волокон, что придает эластичность хрящу. Рис. 38. Эластический хрящ - 79 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Волокнистый хрящ расположен в местах прикрепления сухожилий к костям и хрящам, в симфизе и межпозвоночных дисках. По строению занимает промежуточное положение между плотной оформленной соединительной и хрящевой тканью. В отличие от других хрящей, в межклеточном веществе волокнистого хряща гораздо больше коллагеновых волокон, причем волокна расположены ориентированно - образуют толстые пучки, хорошо видимые под микроскопом. Хондроциты чаще лежат по одиночке вдоль волокон, не образуя изогенные группы. Для определения костной ткани предлагаются обычно относительно несложные препараты, к примеру, спил кости. На таком спиле хорошо видно остеоны, и легко определить, что за ткань вам дали. Рис. 39. Зрелая кость на спиле. Обозначения:1 – остеон, 2 - канал остеона (Гаверсов канал), 3 - вставочные костные пластинки, 6 - остеоциты - 80 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Нервная ткань Определять серое вещество достаточно просто, так как нейроны имеют узнаваемый вид. По форме имеются звездчатые, пирамидные, веретиновидные, паукообразные и др. разновидности нейронов (нейроцитов). Отличительной особенность нейронов является обязательное наличие отростков. Среди отростков различают аксон (у клетки всегда только 1, обычно длинный отросток; проводит импульс от тела нейроцита к другим клеткам) и дендрит (у клетки 1 или несколько, обычно сильно разветвляются; проводят импульс к телу нейроцита). ПО количеству отростков Нероны делятся на униполярные, псевдоуниполярные, биполярные и мультиполярные. В любом случае у нейрона только один аксон, остальные отростки, сколько бы их ни было, являются дендритами. Униполярные нейроны имеют единственный отросток – аксон. От тела псевдоуниполярных нейронов отходит один отросток, который позже (не очень далеко от тела) разветвляется на два. У биполярных нейронов имеется один аксон и один дендрит. Мультиполярные нейроциты – это многоотростчатые нейроны «классического» вида. Кроме нейронов, в нервной ткани есть и другие клетки – глиоциты, выполняющие большое количество функций по «обслуживанию» нейронов. Обычно на олимпиаде не просят определять присутствующие на срезе глиоциты. Очень часто предлагают для определения препарат нервных волокон - миелинизированных (мякотных) или немиелинизированных (безмякотных). В продольном срезе миелиновое нервное волокно также представляет собой цепочку леммоцитов (шванновских клеток, разновидность глиоцитов), "нанизанных" на осевой цилиндр; границы между соседними леммоцитами в волокне называются перехватами (перехваты Ранвье). Именно по этим перехватам и большей толщине (за счет миелина) можно отличить мякотные нервные волокна (рис. 40). Такие волокна на препарате обычно темные (из-за метода окраски). На поперечном срезе миелиновых волокон хорошо заметны толстые кольца миелина (рис. 40). Безмиелиновые нервные волокна тонкие, на препарате обычно розоватые, перехватов не имеют (рис. 41). На препаратах таких волокон обычно сильно выделяются ядра шванновских клеток, поэтому безмякотные волокна легко спутать с первого взгляда с гладкой мышцей (рис. 41). Но гладкая мышца состоит из веретеновидных одноядерных клеток, а в волокне таких клеток нет. - 81 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 40. Мякотные нервные волокна. Справа – расщип нерва, слева – поперечный срез. Рис. 41. Сверху – Безмиелиновые нервные волокна (1 – ядра Шванновских клеток). Снизу – гладкомышечная ткань. - 82 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Мышечная ткань Мышечная ткань подразделяется на поперечнополосатую и гладкую, первая, в свою очередь, делится на скелетную и сердечную. Поперечнополосатую мышечную ткань сложно спутать с какой-либо еще тканью. Характернейший ее признак, сразу бросающийся в глаза – огромное количество ядер. Их видно и на продольном, и на поперечном, обычно вызывающем больше трудностей, срезе. Ткань выглядит посыпанной перцем – так много в ней ядер. На продольном срезе хорошо видна исчерченность волокон, на поперечном срезе придется определять