Основные этапы создания и развития клеточной теории

Идея строения организмов из клеток занимает умы многих ученых. Одним из исследователей клеток был К. М. Бэр.

Карл Максимович Бэр (1792—1876) очень заинтересовался проблемой  развития оплодотворенной яйцеклетки в зародыше. Начал он свои поиски с исследования яйцеклеток млекопитающих. В 1827 г. он опубликовал работу об открытии яйцеклетки в яичнике собаки. Затем он эти опыты перенес на самок кроликов, овец, кошек, мышей. Он же первый обнаружил женские яйцеклетки. К. М. Бэр изучил развитие огромного количества зародышей, что позднее дало ему возможность создать основы новой научной отрасли — сравнительной эмбриологии. Он установил, что все живые организмы начинают свое развитие с одной клетки, представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка не только единица строения, но и единица развития все живых организмов. Так К. М. Бэр сделал существенное дополнение к основному положению клеточной теории.

Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах немецкого  ученого Рудольфа Вирхова (1821—1902). В 1858 г. Р. Вирхов опубликовал свою теорию клеточной патологии, в основу которой была положена физиологическая самостоятельность каждой клетки в отдельности. Как ни странно, несмотря на ошибочность такого положения, работа Вирхова значительно продвинула вперед клеточную теорию и положила начало многочисленным исследованиям в медицине. Ведь ученый был прав, доказывая, что клетка, хоть больная, хоть здоровая, образуется исключительно делением существовавших до нее клеток, т. е. клетка может возникнуть только из предшествующей клетки в результате ее деления! Это привело к осознанию того факта, что рост и развитие организмов связаны с делением клеток и их дальнейшей дифференцировкой, приводящей к образованию тканей и организмов.

3. СОВРЕМЕННЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ И  ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ

Кропотливая работа цитологов XX в. дала возможность сформулировать основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии следующим образом:

1. Клетка — элементарная  живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения  и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет.

2. Новые клетки возникают  только путем деления ранее  существующих клеток.

3. Клетки всех организмов  сходны по строению и химическому  составу, происхождению, т. е.  гомологичны.

4. Рост и развитие  многоклеточного организма — следствие роста и размножения одной или нескольких клеток.

5. Клеточное строение  организмов — свидетельство того, что все живое имеет единое  происхождение.

Клеточная тория внесла огромный вклад в понимание научной  картины окружающего нас мира. Стало ясно, что все организмы, начиная с низших и заканчивая самыми высокоразвитыми, состоят из отдельных компонентов — клеток. Идея о том, что все организмы построены из клеток, стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, создав единую основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами. Ведь на клеточном уровне даже наиболее отдаленные виды очень сходны по строению и биохимическим свойствам, что указывает на общность их происхождения и эволюционного развития. Иными словами, клеточная теория и теория эволюции, созданная Ч. Дарвином, тесно связаны между собой. Клетка выполняет функцию связи между индивидуалом и видом, в ней сосредоточена наследственная информация, обеспечивающая сохранение как всего вида, так и отдельных его особей.

Изучая клетку, человек  познает природу самой жизни. Клетка — это же самая мелкая единица организма, граница его  делимости, наделенная жизнью и всеми  основными признаками живого организма. На уровне клетки проявляются такие  свойства живого, как обмен веществ и превращение энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, реагирование на раздражение и т. п. В меньших единицах материи эти свойства не проявляются. Если выделить из клетки митохондрии, рибосомы, ядро, хлоропласты, то они будут способны некоторое время выполнять свои функции, но эти функции сами по себе не составляют жизнь. Только целостная клетка способна поддерживать жизнь во всех ее проявлениях.

Исследования клетки имеют большое значение для профилактики и лечения заболеваний как самого человека, так и растений, животных. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к заболеваниям. Чтобы это было понятно, приведем несколько примеров. Если в клетке окажется всего одна лишняя хромосома, т. е. в диплоидном наборе их будет не 46, как обычно, а 47, это приведет к очень тяжелым последствиям: у ребенка развивается болезнь Дауна, для которой характерна непропорционально маленькая голова, узкие глазные щели, плоское лицо, резко выраженная умственная отсталость.

Или другой пример. Все  здоровые люди имеют белок гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой, а эритроциты у них  похожи на диски. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием — серповидноклеточной анемией, — эритроциты похожи не на диски, а на серпы, потому что из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, у них из-за нарушений биосинтеза белка в клетках заменены всего две аминокислоты, и это приводит к существенному изменению формы и нарушению функции эритроцита — он плохо справляется со своей задачей — переносом кислорода, и человек тяжело дышит.

Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают тоже на уровне клетки. Поэтому  у медиков часто возникает  потребность в очень подробном изучении клеток больного человека, их строения, формы, химического состава, обмена веществ. В ветеринарии это также часто необходимо, особенно на сельскохозяйственных предприятиях. Без изучения клеток невозможно обнаружить возбудителей многочисленных болезней животных, например кокцидиоза. Возбудители кокцидиоза — паразитические простейшие — кокцидии проникают в клетки кишечного эпителия, разрушают их — и животные без соответствующего лечения погибают сотнями и тысячами. Порой знания клеточной теории помогают криминалистам обнаружить преступника, установить отцовство, разоблачить претендента на царский престол и выявить еще многое другое — волнующее, таинственное, неизвестное, о применении которого сейчас говорят только фантасты.

4. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ  КЛЕТОК

Состояние дел в изучении клеток всегда очень зависело от состояния  науки вообще на данный отрезок времени. Поэтому, по мере развития науки, число  методов изучения клетки постепенно возрастало. На сегодняшний день методов  изучения клеток очень много. Вот  основные из них.

1. Световая микроскопия.  Световой микроскоп дает увеличение  до 300 раз. Один из видов —  флуоресцентная микроскопия. Этот  метод позволяет наблюдать живые  клетки в ультрафиолетовом свете.  При этом одни клеточные структуры  начинают сразу светиться — флуоресцировать, другие светятся лишь при добавлении специальных красителей. Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть места расположения нуклеиновых кислот, витаминов, жиров и т. п. Но, используя световой микроскоп, исследователи ограничены его разрешающей способностью. Максимально возможное разрешение, т. е. способность увидеть две отстоящие друг от друга точки, равно половине длины волны используемого света. Получить изображение объекта размером меньше этой величины невозможно. Средняя длина волны видимого света составляет примерно 550 нм, поэтому в конце XIX в. смогли получить разрешение примерно в 200 нм. Применив ультрафиолетовый свет, длина волны которого составляет 250 нм, получили разрешение примерно на 100 нм. Но многие клеточные структуры имеют меньший размер. Поэтому исследование таких структур из-за недостаточного увеличения светового микроскопа затормозилось.

2. Электронная микроскопия.  Этот метод помог решить проблему  изучения самых мелких клеточных  структур, начиная с 1930—1940 гг. Сейчас используют несколько типов электронных микроскопов. Один из них — трансмиссионный (просвечивающий). Электроны в нем проходят через образец, поэтому для изучения можно использовать только очень тонкие срезы, полученные на ультратоме и специально подготовленные (окрашенные тяжелыми металлами или путем негативного контрастирования, напылением, замораживанием — скалыванием и т. п.). Сравнительно недавно был введен в употребление сканирующий электронный микроскоп. В нем очень точно сфокусированный пучок электронов двигается взад и вперед по поверхности образца, а отраженные от поверхности образца электроны собираются и формируют изображение наподобие того, что возникает на экране телевизора.

Преимущество этого  метода заключается в том, что  детали строения поверхности видны с большой глубиной резкости, что создает эффект трехмерности. Но разрешающая способность сканирующего электронного микроскопа ниже, чем у трансмиссионного (5-20 мм), но при этом можно работать с образцами большого размера. Совсем недавно в биологии стали использовать электронный микроскоп высокого напряжения — 500000 — 1000000 В. Большое ускорение электронов позволяет им проходить через сравнительно толстые срезы в 1-5 мм, при этом получают трехмерное изображение структур при высоком разрешении, что облегчает изучение объекта. Сейчас внедряются методы, позволяющие быстро исследовать живые образцы, что в будущем должно дать очень важную информацию.

3. Хроматография —  метод основан на том, что  в неподвижной среде, через  которую протекает растворитель, каждый из компонентов смеси движется со своей собственной скоростью, независимо от других; смесь веществ при этом разделяется.

4. Электрофорез применяется  для разделения частиц, несущих  заряды, широко применяется для  выделения и идентификации аминокислот.

5. Аминокислотный анализатор  — он помогает определить последовательность  аминокислот в белке.

6. Метод дифференциального  центрифугирования. Он основан  на том, что различные клеточные  органоиды и включения имеют  различную плотность. Поэтому  при очень быстром вращении в специальном приборе — ультрацентрифуге — органоиды тонко измельченных клеток выпадают в осадок из раствора послойно, располагаясь по слоям в соответствии со своей плотностью. Более плотные компоненты осаждаются при более низких скоростях центрифугирования, а менее плотные — при более высоких скоростях. Затем слои разделяют и изучают отдельно.

7. Метод меченых атомов. Применяется для изучения процессов,  происходящих в живых клетках.  Чтобы проследить за изменениями  какого-либо вещества, в него вводят один из радиоактивных изотопов — 3Н, 32Р, 14С. По химическим свойствам изотопы одного и того же элемента не отличаются друг от друга, но зато радиоактивный изотоп сигнализирует о своем местонахождении радиоактивным излучением. Это позволяет проследить за исследуемым химическим веществом, установить последовательность этапов его химического превращения, продолжительность, зависимость от условий.

8. Секвенирование позволяет  определить последовательность  нуклеотидов в ДНК.

9. Компьютерный анализ  расшифрованных полинуклеотидных последовательностей с целью поиска функциональных сайтов в молекулах ДНК и РНК, т. е. определенных участков ДНК и РНК, участвующих в регуляции функций генов и клеток.

10. Методы аналитической  химии — для изучения химического состава клеток.Совокупность данных методов в настоящее время позволила установить, что все клетки по своему строению разделяются на две группы. Одну группу, более просто устроенную, составляют бактерии и сине-зеленые, клетки которых не имеют оформленного ядра и некоторых других структур. Их называют доядерными, или прокариотическими (от греч. «карион» — ядро). Другую группу клеток составляют все остальные организмы, имеющие сложно устроенные клетки, содержащие ядро — эукариотические клетки. Это клетки растений, животных, грибов и, наконец, самого человека. Иными словами, живой мир, окружающий нас, един, имеет общее происхождение.

5. ОСНОВНЫЕ  ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ  КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

— 1590—1610 гг. — голландские  оптики братья Ганс и Захариус Янсены создают микроскоп.

— 1665 г. — Роберт Гук  впервые употребил термин «клетка» для описания структуры пробки.

— 1650—1700 — Антони ван  Левенгук при помощи хорошо отшлифованных  линз наблюдает различные одноклеточные  организмы, в 1676 г. описывает бактерии; изучает более 200 видов организмов, дрожжевые грибы, эритроциты, сперматозоиды.

— 1667 г. — Ян Сваммердам исследует микроскопическое строение насекомых.

— 1661—1668 гг. — Марчелло Мальпиги изучает клетки растений, мозга, печени, сетчатки, нервов, кожи, капилляров и т. п.

— 1759 г. — Каспар Фридрих  Вольф разрушает теорию преформизма, дает начало эмбриологии и цистологии.

— 1827 г. — Долланд резко улучшает качество линз, интерес к микроскопии  увеличивается.

— 1827 г. — Карл Максимович Бэр открывает  яйцеклетки млекопитающих, устанавливает, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки, т. е. клетка — единица развития.

— 1831—1833 — Роберт Броун обнаружил  ядро в растительных клетках.

— 1839 г. — ботаник М. Шлейден  и зоолог М. Шванн сформулировали клеточную теорию, пришли к выводу, что клетка является основной единицей строения и функции в живых организмах.

— 1840 г. — Ян Пуркинье предложил  название протоплазмы для клеточного содержимого.

— 1855 г. — Рудольф Вирхов высказал свое знаменитое утверждение о том, что всякая клетка происходит от клетки.

— 1866 г. — Геккель установил, что  хранение и передачу наследственной информации осуществляет ядро, т. е. установлены  функции ядра.

— 1866—1883 гг. — открыты пластиды, в частности хлоропласты.

— 1890 г. — открыты митохондрии.

— 1898 г. — Камилло Гольджи открыл органоид, получивший впоследствии название «минарет Гольджи».

— 1900 г. — вновь открыты законы Г. Менделя, начинает развиваться цитогенетика.

— 1930-е гг. — появился электронный  микроскоп и стало возможным  по настоящее время изучение ультраструктуры клетки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н. Грин, У. Стаут,  Д. Тейлор. Биология. В 3 т. М., Мир, 1990.

2. История биологии. В 2 т. М.: Наука, 1972—1975.

3. Н. А. Лемеза, Л. В. Камлюк, Н. Д. Листов. Биология в экзаменационных  вопросах и ответах. М., Рольф, Айрис-пресс, 1998.

4. Общая биология. Учебник для  10-11 классов с углубленным изучением  биологии в школе.// Под ред.  акад. В. К. Шумного, проф. Г.  М. Дамлица и проф. А. О. Рувинского. М.: Просвещение, 1995.

5. Тименов А. В. Уроки  биологии в 10 (11) классе. Развернутое планирование. Ярославль: Академия развития, 2001.