Во многих старых учебниках на рисунке бактериальной клетки изображено впячивание плазмалеммы, свёрнутое в клубок, — мезосома. Ей приписывали участие в дыхании, делении клетки и прикреплении ДНК. Но в 1970–1980-е годы выяснилось, что мезосомы в живых бактериях не существуют: они образуются при подготовке препаратов для электронного микроскопа. История мезосом — классический пример артефакта в биологии. В статье разобрано, как мезосомы «открыли», как доказали их искусственное происхождение, как устроены настоящие мембраны бактерий и чему эта история учит.
- 1. Что такое артефакт
- 2. Как готовят препараты для электронного микроскопа
- 3. История мезосомы
- 4. Первые сомнения
- 5. Доказательство
- 6. Какие внутренние мембраны у бактерий есть на самом деле
- 7. Обратный случай: аппарат Гольджи
- 8. Что писать на экзамене
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Что такое артефакт
Артефакт в научном исследовании — результат, созданный самим методом, а не отражающий свойства изучаемого объекта. В микроскопии артефакты возникают при фиксации (убивании и закреплении) клеток, обезвоживании, окрашивании, нарезании срезов. Например, при обезвоживании клетки сжимаются, и протопласт отходит от стенки — это может выглядеть как плазмолиз, хотя живая клетка его не испытывала.
Чтобы отличить реальную структуру от артефакта, её наблюдают разными, независимыми методами. Если структура видна только при одном способе подготовки препарата, это повод для сомнения.
2. Как готовят препараты для электронного микроскопа
Электронный микроскоп работает в вакууме, а пучок электронов проходит только через очень тонкие (50–100 нм) слои вещества. Поэтому живую клетку в нём рассмотреть нельзя: её нужно зафиксировать, обезводить, залить в смолу, нарезать и окрасить солями тяжёлых металлов.
| Метод | Как выполняется | Возможные искажения |
|---|---|---|
| Химическая фиксация | Клетки обрабатывают глутаровым альдегидом и тетраоксидом осмия, затем обезвоживают спиртом или ацетоном и заливают в смолу | Фиксаторы действуют секунды и минуты; за это время мембраны могут деформироваться, белки — сдвигаться, клетки — сжиматься |
| Криофиксация (быстрое замораживание) | Клетки замораживают за миллисекунды (в жидком пропане, под высоким давлением), так что вода не успевает образовать кристаллы льда | Минимальные; структура «останавливается» почти мгновенно |
| Замораживание-скалывание | Замороженный образец раскалывают, и скол проходит по середине мембран; с поверхности скола снимают реплику | Видна внутренняя поверхность мембран без химической обработки |
| Криоэлектронная микроскопия и томография | Тонкие клетки или срезы наблюдают замороженными, без фиксаторов и красителей | Наиболее близко к прижизненному состоянию; за развитие метода присуждена Нобелевская премия по химии 2017 года |
3. История мезосомы
В 1950-е годы, когда электронная микроскопия стала доступна биологам, на срезах бактерий увидели складчатые и пузырчатые впячивания плазмалеммы. В 1960 году канадский микробиолог Филип Фитц-Джеймс назвал их мезосомами. Мезосомы особенно хорошо были видны у грамположительных бактерий (бацилл, стафилококков), чаще всего рядом с местом образования перегородки при делении и рядом с нуклеоидом.
Им быстро приписали функции, которых, казалось, «не хватало» бактериям:
- дыхание — по аналогии с кристами митохондрий;
- деление — мезосомы находили у формирующейся перегородки;
- прикрепление и распределение ДНК между дочерними клетками;
- выведение веществ из клетки.
Мезосомы вошли в учебники как органоиды прокариот и описывались в них несколько десятилетий. Многие школьные пособия повторяют это и сейчас.
4. Первые сомнения
- Непостоянство. У одного и того же вида мезосомы то обнаруживались, то нет; их число, форма и размер сильно различались в соседних клетках.