ткань только по ядрам и по характерной морфологии – мышечные волокна собраны в пучки. Поперечнополосатая ткань состоит из мышечных волокон – огромных синцитиев. Отдельных мышечных клеток в этой ткани нет. Рис. 42. Поперечнополосатая скелетная мышечная ткань Очень сходна со скелетной поперечнополосатой мышечной тканью сердечная мышечная ткань. Ее основное отличие – наличие отдельных клеток (кардиомиоцитов), а не синцитиев, как в скелетной мышечной ткани. Кроме того, в кардиомиоцитах присутствуют так называемые вставочные диски (рис. 43). - 83 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Рис. 43. Поперечнополосатая сердечная мышечная ткань Гладкие мышцы на срезе сильно отличаются от поперечнополосатых. Гладкомышечная ткань построена из вытянутых одноядерных веретеноподобных клеток. На окрашенном препарате они светло-розового цвета, не такого, как поперечнополосатая ткань (см. рис. 41). - 84 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Биохимия Определение биологических молекул Задание: Даны растворы неизвестных биологических молекул. Необходимо определить молекулы, используя предложенные реактивы. Что делать: Для определения молекул необходимо провести максимально возможное (в зависимости от имеющихся реактивов) количество качественных реакций. В ответе требуется также перечислить результаты проведенных реакций и описать их механизмы. Реакции на белки и аминокислоты Биуретовая реакция (белки). К исследуемому раствору необходимо добавить равный объем 10% раствора NaOH и несколько капель 5% CuSO4, после чего осторожно нагревать реакционную смесь в течение минуты. Если в растворе присутствует белок, то появится бледнофиолетовое окрашивание. Механизм данной реакции связан с образованием комплексных атомами соединений азота Щелочная меди полипептидной среда требуется с цепи. для депротонирования атомов азота. Свое название реакция получила в связи с тем, что окрашивание в данных условиях помимо белков могут давать и некоторые другие соединения, содержащие CO-NH связи, например, биурет (H2N-CO-NH-CO-NH2), но не отдельные аминокислоты. - 85 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Нингидриновая реакция (белки, аминокислоты). К исследуемому раствору необходимо добавить равный объем 1% раствора нингидрина, после чего осторожно нагревать реакционную смесь в течение минуты. Если в растворе присутствует белок, то появится сине-фиолетовое окрашивание. Окрашивание могут давать как белки, так и свободные аминокислоты. Образование окрашенного соединения (пурпура Руэманна) происходит в результате конденсации молекулы нингидрина, молекулы восстановленного нингидрина и молекулы аммиака. Механизм реакции приведен ниже. - 86 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакции на углеводы Йодная реакция (крахмал, гликоген). К исследуемому раствору необходимо добавить 1-2 капли раствора Люголя (I2 + KI в этиловом спирте). При наличие в растворе полисахарида крахмала появится бледно-синяя окраска, гликогена – красно-бурая окраска. Механизм данной реакции связан с образованием комплексных соединений полисахаридов и йода различной структуры. Комплекс йода с линейными полисахаридами (амилозой – одним из компонентов крахмала) имеет бледно-синюю окраску, при этом молекулы йода встраиваются между витками спирали амилозы. Комплекс йода с разветвленными полисахаридами (гликогеном) имеет красно-бурую окраску. Реакции Троммера (моносахариды и восстанавливающие дисахариды). К исследуемому раствору необходимо добавить равный объем 10% раствора NaOH и несколько капель 5% CuSO4, после чего нагревать реакционную смесь в течение нескольких минут. Если в растворе присутствуют моносахариды или восстанавливающие дисахариды (мальтоза, лактоза), то будет наблюдаться появление оранжевого окрашивания. Механизм реакции связан с восстановлением двухвалентной меди до одновалентной альдегидной группой или кетогруппой, которое сопровождается образованием оранжевого Cu2O. В одинаковых условиях появление окраски происходит быстрее для кетоз (например, фруктозы), чем для альдоз (глюкозы, галактозы, мальтозы, лактозы и др.) Это связано с тем, что на одну их молекулу происходит восстановление двух атомов меди. В противном случае либо будет происходить выпадение черного осадка CuO, либо раствор будет сохранять фиолетовую окраску (в случае образования устойчивого комплекса меди с белками либо с невосстанавливающими дисахаридами – сахарозой). - 87 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Примечание: для проведения данной реакции вместо раствора CuSO4 может быть предложен реактив Фелинга, представляющий собой хелатный комплекс меди следующего вида: - 88 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакция Селиванова (фруктоза). К исследуемому раствору добавить равный объем концентрированной HCl и несколько капель раствора резорцина, после чего нагревать реакционную смесь в течение нескольких минут. Если в растворе присутствует фруктоза в свободной или в связанной форме (например, в составе сахарозы), будет наблюдаться яркокрасное окрашивание. Механизм реакции связан с дегидратацией фруктозы с образованием оксиметилфурфурола, который дает ярко-красную окраску при конденсации с резорцином. Примечание: для проведения данной реакции может быть предложен реактив Селиванова, представляющий собой раствор резорцина в концентрированной HCl. Реакция с орцином (пентозы). К исследуемому раствору добавить равный объем концентрированной HCl, несколько капель раствора орцина и несколько капель раствора, содержащего ионы Fe3+, после чего нагревать реакционную смесь в кипящей водяной бане в течение 15-20 мин. Если в растворе присутствуют пентозы в свободной или в связанной форме (например, в составе РНК). Механизм реакции связан с дегидратацией пентоз с образованием фурфурола, который дает зеленую окраску при конденсации с орцином. - 89 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакции на нуклеиновые кислоты Реакция с орцином (рибоза). См. выше. Реакция с дифениламином (дезоксирибоза, рибоза). К исследуемому раствору добавить трехкратный объем 1% раствора дифениламина, после чего нагревать в кипящей водяной бане в течение 15-20 мин. Если в растворе присутствует дезоксирибоза, будет наблюдаться синее окрашивание, если в растворе присутствует рибоза – зеленое. Механизм реакции связан с гидролизом нуклеиновых кислот при длительном нагревании. Образующиеся при гидролизе пентозы образуют окрашенные комплексы с дифениламином. Серебряная проба (пуриновые основания). К исследуемому раствору добавить равный объем 2% аммиачного раствора AgNO3, затем концентрированный аммиак до щелочной реакции (можно проверить по индикаторной бумажке). Если в растворе присутствуют пуриновые основания (аденин и гуанин) в составе нуклеиновых кислот, то через 5 мин выпадает рыхлый осадок серебряных соединений пуриновых оснований, окрашенный в светло-коричневый цвет. Реакции на липиды Реакция Гольдмана. К исследуемому раствору добавить несколько капель раствора судана-III. Если в растворе присутствуют липиды, то через несколько минут будет наблюдаться появление оранжево-красного окрашивания. Механизм реакции связан с образованием комплекса судана-III с липидами, стабилизируемого гидрофобными взаимодействиями. - 90 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакции на аминокислоты 1. Общие реакции. При выполнении некоторых заданий иногда достаточно определить, есть ли в растворе аминокислоты, не различая разные виды этих соединений. Результат так называемых «общих» качественных реакций на аминокислоты говорит экспериментатору, присутствуют ли в растворе аминокислоты (любые) или таких соединений нет. К общим реакциям можно отнести нингидриновую и формальдегидную реакции, образование комплексов с металлами. Механизм нингидриновой реакции описан выше. Нингидриновая реакция достаточно широко используется в биохимической и медицинской практике для качественного и количественного определения содержания аминокислот в биологических жидкостях (кровь, моча, спинномозговая жидкость). 1.1. Реакция с формальдегидом. Реакция протекает за счет наличия аминогрупп в составе молекул аминокислот. К исследуемому нейтральному раствору приливают 1 каплю индикатора метилового красного. Раствор окрашивается в желтый цвет (нейтральная среда). К полученной смеси добавляют равный объем раствора формальдегида (формалина). Если в растворе есть аминокислоты, появляется красное окрашивание (реакция индикатора на кислую среду): Примечание: Реакция не является высоко специфичной именно к аминокислотам – формальдегид может связываться и с аминогруппами иного происхождения – это следует иметь в виду при проведении экспериментов. - 91 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии 1.2. Образование комплексов с металлами. α-Аминокислоты, к которым относятся все протеиногенные аминокислоты, образуют с катионами тяжелых металлов внутрикомплексные соли (хелаты). Со свежеприготовленным гидроксидом меди(II) все α аминокислоты в мягких условиях дают хорошо кристаллизующиеся хелатные соли меди(II) синего цвета: Рассмотрим образование такого хелата в растворе аминокислоты на примере глицина. В пробирку наливают один объем раствора сульфата меди(II), добавляют несколько капель 10% раствора гидроксида натрия до образования голубого осадка. К полученному осадку гидроксида меди(II) приливают один объем раствора глицина. При этом образуется темно-синий раствор глицината меди: - 92 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии 2. Частные реакции. Частные качественные реакции позволяют обнаруживать в растворе аминокислоты из определенных групп (серусодержащие, циклические) или конкретные аминокислоты (цистеин, тирозин). Реакции определения наличия аминокислот в растворах основаны на различных химических особенностях, свойственных тем или иным аминокислотам или группам аминокислот. Все эти качественные реакции можно разделить на несколько групп в зависимости от химических свойств, на которые они опираются: Реакции на индоловую группу (индольное кольцо) Реакции на тиоловую (сульфгидрильную, -SH) группу Реакции на фенолы Реакции на гуанидиновую группу - 93 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии 2.1. Реакции на аминокислоты, содержащие ароматические радикалы (фенилаланин, тирозин, триптофан). Ксантопротеиновая реакция. Тирозин, триптофан, фенилаланин при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуют нитропроизводные, имеющие желтую окраску. В щелочной среде эти нитропроизводные дают соли, окрашенные в оранжевый цвет. К исследуемому раствору прибавляют несколько капель концентрированной азотной кислоты и осторожно нагревают. При наличии в растворе ароматических аминокислот (или содержащих их белков) появляется желтое окрашивание. Реакция Адамкевича-Гопкинса-Коля (Шульца - Распайля) на триптофан (реакция на индоловую группу). Триптофан реагирует в кислой среде с альдегидами, образуя окрашенные продукты конденсации. Реакция протекает за счет взаимодействия индольного кольца триптофана с альдегидом. Известно, что из глиоксиловой кислоты в присутствии серной кислоты образуется формальдегид: Растворы, содержащие триптофан, в присутствии глиоксиловой и серной кислот дают красно-фиолетовое окрашивание. Качественная реакция Адамкевича-Гопкинса-Коля может проводиться двумя основными способами. 1. Исследуемый раствор смешивают с равным объемом глиоксиловой кислоты и к смеси небольшими порциями прибавляют концентрированную серную кислоту (объем, приблизительно равный объему смеси), охлаждая пробирку после приливания очередной порции. Полученную смесь оставляют на 10 мин при комнатной температуре, после чего ставят на 5 мин в кипящую водяную баню. Наблюдается образование сине-фиолетового окрашивания. 2. Глиоксиловая кислота всегда присутствует в небольшом количестве в ледяной уксусной кислоте. Поэтому реакцию можно проводить, используя уксусную кислоту. При этом к исследуемому раствору добавляют равный объем ледяной (концентрированной) уксусной кислоты и осторожно нагревают до растворения осадка. После охлаждения к смеси - 94 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии осторожно по стенке (во избежание смешивания жидкостей) добавляют объем концентрированной серной кислоты, равный добавленному объему глиоксиловой кислоты. Через 5-10 минут на границе раздела двух слоев наблюдают образование краснофиолетового кольца. Если перемешать слои, содержимое посуды равномерно окрасится в фиолетовый цвет. Конденсация триптофана с формальдегидом: Продукт конденсации окисляется до бис-2-триптофанилкарбинола, который в присутствии минеральных кислот образует соли, окрашенные в сине-фиолетовый цвет: - 95 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакция Вуазена на триптофан (реакция на индоловую группу). Сходна с реакцией Адамкевича-Гопкинса-Коля, также основана на взаимодействии триптофана с альдегидами. В кислой среде в присутствии нитрита натрия и формальдегида индольное кольцо триптофана дает сине-фиолетовое окрашивание. В этой реакции триптофан взаимодействует с формальдегидом как показано на рисунке выше с образованием продукта конденсации (бис-2-триптофанилметана), который окисляется нитритом натрия до бис-2- триптофанилкарбинола. Последний в присутствии минеральных кислот образует соли синефиолетового цвета. К исследуемому раствору добавляют 1 каплю раствора формальдегида. К полученной смеси, тщательно перемешивая, добавляют осторожно по каплям двойной или тройной объем концентрированной серной кислоты, охлаждая пробирку. Через 10 минут добавляют, перемешивая, 10 капель раствора нитрита натрия. Наблюдают появление сине-фиолетовой окраски. Реакция Миллона на тирозин (реакция на фенольную группу). При нагревании раствора, содержащего фенолы, с реактивом Милона (смесь нитратов и нитритов ртути (I) и (П), растворенных в концентрированной азотной кислоте, реактив ядовит!) образуется осадок, окрашенный сначала в розовый, а затем в красный цвет. Реактив Милона дает окрашивание почти со всеми фенолами, в том числе с тирозином, радикал которого включает фенольное кольцо. К исследуемому раствору добавляют несколько (3-5) капель реактива Милона и осторожно нагревают. При наличии в растворе тирозина (или других производных фенола) наблюдают выпадение окрашенного в красный цвет осадка в результате образования ртутной соли нитропроизводного тирозина. Образование красного раствора тоже является положительным результатом. В особых случаях (к примеру, при определении тирозина в составе некоторых белков) при проведении реакции Миллона образуется белый осадок, краснеющий при нагревании, что тоже считается положительным результатом теста. - 96 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Реакция Паули на гистидин и тирозин. Реакция Паули позволяет обнаружить в белке аминокислоты гистидин и тирозин, которые образуют с диазобензолсульфоновой кислотой комплексные соединения вишнево-красного цвета. Диазобензолсульфоновая кислота образуется в реакции диазотирования при взаимодействии сульфаниловой кислоты с нитритом натрия в кислой среде: К исследуемому раствору прибавляют равный объем кислого раствора сульфаниловой кислоты (приготовленного с использованием соляной кислоты) и двойной объем раствора нитрита натрия, тщательно перемешивают и сразу прибавляют соду (карбонат натрия). После перемешивания смесь окрашивается в вишнево-красный цвет при условии наличия гистидина или тирозина в исследуемом растворе. - 97 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии 2.2. Реакции на аминокислоты, содержащие тиоловую группу в восстановленном или окисленном состоянии (цистеин, цистин). Реакция Фоля. При кипячении со щелочью от цистеина легко отщепляется сера в виде сероводорода, который в щелочной среде образует сульфид натрия: В связи с этим реакции определения тиолсодержащих аминокислот в растворе подразделяют на два этапа: Переход серы из органического состояния в неорганическое Обнаружение серы в растворе Для выявления сульфида натрия используют ацетат свинца, который при взаимодействии с гидроксидом натрия превращается в его плюмбит: Pb(CH3COO)2 + 2NaOH Pb(ONa)2 + 2CH3COOH В результате взаимодействия ионов серы и свинца образуется сульфид свинца черного или бурого цвета: Na2S + Pb(ONa)2 + 2H2O PbS (черный осадок) + 4NaOH Для определения серусодержащих аминокислот к исследуемому раствору добавляют равный объем гидроксида натрия и несколько капель раствора ацетата свинца. При интенсивном кипячении в течение 3-5 минут жидкость окрашивается в черный цвет. Наличие цистина может быть определено с помощью этой реакции, так как цистин легко восстанавливается в цистеин. - 98 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Нитропруссидная реакция на цистеин. Сульфгидрильная (тиоловая) группа цистеина реагирует с нитропруссидом натрия в щелочной среде, образуя комплексное соединение, окрашенное в красный цвет: Для определения цистеина к исследуемому раствору прибавляют равный объем раствора нитропруссида натрия, смесь подщелачивают и наблюдают появление красной окраски. 