Клеточная теория: основные положения, роль в развтии биологии

Клеточная теория: основные положения, роль в развтии биологии (24).

 

Клеточная теория – одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных  живых организмов с клеточным  строением, в котором клетка рассматривается  в качестве общего структурного элемента живых организмов.

    Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

   Появлению и формулированию  отдельных положений клеточной  теории предшествовал довольно  длительный период накопления  наблюдений над строением различных  одноклеточных и многоклеточных  организмов растений и животных. Этот период был связан с  развитием применения и усовершенствования  различных оптических методов  исследований.

   Клеточная теория – основополагающая  для общей биологии теория, сформулированная  в середине XIX века, предоставившая  базу для понимания закономерностей  живого мира и для развития  эволюционного учения. Маттиас Шлейден  и Теодор Шванн сформулировали  клеточную теорию, основываясь на  множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её важнейшим положением (всякая клетка из клетки).

     Шлейден и Шванн,  обобщив имеющиеся знания о  клетке, доказали, что клетка является  основной единицей любого организма.  Клетки животных, растений и бактерии  имеют схожее строение. Позднее  эти заключения стали основой  для доказательства единства  организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни.

    В 1665 году английский  физик Р. Гук в работе «Микрография» описал строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками». Наличие подобной структуры было известно ему и в некоторых других частях растений.

В 1670-х годах итальянский медик  и натуралист М. Мальпиги и английский натуралист Н. Грю описали в разных органах растений «мешочки, или пузырьки» и показали широкое распространение у растений клеточного строения. Клетки изображал на своих рисунках голландский микроскопист А. Левенгук. Он же первым открыл мир одноклеточных организмов – описал бактерий и протистов (инфузорий).

В XVIII веке совершаются первые попытки  сопоставления микроструктуры клеток растений и животных. К.Ф. Вольф в работе «Теории зарождения» (1759) пытается сравнить развитие микроскопического строения растений и животных. По Вольфу, зародыш как у растений, так и у животных развивается из бесструктурного вещества, в котором движения создают каналы (сосуды) и пустоты (клетки). Фактические данные, приводившиеся Вольфом, были им ошибочно истолкованы и не прибавили новых знаний к тому, что было известно микроскопистам XVII века. Однако его теоретические представления в значительной мере предвосхитили идеи будущей клеточной теории.

    В первую четверть XIX века происходит значительное  углубление представлений о клеточном  строении растений, что связано  с существенными улучшениями  в конструкции микроскопа (в частности,  созданием ахроматических линз).

    Пуркинье и его ученики  (особенно следует выделить Г. Валентина) выявили в первом и самом общем виде микроскопическое строение тканей и органов млекопитающих (в том числе и человека).

Второй школой, где изучали микроскопическое строение животных тканей, была лаборатория  Иоганнеса Мюллера в Берлине. Мюллер изучал микроскопическое строение спинной струны (хорды); его ученик Генле опубликовал исследование о кишечном эпителии, в котором  дал описание различных его видов  и их клеточного строения.               

    Здесь были выполнены  классические исследования Теодора  Шванна, заложившие основание клеточной  теории. На работу Шванна оказала  сильное влияние школа Пуркинье  и Генле. Шванн нашёл правильный  принцип сравнения клеток растений  и элементарных микроскопических  структур животных. Шванн смог  установить гомологию и доказать  соответствие в строении и  росте элементарных микроскопических  структур растений и животных.

    На значение ядра в  клетке Шванна натолкнули исследования  Матиаса Шлейдена, у которого  в 1838 году вышла работа «Материалы  по фитогенезу». Поэтому Шлейдена  часто называют соавтором клеточной  теории. Основная идея клеточной  теории – соответствие клеток  растений и элементарных структур  животных – была чужда Шлейдену. Он сформулировал теорию новообразования  клеток из бесструктурного вещества, согласно которой сначала из  мельчайшей зернистости конденсируется  ядрышко, вокруг него образуется  ядро, являющееся образователем  клетки (цитобластом). Однако эта  теория опиралась на неверные  факты.

     В 1838 году Шванн  публикует 3 предварительных сообщения,  а в 1839 году появляется его  классическое сочинение «Микроскопические  исследования о соответствии  в структуре и росте животных  и растений», в самом заглавии  которого выражена основная мысль  клеточной теории.

    С 1840-х века учение  о клетке оказывается в центре  внимания всей биологии и бурно  развивается, превратившись в  самостоятельную отрасль науки  – цитологию.

    В 1861 году Брюкко выдвигает  теорию о сложном строении  клетки, которую он определяет  как «элементарный организм»,  выясняет далее развитую Шлейденом  и Шванном теорию клеткообразования  из бесструктурного вещества (цитобластемы). Обнаружено, что способом образования новых клеток является клеточное деление, которое впервые было изучено Молем на нитчатых водорослях. В опровержении теории цитобластемы на ботаническом материале большую роль сыграли исследования Негели и Н.И. Желе.

Деление тканевых клеток у животных было открыто в 1841 г. Ремарком. Выяснилось, что дробление бластомеров есть серия последовательных делений (Биштюф, Н.А. Келликер). Идея о всеобщем распространении клеточного деления как способа образования новых клеток закрепляется Р. Вирховом в виде афоризма: Всякая клетка – из другой клетки.

    Работы Вирхова оказали  неоднозначное влияние на развитие  клеточного учения:

Клеточная теория распространялась им на область патологии, что способствовало признанию универсальности клеточного учения. Труды Вирхова закрепили  отказ от теории цитобластемы Шлейдена и Шванна, привлекли внимание к  протоплазме и ядру, признанными  наиболее существенными частями  клетки.

Вирхов направил развитие клеточной  теории по пути чисто механистической  трактовки организма.

Вирхов возводил клетки в степень  самостоятельного существа, вследствие чего организм рассматривался не как  целое, а просто как сумма клеток.

Современная клеточная теория исходит  из того, что клеточная структура  является главнейшей формой существования  жизни, присущей как растениям, так  и животным. Совершенствование клеточной  структуры явилось главным направлением эволюционного развития как у  растений, так и у животных, и  клеточное строение прочно удержалось у большинства современных организмов.

Вместе с тем должны быть подвергнуты  переоценке догматические и методологически  неправильные положения клеточной  теории:

· Клеточная структура является главной, но не единственной формой существования  жизни. Неклеточными формами жизни  можно считать вирусы. Правда, признаки живого (обмен веществ, способность  к размножению и т.п.) они проявляют  только внутри клеток, вне клеток вирус  является сложным химическим веществом. По мнению большинства ученых, в  своем происхождении вирусы связаны  с клеткой, являются частью ее генетического  материала, "одичавшими" генами.

· Выяснилось, что существует два  типа клеток - прокариотические (клетки бактерий и архебактерий), не имеющие  отграниченного мембранами ядра, и  эукариотические (клетки растений, животных, грибов и протистов), имеющие ядро, окруженное двойной мембраной с  ядерными порами. Между клетками прокариот  и эукариот существует и множество  иных различий. У большинства прокариот  нет внутренних мембранных органоидов, а у большинства эукариот есть митохондрии и хлоропласты. В  соответствии с теорией симбиогенеза, эти полуавтономные органоиды - потомки  бактериальных клеток. Таким образом, эукариотическая клетка - система  более высокого уровня организации, она не может считаться целиком  гомологичной клетке бактерии (клетка бактерии гомологична одной митохондрии  клетки человека). Гомология всех клеток, таким образом, свелась к наличию у них замкнутой наружной мембраны из двойного слоя фосфолипидов (у архебактерий она имеет иной химический состав, чем у остальных групп организмов), рибосом и хромосом - наследственного материала в виде молекул ДНК, образующих комплекс с белками. Это, конечно, не отменяет общего происхождения всех клеток, которое подтверждается общностью их химического состава.

· Клеточная теория рассматривала  организм как сумму клеток, а жизнепроявления  организма растворяла в сумме  жизнепроявлений составляющих его  клеток. Этим игнорировалась целостность  организма, закономерности целого подменялись  суммой частей.

· Считая клетку всеобщим структурным  элементом, клеточная теория рассматривала  как вполне гомологичные структуры  тканевые клетки и гаметы, протистов  и бластомеры. Применимость понятия  клетки к протистам является дискуссионным  вопросом клеточного учения в том  смысле, что многие сложно устроенные многоядерные клетки протистов могут  рассматриваться как надклеточные структуры. В тканевых клетках, половых  клетках, протистах проявляется  общая клеточная организация, выражающаяся в морфологическом выделении  кариоплазмы в виде ядра, однако эти структуры нельзя считать  качественно равноценными, вынося за пределы понятия «клетка» все  их специфические особенности. В  частности, гаметы животных или растений - это не просто клетки многоклеточного  организма, а особое гаплоидное поколение  их жизненного цикла, обладающее генетическими, морфологическими, а иногда и экологическими особенностями и подверженное независимому действию естественного отбора. В  то же время практически все эукариотические  клетки, несомненно, имеют общее  происхождение и набор гомологичных структур - элементы цитоскелета, рибосомы эукариотического типа и др.

· Догматическая клеточная теория игнорировала специфичность неклеточных  структур в организме или даже признавала их, как это делал Вирхов, неживыми. В действительности, в  организме кроме клеток есть многоядерные надклеточные структуры (синцитии, симпласты) и безъядерное межклеточное вещество, обладающее способностью к метаболизму  и потому живое. Установить специфичность  их жизнепроявлений и значение для  организма является задачей современной  цитологии. В то же время и многоядерные структуры, и внеклеточное вещество появляются только из клеток. Синцитии и симпласты многоклеточных - продукт  слияния исходных клеток, а внеклеточное вещество - продукт их секреции, т.е. образуется оно в результате метаболизма  клеток.

· Проблема части и целого разрешалась  ортодоксальной клеточной теорией  метафизически: всё внимание переносилось на части организма -- клетки или  «элементарные организмы».

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

1. Клетка — основная единица  строения и развития всех живых  организмов, наименьшая единица  живого. 2.В сложных многоклеточных  организмах клетки дифференцированы  по выполняемой ими функции  и образуют ткани; из тканей  состоят органы, которые тесно  связаны между собой и подчинены  нервным и гуморальным системам  регуляции. 3.Клетки всех одноклеточных  и многоклеточных организмов  гомологичны по своему строению, химическому составу, основным  проявлениям жизнедеятельности  и обмену веществ.

4.Размножение клеток происходит  путем их деления. Положения  о генетической непрерывности  относится не только к клетке  в целом, но и к некоторым  из ее более мелких компонентов  — к генам и хромосомам, а  также к генетическому механизму,  обеспечивающему передачу вещества  наследственности следующему поколению.

5.Многоклеточный организм представляет  собой новую систему, сложный  ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных  в системе тканей и органов,  связанных друг с другом с  помощью химических факторов, гуморальных  и нервных (молекулярная регуляция).

6. Клетки многоклеточных тотипотенты,  т. е. обладают генетическими  потенциями всех клеток данного  организма, равнозначны по генетической  информации, но отличаются друг  от друга разной экспрессией  (работай) различных генов, что  приводит к их морфологическому  и функциональному разнообразию - к дифференцировке.

Целостность организма есть результат  естественных, материальных взаимосвязей, вполне доступных исследованию и  раскрытию. Клетки многоклеточного  организма не являются индивидуумами, способными существовать самостоятельно (так называемые культуры клеток вне  организма представляют собой искусственно создаваемые биологические системы). К самостоятельному существованию  способны, как правило, лишь те клетки многоклеточных, которые дают начало новым особям (гаметы, зиготы или  споры) и могут рассматриваться  как отдельные организмы. Клетка не может быть оторвана от окружающей среды (как, впрочем, и любые живые  системы). Сосредоточение всего внимания на отдельных клетках неизбежно  приводит к унификации и механистическому пониманию организма как суммы  частей.

Очищенная от механицизма и дополненная  новыми данными клеточная теория остается одним из важнейших биологических  обобщений.

XX век стал веком расцвета  биологии и таких наук, как  цитология, генетика, эмбриология,  биохимия, биофизика. Без создания  клеточной теории это развитие  было бы невозможным.