- Зависимость от условий фиксации. Число и размер мезосом зависели от концентрации фиксатора, времени и температуры обработки.
- Нет ферментов. Когда удалось выделить мембраны мезосом, в них не нашли повышенного содержания ферментов дыхательной цепи по сравнению с остальной плазмалеммой.
- Действие веществ, повреждающих мембрану. Обработка бактерий антибиотиками и анестетиками, повреждающими мембрану, перед фиксацией резко увеличивала число мезосом.
В 1976 году португальские исследователи под руководством Мануэла Силвы показали, что тетраоксид осмия и другие фиксаторы сами вызывают образование мезосом: мембрана, повреждённая фиксатором, втягивается внутрь клетки.
5. Доказательство
Решающими стали опыты с криофиксацией. В 1981 году Ханс Эберсольд и соавторы быстро замораживали бактерии без предварительной химической обработки, а затем постепенно заменяли лёд органическим растворителем при низкой температуре (замещение при замораживании). На таких препаратах мезосом не было. Если же перед замораживанием бактерии обрабатывали химическим фиксатором, мезосомы появлялись.
Логика опыта:
- если бы мезосомы были реальными структурами, они были бы видны при любом способе подготовки, особенно при самом «щадящем»;
- они видны только при химической фиксации и тем чаще, чем сильнее повреждена мембрана;
- значит, их создаёт фиксация.
Современные криоэлектронные томограммы бактерий, полученные без каких-либо фиксаторов, подтверждают: плазмалемма грамположительных бактерий гладкая, без мезосом. Функции, которые приписывали мезосомам, выполняет сама плазмалемма (дыхательная цепь и синтез АТФ) и белки цитоскелета (деление клетки, распределение хромосом).
6. Какие внутренние мембраны у бактерий есть на самом деле
История мезосом не означает, что у бактерий не бывает внутренних мембран. Реальные примеры, подтверждённые криометодами:
| Структура | У кого | Функция |
|---|---|---|
| Тилакоиды | Цианобактерии | Фотосинтез с выделением кислорода |
| Впячивания плазмалеммы с пигментами (хроматофоры) | Пурпурные бактерии | Аноксигенный фотосинтез |
| Внутренние мембраны | Нитрифицирующие и метанотрофные бактерии | Ферменты окисления аммиака и метана |
| Магнитосомы | Магнитотактические бактерии | Пузырьки с кристаллами магнетита для ориентации по магнитному полю |
| Анаммоксосома | Планктомицеты | Анаэробное окисление аммония |
Их отличие от мезосом: они постоянны, имеют определённое строение, содержат определённые ферменты и видны при любых способах подготовки.
7. Обратный случай: аппарат Гольджи
Бывает и наоборот: настоящую структуру считают артефактом. Аппарат Гольджи описал итальянский гистолог Камилло Гольджи в 1898 году, используя окрашивание нервных клеток солями серебра и осмия. Поскольку структуру выявляли только особыми методами, а у разных клеток она выглядела по-разному, многие цитологи первой половины XX века считали её артефактом окрашивания. Спор разрешила электронная микроскопия в 1950-х годах: на срезах были видны стопки плоских цистерн и пузырьков, а затем удалось выделить их фракцию и изучить ферменты. Аппарат Гольджи оказался одним из важнейших органоидов эукариотической клетки.
Сравнение двух историй показывает: решает не сила впечатления от картинки, а согласие независимых методов.
8. Что писать на экзамене
Если в задании спрашивают, где у бактерий идёт клеточное дыхание, правильный ответ — на плазматической мембране (у цианобактерий фотосинтез — на тилакоидах). Не называйте мезосомы органоидами бактерий. Если в каком-то пособии мезосомы указаны как «аналог митохондрий», это устаревшие сведения.
Повторить строение прокариотической клетки можно в статье «Прокариоты и эукариоты», в уроке «Прокариотическая и эукариотическая клетки», а методы изучения клетки — в уроке «Методы клеточной биологии» и в тренажёре по теме 2.3.
