Клеточная теория. Методы цитологии

Как объяснить то обстоятельство, что со времени введения понятия «клетка» до разработки клеточной теории прошло почти два столетия?

История возникновения клеточной теории. Изучив предыдущие курсы биологии, вы убедились, что клетка представляет собой элементарную живую систему, способную к саморегуляции, самообновлению и самовоспроизведению на основе обмена веществом и энергией с окружающей ее средой. Клетка – структурная и функциональная единица всех живых организмов (за исключением вирусов). Клетка одноклеточных организмов представляет собой целостный организм. Все многоклеточные организмы состоят из огромного количества клеток, объединенных в ткани и органы.

Строение и жизнедеятельность клеток одноклеточных и многоклеточных организмов изучает наука цитология (от греч. cytos – клетка, logos – учение). Как самостоятельная научная дисциплина цитология сложилась в XIX в., хотя изучение клетки началось намного раньше благодаря изобретению светового микроскопа.

Сам термин «клетка» впервые ввел в науку в 1665 г. английский естествоиспытатель Р. Гук. С помощью микроскопа ему удалось обнаружить, что тонкий срез пробки побега бузины пронизан отверстиями, или порами, которые ученый назвал cellula (в переводе с лат. – клетка). Гук считал, что клетки пустые, и понятием «клетка» обозначил только клеточную стенку. Несколько позднее, в 1680 г., голландский естествоиспытатель А. Левенгук впервые наблюдал под микроскопом и описал инфузории и бактерии, эритроциты и сперматозоиды.

Более интенсивно цитология стала развиваться в XIX в. в связи с совершенствованием светового микроскопа. Например, чешский биолог и медик Я. Пуркинье в 1825 г. ввел понятие «протоплазма» и описал ядро клетки, а в 1837 г. установил сходство в строении растительной и животной клеток. Заслуга в описании ядра как постоянной внутриклеточной структуры и введении в науку термина «ядро» принадлежит английскому ботанику Р. Брауну (1833). В 1827 г. русский естествоиспытатель К. Бэр открыл яйцеклетку, доказав, что клетка – единица развития всего живого.

Значительный вклад в развитие цитологии в XIX в. внесли французский ученый Р. Дютроше (1824), немецкий ученый Т. Шванн (1839). Последний сформулировал основные положения клеточной теории, суть которых сводилась к тому, что клетка – основная единица строения и жизнедеятельности живых организмов.

В 1858 г. немецкий естествоиспытатель Р. Вирхов доказал, что клетки возникают только путем деления исходной материнской клетки, предложив свою знаменитую формулу – «всякая клетка из клетки».

Клеточная теория. Клеточная теория считается одним из крупнейших теоретических обобщений в биологии. Ее основные положения сводятся к следующим:

  • клетка – элементарная структурная и функциональная единица живого;
  • все живые организмы (за исключением вирусов) имеют клеточное строение. Такие процессы, как питание, дыхание, выделение и обмен веществ в целом, рост, развитие, раздражимость, проявляются на клеточном уровне;
  • клетки разных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ, т. е. они гомологичны;
  • размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
  • рост и развитие организма – следствие размножения и роста клеток;
  • жизнь клетки характеризуется обратимыми процессами обмена веществ и необратимым развитием;
  • сходство строения клеток одноклеточных и многоклеточных организмов – свидетельство о единстве происхождения всего живого;
  • в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям, объединены в целостные системы тканей и органов, связанных между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.

Клеточная теория подтверждает структурное и генетическое единство живой природы. Она играет существенную роль в понимании современной научной картины мира и эволюции живой природы.

Методы цитологии. Более двух веков строение клеток изучалось с помощью светового микроскопа. Оптическая микроскопия обеспечивает увеличение в 8000 раз.

Достижения в цитологии были напрямую связаны с усовершенствованием микроскопа и развитием методов цитологических исследований. Совершенствование методов приготовления микроскопических срезов было обусловлено изобретением микротома – прибора, позволяющего получать срезы толщиной всего в несколько микрометров.

Эффективность методов окрашивания микропрепаратов повысилась благодаря применению разнообразных красителей, позволивших получить контраст между различными клеточными структурами, которые на препаратах, как правило, прозрачны. Методы быстрой фиксации препаратов обеспечили сохранение изначальной структуры объектов и облегчили их дальнейшее изучение с помощью микроскопа.

Новая эпоха в развитии цитологии связана с изобретением в 30-е годы XX в. электронного микроскопа (рис. 5). Широкое применение методов электронного микроскопирования в биологии началось с середины 40-х годов прошлого века. Вместо светового излучения в электронном микроскопе используется пучок электронов. Максимальное разрешение, которое позволяет получить на практике электронный микроскоп, в 100 раз больше, чем позволяет получить световой микроскоп.

Микроскопы - основные приборы цитологических исследований
Рис. 5. Микроскопы - основные приборы цитологических исследований

В современной цитологии применяются и другие методы исследования.

Метод меченых атомов (метод изотопного мечения) применяется при изучении биохимических процессов, идущих в клетках. Для исследования превращений какого-либо вещества в него вводят так называемую радиоактивную метку, т. е. в его молекуле заменяют один из атомов соответствующим радиоактивным изотопом. Радиоактивный изотоп сигнализирует излучением о своем местонахождении в клетке, что позволяет пронаблюдать последовательность этапов химических превращений данного вещества, продолжительность конкретных процессов по времени, их приуроченность к различным клеточным структурам, зависимость от разных условий и т. д.

Метод дифференциального центрифугирования используется для фракционирования клеток, т. е. расслоения их содержимого на фракции в зависимости от удельного веса различных органоидов и клеточных включений. Для этого тонко измельченные клетки вращают в специальном аппарате – ультрацентрифуге. В результате центрифугирования компоненты клеток выпадают в осадок из раствора, располагаясь в соответствии со своей плотностью. Более плотные структуры осаждаются при более низких скоростях центрифугирования, а менее плотные – при высоких скоростях. Полученные слои разделяют и изучают отдельно.

В современной цитологии используется метод микрургии (микрохирургии), позволяющей экспериментаторам пересаживать или удалять из клетки ядро, ядрышки, части мембраны и др.

Применение новейших методов цитологических исследований подтвердило одно из положений клеточной теории: клетки различных организмов имеют принципиальное сходство в строении своих структур.

Вопросы и задания

  1. Согласны ли вы с утверждением, что вне клетки жизни нет?
  2. Почему клетка представляет собой структурно-функциональную единицу живых организмов?
  3. Что изучает наука цитология? Какие методы исследования применяются в цитологии?
  4. Каковы современные положения клеточной теории? В чем заключается значение клеточной теории?
  5. Какое значение могут иметь исследования в области цитологии для медицины и сельского хозяйства?
Биология: