Графический узор по клеточкам для 1 класса: Графические диктанты 1 класс

Содержание

УЗОРЫ по клеточкам (100 вариантов для детей)

Доброго дня все работникам-педагогам и детям дошкольного и младшего школьного возраста — для вас я выгружаю коллекцию красивых узоров для рисования по клеточкам. В старшей группе детского сада воспитатель проводит работу по формированию навыков правильного держания пишущего инструмента, дети оттачивают навыки каллиграфии на тренажерах-узорах в тетрадях в клеточку. Моя миссия на сегодня — помочь педагогам найти красивые и необычные узоры для срисовки детьми. Здесь будут легкие узоры для дошкольников и более сложные для школьников. Красивые, необычные орнаменты, которые можно повторить простой ручкой или цветными карандашами. Это задания на мелкую моторику, на внимательность, логику и глазомер. Это отличный способ отладить взаимодействие инструментария в системе «глаз-рука» как единый  механизм. Это отличный способ подготовить ум и руку к будущей школьной деятельности.

Итак, давайте посмотрим какие интересные узоры по клеточкам для детей вы сегодня сможете положить в свою копилку педагога.

Легкие узоры по клеточкам

Для начинающих дошкольников.

В 5-6 лет воспитатель дает детям посильные графические задание — срисуй по образцу, повтори узор, продолжи орнамент, выложи сериационный ряд из готовых элементов. Вся эта практика постепенно усложняется обрастает замысловатыми деталями и дополнительными элементами.

Вначале ребенку надо дать совершенно простые задания — чтобы он просто привык к ТАКОМУ ВИДУ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ — просто как к разновидности задачи.

Вот несколько картинок с легкими узорами по клеточкам для маленьких детей.

Лучше всего начинать с классики. Одна линия, она непрерывна и изгибается как змейка. И вот два вида изгибов этой линии — равномерный и с выпадами вниз.

И следующий шажок — это когда к змейке (уже потом) пририсовывается элемент как дополнительная дорисовка уже другим цветом карандаша (третий и четвертый узор на картинке ниже).

 

Потом покажите ребенку как ДВЕ ЛИНИИ могут встречаться зубчиками (узоры ниже) и образовывать узор из цепочки ромбов… или цепочки прямоугольников. Отличный плавный способ перехода к объемным заполненным фигурам по клеточкам.

 

Следующий этап — ТОЛСТЫЕ УЗОРЫ когда нарисованный элемент уже не узкая тонкая линия, а толстая в ширину клетки. Тут вы можете легко придумать свои варианты, или воспользоваться предложенными узорами в клеточках на картинке ниже.

Если ребенок хорошо справился с плюсиками, дайте ему следующий шаг — заостренные плюсики (похожие на сине-голубые узоры на клеточках ниже) — но пока одноцветные и без скрещивания линий по центру.

Хорошо дошкольники овладевают лесенкой — этот веселый элемент служит для них разгрузочным заданием. Разрешите детям нарисовать ступеньки разного цвета. Или дорисовать на ступеньках ягодки или зернышки для птичек, а сверху саму птичку.

 

Гораздо позже стоит научить ребенка ПЛАВНЫМ ЛИНИЯМ —  и тут тоже надо начинать с легких узоров — примитивных с очень простой графикой. И чтобы эта плавность была ссиметрична на соседних клеточках — как шляпка гриба, как круглая крыша домика…

Чтобы ребенок не устал, чередуйте заданий — дайте цепочку легких узоров, потом сложный, требующий внимания и сосредоточения ума и руки, и потом два легкий для удовольствия и расслабления.

 

 

Подбирайте узоры, которые будут интересны девочкам, похожие на цветы, конфеты, мороженое…

 

И отдельно готовьте тетради в клеточку с узорами для мальчиков, похожие на колеса машины, насос, робота, шестеренки, компьютерные игры.

Подумайте какие реальные предметы можно обыграть в узорах по клеточкам. И покажите детям эту возможность. Предоставьте им не только шариковую ручку или простой карандаш — но пачку цветных карандашей или мелков для закрашивания полученной картинки.

 

Сложные узоры по клеточкам

для детей в саду и школе.

Талантливым и набившим руку в рисовании узоров дошкольникам можно поручать более сложные орнаменты по клеточкам. Это могут быть косички-плетенки или персонажи с несколькими прорисованными деталями (птички, улитки, крабы).

Узоры с косичками, хорошо воспринимают девочки, они быстро запоминают этапы нанесения узора и не путаются в клетках и направлениях линий (когда вправо, а когда влево поворачивать линию узора).

 

Вот элементы узора по клеточкам с птичками — разные варианты на все типы усложнения.

А вот картинки для девочек — узоры с цветами по клеточкам

 

Мальчишкам очень нравятся рыбы (особенно акулы) и улитки с крабами.

Это могут быть картинки, занимающие в ширину 5-6 клеточек (как на фото узоров ниже).

И конечно все мальчики обожают паровозики. Это настоящее приключение с различными возможностями дорисовки или срисовки в вариантов воспитателя.

А вот новогодняя тема в узорах на клеточках — подумайте, какие мотивы можете придумать вы сами — снеговики, деды морозы, еловые лапки.

 

Каждый педагог сам решает насколько усложнять задание с узорами по клеточкам. Мы знаем своих детей и мы видим, когда задачи приносят ребенку удовольствие от преодоления и понимаем как важно аккуратно рассчитывать нагрузку этой работы на преодоление сложности задания.

 

Следующим этапом в рисовании по клеточкам, будет уже задание на срисовку крупных картинок по образцу, нарисованному в тетради рядом с оставленным пустым местом.

Начинаем с очень простых графических картинок с прямыми линиями.

И постепенно изображаем уже крупные графические элементы

 

В старшем возрасте можно давать детям целые задания на рисование графических картин на клеточках.

 

И конечно в дошкольном возрасте, и в начальной школе дети упражняются в написании графических диктантов.
По этой теме у меня тоже собрана большая красивая копилка идей и схем — в статье Графический ДИКТАНТ (145 силуэтов по клеточкам).

Удачных вам находок и эффективных методик.
Ольга Клишевская, специально для сайта Семейная Кучка.

Читайте НОВЫЕ статьи на нашем сайте:

на Ваш сайт.

Узоры по клеточкам, образцы рисунков

На чтение 3 мин Просмотров 1.1к. Опубликовано

31.05.2021 Обновлено

Узоры по клеточкам для дошкольников и учеников 1 класса – идеальное задание для детей, помогающее научиться ориентироваться на листе бумаги, тренирующее графомоторику, внимательность, тренирующее базовые навыки каллиграфии.

Сложные и легкие узоры по клеточкам ориентированы на детей разного возраста на разных этапах развития графомоторных навыков.

Как копировать рисунки

Разнообразные графические узоры по клеточкам лучше выполнять в обычной школьной тетради в клеточку. Не используйте клетку крупнее для младших детей. Пусть лучше малыши выполнят узор не так аккуратно, как на крупной клетке, но получат опыт ориентирования именно на такой разлиновке, на которой и придется потом работать в школьные годы.

Чтобы облегчить работу дошкольникам, можно выполнять узоры по клеточкам фломастером или гелевой ручкой. Ученикам первого класса лучше использовать остро заточенный карандаш, желательно В2.

Прежде чем приступить к копированию узоров, потренируйте ребенка на заданиях попроще. Нарисуйте обычные линии, вертикальные и горизонтальные, в тетради в клеточку. Пусть ребенок рядом скопируют линию. Строго следите за соблюдением длины! Далее тренируйтесь на диагональных линиях, сетке из линий, простых геометрических фигурах: квадрат, прямоугольник, ромб, треугольник, шестиугольник, звезда и т.д.

Акцентируйте внимание на том, что важна не скорость, а качество выполнения узора. Выполнять задание следует максимально внимательно и аккуратно!

Распечатать графические узоры по клеточкам – образцы для детей

Все задания построены на главном принципе: постепенно усложнение заданий.

Бывает так, что ребенок “застревает” (по мнению родителей) на каком-то узоре, повторяет его снова и снова, а родители хотят усложнить задачу и продолжить совершенствовать детские навыки. Во-первых, не мешайте ребенку чувствовать себя в ситуации успеха и повторять рисунок, который хорошо получается! Во-вторых, импровизируйте с выбранным ребенком узором. Например, можно попробовать выполнить его симметрично, в зеркальном отражении. Это очень полезно и довольно сложно.

Графические узоры по клеточкам: польза для детей

Графомоторные задания развивают и физические возможности ребенка, и мелкомоторные, и интеллектуальные! Например:

  • Улучшение памяти. Запоминание мелких штрихов, их направления поможет в дальнейшем при освоении букв, цифр, специальных математических и других символов.
  • Укрепление мелкой моторики. Копирование узоров усиливает связь между мозгом и руками, пальцами.
  • Повышение уровня и скорости чтения за счет более легкого распознавания букв и символов, составляющих текст.
  • Улучшение способности концентрироваться на выполнении задания более длительное время.

Задания по клеточкам полезно выполнять не только детям, но и взрослым, и всем людям с нарушением обучаемости, дислексией, СДВГ, аутизмом, синдромом Аспергера, синдромом Дауна, болезнью Альцгймера, стрессом… Для выполнения упражнений не нужно специального образования или навыков, они полезны для людей на любом этапе развития, ведь усложнять узоры по клеточкам можно практически бесконечно.

Больше заданий по клеточкам для детей

математика по схемам, верблюд, носорог

Графический диктант по клеточкам для детей в 1 классе – это занимательная, полезная и интересная игра, в процессе которой ребенок старается угадать, что же за картинка получится у него в тетради. Такой вид работы является очень популярным среди педагогов. Многие из них используют в своей деятельности пособие О.А. Холодовой «Умники и умницы», где можно встретить много таких рисунков по клеточкам. Рассмотрим подробнее.

Польза

Рисование таких узоров предлагается детям в тетрадях по математике. Для школьников эти моменты учебной деятельности интересны и воспринимаются ими с удовольствием. Первоклассникам такой вид деятельности на уроке или дома помогает в умении координировать движение рук, формировать письменные навыки. Справляясь с заданием, дети учатся быть внимательнее, развивается усидчивость, воображение, творческое мышление, увеличивается активный словарь.

Проводя линии по клеточкам, ребенок развивает мелкую моторику руки, запоминает счет в пределах 10, происходит формирование начальных математических представлений. Эта занимательная форма работы содействует развитию орфографической зоркости, способствует более легкому процессу адаптации к школе.

Эти картинки применяются и в различных методах, помогающих определить уровень развития крохи. Например, с помощью методики «Графический диктант» Д.Б. Эльконина можно выявить, насколько у малыша развито ориентирование в пространстве, умение быть внимательным, слушать и с точностью следовать инструкции, предлагаемой педагогом, работать самостоятельно под диктовку взрослого, проводить линии на тетрадном листе в указанном направлении.

Особенности проведения занятий

Подготовьте рабочее место ребенка, проверьте, что нет ничего лишнего, отвлекающего кроху от работы. Все необходимые материалы должны быть на столе:

  • тетрадь в клетку;
  • простой карандаш;
  • ластик;
  • образец выполнения или инструкция для взрослого.

Вам необходимо поставить на листочке начальную точку, от которой малыш будет начинать движение по клеточкам. Далее начинайте диктовать. Цифры в задании обозначают, на какое количество клеток необходимо двигаться, а стрелочки – направление движения. Например, обозначение 2→, говорит о том, что необходимо провести линию на 2 клетки вправо.

Речь диктующего должна быть четкой и понятной. Следите за тем, чтобы ребенок успевал за темпом вашей диктовки. В случае необходимости оказывайте ему помощь. Заниматься будет интереснее, если вы добавите в процессе деятельности загадки, чистоговорки, скороговорки, физминутки и пр.

Когда малыш увидит готовое изображение, можно провести беседу о нем, рассказать интересные факты, предложить ему раскрасить или заштриховать его.

Способы выполнения

Рисование по клеточкам для первоклашек должны быть не слишком сложными. Их можно проводить несколькими способами:

  • Под диктовку. Педагог говорит на какое количество клеточек необходимо продвигаться и в каком направлении. Ученик работает, воспринимая информацию на слух, а затем сверяет ее с образцом.
  • Можно предложить готовый узор и попросить повторить его у себя в тетради.
  • Крохе также понравится дорисовывать фигуры по симметрии. В этом случаем ему предлагается половина симметричного изображения, а вторую он должен дорисовать самостоятельно.

Какие диктанты подойдут первоклассникам

Для учащихся первого класса подойдут следующие задания:

В следующем видеоролике можно посмотреть, как должен проходить диктант в домашних условиях.

Графический диктант — Развитие и обучение для детей Мама7я

Простой графический диктант

Графический диктант легкий Гриб 6 верх3 влево3 по диагонали вправо вверх2 вправо3 по диагонали вправо вниз3 влево6 вниз2 влево.

Графический диктант бесплатно

На сайте www.mama7ya.ru представлено множество вариантов графических диктантов бесплатно.

Графический диктант распечатать

Различные уровни сложности графических диктантов распечатать возможно с нашего сайта и заниматься каждый день с ребенком. Большой вариант графических диктантов для распечатки позволит разнообразить занятия по математике с ребенком.

Графический диктант скачать

На сайте можно бесплатно скачать графический диктант по разным тематикам. Разнообразные графические диктанты помогут хорошо развить графические навыки ребенка и добиться успехов в этом направлении.

Графический диктант распечатать бесплатно

Затрагивая тему графического диктанта, можно сказать о том, что этот графический рисунок радует ребенка, когда он видит результат своих трудов.

Графический диктант отлично формирует навык ориентации в пространстве. Так же графический диктант развивает у ребенка усидчивость и бдительность.

Графическая зоркость появляется у детей, которые тренеруют свои навыки в выполнении графических диктантов.

Графические диктанты скачать бесплатно

Точность вырисовки четких линий гоафического диктанта укрепляет мелкую моторику и тем самым осуществляет подготовку к начальной школе. Каждый родитель хочет, чтобы го ребенок был подготовлен к начальной школе — графический диктант является одним из нужных направлений в подготовке к предстоящей школьной программе.

Графические диктанты по клеточкам распечатать

Для ознакомления ребенка с графическим диктантом вам понадобится:

  • Чистый лист бумаги в клеточку.
  • Ручка или карандаш.
  • Готовый вариант диктанта с которого вы будите диктовать задание.
  • Напомните ребенку о том, какие направления существуют в графическом диктанте:
    • Влево
    • Вправо
    • Вверх
    • Вниз
    • По диагонали вправо вверх
    • По диагонали вправо вниз
    • По диагонали влево вверх
    • По диагонали влево вниз
  • Поставьте на листе бумаги точку, с которой будет начинаться графический диктант.
  • Напомните ребенку о том, что названное вами число соответствует этому числу отступаемых клеточек в озвученном направлении.
  • Для графического диктанта начального уровня следует медленно озвучивать задание ребенку.

Рисовать графический диктант

Рисовать графический диктант с ребенком — это возможность провести время одновременно с пользой, игрой и делом. Развивать ребенка и играть вмесие с ним с помощью совместного рисования графического диктанта.

Графический диктант умники и умницы

На сайте mama7ya.ru представлены различные материалы по графическим диктантам для умников и умниц.

Методика графический диктант

Важно поэтапно знакомить ребенка с графиечским диктантом. Все задания озвучивать медленно и четко проговаривать каждое действие. Убедиться, что ребенок верно начертил линию, ведь любое отклонение от задания приведет к сбою рисунка и ребенок не увидит желаемую картинку. Когда ребенок уже чувствует себя уверенно, может быстро ориентироваться в пространстве, тогда можно увеличивать темп графического диктанта. Переходить от легких графических диктонтов к средним графическим диктантам, а далее уже последует работа со сложными графическими диктантами, но это только тогда, когда ребенок будет к этому готов.

Графический диктант по математике

Графический диктант по математике всегда являлся неотъемлемой частью изчения математики в начальной школе. Чем лучше вы подготовите своего ребенка выполнять графические диктанты по математике, тем легче будет даваться выполнение графического диктанта в начальной школе для вашего ребенка.

Занятие графический диктант

Занятие по графическому диктанту не требует много времени и сил. Для занятия с графическими диктантами достаточно вылелить пару дней занятий и выбрать пару заданий. Тогда ребенок будет одновременно выполнять задания и выстроится систематизация занятий с графическими диктантами.

Тетрадь графические диктанты

Поговорим о тетради с графическими диктантами. Для этих занятий вы можете отдельно завести тетрадь графических диктантов. Выполнять по несколько заданий в неделю и проставлять даты выполнения, контроль скорости выполнения графического диктанта, уровень сложности и отметка возможных ошибок для дальнейшей проработки в тетради графических диктантов.

Графический диктант видео

До проведения графического диктанта можно показать видео про персонажа, которого вы будете воплощать на листке бумаги с помощью этого графического диктанта. Это вызовет огромный интерес у ребенка, тес самым, ему захочется поскорее приступить к написанию графического диктанта.

Графический диктант цель

Цель графического диктанта — научиться четко следовать инструкции и чертить заданное количество линий, ориентируясь в пространстве.

Графический диктант ответы

Озвучивая задания по каждому графическому диктанту, желательно, при себе иметь уже готовый ответ, чтобы вы могли сравнить результат ребенка и правильный ответ графического диктанта. Тем самом вам будет легче отслеживать допущенные ошибки или видеть отсутствие ошибок в графическом диктанте.