2.3. Реакции на аминокислоты, содержащие гуанидиновую группу (аргинин) Реакция Сакагучи. Соединения, содержащие гуанидиновую группу (среди протеиногенных аминокислот это свойственно только для аргинина), в присутствии щелочи дают красное окрашивание с гипобромитом и -нафтолом. Гуанидиновая группа аргинина окисляется гипобромитом, и окисленный аргинин при взаимодействии с -нафтолом образует продукт конденсации красного цвета. Данная реакция часто используется в лабораторной практике также для количественного определения аргинина. К исследуемому раствору добавляют равный объем 10% раствора щелочи, несколько капель раствора -нафтола и после перемешивания приливают несколько капель свежеприготовленного раствора гипобромита натрия и вновь перемешивают. Наблюдают быстро развивающееся красно-оранжевое окрашивание. Механизм реакции еще полностью не выяснен. По-видимому, реакция осуществляется по следующему уравнению: - 99 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии ё Образовавшийся нафтиларгинин, вероятно, окисляется дальше с образованием окрашенных продуктов: 2.4. Реакции на глицин. Реакция Циммермана. К исследуемому раствору, доведенному добавлением раствора щелочи до рН = 8, приливают 0,5 мл водного раствора о-фталевого диальдегида. Если в растворе есть глицин, реакционная смесь начинает медленно окрашиваться в ярко-зеленый цвет. Через несколько минут выпадает зеленый осадок. Заметим, что бОльшая часть качественных реакций на аминокислоты выявляет в растворе также и белки, в состав которых входят те или иные аминокислоты. - 100 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Литература Конечно, все книги, которые приведены в списке, читать необязательно, но мы настоятельно советуем выборочно ознакомиться по ним с тем материалом, который остался непонятным для вас после прочтения этого пособия. Анатомия растений: 1. Хржановский В.Г., Пономаренко С.Ф. Практикум по курсу общей ботаники. М.: Агропромиздат, 1989. 2. Морфология и анатомия высших растений. Л.И. Лотова. М.: Эдиториал УРСС, 2000. 3. Биология. Полный курс. Билич Г.Л, Крыжановский В.А. М.:OOO «Издательский дом «Оникс 21 век», 2002. 4. Собчак Р.О., Папина О.Н. Анатомия растений: Практикум. Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2006. Физиология растений: 1. Практикум по физиологии растений под ред. Иванова Б.В. М.: Издательский центр «Академия», 2001. 2. Беликов П.С., Дмитриева Г.А. Физиология растений. Учебное пособие. М.: Издательство РУДН, 1992. Анатомия человека: 1. Синельников Р.Д. Атлас анатомии человека. Том I. Учение о костях, суставах, связках и мышцах. М.: Медицина, 1978. 2. Сапин М.Р., Никитюк Д.Б., Ревазов В.С. Анатомия человека. М.: Медицина, 2001. Гистология: 1. Практикум по гистологии, цитологии и эмбриологии. Под редакцией Юриной Н.А., Радостиной А.И. М.: Издательство Университета дружбы народов, 1989. 2. Цитология и гистология: Метод. указания к лабораторному практикуму. Авторы– составители С. В. Глушен, В. В. Гринев, М. П. Куницкая, М. А. Титок. – Мн.: БГУ, 2004. - 101 - Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Биохимия: 1. Практикум по биохимии. Пустовалова Л.М. Ростов-на-Дону: издательство «Феникс», 1999. 2. Биохимия белков. Методические указания к лабораторным занятиям по биологической химии для студентов II курса медицинского факультета. Петрозаводск, 1999. Возможно, вы также найдете что-нибудь полезное для себя на перечисленных ниже веб-ресурсах: 1. http://www.alexmorph.narod.ru/ 2. http://www.histol.chuvashia.com 3. http://him.1september.ru 4. http://www.oval.ru 5. http://e-lib.gasu.ru 6. http://www.benbest.com 7. http://www.krugosvet.ru 8. http://www.psu.ru 9. http://zr.molbiol.ru 10. http://simf.h10.ru/ - 102 -