9. Для олимпиад
Почему фиксатор создаёт впячивания
Тетраоксид осмия и альдегиды фиксируют разные компоненты клетки с разной скоростью. Пока фиксатор проникает в клетку, мембрана уже повреждена, а цитоплазма ещё не закреплена. Изменяется осмотическое давление, клетка теряет воду, и избыток площади мембраны складывается внутрь, образуя пузырьки и завитки. Особенно легко это происходит рядом с местом образования перегородки, где мембрана растёт быстрее, — отсюда «связь мезосом с делением».
Как философы науки изучают мезосомы
История мезосом стала предметом споров в философии науки (например, работа Николаса Расмуссена 1993 года). Вопрос: как учёные решают, что изображение реально? Ответ, к которому пришли: реальность структуры подтверждается согласием независимых методов, воспроизводимостью, связью с функцией (выделенные мембраны должны иметь соответствующие ферменты) и сохранением при щадящих способах подготовки.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Что такое артефакт в микроскопии? Приведите два примера.
Разбор
Артефакт — структура или изменение, созданные методом подготовки препарата, а не существующие в живой клетке. Примеры: мезосомы бактерий, образующиеся при химической фиксации; отслоение протопласта от стенки при обезвоживании; складки и разрывы на срезах.
Задание 2
Почему криофиксация считается более надёжной, чем химическая фиксация?
Разбор
1) Клетка замораживается за миллисекунды, и все структуры «останавливаются» почти мгновенно. 2) При химической фиксации фиксатор проникает в клетку за секунды и минуты, за это время мембраны и белки могут изменить положение. 3) При правильной криофиксации вода не образует кристаллов льда, которые могли бы разрушить структуры.
Задание 3
Где у бактерий происходит клеточное дыхание? Почему мезосомы нельзя считать органоидами дыхания?
Разбор
1) Ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза у бактерий находятся в плазматической мембране. 2) Мезосомы не видны в живых или криофиксированных клетках, их число зависит от химической обработки — это артефакты. 3) В выделенных мембранах «мезосом» не обнаружено повышенного содержания дыхательных ферментов.
Задание 4
Опишите опыт, доказавший искусственное происхождение мезосом. Какие варианты опыта нужны для убедительного вывода?
Разбор
1) Бактерии одного вида в одной фазе роста готовят двумя способами: с химической фиксацией и с быстрым замораживанием без фиксатора. 2) При химической фиксации мезосомы есть, при криофиксации — нет. 3) Дополнительный вариант: перед замораживанием бактерии обрабатывают фиксатором — мезосомы появляются. 4) Вывод: их вызывает фиксатор, а не они существуют в клетке.
Задание 5 (олимпиадное)
Аппарат Гольджи долго считали артефактом, а мезосомы — реальной структурой; оказалось наоборот. Какие критерии позволяют отличить реальную структуру клетки от артефакта?
Разбор
1) Структура видна разными независимыми методами (световая и электронная микроскопия, разные способы фиксации, криометоды). 2) Она постоянна у клеток данного типа и имеет воспроизводимое строение. 3) Её можно выделить и обнаружить в ней специфические молекулы (ферменты), связанные с функцией. 4) Нарушение структуры (мутации, ингибиторы) приводит к нарушению соответствующей функции. Аппарат Гольджи удовлетворил этим критериям, мезосомы — нет.
Литература
- Silva M. T. et al. Bacterial mesosomes: real structures or artifacts? // Biochimica et Biophysica Acta. 1976. Vol. 443. P. 92–105.
- Ebersold H. R. et al. Bacterial mesosomes: method dependent artifacts // Archives of Microbiology. 1981. Vol. 130. P. 19–22.
- Rasmussen N. Facts, artifacts, and mesosomes: practicing epistemology with the electron microscope // Studies in History and Philosophy of Science. 1993. Vol. 24. P. 227–265.
- Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. — М.: Академкнига, 2004.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…