Графический диктант школа

Еще будучи дошкольником, в подготовительных группах к школе, проводят знакомство детей с графическим диктантом. В 1 классе классе уже подразумевается, что ребенок уже знаком с понятим «графический диктант» и его особенностями. Но перед началом занятия детям еще раз напоммнают и проговаривают правила по написанию графического диктанта.

Детский графический диктант

Детский графический диктант в раннем возрасте уже начинает укреплять моторику и готовит руку к письму. Ребенок ранних лет при выполнении графического диктанта старается мыслить, вырабатывать точность каждого движения при проведении линии, и конечно же работает над координацией.

Графический диктант образцы

Делать графический диктант

Делать выполнять заниматься

Графический диктант онлайн

Задания для графического диктанта

Как нарисовать графический диктант

Графический диктант схемы

Как сделать графический диктант

Презентация графический диктант

Графический диктант примеры

Графический диктант рабочая тетрадь

Покажи графический диктант

Покажи графический диктант ребенку в игровой форме для ознакомления и ребенок влюбится в это занятие, развивающее мозг и моторику!

Графические диктанты описание

Конспект графического диктанта

Картотека графических диктантов

Графический диктант задачи

Графический диктант ввполняет следующие задачи:

Теперь мы ознакомились с задачами графического диктанта и имеем полное представление о полезности данных занятий с детьми дошкольного и школьного возраста.

Игра графический диктант

Если придумать игры с графическим диктантом, то выполнять его будет на много интереснее.

Графический диктант работа

Графический диктант подготовка

Методика графический диктант для дошкольников

Графический диктант диагностика

Графические диктанты по клеточкам | Kidside.ru

Наш сайт про школу, но и вопросы подготовки к ней мы стороной не обходим.  А когда задания оказываются еще и интересными, дошкольная подготовка становится в разы интересней.

Мы очень полюбили такие графические диктанты. Как только ребенок научился держать в руках ручку, считать до 10 и отличать лево от права, можно приступать к графической задаче. Считаешь себе клеточки, и вдруг раз — готовая картинка! Заодно тренируется слуховое восприятие, внимательность, усидчивость. Одни плюсы! Для шедевра понадобятся только карандаш и ластик. Диктант по клеточкам можно раскрасить, а еще лучше заштриховать.

Сначала родитель диктует последовательность и направление движения, а потом ребенок может сам срисовывать картинки по образцу. Усложнить задание можно попросив срисовать рисунок по клеточкам зеркально, дорисовать вторую половину графического диктанта. Следующим шагом станет усложненное рисование по клеточкам. Здесь направление уже не только вверх\вниз, направо/налево, но и наискосок.

 

Картинки по клеточкам в тетради

 

Для удобного просмотра кликните по картинке для увеличения.

Картинки по клеточкам легкие:

  1. ракета
  2. слоненок
  3. машина
  4. лист
  5. утка
  6. бабочка
  7. собака
  8. цветок
  9. кораблик
  10. пес
  11. журавль
  12. елка
  13. робот
  14. олень
  15. кенгуру

 

Картинки по клеточкам животные:

  1. белочка
  2. слон
  3. кенгуру
  4. бегемот
  5. крокодил
  6. верблюд
  7. рыба
  8. попугай
  9. лошадь

 

Сложные картинки по клеточкам:

  1. утка-и-курица
  2. лягушка
  3. снеговик
  4. пес-с-ракеткой

 

Дорисуй половину:

  1. елка
  2. человечек
  3. мишка

Сын к 6 годам создавал целые сцены из жизни джунглей, животные по клеточкам, а остальное сам. Чтобы дорисовать пальмы и лианы хватило даже его скромных способностей. Итог: ребенок занят, доволен результатом, горд своими достижениями!

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Методика Графического диктанта (Рисование по клеточкам) для…

Привет, Вы узнаете про графический диктант, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое графический диктант,рисование по клеточкам,развитие памяти,развитие внимания , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Педагогика и дидактика

графический диктант по клеточкам — развивающая игра для старших дошкольников и учеников 1 класса, учит ориентироваться на листе бумаги, развивает зрительное и слуховое восприятие , произвольность внимания и памяти. Помогает сформировать у детей старшего дошкольного возраста графические умения, необходимые для подготовки руки к письму. Графические диктанты развивают мелкую моторику и координацию движений руки, формируют пространственное мышление.

Рисунки по клеточкам даются только после того, как дошкольники усвоят графические умения, познакомятся с тетрадью в крупную клетку, научатся ориентироваться на листе, сформируется умение фиксировать уголок клетки. Можно не говорить заранее, что получится в итоге. Преподнесите задание как загадку, это повысит заинтересованность детей.

Поступление в школу – важный момент в жизни ребенка и его родителей. Чем лучше ребенок будет подготовлен к школе психологически, эмоционально и интеллектуально, тем увереннее он будет себя чувствовать, тем легче у него пройдет адаптационный период в начальной школе.

Графические диктанты или рисование по клеточкам для дошкольников хорошо помагают родителям и педагогам планомерно подготовить ребенка к школе и предотвратить такие типичные трудности в обучении, как неразвитость орфографической зоркости, неусидчивость и рассеянность. Регулярные занятия с данными графическими диктантами развивают у ребенка произвольное внимание, пространственное воображение , мелкую моторику пальцев рук, координацию движений, усидчивость.

Рисование по клеточкам – очень увлекательное и полезное занятие для детей. Это игровой способ развития у малыша пространственного воображения, мелкой моторики пальцев рук, координации движений, усидчивости. Графические диктанты могут с успехом применяться для детей от 5 до 10 лет.

Выполняя предложенные в выложенных ниже заданиях — графических диктантах, ребенок расширит кругозор, увеличит словарный запас, научится ориентироваться в тетради, познакомится с разными способами изображения предметов.

Советы по выполнению графического диктанта

  1. Не ругайте ребенка, если рисунок не получается. Спокойно помогите, подскажите где ошибка. Некоторые дошкольники хорошо воспринимают новую информацию, а другие постоянно путают лево и право .
  2. Не спешите во время устного диктанта, убедитесь, что ребенок успевает.
  3. Делайте перерыв между занятиями, каждые 5-10 минут письма . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Проведите гимнастику для глаз и пальцев рук, пусть ребенок поиграет в подвижные игры, а затем приступает к написанию графического диктанта.
  4. Следите за правильной посадкой за столом, освещением и правильным положением пальцев.
  5. Получив результат, порадуйтесь вместе с ребенком, похвалите за старание, поблагодарите за усердный труд.

Помните! Время занятий для детей 4-5 лет должно составлять не более 15 минут, 5-6 лет 20 минут. Ребята постарше могут заниматься 30 минут.

Как работать с данными графическими диктантами:

В каждом диктанте даны задания для детей 5-ти – 7-ми лет.

Графический диктант можно выполнять в двух вариантах:
1. Ребенку предлагают образец геометрического рисунка и просят его повторить точно такой же рисунок в тетради в клетку.
2. Взрослый диктует последовательность действий с указанием числа клеточек и их направлений (влево, вправо, вверх, вниз), ребенок выполняет работу на слух, а затем сравнивает методом наложения свое изображение орнамента или фигуры с образцом в пособии.

Графические диктанты дополнены загадками, скороговорками, чистоговорками и пальчиковой гимнастикой. В процессе занятия ребенок отрабатывает правильную, четкую и грамотную речь , развивает мелкую моторику рук, учится выделять отличительные особенности предметов, пополняет свой словарный запас.

Задания подобраны по принципу «от простого к сложному». Если вы начинаете заниматься с ребенком по этим графическим диктантам, выполняйте с ним задания по порядку: начинайте с самых первых простых диктантов и постепенно переходите к более сложным.

Для занятий необходима тетрадь в клетку, простой карандаш и ластик, чтобы ребенок мог всегда исправить неправильную линию. Для детей 5 – 6-ти лет лучше использовать тетрадь в крупную клетку (0,8 мм), чтобы не перенапрягать зрение. Начиная с графического диктанта №40 все рисунки расчитаны на обычную школьную тетрадь (в тетради в крупную клетку они не поместятся).

В заданиях используются следующие обозначения: количество отсчитываемых клеток обозначается цифрой, а направление обозначается стрелкой. Например, запись:

следует читать: 1 клетка вправо, 3 клетки вверх, 2 клетки влево, 4 клетки вниз, 1 клетка вправо.

Во время занятий очень важен настрой ребенка и доброжелательное отношение взрослого. Помните, что занятия для ребенка – не экзамен, а игра. Помогайте малышу, следите за тем, чтобы он не ошибался. Результат работы всегда должен удовлетворять ребенка, чтобы ему вновь и вновь хотелось рисовать по клеткам.

Ваша задача – помочь ребенку в игровой форме овладеть необходимыми для хорошей учебы навыками. Поэтому никогда не ругайте его. Если у него что-то не получается, просто объясните, как надо делать правильно. Чаще хвалите малыша, и никогда ни с кем не сравнивайте.

Продолжительность одного занятия с графическими диктантами не должна превышать 10 – 15 минут для детей 5-ти лет, 15 – 20 минут для детей 5 – 6-ти лет и 20 – 25-ти минут для детей 6 – 7-ми лет. Но если ребенок увлекся, не стоит останавливать его и прерывать занятие.

Обратите внимание на посадку ребенка во время выполнения диктанта, на то, как он держит карандаш. Покажите малышу, как надо удерживать карандаш между фалангами указательного, большого и среднего пальцев. Если ребенок плохо считает, помогайте ему отсчитывать клетки в тетради.

Перед каждым занятием обязательно поговорите с ребенком о том, что есть разные направления и стороны. Покажите ему, где право, где лево, где верх, где низ. Обратите внимания малыша, что у каждого человека есть правая и левая сторона. Объясните, что та рука, которой он ест, рисует и пишет – это правая рука, а другая рука – левая. Для левшей наоборот, левшам надо обязательно объяснять, что есть люди, для которых рабочая рука – правая, а есть люди, для которых рабочая рука – левая.

После этого можно открывать тетрадь и учить ребенка ориентироваться на листе бумаги. Покажите ребенку, где у тетради левый край, где правый, где верх, где низ. Можно объяснить, что раньше в школе были наклонные парты, поэтому верхний край тетради и назвали верхним, а нижний нижним. Объясните малышу, что если вы говорите «вправо», то надо вести карандашом «туда» (вправо). А если говорите «влево», то надо вести карандашом «туда» (влево) и так далее. Покажите малышу, как надо считать клеточки.

Вам самим тоже понадобится карандаш и ластик для того, чтобы отмечать прочитанные строчки. Диктанты бывают довольно объемные, и чтобы вам не запутаться, ставьте точки карандашом напротив строчек, которые читаете. Это вам поможет не сбиться. После диктанта все точки вы сможете стереть.

Каждое занятие включает в себя графический диктант, обсуждение изображений, скороговорки, чистоговорки, загадки и пальчиковую гимнастику. Каждый этап занятия несет смысловую нагрузку. Занятия с ребенком можно выстраивать в разной последовательности. Можно вначале сделать пальчиковую гимнастику, прочитать скороговорки и чистоговорки, а затем сделать графический диктант. Можно наоборот, сначала сделать графический диктант, о потом скороговорки и пальчиковая гимнастика. Загадки лучше загадывать в конце занятия.
Когда ребенок нарисует рисунок, поговорите о том, что есть предметы и есть их изображения. Изображения бывают разные: фотографии, рисунки, схематичное изображение. Графический диктант – это схематичное изображение предмета.

Поговорите о том, что каждое животное имеет свои отличительные особенности. Схематичное изображение показывает отличительные особенности, по которым мы можем узнать животное или предмет . Спросите у ребенка, какие отличительные особенности у животного, которое он нарисовал. Например, у зайца – длинные уши и маленький хвостик, у слона – длинный хобот, у страуса длинная шея, маленькая голова и длинные ноги, и так далее.

Поработайте со скороговорками и чистоговорками разными способами:
1. Пусть ребенок возьмет в руки мяч и, ритмично подбрасывая и ловя его руками, проговорит скороговорку или чистоговорку. Подбрасывать и ловить мяч можно на каждое слово или на слог.
2. Пусть ребенок проговорит скороговорку (чистоговорку), перебрасывая мячик из одной руки в другую.
3. Проговорить скороговорку можно, прохлопывая ритм ладошками.
4. Предложите проговорить скороговорку 3 раза подряд и не сбиться.
Пальчиковую гимнастику делайте вместе, чтобы ребенок видел и повторял движения за вами.

См. также

  • Память
  • Внимание
  • развитие памяти
  • развитие внимания
  • Восприятие
  • память , психические процессы , запоминание , сохранение ,
  • восприятие , физиологические механизмы восприятия , развитие восприятия , виды восприятия ,
  • психические процессы , внимание , развитие внимания ,
  • развитие памяти ,

На этом все! Теперь вы знаете все про графический диктант, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое графический диктант,рисование по клеточкам,развитие памяти,развитие внимания и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Педагогика и дидактика

конспект по психомоторике для 1 класса по теме: «Графический диктант по показу».

2 класс. Тема: Графический диктант по показу.

Тема: Графические диктанты.

Цель: совершенствовать графомоторные навыки.

Задачи:

  1. продолжать работу по развитию ориентации на листе бумаги в клетку;

  2. закреплять умение проводить прямые линий определённой длины в заданном направлении;

  3. развивать зрительно-пространственное восприятие: анализ, синтез;

  4. улучшать зрительно-моторную координацию посредством копирования фигур;

  5. работать над развитием и коррекцией речи:

  6. активизировать слуховое восприятие, внимание, память.

Оборудование:  простые карандаши, ластик, тетради в клетку, на каждого ученика.

Ход занятия

I. Оргмомент.

Приветствие. Проверка готовности к занятию. Эмоциональный настрой.

— Здравствуйте, ребята! Садитесь!

Психологический настрой:

Каждый день – всегда, везде,

На занятиях, в игре

Смело чётко говорим

И тихонечко сидим.

Дыхательные упражнения:

  • «В цветочном магазине».

  • «Задуйте свечу».

  • «Вдох – задержка — выдох – задержка».

Массаж пальцев от ногтевых фаланг к основанием.
Вот помощники мои,
Их как хочешь поверни – 
Так и эдак, эдак – так –
Не обидятся никак.

Пальчиковая гимнастика

Разотру ладошки сильно,

Каждый пальчик покручу,

(Растирание ладоней; захватить каждый пальчик у основания и вращательным

движением дойти до ногтевой фаланги.)

Поздороваюсь с ним сильно

И вытягивать начну.

Руки я затем помою, (Потереть ладошкой о ладошку.)

Пальчик в пальчик я вложу,

На замочек их закрою (Пальцы в «замок».)

И тепло поберегу.

Выпущу я пальчики, (Пальцы расцепить и перебирать ими.)

Пусть бегут, как зайчики.

– Какое сегодня число?

– Какой идет месяц?

– Какой день недели?

– Какой день недели был вчера?

– Какой день недели будет завтра?

— Какое время года?

Пальчиковая гимнастика.

Раз, два, три, четыре, пять,

Это каждый должен знать.

Лето, осень и зима,

А потом придет весна.

Мы теперь друг друга спросим:

Какое время года сейчас?

— Осень!

II. Разминка.

Сегодня мы на занятие выполним много интересных заданий, познакомимся с новым упражнением.

А сейчас проведем разминку – будьте внимательны!

Упражнение «Муха».

На доске рисуется большой квадрат, который разделен на 9 квадратов. Нужно представить муху, которая сидит в центральном квадрате. По команде «вверх» муха перемещается на одно деление вверх, по команде «влево» – на одно деление влево, по команде «вниз» — на одно деление вниз, по команде «вправо» – на одно деление вправо. Далее задаются команды, а дети говорят, в каком квадрате оказалась муха.

1) вверх, вправо, вниз (6).

2) вверх, влево, вниз (4).

3) влево, вниз, вправо (8).

4) вправо, вниз, влево, вверх (5).

5) влево, вверх, вправо, вниз (5).

III. Постановка целей.

Сегодня мы будем рисовать по клеточкам по образцу.

Давайте потренируемся

Сейчас мы с вами будем учиться рисовать фигуру под диктовку. Надо внимательно слушать меня. Я буду говорить, в какую сторону и на сколько клеток провести линию. Проводите только те линии, которые я буду диктовать. Когда проведете линию, подождите, пока я не скажу, куда направить следующую. Каждую новую линию начинайте там, где закончилась предыдущая, не отрывайте карандаш от бумаги. Итак, начнем построение фигуры на слух.

Тренировочное задание. (Сопровождается показом каждого шага действия на доске или демонстрацией копии проведенного диктанта).

– Скопируйте ниже такую же дорожку.

Ученики сравнивают свой рисунок с образцом.

Индивидуально: Рисование по карандашу и точкам.

– Отгадайте загадку и узнаете, кого мы будем рисовать.

Кто в лесу огромней всех? Кто богатый носит мех? Кто в берлоге до весны днём и ночью смотрит сны? (Медведь.) Где живёт медведь? Что он любит? Как проводит зиму? Как называется его жилище? (Берлога.)Чем питается зимой и летом? Чем покрыто туловище медведя? Какой окраски у зверя шерсть?

— Составление небольшого рассказа о медведе. (Медведь – лесной житель. Летом он бродит по лесу, а зимой крепко спит в берлоге. Любит ягоды, мёд, рыбу, сладкие корешки. Зимой сосёт во сне лапу. Туловище покрыто густой бурой шерстью.)

— В каких мультфильмах видели медведя? (Вини-Пух, Маша и медведь, и т.д.)

Разучивание стихотворения.

Как на горке снег, снег. 
И под горкой снег, снег. 
И на ёлке снег, снег. 
И под ёлкой снег, снег. 
А под снегом спит медведь.
Тише, тише, не шуметь.

Физкультурная минутка.

Наш мишутка потянулся, 
Раз – нагнулся, два – нагнулся.
Лапы в стороны развёл – 
Видно, мёду не нашёл.
Мишка в улей влез и вот 
Каплет с лапы сладкий мёд:
Кап! Кап! Кап! Кап!

Сейчас мы будем рисовать медведя по клеточкам.

Индивидуально: Раскрашивание медведя

IV. Пальчиковая игра.

– Приготовьте свои руки, мы немножко поиграем, пальчики поразминаем. Палчиковая гимнастика» « Будем пальчики считать» на образце диктанта

— Возьмите простой карандашластик.

(Повторить, где право, где лево).

V. Определение исходной точки рисования.

– Отсчитайте от полей две клеточки и на пересечении голубых линий поставьте точку. От неё начнём рисовать.

— Поставьте ручку на опорную точку. Сейчас мы будем с вами рисовать под диктовку. Будьте внимательны! Старайтесь, чтобы линии были у вас ровные и красивые, тогда рисунок получится замечательный.

VI. Графический диктант. Схематическое изображение мордочки медведя

1 клетка вправо, 3 клетки вверх, 1клетка вправо, 1 клетка вверх, 1 клетка вправо, 1 клетка вниз, 2 клетки вправо, 1 клетка вверх, 1 клетка вправо, 1 клетка вниз, 1 клетка вправо, 3 клетки вниз, 1 клетка вправо, 2 клетки вниз, 3 клетки влево, 1 клетка вниз, 2 клетки влево, 1 клетка вверх, 3 клетки влево, 2 клетки вверх.

VII. Дорисовка.

– Посмотрите, получился ли у вас медведь? Дорисуйте глаза, нос, рот.

VIII. Физкультминутка

Топай, мишка, (топаем ногами)

Хлопай, мишка. (хлопаем в ладоши )

Приседай со мной, братишка, (приседаем)

Лапы вверх, вперед и вниз, ( движения руками )

Улыбайся и садись.

X. Проверка выполнения задания.

XI. Оценка результатов. Рефлексия.

У каждого ребёнка на столе лежит лист с «Лесенкой успеха». Лесенка состоит из трёх ступенек.

— Ребята, у вас на столе лежат листочки с «Лесенкой успеха». Оцените свою работу. Нарисуйте человечка на одной из ступенек.

— Нарисуйте человечка (себя) на верхней ступеньке, если вам всё удалось.

— На второй ступеньке рисуют себя те, у кого были проблемы.

— На нижней ступеньке нарисуют себя ребята, у которых ничего не получилось.

XII. Подведение итога занятия.

— Чему научились на занятие?

— Что было трудным? А интересным?

— Что больше всего понравилось?

Клеточные органеллы | Клетки: основные единицы жизни

2.4 Клеточные органеллы (ESG4Y)

Теперь мы рассмотрим ключевые органеллы, из которых состоит клетка. Важно помнить, что структура и функции тесно связаны между собой у всех живых систем. При изучении каждой органеллы убедитесь, что вы наблюдаете определенные структуры (по микрофотографиям), которые позволяют органелле выполнять свою определенную функцию.

Цитоплазма (ESG4Z)

Цитоплазма — это желеобразное вещество, заполняющее клетку.Он состоит из воды до \ (\ text {90} \% \). Он также содержит растворенные питательные вещества и продукты жизнедеятельности. Его основная функция — удерживать вместе органеллы, составляющие цитоплазму. Он также питает клетку, снабжая ее солями и сахарами, и обеспечивает среду для метаболических реакций.

ПЕРЕСМОТР Вы, возможно, встречали термины цитоплазма, нуклеоплазма и протоплазма ранее в 9 классе. Цитоплазма — это часть клетки, которая находится внутри клеточной мембраны и исключает ядро. Нуклеоплазма — это вещество ядра клетки, то есть все, что находится внутри ядра, что не является частью ядрышка. Протоплазма — бесцветный материал, составляющий живую часть клетки, включая цитоплазму, ядро ​​и другие органеллы.

Все содержимое прокариотических клеток содержится в цитоплазме. В эукариотических клетках все органеллы содержатся в цитоплазме, за исключением ядрышка, которое содержится в ядре.

Функции цитоплазмы

  • Цитоплазма обеспечивает механическую поддержку клетки, оказывая давление на мембрану клетки, что помогает сохранять форму клетки. Это давление известно как давление тургор давление.
  • Это место наибольшей активности клеток, включая метаболизм, деление клеток и синтез белка.
  • Цитоплазма содержит рибосомы, которые способствуют синтезу белка.
  • Цитоплазма служит хранилищем небольших молекул углеводов, липидов и белков.
  • Цитоплазма приостанавливается и может транспортировать органеллы по клетке.

Ядро (ESG52)

Ядро — самая большая органелла в клетке, содержащая всю генетическую информацию клетки в форме ДНК. Наличие ядра — это главный фактор, который отличает эукариот от прокариот. Структура ядра описана ниже:

Ядерная оболочка : две липидные мембраны, усыпанные специальными белками, которые отделяют ядро ​​и его содержимое от цитоплазмы.

Ядерные поры : крошечные отверстия, называемые ядерными порами, находятся в ядерной оболочке и помогают регулировать обмен материалами (такими как РНК и белки) между ядром и цитоплазмой.

Хроматин : тонкие длинные нити ДНК и белка.

Nucleolus : ядрышко превращает РНК в другой тип нуклеиновой кислоты.

Во время деления клетки ДНК сжимается и сворачивается, образуя отдельные структуры, называемые хромосомами.Хромосомы образуются в начале деления клетки.

Генетический материал эукариотических организмов отделен от цитоплазмы мембраной, тогда как генетический материал прокариотических организмов (например, бактерий) находится в прямом контакте с цитоплазмой.

Принципиальная схема Микрофотография
Рис. 2.19: Схема, показывающая основные структуры ядра клетки животных.

Рисунок 2.20: Электронная микрофотография ядра клетки, показывающая густо окрашенное ядрышко.

Митохондрии также содержат ДНК, называемую митохондриальной ДНК (мтДНК), но она составляет лишь небольшой процент от общего содержания ДНК клетки. Вся митохондриальная ДНК человека происходит по материнской линии.

Функции ядра

  • Основная функция ядра клетки — контролировать экспрессию генов и способствовать репликации ДНК во время клеточного цикла (о чем вы узнаете в следующей главе).
  • Ядро контролирует метаболические функции клетки, продуцируя мРНК, которая кодирует ферменты, например инсулин.
  • Ядро контролирует структуру клетки путем транскрипции ДНК, которая кодирует структурные белки, такие как актин и кератин.
  • Ядро является местом синтеза рибосомной РНК (рРНК), которая важна для построения рибосом. Рибосомы — это место трансляции белков (синтеза белков из аминокислот).
  • Признаки передаются от родителей к потомству через генетический материал, содержащийся в ядре.

Митохондрии (ESG53)

Митохондрия — это мембраносвязанная органелла, обнаруженная в эукариотических клетках. Эта органелла генерирует снабжение клетки химической энергией, высвобождая энергию, хранящуюся в молекулах из пищи, и используя ее для производства АТФ (аденозинтрифосфата). АТФ — это особый тип «энергоносителей».

Строение и функция митохондрии

Митохондрии содержат два фосфолипидных бислоя: внешнюю мембрану и внутреннюю мембрану.Внутренняя мембрана содержит множество складок, называемых кристами, которые содержат специализированные мембранные белки, которые позволяют митохондриям синтезировать АТФ. Внутри внутренней мембраны находится желеобразная матрица. От внешнего слоя до самого внутреннего отсека митохондрии перечислены следующие:

  • Наружная митохондриальная мембрана
  • Межмембранное пространство
  • Внутренняя митохондриальная мембрана
  • Кристы (складки внутренней мембраны)
  • матрица (желеобразное вещество во внутренней мембране)
Принципиальная схема Микрофотография

Рисунок 2.21: основные структуры митохондрии в трех измерениях.

Рисунок 2.22: Электронная микрофотография митохондрии.

В таблице ниже каждая структура соотносится с ее функцией.

Структура Функция Адаптация к функции
Наружная мембрана митохондрий Передача питательных веществ (например, липидов) митохондриям. Имеет большое количество каналов для облегчения передачи молекул.
Межмембранное пространство Хранит большие белки, позволяющие клеточное дыхание. Его положение между двумя избирательно проницаемыми мембранами позволяет ему иметь уникальный состав по сравнению с цитоплазмой и матрицей.
Внутренняя мембрана Хранит мембранные белки, которые позволяют производить энергию. Содержит складки, известные как cristae , которые обеспечивают увеличенную площадь поверхности, что позволяет производить АТФ (химическая потенциальная энергия).
Матрица Содержит ферменты, которые позволяют производить АТФ (энергию). Матрица содержит большое количество белковых ферментов, которые позволяют производить АТФ.

В науках о жизни важно отметить, что всякий раз, когда структура имеет увеличенную площадь поверхности, функционирование этой структуры увеличивается.

Эндоплазматическая сеть (ESG54)

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — органелла, обнаруженная только в эукариотических клетках.ER имеет двойную мембрану, состоящую из сети полых трубок, уплощенных листов и круглых мешочков. Эти уплощенные полые складки и мешочки называются цистернами. ER расположен в цитоплазме и связан с ядерной оболочкой. Существует два типа эндоплазматической сети: гладкая и шероховатая ER.

Smooth ER : не имеет прикрепленных рибосом. Он участвует в синтезе липидов, в том числе масел, фосфолипидов и стероидов. Он также отвечает за метаболизм углеводов, регулирование концентрации кальция и детоксикацию лекарств.

Rough ER : покрыт рибосомами, придающими эндоплазматическому ретикулуму грубый вид. Он отвечает за синтез белка и играет роль в производстве мембран. Складки, присутствующие в мембране, увеличивают площадь поверхности, позволяя большему количеству рибосом присутствовать на ЭПР, тем самым обеспечивая большую продукцию белка.

0 ES

Рибосомы состоят из РНК и белка.Они находятся в цитоплазме и являются местами, где происходит синтез белка. Рибосомы могут встречаться в цитоплазме по отдельности или группами или могут быть прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму, образуя грубый эндоплазматический ретикулум. Рибосомы важны для производства белка. Вместе со структурой, известной как информационная РНК (тип нуклеиновой кислоты), рибосомы образуют структуру, известную как полирибосома, которая играет важную роль в синтезе белка.

Принципиальная схема Микрофотография
Гладкий эндоплазматический ретикулум
Шероховатый эндоплазматический ретикулум
Диаграмма : Свободная рибосома Диаграмма : Полирибосома

Рисунок 2.23: свободные рибосомы, обнаруженные в цитоплазме.

Рис. 2.24: Схема нескольких рибосом, объединенных вместе на цепи мРНК с образованием полирибосомы.

Корпус Гольджи (ESG56)

Тело Гольджи находится рядом с ядром и эндоплазматической сетью. Тело Гольджи состоит из множества плоских мембранных мешочков, называемых цистернами. Цистерны в теле Гольджи состоят из ферментов, которые модифицируют упакованные продукты тела Гольджи (белки).

Принципиальная схема Микрофотография

Рис. 2.25: Схема, показывающая тельца Гольджи, обнаруженные в клетках животных.

Рис. 2.26: ТЕМ-микрофотография тела Гольджи, видимого в виде стопки полукруглых черных колец около дна.

Тело Гольджи было обнаружено итальянским врачом Камилло Гольджи. Это была одна из первых органелл, которые были обнаружены и подробно описаны, поскольку ее большой размер облегчал наблюдение.

Функции тела Гольджи

Важно, чтобы белки транспортировались от места их синтеза к месту, где они необходимы в клетке. Органелла, отвечающая за это, — Тело Гольджи. Тело Гольджи — сортирующая органелла клетки.

Белки транспортируются из грубого эндоплазматического ретикулума (RER) в Гольджи. В системе Гольджи белки модифицируются и упаковываются в пузырьки. Таким образом, тело Гольджи получает белки, произведенные в одном месте клетки, и переносит их в другое место внутри клетки, где они необходимы.По этой причине тело Гольджи можно рассматривать как «почтовое отделение» клетки.

Везикулы и лизосомы (ESG57)

Пузырьки — это маленькие сферические мешочки, связанные с мембраной, которые способствуют метаболизму, транспортировке и хранению молекул. Многие везикулы образуются в теле Гольджи и эндоплазматическом ретикулуме или состоят из частей клеточной мембраны. Везикулы можно классифицировать по их содержимому и функциям. Транспортные везикулы транспортируют молекулы внутри клетки.

Лизосомы образуются телом Гольджи и содержат мощные пищеварительные ферменты, которые потенциально могут переваривать клетку. Лизосомы образуются тельцом Гольджи или эндоплазматическим ретикулумом. Эти мощные ферменты могут переваривать клеточные структуры и молекулы пищи, такие как углеводы и белки. Лизосомы в изобилии присутствуют в клетках животных, которые поглощают пищу через пищевые вакуоли. Когда клетка умирает, лизосома высвобождает свои ферменты и переваривает клетку.

Вакуоли (ESG58)

Вакуоли — это связанные с мембраной органеллы, заполненные жидкостью, которые встречаются в цитоплазме большинства растительных клеток, но очень малы или полностью отсутствуют в клетках животных.Растительные клетки обычно имеют одну большую вакуоль, которая занимает большую часть объема клетки. Селективно проницаемая мембрана, называемая тонопластом , окружает вакуоль. Вакуоль содержит клеточный сок , который представляет собой жидкость, состоящую из воды, минеральных солей, сахаров и аминокислот.

Рисунок 2.27: Вакуоль.

Функции вакуоли

  • Вакуоль играет важную роль в переваривании и выведении клеточных отходов и хранении воды, органических и неорганических веществ.

  • Вакуоль впитывает и выделяет воду путем осмоса в ответ на изменения в цитоплазме, а также в окружающей среде вокруг клетки.

  • Вакуоль также отвечает за поддержание формы растительных клеток. Когда клетка заполнена водой, вакуоль оказывает давление наружу, прижимая клеточную мембрану к клеточной стенке. Это давление называется тургорным давлением.

  • Если воды недостаточно, давление вакуоли снижается, и клетки становятся вялыми, вызывая увядание растений.

Центриоли (ESG59)

Клетки животных содержат особую органеллу, называемую центриолью. Центриоль представляет собой цилиндрическую трубчатую структуру, состоящую из 9 микротрубочек, расположенных по очень специфическому узору. Две центриоли, расположенные перпендикулярно друг другу, называются центросомой . Центросома играет очень важную роль в делении клеток. Центриоли отвечают за организацию микротрубочек, которые позиционируют хромосомы в правильном месте во время деления клетки.Вы узнаете больше об их функциях в следующей главе о делении клеток.

Рисунок 2.28: ПЭМ-микрофотография поперечного сечения центриоли в животной (крысиной) клетке.

Пластиды (ESG5B)

Пластиды — это органеллы, встречающиеся только в растениях. Есть три разных типа:

  1. Лейкопласты : белые пластиды, обнаруженные в корнях.
  2. Хлоропласты : Пластиды зеленого цвета, обнаруженные в растениях и водорослях.
  3. Хромопласты : содержат красные, оранжевые или желтые пигменты и часто встречаются в созревающих фруктах, цветах или осенних листьях.

Рис. 2.29. Пластиды выполняют множество функций на предприятиях, включая накопление и производство энергии.

Цвет цветков растений, таких как орхидея, контролируется специальной органеллой в клетке, известной как хромопласт.

Хлоропласт

Хлоропласт представляет собой двухмембранную органеллу. Внутри двойной мембраны находится гелеобразное вещество, называемое стромой. Строма содержит ферменты фотосинтеза. В строме подвешены структуры, похожие на стопку, называемые грана (единичное число = гранум).Каждая гранула представляет собой стопку тилакоидных дисков. Молекулы хлорофилла (зеленые пигменты) находятся на поверхности тилакоидных дисков. Хлорофилл поглощает энергию солнца, чтобы в хлоропластах происходил фотосинтез. Граны соединены ламелями (интергранами). Ламели удерживают стопки отдельно друг от друга.

Структура хлоропласта точно адаптирована к его функции по улавливанию и хранению энергии в растениях. Например, хлоропласты содержат высокую плотность тилакоидных дисков и многочисленные граны, что позволяет увеличить площадь поверхности для поглощения солнечного света, тем самым производя большое количество пищи для растений.Кроме того, ламели, разделяющие тилакоиды, максимизируют эффективность хлоропластов, позволяя, таким образом, поглощать как можно больше света на минимальной площади поверхности.

Принципиальная схема Микрофотография

Рисунок 2.30: Структура хлоропласта.

Рис. 2.31: Электронная микрофотография хлоропласта с грана и тилакоидами.

Различия между растительными и животными клетками (ESG5C)

Теперь, когда мы рассмотрели основные структуры и функции органелл в клетке, вы могли заметить, что есть ключевые различия между растительными и животными клетками.В таблице ниже приведены эти различия.

Клетки животных Клетки растений
Не содержат пластид. Почти все клетки растений содержат пластиды, такие как хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.
Нет клеточной стенки. Имеют жесткую клеточную стенку из целлюлозы в дополнение к клеточной мембране.
Содержат центриоли. Не содержат центриолей.
У животных нет плазмодесм и ямок. Содержат плазмодесматы и ямки.
Мало вакуолей (если есть). Большая центральная вакуоль в зрелых клетках заполнена клеточным соком.
Ядро обычно находится в центре цитоплазмы. Ядро находится у края клетки.
Межклеточные промежутки между клетками отсутствуют. Между некоторыми клетками обнаружены большие межклеточные воздушные пространства.

Изучение клеток растений под микроскопом

Цель

Для изучения микроскопических структур растительных клеток.

Аппарат

  • лук
  • лезвие
  • слайды и покровные стекла
  • щетки
  • составной микроскоп
  • папиросная бумага
  • щипцы
  • капельница
  • Раствор йода
  • стекло
  • чашка Петри с водой

Метод

  1. Осторожно снимите самый внешний слой луковицы, используя пару щипцов.{2} $} \)).
  2. Удалите тонкую прозрачную кожицу с внутреннего изгиба небольшого кусочка сырого лука и поместите его на каплю раствора йода на чистом предметном стекле.
  3. Накройте кожуру покровным стеклом, следя за тем, чтобы не образовывались пузырьки.
  4. С помощью куска папиросной бумаги сотрите излишки раствора йода, оставшиеся на предметном стекле.
  5. Наблюдайте за кожурой лука под малым увеличением микроскопа, а затем под большим увеличением.
  6. Нарисуйте аккуратную схему из 5-10 ячеек типичных ячеек, которые вы видите.
Рис. 2.32: Клетки лука, окрашенные метиленовым синим.

Мероприятие 3.1. Подготовка мокрого крепления

Перед тем, как учащиеся выполнят это практическое занятие, может потребоваться краткое описание деталей и функций микроскопа и подготовки влажного крепления.

Инструкции

  1. Лук необходимо окрасить, чтобы части лука были отчетливо видны под микроскопом.
  2. Учащиеся увидят несколько близко расположенных ячеек в форме кирпича.
  3. Ученики рисуют 5-10 ячеек.
  4. Учащиеся должны нарисовать линии надписей, чтобы обозначить клеточную стенку, цитоплазму, ядро ​​и вакуоль.
  5. Ячейки имеют правильную форму, и каждая ячейка имеет клеточную стенку.

Примечание. В качестве дополнительного занятия учащиеся могут также провести подготовку мокрых клеток щеки. Метиленовый синий можно использовать для окрашивания щечных клеток.

Изучение клеток животных под микроскопом

Цель

Для изучения микроскопических структур клеток щек человека под сложным микроскопом.

Аппарат

  • ушной вкладыш чистый
  • чистая горка
  • метиленовый синий
  • капельница
  • вода
  • папиросная бумага
  • щипцы
  • микроскоп

Метод

  1. Поместите каплю воды на чистое предметное стекло.
  2. Протрите внутреннюю часть щеки чистым наушником. Наушник будет собирать влажную пленку.
  3. Намажьте влажную пленку на каплю воды на чистом предметном стекле, создав на предметном стекле небольшой мазок.
  4. Используйте покровное стекло, чтобы аккуратно прикрыть предметное стекло.
  5. Нанесите одну или две капли пятна на сторону покровного стекла.
  6. Используйте кусок ткани, чтобы удалить излишки красителя.
  7. Осмотрите клетки щеки под малым увеличением, а затем под большим увеличением.

Вопросы

  1. Каковы формы эпидермальных клеток луковой шелухи и клеток щеки человека?
  2. Почему для окрашивания луковой шелухи используют йод?
  3. В чем разница между расположением клеток в клетках лука и в клетках щек человека?
  4. Почему клетка считается структурной и функциональной единицей живых существ?
Рисунок 2.33: Эпителиальные клетки щеки.

Исследование клеток под микроскопом

Вопросы

  1. Каковы формы клеток эпидермиса луковой шелухи и клеток щеки человека?
  2. Почему для окрашивания луковой шелухи используют йод?
  3. В чем разница между расположением клеток в клетках лука и в клетках щек человека?
  4. Почему клетка считается структурной и функциональной единицей живых существ?

Ответы

  1. Ячейки лука имеют правильную форму — примерно прямоугольную.Клетки эпидермиса щеки имеют неправильную форму.
  2. В луковой шелухе глюкоза хранится в виде крахмала, а раствор йода окрашивается в пурпурный цвет. Используйте раствор йода в качестве красителя, потому что он окрашивает крахмал в пурпурный цвет, что делает клетки более заметными.
  3. В луковице клетки упорядочены, как кирпичи в стене. Клетки эпидермиса упакованы неравномерно — упаковка зависит от формы клеток в области, которые имеют неправильную форму.
  4. Клетка — самая маленькая единица жизни.Он содержит ДНК, необходимую для создания целостного организма, и является основным строительным блоком, из которого состоят все ткани и организмы. Каждая клетка выполняет семь жизненных процессов, поэтому каждая клетка является живой.

Органеллы клетки

Вы должны составить отчет об одной из органелл, которые вы изучили в классе, или любой другой органелле по вашему выбору. Ваш отчет должен включать следующую информацию.

  • Прошлое

    • Открытие органеллы
    • Все прежние представления о структуре и / или функции органелл, которые теперь изменились.
    • Важность открытия органелл для клеточной науки
  • Настоящее время

    • Понятная в настоящее время структура и функция органеллы
    • Двухмерное изображение органеллы, показывающее все соответствующие структуры органеллы.
    • Изображение органеллы, полученное с помощью электронного микроскопа, показывающее структуру органеллы.
    • Понимание важности органелл для выживания человека
  • Будущее

    • Что еще предстоит открыть или полностью понять?
    • Любая важная роль органелл потенциально может сыграть с развитием технологий будущего (т.е. в промышленности или медицине).
  • Любая другая дополнительная информация или интересные факты, которые вы хотите включить.

Презентация

  • Студенты должны представить результаты своих исследований в формате буклета.
  • Это должно быть аккуратно, но творчески изложено.
  • Он должен включать полную и правильно структурированную библиографию.

Студенты должны быть отмечены согласно прилагаемой рубрике.

Проект: Клеточные органеллы

Отметьте проект учащихся в соответствии со следующими рекомендациями.

Оценка знаний

Открытие идентифицированной органеллы

/5

Обсуждаемая и понятая история открытия органеллы

/5

Обсуждаемые и понятые будущие открытия, касающиеся органелл

/5

Интерпретация знаний

Информация о нынешней структуре и функциях органелл обсуждалась и понималась

/5

Двухмерное изображение органеллы предоставлено и достаточно подробное

/5

Трехмерное изображение органеллы предоставлено и достаточно подробное

/5

Микрофотография органелл предоставлена ​​и достаточно подробная

/5

Предоставляется дополнительная информация

/5

Понимание содержания в повседневной жизни

важность открытия органелл для науки предоставлена ​​и понятна

/5

Возможная будущая роль органеллы предоставлена, понятна и актуальна

/5

Исследование наука в прошлом

Обсуждались прошлые теории / понимание органелл, которые изменились

/5

Передача информации

Техника привязки правильная

/5

Чистая презентация

/5

Креативная презентация

/5

Всего

9000

Схемы ячеек

Диаграммы клетки очень хорошо изучены, но они часто дают нам неправильное представление о том, насколько сложны клетки на самом деле.Это задание поможет вам понять сложность ячеек.

  1. Найдите и отправьте бумажную копию \ (\ text {5} \) микрофотографий, показывающих различные клеточные органеллы.
  2. Нарисуйте и пометьте две органеллы, чтобы продемонстрировать свои навыки рисования, маркировки и интерпретации.

Обратите особое внимание на следующее:

  • Каждая органелла должна удобно занимать страницу формата A5.
  • Каждая органелла должна иметь заголовок, включающий вид, название и увеличение.
  • Рисунки должны соответствовать полученным вами навыкам рисования. Один рисунок должен быть того же размера, что и микрофотография, другой — ровно в два раза меньше.
  • На ваших рисунках должна быть правильная масштабная линия.
  • Укажите источник ваших микрофотографий в соответствии с Гарвардской конвенцией.
  • баллов будут присуждены за аккуратность: представьте свою работу как единый комплект.
  • Вы должны тщательно выбирать бумажные копии, чтобы они были высокого качества и были легко узнаваемы.
  • Ваши изображения могут быть одной и той же органеллы, но только в том случае, если на изображениях есть существенные различия.

Проект: Схемы ячеек

Оценка по следующим критериям:

  1. Следующие инструкции: размер, количество (5)
  2. Изображения: выбор, качество, рубрики, ссылки (10)
  3. Чертежи: точность, реалистичность, масштаб, маркировка (10)
  4. Усилия: аккуратность, профессионализм (5)

Пересмотрите все, что вы узнали о клетках, посмотрев это видео.

Видео: 2CPM

Открытые учебники | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 7A

        • Марка 7Б

        • Оценка 7 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Граад 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 8A

        • класс 8Б

        • Оценка 8 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Граад 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 9А

        • Марка 9Б

        • 9 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Граад 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 4A

        • Класс 4Б

        • Класс 4 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Граад 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 5A

        • Марка 5Б

        • Оценка 5 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Граад 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 6A

        • класс 6Б

        • 6 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Граад 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколь угодно часто. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без бренда)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Используйте гистограммы, цветовые шкалы и наборы значков для выделения данных

Форматирование ячеек с помощью гистограмм

Гистограммы могут помочь вам определить большие и меньшие числа, например самые продаваемые и самые продаваемые игрушки, в отчете о праздничных продажах.Более длинный столбец представляет большее значение, а более короткий столбец — меньшее значение.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите на панели данных , а затем щелкните градиентную или сплошную заливку.

    Совет: Когда вы делаете столбец с гистограммами шире, различия между значениями ячеек становятся более заметными.

Форматирование ячеек с помощью цветовых шкал

Цветовые шкалы могут помочь вам понять распределение и изменение данных, например доходность инвестиций с течением времени. Ячейки закрашены градациями двух или трех цветов, которые соответствуют минимальному, среднему и максимальному порогам.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите на Цветовые шкалы , а затем щелкните нужный формат цветовой шкалы.

    Верхний цвет представляет большие значения, центральный цвет, если таковой имеется, представляет средние значения, а нижний цвет представляет меньшие значения.

Форматирование ячеек с помощью наборов значков

Используйте набор значков для представления данных в трех-пяти категориях, которые различаются пороговым значением. Каждый значок представляет собой диапазон значений, и каждая ячейка помечена значком, который представляет этот диапазон.Например, набор из трех значков использует один значок для выделения всех значений, которые больше или равны 67 процентов, другой значок для значений, которые меньше 67 процентов и больше или равны 33 процентам, а другой значок для значений, которые менее 33 процентов.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите Наборы значков , а затем щелкните нужный набор значков.

    Совет: Наборы значков можно комбинировать с другими условными форматами.

Форматирование ячеек с помощью гистограмм

Гистограммы могут помочь вам определить большие и меньшие числа, например самые продаваемые и самые продаваемые игрушки, в отчете о праздничных продажах.Более длинный столбец представляет большее значение, а более короткий столбец — меньшее значение.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница в разделе Формат щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите на панели данных , а затем щелкните градиентную или сплошную заливку.

    Совет: Когда вы делаете столбец с гистограммами шире, различия между значениями ячеек становятся более заметными.

Форматирование ячеек с помощью цветовых шкал

Цветовые шкалы могут помочь вам понять распределение и изменение данных, например доходность инвестиций с течением времени. Ячейки закрашены градациями двух или трех цветов, которые соответствуют минимальному, среднему и максимальному порогам.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница в разделе Формат щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите на Цветовые шкалы , а затем щелкните нужный формат цветовой шкалы.

    Верхний цвет представляет большие значения, центральный цвет, если таковой имеется, представляет средние значения, а нижний цвет представляет меньшие значения.

Форматирование ячеек с помощью наборов значков

Используйте набор значков для представления данных в трех-пяти категориях, которые различаются пороговым значением. Каждый значок представляет собой диапазон значений, и каждая ячейка помечена значком, который представляет этот диапазон.Например, набор из трех значков использует один значок для выделения всех значений, которые больше или равны 67 процентов, другой значок для значений, которые меньше 67 процентов и больше или равны 33 процентам, а другой значок для значений, которые менее 33 процентов.

  1. Выберите диапазон ячеек, таблицу или весь лист, к которому вы хотите применить условное форматирование.

  2. На вкладке Домашняя страница в разделе Формат щелкните Условное форматирование .

  3. Укажите Наборы значков , а затем щелкните нужный набор значков.

    Совет: Наборы значков можно комбинировать с другими условными форматами.

Автоматизированное изучение субклеточных вариаций паттернов точечных белков и генеративная модель их связи с микротрубочками

Abstract

Характеристика пространственного распределения белков непосредственно из микроскопических изображений — сложная задача с многочисленными приложениями в клеточной биологии (например,г. идентификация белков, связанных с двигателем) и клинических исследований (например, идентификация биомаркеров рака). Здесь мы описываем дизайн системы, которая обеспечивает автоматический анализ паттернов точечных белков на микроскопических изображениях, включая количественную оценку их взаимоотношений с микротрубочками. Мы сконструировали систему, используя изображения конфокальной иммунофлуоресцентной микроскопии из проекта Human Protein Atlas для 11 точечных белков в трех культивируемых клеточных линиях. Эти белки ранее были охарактеризованы как находящиеся в основном в точечных структурах, но все их изображения при визуальном осмотре были аннотированы как просто «везикулярные».Нам удалось показать, что эти паттерны можно отличить друг от друга с высокой точностью, и мы смогли отнести к одному из этих подклассов сотни белков, субклеточная локализация которых ранее не была четко определена. В дополнение к предоставлению этих новых аннотаций мы разработали генеративный подход к моделированию точечных распределений, который фиксирует основные характеристики отдельных паттернов. Ожидается, что такие модели будут полезны для представления и обобщения каждого паттерна и для построения системно-биологических симуляций клеточного поведения.

Сведения об авторе

Определение внутриклеточного местоположения всех белков — важная, но устрашающая задача для системных биологов, особенно когда учитываются различия между различными типами клеток. Флуоресцентная микроскопия является основным источником информации о субклеточном расположении, но большие коллекции флуоресцентных изображений для многих белков часто аннотируются визуально и приводят к отнесению только к широким категориям. В этой статье мы описываем автоматизированные методы анализа изображений из Атласа белков человека, чтобы идентифицировать девять специфических паттернов точек и назначать эти более специфические аннотации 550 белкам, многие из которых ранее имели мало информации о субклеточном расположении.Мы также описываем построение моделей этих паттернов, которые будут полезны для проведения системной биологии моделирования клеточных реакций с использованием точных пространственных распределений.

Образец цитирования: Джонсон Г.Р., Ли Дж., Шарифф А., Роде Г.К., Мерфи Р.Ф. (2015) Автоматизированное изучение субклеточных вариаций паттернов точечных белков и генеративная модель их связи с микротрубочками. PLoS Comput Biol 11 (12): e1004614. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614

Редактор: Ахим Треш, Институт исследований селекции растений им. Макса Планка, ГЕРМАНИЯ

Поступила: 6 мая 2015 г .; Одобрена: 19 октября 2015 г .; Опубликован: 1 декабря 2015 г.

Авторские права: © 2015 Johnson et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника

Доступность данных: Все программное обеспечение и данные для эта работа доступна в виде воспроизводимого исследовательского архива (http: // murphylab.web.cmu.edu/software). Программное обеспечение также доступно как часть системы CellOrganizer с открытым исходным кодом (http://CellOrganizer.org).

Финансирование: Эта работа была частично поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения GM075205, GM0

  • , GM103712 и EB009403. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    Изображения с флуоресцентного микроскопа могут предоставить важную информацию о субклеточном расположении белков, а автоматизированные системы могут быть использованы для отнесения этих белков к основным субклеточным классам расположения с точностью, равной или превышающей точность аннотаторов человека [1, 2]. Однако назначить белкам аннотации с более высоким разрешением сложнее, особенно для точечных или везикулярных паттернов. Точечные паттерны субклеточной локализации могут возникать либо из мембраносвязанных органелл (например,g., транспортные везикулы) или из макромолекулярных комплексов достаточного размера (например, рибонуклеопротеидные (РНП) тельца), и они могут быть очень похожими визуально. Мы называем отдельные компоненты этих паттернов в совокупности пунктами, чтобы охватить оба типа структур. Они важны для различных клеточных задач, таких как эндоцитоз, экзоцитоз и привлечение, хранение или деградация РНК. Решающим фактором для выполнения многих из этих задач является ассоциация везикул или тел с компонентами цитоскелета, такими как микротрубочки для внутриклеточного транспорта.Хотя микротрубочки не нужны для транспорта на короткие расстояния, они необходимы для быстрого транспорта везикул [3]. Степень, в которой распределения конкретных точек связаны с распределением микротрубочек, остается неясной, как и степень, в которой распределения варьируются в разных клеточных линиях.

    Нашему пониманию клеточного поведения и источников клеточной изменчивости можно значительно помочь и проверить с помощью клеточного моделирования и симуляций [4–6]. Для этого нам нужен механизм, позволяющий фиксировать пространственно-временное поведение клеточных субструктур, как в качестве отправной точки для моделирования, так и для сравнения с результатами.С этой целью мы ранее описывали системы для построения генерирующих моделей на основе изображений, 2D или 3D распределения либо точечных органелл [7, 8], либо микротрубочек [9] внутри клеток. Эти модели условны (зависят) от моделей клеточных и ядерных мембран, но они независимы друг от друга; то есть они не принимают во внимание отношения между пунктами и микротрубочками.

    Здесь мы описываем новый вычислительный метод, который позволяет нам моделировать эту взаимосвязь.Наш метод требует изображений, на которых визуализируются как точечные белки, так и микротрубочки. Атлас белков человека (HPA, http://proteinatlas.org) — богатый источник таких изображений, содержащий изображения с высоким разрешением паттернов внутриклеточного расположения тысяч белков в нескольких линиях клеток [10]. Чтобы проанализировать паттерны точечных белков в HPA, мы разработали генеративную модель, состоящую из компактных и интерпретируемых функций, чтобы охарактеризовать популяцию точечных точек внутри клетки, включая измерения ассоциации микротрубочек, взаимосвязи с геометрией клетки, плотностью, интенсивностью и внешним видом.Мы использовали особенности этих моделей, чтобы обнаружить основные способы вариации среди точечных паттернов и отнести подклассы точечных паттернов к неаннотированным белкам.

    Результаты

    Зависимость расположения белкового паттерна на микротрубочках

    Мы начали с создания конвейера обработки изображений, который идентифицировал отдельные точки и микротрубочки на двухмерных изображениях конфокальной микроскопии с HPA. Как показано на рис. 1A, входное изображение (рис. 1C) обрабатывается для создания изображений точек и микротрубочек (показано как композит на рис. 1D) и оставшейся фоновой флуоресценции белка (рис. 1E).Одной из наших основных целей было создание модели распределения точек, которая отражает их связь с микротрубочками. Это, по-видимому, могло бы отражать степень, в которой точки были связаны с микротрубочками для осуществления транспорта или удержания в определенных областях клетки. В качестве простой меры этой ассоциации мы вычислили расстояние ( d ) между каждой точкой и ближайшей микротрубочкой (Рис. 1B). Мы ожидаем, что точки, которые связаны с микротрубочками, будут иметь небольшое расстояние по сравнению с теми, которые не связаны, и, возможно, также, что распределение расстояний будет отражать степень, в которой высвобожденные пузырьки диффундируют, прежде чем снова связываться.Мы добавили эту меру к нашей предыдущей модели распределения везикулярных объектов [8], которая включала зависимость от дробного расстояния между ядром и плазматической мембраной ( r , вычисленное из L1 и L2) и угла (α) к большой оси ячейка (см. Методы). Мы также создали модель для интенсивности фона, которая аналогичным образом зависела от микротрубочек и формы клеток (см. Методы). Мы объединили оценочные параметры этих моделей с пятью параметрами, которые описывают размер и форму точек, и двумя параметрами, которые измеряют количество флуоресценции в точках и фоне.В результате были получены двадцать два параметра (таблица S1), которые можно легко определить по каждому изображению субклеточного распределения белка в отдельной клетке. Мы использовали эти параметры как в качестве признаков для описания паттернов белков, так и, позже, для построения генеративных моделей паттернов точек.

    Рис. 1.

    (a) Краткое описание процесса обучения модели и классификации. (b) Иллюстрация системы координат для функции плотности вероятности. Для каждого пикселя изображения вычисляется расстояние между ним и ближайшей точкой на ядерной мембране (L1) и между ним и ближайшей точкой на клеточной мембране (L2), которые используются для вычисления радиального положения ( r ) как L1 / (L1 + L2).Кроме того, вычисляются расстояние до ближайшей точки на сегментированной микротрубочке ( d ) и угол между пикселем и большой осью клетки (α). (c) Двухцветное изображение везикулярного белка (TFRC, рецептор трансферрина, зеленый) и микротрубочек (красный) в клетке U-2OS. (d) Сегментированное изображение микротрубочек (красный) и точки (зеленый). (e) Оставшаяся интенсивность фона.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.g001

    Идентификация точечных подшаблонов и основных модификаций

    Ряду белков в HPA присвоены аннотации «везикул» или «цитоплазмы».Мы рассмотрели, можем ли мы использовать изображения HPA, чтобы отнести эти белки к более конкретной органелле или структуре. Изучив аннотации UniProt и основную литературу для белков, субклеточное расположение которых было достаточно хорошо охарактеризовано, мы выбрали одиннадцать белков, которые присутствуют в одиннадцати конкретных типах точечных паттернов (таблица 1) (мы называем эти белки «основателями», поскольку они позволили нам для определения конкретных подтипов). Мы выбрали эти паттерны из-за того, что белки показали схожий паттерн для всех трех типов клеток в HPA, и они представляют широкий спектр мембранных и немембранно связанных компартментов (хотя, конечно, есть дополнительные паттерны точечных точек, для которых мы сделали не нашел подходящих учредителей).В частности, они охватывают все основные отделы эндомембранной системы. Мы рассчитали значения признаков для всех клеток для каждой комбинации одиннадцати белков и трех клеточных линий. Мы подтвердили, что характеристики точно отражают взаимосвязь между пузырьками и микротрубочками, сравнив совокупное распределение экспериментально измеренного расстояния между точками и микротрубочками с рассчитанным по модели; распределения были очень похожи для всех одиннадцати паттернов (S1 Рис).Затем мы спросили, можно ли отличить эти шаблоны друг от друга на изображениях HPA. Чтобы обеспечить визуальную основу для иллюстрации того, как белки различаются по характеристикам, мы вычислили первые три основных компонента. Фиг. 2 показывает положение каждой комбинации антитело-клеточная линия в двух проекциях этого трехмерного пространства, а также репрезентативные изображения вдоль каждой главной оси. Для данной клеточной линии одиннадцать паттернов можно приблизительно разделить, хотя положение данного белка иногда варьируется от клеточной линии к клеточной линии.Например, белки 2, 3, 6 и 7 расположены близко друг к другу в pc1 и pc2, но разделены pc3. Из рассмотрения проекции каждого числового признака на три наиболее важные оси главных компонентов, а также примеров изображений, кажется, что первый компонент в первую очередь представляет собой вариации признаков 12, 13 и 5, которые фиксируют взаимосвязь с микротрубочками и вариации в интенсивность. Второй в первую очередь представляет собой изменение характеристик 21, 22, 2 и 8, которые фиксируют интенсивность и расстояние от ядра, в то время как третий главный компонент представляет изменение характеристик 1, 3 и 4, которые фиксируют размер точек и изменение размера.Этот рисунок не позволяет точно оценить перекрытие между образцами, но представлен, чтобы дать визуальный обзор основных режимов изменения с образцами.

    Рис. 2. Распределение клеток комбинаций белков и клеточных линий в первых трех основных компонентах, полученных из всего пространства признаков с помощью PCA.

    Число для каждой точки указывает индекс белка, а цвет указывает линию клеток (красный для A-431, зеленый для U-2OS и синий для U-251MG).Серые эллипсы представляют диапазон 1,5 стандартных отклонений, которые содержат от 50% до 80% ячеек. Стрелки суммируют состав каждого основного компонента, показывая направление, в котором каждая функция увеличивается (список функций см. В таблице S1). На левой панели показаны первый и второй основные компоненты, а на правой панели показаны второй и третий основные компоненты. Проекции объектов с магнитудой менее 0,1 были удалены для целей визуализации.

    https: // doi.org / 10.1371 / journal.pcbi.1004614.g002

    Построение классификатора для подшаблонов пунктиров

    Эти результаты предполагают, что набор признаков может быть надежной основой для измерения вариации паттернов точечных точек, и поэтому мы стремились определить, можем ли мы использовать их для предсказания компартментальной локализации других белков в одном из одиннадцати паттернов. Чтобы сделать это, мы сначала использовали функции для построения статистики разделимости, полученной на основе точности классификации, для сравнения двух наборов ячеек (см. Методы) и оценили степень, в которой можно было различить одиннадцать шаблонов.Мы использовали подход к классификации, основанный на частоте ошибок Байеса, чтобы избежать проблем с дисбалансом между количеством белков в каждом классе и учесть классовые различия в масштабе для различных функций (см. Методы).

    Для каждого типа ячеек отдельно мы классифицировали каждое изображение как принадлежащее к одному из одиннадцати шаблонов, используя перекрестную проверку удерживаемых изображений: для каждого удерживаемого изображения мы вычислили разделимость между ячейками, содержащимися в этом изображении, и ячейками каждый из паттернов-основателей.Изображение получило ярлык узора, который был наименее отделен от него. Используя этот метод для каждого типа ячеек, мы достигли средней точности класса 86,9% (Таблица 2). Мы сравнили эти результаты с теми, которые использовали ту же процедуру классификации, но исключили особенности, относящиеся к распределению микротрубочек, что привело к средней точности 82,8%. Это демонстрирует, что связь с микротрубочками предоставляет информацию, которая улучшает нашу способность различать точечные узоры. Дальнейшее изучение таблицы 2 показывает, что рисунок ямок с покрытием является единственным, который постоянно трудно различить.Частично это может быть связано с тем, что использовались двухмерные конфокальные изображения, и, таким образом, особенности не могут легко различить, находятся ли точки на поверхности или внутри клетки (для другого рисунка точек поверхности, кавеол, их распределение или размер должны позволять отличаться).

    Таблица 2. Способность различать 11 классов пунктуации.

    Классификаторы были обучены с использованием 5-кратной перекрестной проверки, и был предсказан класс удерживаемого изображения. Результаты показаны для классификаторов, построенных с использованием всех функций, а значения в скобках предназначены для обучения без функций микротрубочек.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.t002

    Аннотации других точечных белков

    Затем мы спросили, можно ли использовать классификационный подход, чтобы назначить точечную аннотацию подшаблона к изображению белков, отличных от основателей. Мы не хотели просто назначать субклеточное расположение класса, с которым белок был наиболее похож (поскольку белок на самом деле может не принадлежать ни к одному из наших классов), но хотели убедиться, что мы назначаем аннотации только для белков с высокой степенью сходства с одним из основателей.Для каждого типа клеток мы определили порог статистики отделимости, который можно использовать для определения того, следует ли отнести новый белок к определенному классу. Этот порог был определен как оптимальная точка кривой рабочих характеристик приемника (см. «Методы» и фиг. S2) для каждого типа ячеек.

    Чтобы назначить субклеточное местоположение новому изображению, мы измерили отделимость между ним и каждым паттерном основателя. Если значение для одного из шаблонов было ниже порога, мы назначали соответствующую метку шаблона этому изображению.В том редком случае, когда изображение ниже порогового значения нескольких шаблонов, мы присвоили ему ярлык «неоднозначный». Эта процедура классификации была применена к остальным изображениям в наборе данных HPA; результаты содержатся в наборе данных S1. Сто двадцать пять белков были идентифицированы как принадлежащие к одному из одиннадцати классов в A-431, 60 в U-2OS и 365 в U-251 MG. Список наиболее достоверных назначений показан в таблице 3. С целью предоставления улучшенных аннотаций для баз данных белков мы также создали XML-файл, который можно использовать для обновления этих баз данных.Файл (S2 Dataset) содержит информацию об идентификаторах антител против HPA, генах-мишенях и предлагаемую аннотацию. Из-за природы иммунофлуоресцентного мечения метка, специфичная для последовательности, может присутствовать более чем на одной изоформе белка, каждая из которых может демонстрировать специфический для состояния паттерн локализации. Имея это в виду, мы также сообщаем об известных белковых генных продуктах, предоставленных ENSEMBL 79, и о проценте совпадающих пептидов после выравнивания между последовательностями генного продукта и антигена в области, охватываемой антителом.Мы также предоставляем аннотации ко всем изоформам белков, которые соответствуют последовательности антител. Для тех белков и изоформ, которым присвоено местоположение с высокой степенью достоверности, мы также предоставляем XML-файл для обновления их записи UniProt (S3 Dataset).

    Таблица 3. Белки с наивысшим рейтингом, отнесенные к одному из десяти субпаттернов с высокой степенью достоверности.

    Верхний белок для каждого типа клеток для каждого субпаттерна (кроме Coated Pits) включается, если его разделимость составляет менее 0,70 (что более избирательно, чем порог, определенный на S2 рис.).Меры разделимости для всех белков включены в набор данных S1.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.t003

    Для независимой оценки точности процедуры аннотации мы провели поиск литературы, описывающей локализацию наиболее достоверных аннотаций. Нам удалось найти литературу, подтверждающую предложенную нами маркировку для многих белков (хотя они часто анализировались только на других типах клеток). Например, из наиболее успешных для клеток A-431, BRD4, как предполагается, участвует в протолитическом пути лизосом [11].Для U-2OS RAB5C является классическим ранним эндосомным белком [12], а prohibitin (PHB) — многофункциональным мембранным белком [13], одна из ролей которого заключается в регуляции деградации PAR1 [14]. Для клеток U-251MG наиболее популярными являются катепсин H (CTSH), лизосомальный фермент, DTX3L, который регулирует эндосомный сортировку [15], и LY6K, который, как и другие антигены Ly6, связан с гликозилфосфатидилинозитол-заякоренными гликопротеинами (такими как как TEX101 [16]), которые обычно встречаются у кавеол. Эти результаты увеличивают нашу уверенность в предлагаемых аннотациях.

    Многие из проанализированных белков (которые были белками с аннотациями «везикулы» или «цитоплазма») не были с высокой степенью достоверности отнесены ни к одному из 11 паттернов. Для этого есть как минимум три возможных причины. Во-первых, окрашивание может иметь достаточно низкую интенсивность или качество, так что передний план не может быть адекватно идентифицирован. Во-вторых, неназначенные белки могут быть цитоплазматическими белками без различимого точечного рисунка или везикулярными белками из органелл, которые мы не рассматривали.В-третьих, они могут присутствовать более чем в одном из одиннадцати шаблонов, так что их шаблон недостаточно хорошо соответствует ни одному из них.

    Сравнение моделей на разные выкройки

    Наши модели позволяют нам задаться вопросом, различаются ли разные подклассы точечных по своему отношению к микротрубочкам. Мы выполнили простую характеристику этой связи, вычислив среднее фактическое расстояние каждой точки от микротрубочек, а также среднее расстояние от микротрубочек, предсказанное нашей подобранной моделью.S3 Фиг. Показывает сравнение этих двух расстояний для каждого шаблона по всем типам ячеек и для каждой комбинации шаблона и типа ячейки. Доверительный интервал среднего расстояния от микротрубочек определяли методом Тьюки-Крамера после двухфакторного дисперсионного анализа [17] (по белкам и типам клеток). Все символы расположены довольно близко к диагонали, что указывает на то, что модель хорошо согласуется с измерениями. При усреднении по всем трем типам клеток ретромеры, рециклирующие эндосомы и ранние эндосомы показывают наиболее тесную ассоциацию с микротрубочками, а тельца RNP, везикулы COPI и покрытые ямки показывают наименьшую.Когда каждая комбинация белка и типа клеток рассматривается отдельно, мы видим большую вариабельность расстояний (возможно, из-за различий в белках, связывающих микротрубочки, размере или форме клеток). COPII, лизосомы и COPI демонстрируют наименьшие различия между тремя типами клеток, а покрытые ямки и рециркулирующие эндосомы — наибольшие.

    Еще один способ сравнения различных паттернов — это изучение различий в функциях моделей между ними. Простая визуализация этого показана на рис. 3, на котором для каждого шаблона показаны относительные значения каждой функции.В U-2OS, например, первые четыре характеристики (относящиеся к размеру и интенсивности) четко различают группу тел RNP, поздних эндосом, рециркулирующих эндосом, лизосом и COPII от других, а также высокое значение для mx5 (количество точек ) отделяет тела RNP от этой группы. Могут быть идентифицированы и другие отличительные признаки или комбинации признаков, такие как ретромеры, имеющие наименьшее значение для mx12 (что согласуется с их тесной ассоциацией с микротрубочками). Эти различия обеспечивают интерпретируемое обоснование способности классификаторов различать закономерности.

    Рис 3. Сравнение характеристик моделей для разных лекал.

    Значения для каждого объекта были оценены по z-шкале, чтобы сопоставить их по одной шкале между объектами, а среднее значение для каждого объекта показано как функция номера объекта (определения функций см. В таблице S1).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.g003

    Генеративная модель распределения точечных белков

    Трудный вопрос, который часто вызывает споры, заключается в том, как лучше всего описать субклеточный паттерн данной органеллы или структуры (особенно новой).Описания, использующие неструктурированный текст или термины геномной онтологии, откладывают вопрос, предполагая, что слов будет достаточно, чтобы читатель мог мысленно построить шаблон. Альтернативный вариант — показать пример изображения, но это не дает представления об изменении в шаблоне (можно найти различия между любыми двумя примерами изображений, но это не касается того, являются ли эти различия статистически значимыми). К сожалению, эти два метода передачи информации о распределении и вариации белкового паттерна не обеспечивают количественного или, тем более, вероятностного или статистического представления наблюдаемого паттерна.В качестве альтернативы можно указать значения для описательного вектора признаков или матрицы для каждого шаблона (который может использоваться для классификатора), но это позволяет только распознавать новые примеры, но не создавать пример шаблона. Векторы признаков также не обязательно позволяют создать явную модель взаимосвязи между компонентами ячеек. Конечно, ни один из вышеперечисленных подходов не полезен, если нам нужно in silico представление геометрии клетки и выраженных паттернов (т.е.потребителем представления является компьютер, а не клеточный биолог).Например, информация о субклеточных паттернах необходима для точного математического моделирования клеточной биохимии и поведения [4–6]. В качестве решения мы ввели построение генеративных моделей клеточной организации непосредственно из изображений [7, 8, 18–20]. Эти модели предназначены для улавливания основных свойств определенного шаблона; в статистических терминах, чтобы зафиксировать распределение, из которого взяты все примеры этого шаблона. Такую модель можно использовать для синтеза новых изображений клеток из этого распределения.

    Таким образом, мы построили генеративную модель точечных паттернов, структура которых показана на рис. 4. Модель начинается с моделей ядер и формы клеток (d n , d c ) и распределения микротрубочек (d m ) и связей. их к моделям распределения точек с использованием mx7 через mx11, чтобы уловить зависимость от формы клетки и mx12 и mx13, чтобы уловить зависимость от микротрубочек (см. Методы). Кроме того, размер, форма и интенсивность везикул моделируются независимо от формы клеток и микротрубочек с mx1 по mx6.Фоновая интенсивность моделируется аналогичным образом в зависимости от формы клеток и микротрубочек (от mx14 до 20) и масштабируется, чтобы соответствовать доле интенсивности с mx21 и mx22. Мы проиллюстрировали, что изображения, сгенерированные из моделей, изученных для каждого из классов шаблонов, аналогичны реальным изображениям на Рис. 5 и S4 Рис.

    .

    Рис. 4. Графическое представление байесовской иерархической структуры генеративной модели точки, обусловленной геометрией клетки и микротрубочками.

    Форма ядра берется из d n , форма клетки берется из d c , в зависимости от формы ядра [8].Паттерн микротрубочек синтезируется из d m в зависимости от сформированной клетки и формы ядра [9]. Распределение формы и положения точек, d p , моделируется с помощью компонентов p p , которые моделируют положение точек в зависимости от структуры клетки, ядра и микротрубочек, и n p , s p и i p , которые независимо моделируют количество, размер и интенсивность точек. Фоновый узор аналогичным образом создается в зависимости от структуры клетки, ядра и микротрубочек с помощью p b , а его интенсивность определяется с помощью i b .

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.g004

    Рис. 5. Репрезентативные изображения из четырех шаблонов и соответствующие синтезированные изображения в ячейках U-2OS.

    В левом столбце показаны изображения клеток, наиболее близкие к медиане пространства параметров для клеток этого паттерна, а в правом столбце показаны синтезированные клетки из генеративной модели протеинового паттерна в зависимости от геометрии клетки и микротрубочек левой панели. Зеленый, красный и синий каналы представляют точки, микротрубочки и ядра соответственно.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.g005

    Предполагая, что распределения одиннадцати точечных паттернов независимы друг от друга, мы можем объединить модели и синтезировать ячейки, содержащие все одиннадцать. На рис. 6 показан пример «типичной» ячейки при этом предположении (с использованием средних значений всех параметров модели).

    Рис. 6. Изображение синтетической ячейки, содержащее одиннадцать точечных рисунков.

    Синтетические распределения для всех паттернов были независимо созданы в одной и той же ячейке; это предполагает, что позиции точек не влияют друг на друга (например,g., что пероксисомы не более или менее вероятно находятся рядом с тельцами RNP). Ядро показано темно-серым цветом, а микротрубочки — светло-серым. Цвета узоров такие же, как на рис. 3.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.g006

    Обсуждение

    С развитием систем для флуоресцентной маркировки и получения изображений тысяч паттернов субклеточных белков возникла потребность в автоматизированных методах анализа и моделирования паттернов на этих изображениях [21].Цели такого анализа включают, но не ограничиваются этим, определение органелл, в которых локализуются различные белки, и изучение статистической зависимости между различными белками. Однако предыдущие методы не смогли распознать субпаттерны основных типов органелл. Более того, необходимы методы для описания взаимоотношений между клеточными компонентами таким образом, который не только может быть интерпретирован человеком, но и позволяет нам генерировать новые примеры этих паттернов для будущего использования при моделировании клеток [22].

    Здесь мы описали новую основу для построения моделей субклеточных паттернов точечных точек в зависимости от геометрии клетки и микротрубочек. Эти модели используют интерпретируемые особенности, которые фиксируют определенные способы, которыми субпаттерны пунктиров различаются между типами клеток (например, различия, отмеченные в начале результатов), и могут генерировать синтетические экземпляры клеток, представляющие моделируемую популяцию. Мы продемонстрировали ценность этой структуры, изучая модели непосредственно из изображений одиннадцати хорошо охарактеризованных паттернов точечных белков в трех типах клеток.Мы показали, что основная вариация этих паттернов соответствовала зависимости от микротрубочек, общей интенсивности, а также размера и формы точек. Учитывая параметры модели, мы построили конвейер, демонстрирующий как высокую способность этой модели различать паттерны одного и того же типа клеток, так и способность автоматически назначать аннотации 550 белкам (многие из которых ранее были плохо охарактеризованы в отношении субклеточного расположения).

    Скрининг и анализ с высоким содержанием становятся все более частыми, включая тонкий анализ изменений местоположения, вызванных химическими соединениями или ингибирующими РНК, и анализ паттернов в масштабе протеома.Описанные нами особенности должны быть полезны для улучшения способности различать различные везикулярные и точечные паттерны и, что наиболее важно, для обеспечения интерпретируемой и переносимой основы для их сравнения.

    Работа, представленная здесь, представляет собой важный шаг на пути к объединению детальных моделей, полученных из больших коллекций изображений белков, содержащихся в дискретных объектах, с моделями роста сети микротрубочек, изученными с помощью обратного моделирования [9, 18]. Он служит важным компонентом нашего проекта CellOrganizer (http: // cellorganizer.org /) [20], целью которого является получение подробной модели пространственной организации и взаимоотношений между различными паттернами субклеточного местоположения. Мы планируем расширить эту работу, объединив ее с моделями динамики субклеточного паттерна, а также расширить модель, чтобы уловить дальнейшую зависимость между компонентами. Есть надежда, что подобные подходы позволят создавать модели, которые фиксируют основные характеристики клеточного поведения, не требуя одновременного измерения тысяч различных белков в одной и той же живой клетке, что невозможно при современных технологиях.

    Материалы и методы

    Коллекции изображений

    В качестве данных использовались изображения конфокальной иммунофлуоресцентной микроскопии фиксированных клеток из линий клеток A-431, U-2OS и U-251MG из HPA [10]. Были выбраны все антитела, субклеточный паттерн которых был аннотирован как «везикулы» или «цитоплазма» (всего 2357, 3038 и 1730 белков для каждой линии; S1 Dataset содержит полный список проанализированных белков). Изображения были проанализированы как 8-битные изображения TIFF с тремя каналами, каждый из которых был получен с использованием различной длины волны излучения флуоресценции из одного поля изображения.Три канала показывают расположение определенного точечного белка, ядерной окраски и микротрубочек. Каждое из изображений имеет размер 1728 × 1728 пикселей, а размер пикселя соответствует 0,08 мкм в плоскости образца. Белки-основатели для одиннадцати паттернов были выбраны, как описано в результатах. После сегментирования полей изображений для этих белков на отдельные участки клеток с использованием метода засеянных водоразделов [2] было обнаружено, что набор изображений основателей содержит 1099 клеток, 333 из A-431, 327 из U-2OS и 439 из U-251MG. (количество клеток для каждой из 33 комбинаций антител и клеточной линии варьировалось от 12 до 85).

    Параметризация микротрубочек и точек

    На изображениях клеток из-за вариаций интенсивности флуоресценции в цитоплазме сегментация точек и микротрубочек из изображений паттернов белков представляет собой сложную проблему, когда глобальные пороговые методы могут превышать пороговые области цитоплазмы, содержащие структуры низкой интенсивности. Изображение входной ячейки было уменьшено за счет размытия с помощью фильтра Гаусса со стандартным отклонением 0,75. Мы изолировали изображения с интенсивностью переднего плана с высокой пространственной частотой и изображения с низкой интенсивностью фона с низкой пространственной частотой путем фильтрации нижних частот сглаженного изображения с помощью гауссовского фильтра со стандартным отклонением в 4 пикселя и вычли это фоновое изображение из сглаженного изображения, в результате чего получилось изображение с высоким разрешением. частотный сигнал переднего плана (т.е. точка). Пиксели с отрицательными значениями сигнала переднего плана были удалены, а изображение переднего плана было вычтено из первого сглаженного изображения, чтобы получить фоновое изображение (оба из которых суммируются с общей интенсивностью изображения). Чтобы увеличить скорость, с которой модель смеси Гаусса может быть помещена на изображение переднего плана, мы исключили все пиксели ниже порога Ридлера-Кальварда [23] и все однопиксельные объекты. Мы использовали скелетонизированный сигнал переднего плана изображения микротрубочек для моделирования расстояний от объектов до микротрубочек.Этот подход привел к разумному определению как точек, так и микротрубочек и был достаточным, чтобы уловить вариации паттернов основателя, проанализированных в этой статье.

    Расчет расстояния между каждой точкой и ближайшей микротрубочкой

    Центроиды всех точек были вычислены путем подбора смеси гауссиан, чтобы различать перекрывающиеся точки [7]. Расстояние между центроидом каждой точки и ближайшей к ней микротрубочкой находили с помощью преобразования расстояния скелетонизированного изображения микротрубочек.

    Регистрация положения везикул и фона относительно микротрубочек, границ клеток и ядер

    Функция плотности вероятности (PDF) для положения точки (p p ) относительно геометрии клетки и микротрубочек была оценена путем расширения модели, описанной ранее [8], путем добавления членов, описывающих расстояние от микротрубочек, d : (1)

    Термины β 1 β 4 описывают зависимость объектов от радиальных и угловых координат в зависимости от формы ячейки [2, 8], и β 5 и β 6 описывают зависимость объектов, подлежащих локализации, по отношению к микротрубочкам.Мы аналогичным образом построили PDF для интенсивности фона (которая предположительно является результатом растворимого непунктатного белка).

    Генеративные модели

    Байесовская иерархическая структура для генеративной модели точек показана на рис. 3 в виде графической модели. Многомерная статистическая модель была построена из независимых распределений значений следующих статистических данных для каждой ячейки: размер точки (s p ), количество точек на ячейку (n p ) и интенсивность (i p ).

    Было создано

    экземпляров синтетических клеток, начиная с границ клетки и ядра и изображения микротрубочек случайно выбранной клетки. (Их также можно создать, сначала сгенерировав границы клеток и ядер и распределения микротрубочек с использованием моделей, изученных ранее для трех клеточных линий [18].) Чтобы добавить точку в ячейку, были взяты значения для количества точек на клетку (n p ) и размер (s p ) и интенсивности флуоресценции (i p )) для каждой точки из распределений, полученных из данных 2D HPA.Они использовались для генерации точек с использованием генеративной модели на основе гауссовских объектов [8]. Положения для них были взяты из PDF положения везикул из модели выше после морфинга к конкретной геометрии клетки. Фоновая флуоресценция была добавлена ​​с использованием PDF-файла, полученного из фоновых изображений, масштабированного в соответствии с рисунком из общего распределения интенсивности фона, полученного из изображений.

    Классификация изображений

    Назначение субклеточных аннотаций изображениям клеток — это задача классификации, имеющая сложности во многих биологических контекстах; в частности, это структурированный характер данных (всем клеткам с одним и тем же антителом должна быть назначена одна и та же метка), неразделимость данных о классе (белки с разными биохимическими свойствами могут иметь похожие модели локализации) и несбалансированное количество наблюдений (некоторые изображения могут содержать много ячеек, а в других их мало).Мы разработали метод классификации, специально предназначенный для решения вышеуказанных проблем.

    Учитывая параметризации шаблона, соответствующие ячейкам двух коллекций (все ячейки, содержащиеся в двух изображениях), мы выполняем задачу сбалансированной классификации, чтобы определить, насколько различимы эти две коллекции. Для каждой пары изображений мы выделяем подмножество ячеек и обучаем SVM путем взвешивания обучающих данных таким образом, чтобы во всех классах был единый априор. Затем мы классифицируем задержку и подсчитываем частоту, с которой задержке был назначен правильный набор, что приблизительно соответствует частоте ошибок Байеса [24].Этот подход аналогичен другим методам, используемым в геномике [25]. Мы принимаем среднюю точность классификации по всем задачам классификации ячеек (независимо от того, назначен ли ячейкам, принадлежащим двум изображениям, один и тот же субклеточный образец), как меру того, насколько различимы две коллекции, в результате чего возможный диапазон значений от 1 ( полностью отделимы) до 0 (полностью неотделимы). Практически во всех случаях мера различия находится между 0,5 и 1. Мы будем называть эту меру «несходством».

    Чтобы определить порог несходства, при котором мы можем сказать, что две коллекции принадлежат одному или разным шаблонам, конвейер обрабатывает изображения каждого из наших базовых шаблонов как свою собственную коллекцию (с несколькими изображениями каждого шаблона) и выполняет указанную выше классификацию задача с использованием ячеек, содержащихся в каждом изображении. Построена кривая ROC, показывающая истинные и ложные положительные результаты классификации в зависимости от увеличения несходства. Для каждого типа ячеек мы построили верхнюю границу несходства (выше, которая считается «неодинаковой аннотацией») по отсечке, определенной в том месте, где самая верхняя левая точка кривой ROC пересекается с наклоном, где TN, FP, TP и FN — это количество истинно отрицательных, ложноположительных, истинно положительных и ложноотрицательных результатов соответственно.При сравнении нашего базового набора с изображениями, содержащими клетки с неизвестной локализацией белка, мы присваиваем неизвестному шаблону метку любого базового шаблона, который находится в пределах порога сходства. Эти пороговые значения составляли 0,78846, 0,70588 и 0,72093 для A-431, U-2OS и U-251MG соответственно.

    Доступность программного обеспечения

    Все программное обеспечение и данные, использованные для этой работы, доступны в виде воспроизводимого исследовательского архива (http://murphylab.web.cmu.edu/software). Программное обеспечение также будет доступно как часть системы CellOrganizer с открытым исходным кодом (http: // CellOrganizer.org). Конвейер сегментации и вычисления признаков можно использовать отдельно.

    Дополнительная информация

    S1 Рис. Качество подобранных распределений для точечных белков.

    P-P графики, сравнивающие CDF вероятности везикулы на заданном расстоянии от микротрубочки для подобранной модели, и эмпирическое распределение показаны для средней клетки каждого паттерна (те же клетки, что показаны на Фиг.5 и S4 Фиг).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s001

    (TIF)

    S2 Рис. Определение порога аннотации.

    Кривые рабочих характеристик приемника для статистики точности для определения классового порога показаны для трех типов ячеек. Точность, соответствующая оптимальному порогу, показана черным кружком (см. Методы).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s002

    (TIF)

    S3 Рис. Сравнение среднего расстояния от точек до микротрубочек, измеренного эмпирически и в нашей подобранной модели для белков, типов клеток, белков и типов клеток.

    Каждый символ представляет тип ячейки; квадрат для А-431, ромб для ОС У-2 и круг для У-251 МГ. Линии представляют собой доверительные интервалы с использованием критерия диапазона Тьюки для эмпирических данных (ось x) и подобранной модели (ось y) после двухфакторного дисперсионного анализа.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s003

    (TIF)

    S4 Рис. Типичные изображения семи паттернов и соответствующего паттерна синтезированного белка в клетках U-2OS.

    В левом столбце показаны изображения клеток, наиболее близкие к медиане пространства параметров для клеток этого паттерна, а в правом столбце показаны синтезированные паттерны протеина из генеративной модели протеинового паттерна, обусловленные геометрией клетки и микротрубочками левой панели.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s004

    (TIF)

    S1 Набор данных. Результаты сравнения белков HPA с одиннадцатью классами точечных подшаблонов.

    Значения в столбцах для каждого подшаблона представляют собой меры разделимости для всех ячеек данного белка с клетками белка-основателя для этого подшаблона.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s005

    (XLS)

    S1 Таблица. Параметры генеративной модели.

    Радиальное положение определяется как r = L 1 / ( L 1+ L 2), где L 1 — расстояние между центром каждой точки и ядерной мембраной, а L 2 — расстояние от центра каждой точки до клеточной мембраны. Следовательно, r положительно, если точка находится вне ядра, и отрицательно внутри. α — угол между большой осью ячейки и вектором от центра ячейки к центру точки.Также показан компонент генеративной модели, для которого используется данный признак (см. Рис. 3).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004614.s008

    (DOCX)

    Благодарности

    Мы благодарим проект Human Protein Atlas, особенно Девина Салливана и Эмму Лундберг, за предоставленные изображения, а также членов групп Роде и Мерфи, особенно Ивана Цао-Берга и Армаган В. Найк, за их помощь и полезные комментарии.

    Вклад авторов

    Задумал и спроектировал эксперименты: GRJ JL AS GKR RFM.Проведены эксперименты: GRJ JL AS. Проанализированы данные: GRJ JL AS GKR RFM. Написал статью: GRJ JL AS GKR RFM.

    Ссылки

    1. 1. Мерфи Р.Ф., Веллисте М., Поррека Г. Надежные числовые характеристики для описания и классификации паттернов субклеточного расположения на изображениях флуоресцентного микроскопа. J VLSI Sig Proc. 2003. 35 (3): 311–21.
    2. 2. Ли Дж., Ньюберг Дж. Я., Улен М., Лундберг Э., Мерфи РФ. Автоматический анализ и повторное аннотирование субклеточных местоположений на конфокальных изображениях из Атласа белков человека.ПлоС один. 2012; 7 (11): e50514. Epub 2012/12/12. pmid: 23226299; PubMed Central PMCID: PMC3511558.
    3. 3. Блум Г.С., Гольдштейн Л.С. Путешествие по магистралям микротрубочек: как мембраны перемещаются по секреторному пути. J Cell Biol. 1998. 140 (6): 1277–80. pmid: 9508761; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPMC2132669.
    4. 4. Морару II, Schaff JC, Слепченко BM, Loew LM. Виртуальная ячейка: интегрированная среда моделирования для экспериментальной и вычислительной клеточной биологии. Ann N Y Acad Sci.2002; 971: 595–6. pmid: 12438191.
    5. 5. Томита М., Хашимото К., Такахаши К., Симидзу Т.С., Мацузаки Ю., Миёси Ф. и др. E-CELL: программная среда для моделирования целых клеток. Биоинформатика. 1999. 15 (1): 72–84. pmid: 10068694.
    6. 6. Керр Р.А., Бартол Т.М., Камински Б., Диттрих М., Чанг Дж. К., Баден С.Б. и др. Методы быстрого моделирования методом Монте-Карло для биологических реакционно-диффузионных систем в растворе и на поверхности. SIAM J Sci Comput. 2008; 30 (6): 3126. pmid: 20151023; PubMed Central PMCID: PMC2819163.
    7. 7. Чжао Т., Мерфи РФ. Автоматизированное обучение генеративных моделей субклеточного местоположения: строительные блоки для системной биологии. Цитометрия, часть A. 2007; 71A (12): 978–90. pmid: 17972315.
    8. 8. Пэн Т., Мерфи РФ. Трехмерные генеративные модели клеточной организации на основе изображений. Цитометрия, часть A. 2011; 79A: 383–91.
    9. 9. Шариф А., Мерфи РФ, Роде Г.К. Генеративная модель распределения микротрубочек и косвенная оценка ее параметров по изображениям флуоресцентной микроскопии.Цитометрия, часть A. 2010; 77A (5): 457–66. Epub 2010/01/28. pmid: 20104579.
    10. 10. Барбе Л., Лундберг Э., Оксволд П., Стениус А., Левин Э., Бьорлинг Э. и др. К конфокальному субклеточному атласу протеома человека. Протеомика клеток Mol. 2008. 7 (3): 499–508. Epub 2007/11/22. pmid: 18029348.
    11. 11. Шульце Дж., Моосмайер Д., Вайске Дж., Фернандес-Монтальван А., Хербст С., Юнг М. и др. Анализы стабилизации белков на основе клеток для обнаружения взаимодействий между низкомолекулярными ингибиторами и BRD4.Экран J Biomol. 2015; 20 (2): 180–9. pmid: 25266565.
    12. 12. Bucci C, Parton RG, Mather IH, Stunnenberg H, Simons K, Hoflack B и др. Малая GTPase rab5 функционирует как регуляторный фактор на раннем пути эндоцитоза. Клетка. 1992. 70 (5): 715–28. pmid: 1516130.
    13. 13. Мишра С., Мерфи Л.С., Мерфи Л.Дж. The Prohibitins: новые роли в различных функциях. J Cell Mol Med. 2006. 10 (2): 353–63. pmid: 16796804; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPMC3933126.
    14. 14.Ван Ю.Дж., Го Х.Л., Ли С.А., Чжао Ю.К., Лю Ц.К., Ли У.Х. и др. Prohibitin участвует в активированной интернализации и деградации активированного протеазой рецептора 1. Biochimica et biophysica acta. 2014; 1843 (7): 1393–401. pmid: 24732013.
    15. 15. Холлеман Дж., Марчезе А. Убиквитинлигаза deltex-3l регулирует эндосомный сортировку рецептора CXCR4, сопряженного с G-белком. Mol Biol Cell. 2014; 25 (12): 1892–904. pmid: 247
    16. ; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPMC4055268.
    17. 16.Yoshitake H, Tsukamoto H, Maruyama-Fukushima M, Takamori K, Ogawa H, Araki Y. TEX101, гликопротеин-маркер зародышевых клеток, связан с локусом k комплекса лимфоцитов с антигеном 6 в семенниках мыши. Biochem Biophys Res Commun. 2008. 372 (2): 277–82. pmid: 18503752.
    18. 17. Тьюки Дж. У. Сравнение индивидуальных средних при дисперсионном анализе. Биометрия. 1949; 5 (2): 99–114. pmid: 18151955.
    19. 18. Ли Дж., Шариф А., Викинг М., Лундберг Э., Роде Г. К., Мерфи РФ.Оценка распределения микротрубочек по изображениям двумерной иммунофлуоресцентной микроскопии выявляет различия между культивируемыми линиями клеток человека. ПлоС один. 2012; 7 (11): e50292. Epub 2012/12/05. pmid: 23209697; PubMed Central PMCID: PMC3508979.
    20. 19. Бак Т.Э., Ли Дж., Роде Г.К., Мерфи РФ. Навстречу виртуальной клетке: автоматизированные подходы к построению моделей субклеточной организации, «извлеченные» из микроскопических изображений. BioEssays: новости и обзоры в области молекулярной, клеточной биологии и биологии развития.2012; 34 (9): 791–9. Epub 2012/07/11. pmid: 22777818; PubMed Central PMCID: PMC3428744.
    21. 20. Мерфи РФ. CellOrganizer: модели субклеточной организации и распределения белков на основе изображений. Методы клеточной биологии. 2012; 110: 179–93. pmid: 22482949
    22. 21. Боланд М.В., Марки М.К., Мерфи РФ. Автоматическое распознавание паттернов, характерных для субклеточных структур, на изображениях флуоресцентной микроскопии. Цитометрия. 1998. 33 (3): 366–75. pmid: 9822349
    23. 22.Салливан Д.П., Арепалли Р., Мерфи Р.Ф., Тапиа Дж.Дж., Фейдер Дж.Р., Диттрих М. и др. Автоматизация проектирования биологических моделей: трубопровод, объединяющий пространственную и молекулярную сложность. Труды 25-го издания Симпозиума Великих озер по СБИС; Питтсбург, Пенсильвания, США. 2743763: ACM; 2015. с. 321–3.
    24. 23. Ридлер Т.В., Кальвард С. Определение порогового значения изображения с использованием метода итеративного выбора. IEEE Trans Syst Man Cybernet. 1978; СМЦ-8 (8): 630–2.
    25. 24. Тумер К., Гош Дж., Редакторы.Оценка коэффициента байесовских ошибок путем комбинирования классификаторов. Распознавание образов, 1996, Труды 13-й Международной конференции по; 1996 25–29 августа 1996 года.
    26. 25. Чжан Дж.Г., Дэн Х.В. Выбор гена для классификации данных микрочипов на основе ошибки Байеса. BMC Bioinformatics. 2007; 8 (1): 370. pmid: 17

      2; Идентификатор PubMed Central PMCID: PMCPMC2089123.

    3.2 Сравнение прокариотических и эукариотических клеток — Концепции биологии — 1-е канадское издание

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Назовите примеры прокариотических и эукариотических организмов
    • Сравнить и сопоставить прокариотические клетки и эукариотические клетки
    • Опишите относительные размеры различных типов ячеек

    Клетки делятся на две большие категории: прокариотические и эукариотические.Преимущественно одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи классифицируются как прокариоты ( про — = ранее; — карион — = ядро). Клетки животных, растительные клетки, грибы и простейшие являются эукариотами ( eu — = верно).

    Все клетки имеют четыре общих компонента: 1) плазматическую мембрану, внешнее покрытие, которое отделяет внутреннюю часть клетки от окружающей среды; 2) цитоплазма, состоящая из желеобразной области внутри клетки, в которой находятся другие клеточные компоненты; 3) ДНК, генетический материал клетки; и 4) рибосомы, частицы, синтезирующие белки.Однако прокариоты несколько отличаются от эукариотических клеток.

    Прокариотическая клетка — это простой одноклеточный (одноклеточный) организм, у которого отсутствует ядро ​​или любая другая мембраносвязанная органелла . Вскоре мы увидим, что у эукариот это значительно отличается. Прокариотическая ДНК находится в центральной части клетки: затемненной области, называемой нуклеоидом.

    Рисунок 3.6. На этом рисунке показана обобщенная структура прокариотической клетки.

    В отличие от архей и эукариот, бактерии имеют клеточную стенку из пептидогликана, состоящую из сахаров и аминокислот, а многие из них имеют полисахаридную капсулу (рис.6). Клеточная стенка действует как дополнительный слой защиты, помогает клетке сохранять свою форму и предотвращает обезвоживание. Капсула позволяет клетке прикрепляться к поверхностям в окружающей среде. У некоторых прокариот есть жгутики, пили или фимбрии. Жгутики используются для передвижения, в то время как большинство пилей используются для обмена генетическим материалом во время типа воспроизводства, называемого конъюгацией.

    В природе взаимосвязь между формой и функцией очевидна на всех уровнях, включая уровень клетки, и это станет ясно, когда мы исследуем эукариотические клетки.Принцип «форма следует за функцией» встречается во многих контекстах. Например, птицы и рыбы имеют обтекаемые тела, которые позволяют им быстро перемещаться в среде, в которой они живут, будь то воздух или вода. Это означает, что, в общем, можно вывести функцию структуры, глядя на ее форму, потому что они совпадают.

    Эукариотическая клетка — это клетка, которая имеет связанное с мембраной ядро ​​и другие мембраносвязанные компартменты или мешочки, называемые органеллами , которые имеют специализированные функции.Слово эукариотическое означает «истинное ядро» или «истинное ядро», имея в виду присутствие в этих клетках связанного с мембраной ядра. Слово «органелла» означает «маленький орган», и, как уже упоминалось, органеллы обладают специализированными клеточными функциями, так же как органы вашего тела имеют специализированные функции.

    При диаметре 0,1–5,0 мкм прокариотические клетки значительно меньше эукариотических клеток, диаметр которых варьируется от 10 до 100 мкм (рис. 3.7). Небольшой размер прокариот позволяет ионам и органическим молекулам, которые входят в них, быстро распространяться в другие части клетки.Точно так же любые отходы, образующиеся в прокариотической клетке, могут быстро уйти. Однако более крупные эукариотические клетки развили различные структурные адаптации для улучшения клеточного транспорта. Действительно, большой размер этих клеток был бы невозможен без этих приспособлений. В общем, размер ячейки ограничен , потому что объем увеличивается намного быстрее, чем площадь поверхности ячейки. По мере того, как ячейка становится больше, ячейке становится все труднее и труднее получать достаточное количество материалов для поддержки процессов внутри ячейки, потому что относительный размер площади поверхности, через которую должны транспортироваться материалы, уменьшается.

    Рисунок 3.7 На этом рисунке показаны относительные размеры различных типов ячеек и клеточных компонентов. Взрослый человек показан для сравнения.

    Прокариоты — это преимущественно одноклеточные организмы из доменов Бактерии и Археи. Все прокариоты имеют плазматические мембраны, цитоплазму, рибосомы, клеточную стенку, ДНК и не имеют мембраносвязанных органелл. У многих также есть полисахаридные капсулы. Прокариотические клетки имеют диаметр от 0,1 до 5,0 мкм.

    Подобно прокариотической клетке, эукариотическая клетка имеет плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы, но эукариотическая клетка обычно больше прокариотической клетки, имеет истинное ядро ​​(то есть ее ДНК окружена мембраной) и имеет другую мембрану. -связанные органеллы, которые позволяют разделить функции.Эукариотические клетки обычно в 10-100 раз больше прокариотических клеток.

    эукариотическая клетка: клетка, имеющая мембраносвязанное ядро ​​и несколько других мембраносвязанных компартментов или мешочков

    органелла: мембраносвязанный отсек или мешок внутри клетки

    прокариотическая клетка: одноклеточный организм, не имеющий ядра или любой другой мембраносвязанной органеллы

    1.1 Темы и концепции биологии — концепции биологии — 1-е канадское издание

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Определить и описать свойства жизни
    • Опишите уровни организации среди живых существ
    • Перечислите примеры различных дисциплин биологии

    Посмотрите видео об эволюции путем естественного отбора.

    Биология — это наука, изучающая жизнь. Что такое жизнь? Это может показаться глупым вопросом с очевидным ответом, но дать определение жизни непросто. Например, раздел биологии под названием вирусология изучает вирусы, которые обладают некоторыми характеристиками живых существ, но не имеют других. Оказывается, хотя вирусы могут атаковать живые организмы, вызывать заболевания и даже воспроизводиться, они не соответствуют критериям, которые биологи используют для определения жизни.

    С самого начала биология боролась с четырьмя вопросами: Какие общие свойства делают что-то «живым»? Как функционируют эти различные живые существа? Столкнувшись с удивительным разнообразием жизни, как нам организовать различные виды организмов, чтобы лучше понять их? И, наконец, что в конечном итоге пытаются понять биологи, как возникло это разнообразие и как оно продолжается? Поскольку новые организмы открываются каждый день, биологи продолжают искать ответы на эти и другие вопросы.

    Все группы живых организмов обладают множеством ключевых характеристик или функций: порядок, чувствительность или реакция на стимулы, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии. Вместе эти восемь характеристик определяют жизнь.

    Заказать

    Организмы — это высокоорганизованные структуры, состоящие из одной или нескольких клеток. Даже очень простые одноклеточные организмы чрезвычайно сложны. Внутри каждой ячейки атомы составляют молекулы.Они, в свою очередь, составляют клеточные компоненты или органеллы. Многоклеточные организмы, которые могут состоять из миллионов отдельных клеток, имеют преимущество перед одноклеточными в том, что их клетки могут быть специализированы для выполнения определенных функций и даже принесены в жертву в определенных ситуациях на благо всего организма в целом. Как эти специализированные клетки объединяются, чтобы сформировать такие органы, как сердце, легкие или кожа у таких организмов, как жаба, показанная на рисунке 1.2, будет обсуждаться позже.

    Фигура 1.2 Жаба представляет собой высокоорганизованную структуру, состоящую из клеток, тканей, органов и систем органов.

    Чувствительность или реакция на стимулы

    Организмы реагируют на разнообразные раздражители. Например, растения могут наклоняться к источнику света или реагировать на прикосновения. Даже крошечные бактерии могут двигаться к химическим веществам или от них (процесс, называемый хемотаксисом) или свету (фототаксис). Движение к стимулу считается положительной реакцией, а движение от стимула — отрицательной.

    Рис. 1.3. Листья этого чувствительного растения (Mimosa pudica) мгновенно опадают и складываются при прикосновении. Через несколько минут растение возвращается в нормальное состояние.

    Концепция в действии


    Посмотрите это видео, чтобы увидеть, как чувствительное растение реагирует на прикосновение.

    Репродукция

    Одноклеточные организмы воспроизводятся, сначала дублируя свою ДНК, которая является генетическим материалом, а затем деля его поровну, когда клетка готовится к делению с образованием двух новых клеток.Многие многоклеточные организмы (состоящие из более чем одной клетки) производят специализированные репродуктивные клетки, из которых формируются новые особи. Когда происходит размножение, ДНК, содержащая гены, передается потомству организма. Эти гены являются причиной того, что потомство будет принадлежать к одному виду и иметь характеристики, аналогичные родительским, такие как цвет меха и группа крови.

    Адаптация

    Все живые организмы «приспособлены» к окружающей среде. Биологи называют это приспособление адаптацией, и это следствие эволюции путем естественного отбора, который действует во всех родословных воспроизводящих организмов.Примеры приспособлений разнообразны и уникальны: от термостойких архей, обитающих в кипящих горячих источниках, до длины языка нектарной моли, которая соответствует размеру цветка, которым она питается. Все адаптации усиливают репродуктивный потенциал человека, который их демонстрирует, включая их способность выживать и воспроизводить потомство. Адаптации непостоянны. По мере изменения окружающей среды естественный отбор заставляет характеристики особей в популяции отслеживать эти изменения.

    Рост и развитие

    Организмы растут и развиваются в соответствии с конкретными инструкциями, закодированными их генами. Эти гены предоставляют инструкции, которые будут управлять клеточным ростом и развитием, гарантируя, что детеныши вида вырастут и будут проявлять многие из тех же характеристик, что и его родители.

    Рис. 1.4 Хотя нет двух одинаковых котят, эти котята унаследовали гены от обоих родителей и обладают многими схожими характеристиками.

    Постановление

    Даже самые маленькие организмы сложны и требуют множества регуляторных механизмов для координации внутренних функций, таких как транспорт питательных веществ, реакция на раздражители и преодоление стрессов окружающей среды.Например, системы органов, такие как пищеварительная или кровеносная системы, выполняют определенные функции, такие как перенос кислорода по всему телу, удаление отходов, доставка питательных веществ в каждую клетку и охлаждение тела.

    Гомеостаз

    Для правильного функционирования клеткам необходимы соответствующие условия, такие как правильная температура, pH и концентрация различных химических веществ. Однако эти условия могут меняться от одного момента к другому. Организмы способны поддерживать внутренние условия в узком диапазоне почти постоянно, несмотря на изменения окружающей среды, посредством процесса, называемого гомеостазом или «устойчивым состоянием» — способности организма поддерживать постоянные внутренние условия.Например, многие организмы регулируют температуру своего тела с помощью процесса, известного как терморегуляция. Организмы, обитающие в холодном климате, такие как белый медведь, имеют структуру тела, которая помогает им выдерживать низкие температуры и сохранять тепло тела. В жарком климате у организмов есть методы (например, потоотделение у людей или одышка у собак), которые помогают им отводить избыточное тепло тела.

    Рис. 1.5 Белые медведи и другие млекопитающие, обитающие в покрытых льдом регионах, поддерживают температуру своего тела, выделяя тепло и уменьшая потери тепла через густой мех и плотный слой жира под кожей.

    Обработка энергии

    Все организмы (например, калифорнийский кондор, показанный на рис. 1.6) используют источник энергии для своей метаболической активности. Некоторые организмы улавливают энергию солнца и превращают ее в химическую энергию в пище; другие используют химическую энергию от молекул, которые они принимают.

    Рис. 1.6 Калифорнийскому кондору требуется много энергии для полета. Химическая энергия, получаемая из пищи, используется для полета. Калифорнийские кондоры — вымирающий вид; Ученые постарались прикрепить к каждой птице бирку с крыльями, чтобы помочь им идентифицировать и определить местонахождение каждой отдельной птицы.

    Живые существа высокоорганизованы и структурированы, следуя иерархии от мала до велика. Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи. Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы образуют молекулы. Молекула представляет собой химическую структуру, состоящую по крайней мере из двух атомов, скрепленных химической связью. Многие молекулы, которые имеют биологическое значение, — это макромолекулы , большие молекулы, которые обычно образуются путем объединения более мелких единиц, называемых мономерами.Примером макромолекулы является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая содержит инструкции для функционирования организма, который ее содержит.

    Рис. 1.7. Молекула, как и эта большая молекула ДНК, состоит из атомов.

    Концепция в действии


    Чтобы увидеть анимацию этой молекулы ДНК, щелкните здесь.

    Некоторые клетки содержат агрегаты макромолекул, окруженные мембранами; их называют органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специальные функции.Все живые существа состоят из клеток; Сама клетка — это наименьшая фундаментальная единица структуры и функции в живых организмах. (Это требование является причиной того, почему вирусы не считаются живыми: они не состоят из клеток. Чтобы создать новые вирусы, они должны вторгнуться и захватить живую клетку; только тогда они могут получить материалы, необходимые для воспроизводства.) Некоторые организмы состоят из одна клетка, а другие — многоклеточные. Клетки подразделяются на прокариотические и эукариотические. Прокариоты — это одноклеточные организмы, в которых отсутствуют органеллы, окруженные мембраной, и ядра, окруженные ядерными мембранами; напротив, клетки эукариот действительно имеют мембраносвязанные органеллы и ядра.

    В большинстве многоклеточных организмов клетки объединяются в ткани, которые представляют собой группы похожих клеток, выполняющих одну и ту же функцию. Органы — это совокупность тканей, сгруппированных по общей функции. Органы есть не только у животных, но и у растений. Система органов — это более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов. Например, у позвоночных животных есть много систем органов, таких как система кровообращения, которая транспортирует кровь по всему телу, в легкие и из них; он включает такие органы, как сердце и кровеносные сосуды.Организмы — это индивидуальные живые существа. Например, каждое дерево в лесу — это организм. Одноклеточные прокариоты и одноклеточные эукариоты также считаются организмами и обычно называются микроорганизмами.

    Рис. 1.8 Биология исследует все аспекты жизни, от атома до всей Земли.

    Какое из следующих утверждений неверно?

    1. Ткани существуют внутри органов, которые существуют в системах органов.
    2. Сообщества существуют в популяциях, существующих в экосистемах.
    3. Органеллы существуют внутри клеток, которые существуют в тканях.
    4. Сообщества существуют в экосистемах, существующих в биосфере.

    Все особи вида, живущие на определенной территории, вместе называются популяцией. Например, в лесу может быть много белых сосен. Все эти сосны представляют собой популяцию белых сосен в этом лесу. На одной и той же территории могут проживать разные группы населения. Например, сосновый лес включает популяции цветковых растений, а также популяции насекомых и микробов.Сообщество — это совокупность популяций, населяющих определенную территорию. Например, все деревья, цветы, насекомые и другие популяции в лесу образуют лесное сообщество. Сам лес — это экосистема. Экосистема состоит из всех живых существ в определенной области вместе с абиотическими или неживыми частями этой среды, такими как азот в почве или дождевая вода. На самом высоком уровне организации биосфера представляет собой совокупность всех экосистем и представляет собой зоны жизни на Земле.Он включает землю, воду и части атмосферы.

    Наука биология очень широка, потому что на Земле существует огромное разнообразие форм жизни. Источником этого разнообразия является эволюция, процесс постепенного изменения, в ходе которого новые виды возникают из более старых видов. Эволюционные биологи изучают эволюцию живых существ во всем, от микроскопического мира до экосистем.

    В 18 веке ученый Карл Линней впервые предложил организовать известные виды организмов в иерархическую таксономию.В этой системе виды, которые наиболее похожи друг на друга, объединяются в группу, известную как род. Более того, похожие роды (множественное число родов) объединяются в одну семью. Такое группирование продолжается до тех пор, пока все организмы не будут собраны в группы на самом высоком уровне. Текущая таксономическая система теперь имеет восемь уровней в своей иерархии, от низшего к высшему, а именно: вид, род, семейство, порядок, класс, тип, царство и домен. Таким образом, виды группируются внутри родов, роды — внутри семейств, семейства — внутри отрядов и т. Д.

    Рисунок 1.9 На этой диаграмме показаны уровни таксономической иерархии собаки, от самой широкой категории — домена до наиболее специфической — разновидностей.

    Самый высокий уровень, домен, является относительно новым дополнением к системе с 1990-х годов. Теперь ученые признают три области жизни: эукарию, архей и бактерии. Домен Eukarya содержит организмы, у которых есть клетки с ядрами. Он включает в себя царства грибов, растений, животных и несколько царств протистов. Археи — это одноклеточные организмы без ядер, среди которых много экстремофилов, обитающих в суровых условиях, например, в горячих источниках.Бактерии — еще одна совершенно другая группа одноклеточных организмов без ядер. И археи, и бактерии — прокариоты, неофициальное название клеток без ядер. Осознание в 1990-х годах того, что некоторые «бактерии», ныне известные как археи, генетически и биохимически отличаются от других бактериальных клеток, как и от эукариот, послужило основанием для рекомендации разделить жизнь на три области. Это резкое изменение в наших знаниях о дереве жизни демонстрирует, что классификации не являются постоянными и изменятся, когда станет доступна новая информация.

    В дополнение к иерархической таксономической системе Линней был первым, кто назвал организмы двумя уникальными именами, которые теперь называются биномиальной системой именования. До Линнея использование общих имен для обозначения организмов вызывало путаницу, поскольку в этих общих именах существовали региональные различия. Биномиальные названия состоят из названия рода (которое пишется с большой буквы) и названия вида (все в нижнем регистре). При печати оба имени выделяются курсивом. Каждому виду дается уникальный бином, признанный во всем мире, так что ученый в любом месте может знать, о каком организме идет речь.Например, североамериканская голубая сойка известна под уникальным именем Cyanocitta cristata . Наш собственный вид — Homo sapiens .

    Рисунок 1.10 Эти изображения представляют разные домены. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает: (а) бактериальные клетки принадлежат к домену «Бактерии», а (б) экстремофилы, все вместе видимые в этом горячем источнике как цветные маты, принадлежат к домену архей. И (c) подсолнечник, и (d) лев являются частью домена Eukarya.

    Эволюция в действии

    Карл Вёзе и филогенетическое древо

    Эволюционные отношения различных форм жизни на Земле можно обобщить на филогенетическом дереве.Филогенетическое дерево — это диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами, основанные на сходстве и различии генетических или физических признаков или того и другого. Филогенетическое дерево состоит из точек ветвления или узлов и ветвей. Внутренние узлы представляют предков и являются точками эволюции, когда на основании научных данных считается, что предок разделился, образовав два новых вида. Длину каждой ветви можно рассматривать как оценку относительного времени.

    В прошлом биологи сгруппировали живые организмы в пять царств: животные, растения, грибы, простейшие и бактерии.Новаторская работа американского микробиолога Карла Вёза в начале 1970-х годов показала, однако, что жизнь на Земле развивалась по трем линиям, которые теперь называются областями — бактерии, археи и эукарии. Вёзе предложил домен как новый таксономический уровень, а архей как новый домен, чтобы отразить новое филогенетическое дерево. Многие организмы, принадлежащие к домену архей, живут в экстремальных условиях и называются экстремофилами. Чтобы построить свое дерево, Вёзе использовал генетические отношения, а не сходства, основанные на морфологии (форме).В филогенетических исследованиях использовались различные гены. Дерево Вёзе было построено на основе сравнительного секвенирования универсально распределенных генов, обнаруженных в некоторых слегка измененных формах в каждом организме, сохраненных (это означает, что эти гены оставались лишь незначительно измененными на протяжении всей эволюции) и соответствующей длины.

    Рис. 1.11 Это филогенетическое дерево было построено микробиологом Карлом Вёзе с использованием генетических родств. Дерево показывает разделение живых организмов на три области: бактерии, археи и эукарии.Бактерии и археи — это организмы без ядра или других органелл, окруженных мембраной, и поэтому они являются прокариотами.

    Посмотрите видео о науке и медицине

    Область биологии широка и поэтому включает множество разделов и дисциплин. Биологи могут изучать одну из этих субдисциплин и работать в более узкой области. Например, молекулярная биология изучает биологические процессы на молекулярном уровне, включая взаимодействия между молекулами, такими как ДНК, РНК и белки, а также то, как они регулируются.Микробиология — это изучение структуры и функций микроорганизмов. Сама по себе это довольно обширная ветвь, и в зависимости от предмета исследования, в нее входят, в частности, физиологи-микробиологи, экологи и генетики.

    Другая область биологических исследований, нейробиология, изучает биологию нервной системы, и хотя она считается разделом биологии, она также признана междисциплинарной областью исследований, известной как нейробиология. Из-за своей междисциплинарной природы эта дисциплина изучает различные функции нервной системы с использованием молекулярных, клеточных, связанных с развитием, медицинских и вычислительных подходов.

    Рис. 1.12. Исследователи работают над раскопками окаменелостей динозавров на месте в Кастельоне, Испания.

    Палеонтология, еще один раздел биологии, использует окаменелости для изучения истории жизни. Зоология и ботаника изучают животных и растения соответственно. Биологи также могут специализироваться как биотехнологи, экологи или физиологи, и это лишь некоторые области. Биотехнологи применяют знания биологии для создания полезных продуктов. Экологи изучают взаимодействие организмов в окружающей их среде.Физиологи изучают работу клеток, тканей и органов. Это лишь небольшая часть множества областей, которыми могут заниматься биологи. От нашего собственного тела до мира, в котором мы живем, открытия в биологии могут влиять на нас самым прямым и важным образом. Мы зависим от этих открытий для нашего здоровья, наших источников пищи и преимуществ, предоставляемых нашей экосистемой. Из-за этого знание биологии может помочь нам в принятии решений в нашей повседневной жизни.

    Развитие технологий в двадцатом веке, которое продолжается и сегодня, особенно технология описания и манипулирования генетическим материалом, ДНК, изменила биологию.Эта трансформация позволит биологам продолжить более детальное понимание истории жизни, того, как устроено человеческое тело, нашего человеческого происхождения и того, как люди могут выжить как вид на этой планете, несмотря на стрессы, вызванные нашей растущей численностью. Биологи продолжают разгадывать огромные загадки жизни, предполагая, что мы только начали понимать жизнь на планете, ее историю и наши отношения с ней. По этой и другим причинам знание биологии, полученное с помощью этого учебника и других печатных и электронных средств массовой информации, должно быть полезным в любой области, в которой вы работаете.

    Судмедэксперт

    Судебная медицина — это применение науки для ответа на вопросы, связанные с законом. Судебными экспертами могут быть биологи, химики и биохимики. Судебно-медицинские эксперты предоставляют научные доказательства для использования в судах, и их работа включает изучение следов, связанных с преступлениями. За последние несколько лет интерес к судебной медицине возрос, возможно, из-за популярных телешоу, в которых судмедэксперты участвуют в работе.Кроме того, развитие молекулярных методов и создание баз данных ДНК обновили виды работы, которую могут выполнять судебно-медицинские эксперты. Их служебная деятельность в первую очередь связана с преступлениями против людей, такими как убийства, изнасилования и нападения. Их работа включает анализ таких образцов, как волосы, кровь и другие биологические жидкости, а также обработку ДНК, обнаруженной во многих различных средах и материалах. Судмедэксперты также анализируют другие биологические доказательства, оставленные на местах преступления, такие как части насекомых или пыльцевые зерна.Студентам, желающим продолжить карьеру в области судебной медицины, скорее всего, потребуется пройти курсы химии и биологии, а также некоторые интенсивные курсы математики.

    Рис. 1.13. Этот судебно-медицинский эксперт работает в комнате для извлечения ДНК в Лаборатории уголовных расследований армии США.

    Биология — наука о жизни. Все живые организмы обладают несколькими ключевыми свойствами, такими как порядок, чувствительность или реакция на раздражители, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии.Живые существа высокоорганизованы по иерархии, которая включает в себя атомы, молекулы, органеллы, клетки, ткани, органы и системы органов. Организмы, в свою очередь, подразделяются на популяции, сообщества, экосистемы и биосферу. Эволюция является источником огромного биологического разнообразия на Земле сегодня. Диаграмма, называемая филогенетическим деревом, может использоваться для демонстрации эволюционных взаимоотношений между организмами. Биология очень широка и включает множество разделов и дисциплин. Примеры включают, среди прочего, молекулярную биологию, микробиологию, нейробиологию, зоологию и ботанику.

    атом: основная единица вещества, которая не может быть разрушена с помощью обычных химических реакций

    биология: изучение живых организмов и их взаимодействия друг с другом и с окружающей их средой

    биосфера: совокупность всех экосистем на Земле

    клетка: наименьшая фундаментальная единица структуры и функции живых существ

    сообщество: совокупность популяций, населяющих определенную территорию

    экосистема: все живые существа в определенной области вместе с абиотическими, неживыми частями этой среды

    эукариот: организм с клетками, имеющими ядра и мембраносвязанные органеллы

    эволюция: процесс постепенного изменения популяции, который также может привести к появлению новых видов, происходящих от более старых видов

    гомеостаз: способность организма поддерживать постоянные внутренние условия

    макромолекула: большая молекула, обычно образованная путем соединения более мелких молекул

    молекула: химическая структура, состоящая как минимум из двух атомов, удерживаемых вместе химической связью

    орган: структура, состоящая из тканей, работающих вместе для выполнения общей функции

    Система органов: верхний уровень организации, состоящий из функционально связанных органов

    органелла: мембраносвязанный отсек или мешок внутри клетки

    организм: физическое лицо

    филогенетическое дерево: диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами на основе сходства и различий в генетических или физических признаках или обоих

    популяция: все особи одного вида, живущие на определенной территории

    прокариот: одноклеточный организм, не имеющий ядра или любой другой мембраносвязанной органеллы

    ткань: группа аналогичных клеток, выполняющих ту же функцию

    Атрибуция в СМИ

    Автоматизированная система распознавания образов для классификации непрямых иммунофлуоресцентных изображений клеток и образцов HEp-2

    Siyamalan Manivannan получила B.Sc. степень в области компьютерных наук Университета Джафны, Шри-Ланка, в 2006 году, а затем степень магистра наук. получил степень по информатике в Университете Ниццы, Франция, в 2010 году. В настоящее время он является доктором философии. студентка Университета Данди, Великобритания. Его исследовательские интересы включают распознавание образов и машинное обучение.

    Wenqi Li получил степень бакалавра наук. степень в области компьютерных наук Пекинского университета науки и технологий (2010 г.) и степень магистра наук. степень в области прикладных вычислений Университета Данди (2011 г.).Сейчас он работает над докторской степенью. степень в Школе вычислительной техники Университета Данди.

    Шазия Акбар — научный сотрудник Медицинской школы Нью-Йоркского университета, Нью-Йорк, США. В 2015 году она получила докторскую степень в Университете Данди. Ее исследовательские интересы включают МРТ, анализ медицинских изображений, выделение признаков и распознавание образов.

    Ruixuan Wang получил степень бакалавра английского языка. и M.Eng. степени в области автоматического управления и искусственного интеллекта от Си ׳анского университета Цзяотун, а также докторскую степень.Докторская степень в области компьютерного зрения Национального университета Сингапура (2007 г.). С 2007 по 2014 год он занимался постдокторантурой в Университете Данди, а затем в Университете Хериот-Ватт. В настоящее время он является научным сотрудником компании Toshiba Medical Visualization Systems Europe (TMVSE).

    Цзянго Чжан — старший преподаватель вычислительной школы Университета Данди, Великобритания. Он получил степень доктора философии. степень Национальной лаборатории распознавания образов Института автоматизации Китайской академии наук, Пекин, Китай (2002 г.).Его исследовательские интересы включают распознавание образов, компьютерное зрение, анализ медицинских изображений и машинное обучение.

    Стивен Дж.

  • alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *