История цитологии

Цитология – наука о клетке

Цитология (от греч. kytos – вместилище, сосуд и logos – учение, наука) исследует элементарные единицы строения, функционирования и воспроизведения живой материи. Объектом цитологических исследований являются клетки многоклеточных и одноклеточных организмов: бактерий, грибов, растений и животных. У многоклеточных организмов клетки входят в состав тканей, их жизнедеятельность подчинена координирующему влиянию целостного организма. У одноклеточных организмов понятия «клетка» и «организм» совпадают. Поэтому правомочно говорить о клетках-организмах, ведущих в природе самостоятельное существование, как о переходном этапе к многоклеточности.

Становление цитологии

Наука о клетке ведет свою историю с середины XIX века, но корнями уходит в XVII век. Ее начало некоторые исследователи относят к 1609 году, когда выдающийся итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей сконструировал свой оккиолино с выпуклой и вогнутой линзами, увеличивающий в 35 – 40 раз. В 1625 году И. Фабер дал прибору название «микроскоп».

В 1665 году английский физик Роберт Гук, изучая с помощью созданного им микроскопа строение тонкого среза коры растения, впервые разглядел в пробковом слое крохотные ячейки и назвал их «cellula» – ячейка, или клетка. Это название сохранилось до настоящего времени. После Р. Гука клеточное строение растений подтвердили ботаники – итальянец Марчелло Мальпиги (1675) и англичанин Неемия Грю (1683). В это же время Антони ван Левенгук впервые наблюдал под микроскопом клетки многоклеточных животных (эритроциты крови и сперматозоиды), а также одноклеточные водные организмы. Интересно, что Левенгук не был ученым-биологом, проводившим систематические исследования, он был просто очень любопытным человеком. Он зарисовывал свои наблюдения и отсылал Королевскому научному обществу в Лондоне, не ожидая ответа. Всего было послано более ста писем.

Таким образом, Левенгук оказался первым, кто описал и зарисовал различные микроорганизмы (преимущественно инфузории). К ним он относил даже клетки «жидкостей» высших животных (эритроциты и сперматозоиды). Эти крошечные существа он назвал анималькулями (от лат. animalcula – зверьки). Вскоре (1678) Христиан Гюйгенс подтвердил результаты Левенгука. После этого начались интенсивные исследования, которые уже проводились учеными-естественниками, а усовершенствование микроскопа и разработка методов гистологических исследований (гистология – наука о тканях) дали новый импульс к изучению клетки.

В начале XVIII века клетки, ткани и сосуды растений исследовали многие ученые. Французский ботаник Генрих Дюгамель, продолжая начатые Мальпиги и Грю исследования коры древесных растений, описал образовательный слой и назвал его камбием. В 1718 году французский натуралист Л. Жобло в своем сочинении о применении микроскопа наряду с характеристикой разных его типов описал многочисленных представителей простейших, наблюдаемых им в микроскоп. Он описал детали внешнего строения инфузории: реснитчатый покров, ядро, сократительные вакуоли.

В целом уровень знаний о клетке, достигнутый к концу XVIII века, давал представление о внешнем строении клетки, о целлюлозной клеточной оболочке растительной клетки и внутреннем «пузырьке», наполненном соком.

Дальнейшее развитие науки о клетке вплоть до XIX века шло очень медленно, так как используемые в то время микроскопы были несовершенны и не существовало специальных методов подготовки микропрепаратов, необходимых для выявления клеточной структуры, таких как фиксация, окраска, просветление. Не сразу появились и осветительные системы линз, зеркал. Все это затрудняло проведение цитологических исследований.

Достижения цитологии в XIX веке

В начале XIX века новым шагом в изучении клеток стали труды немецкого врача и ботаника Л.Х. Тревирануса. В книге о развитии клеток водоносных сосудов (1806) он впервые установил единство клеточного строения у растений. Вслед за ним французский ученый Шарль Мирбель показал, что тело растений состоит из тканей. В 1827 году английский ботаник Роберт Броун обнаружил и описал ядро клетки, не задаваясь вопросом о его назначении. Этот вопрос позже был решен немецким ученым Маттиасом Якобом Шлейденом. В это же время российский ученый-эмбриолог Карл Максимович Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих (1827) и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки (1828). Открытия, сделанные К.М. Бэром, показали, что клетка – единица не только строения, но и развития организмов.

В 30-е годы XIX века в клетках всех многоклеточных организмов были обнаружены ядра. Немецкий ученый-ботаник М.Я. Шлейден в книге «Данные о развитии растений» (1838) предложил теорию образования растительных клеток и показал значение ядра для формирования всей клетки. Его соотечественник зоолог Теодор Шванн в своем знаменитом труде «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839) выдвинул идею об общности строения животных и растений и универсальности их клеточной организации. Здесь Т. Шванн впервые применил термин «клеточная теория», а его данные послужили ее убедительным обоснованием. Он подчеркнул также не только морфологическое, но и физиологическое значение клеток и ввел понятие о клеточном метаболизме.

Шлейден и Шванн изложили фактически основы классической клеточной теории, согласно которой все животные и растения построены из мельчайших клеток. Основными исходными идеями клеточной теории были следующие положения.

  • Все ткани состоят из клеток.
  • Клетки растений и животных имеют общие принципы строения, так как возникают одинаковым путем.
  • Каждая отдельная клетка самостоятельна, а деятельность многоклеточного организма представляется суммой деятельности отдельных клеток.

С этого момента цитология стала самостоятельной наукой об общих закономерностях строения клеток.

Ко времени возникновения клеточной теории вопрос о том, как образуются клетки в организме, еще не был выяснен. Шлейден и Шванн считали, что клетки в организме возникают путем новообразования из первичного неклеточного вещества. Это представление было опровергнуто к середине XIX века. В 1858 году немецкий медик и анатом Рудольф Вирхов представил убедительное доказательство того, что клетки возникают только путем воспроизведения себе подобных. Научный мир облетело его изречение: «Omnis cellula ex cellula» («Каждая клетка от клетки»). Этим постулатом пополнилась клеточная теория, сформулированная ранее.

Создание клеточной теории явилось крупнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы.

Обобщение знаний о клетке в клеточной теории оживило цитологические исследования. Ученые стали изучать отдельные части клетки, ее химические вещества и протекающие в ней процессы. Эти открытия значительно обогатили знания о клетке. В 1873 году естествоиспытатель и философ Ф. Энгельс, характеризуя значение клеточной теории, писал, что наряду с законом превращения энергии и эволюционной теорией Ч. Дарвина «она является одним из трех великих открытий естествознания XIX века».

В 70-х годах XIX века у самых разных биологических объектов в клетках были обнаружены хромосомы. В 1879–1882 годах немецкий гистолог Вальтер Флемминг описал митоз, вскоре появилась гипотеза о том, что наследуемые признаки заключаются в ядре. В 1876 году был открыт клеточный центр, в 1894-м – митохондрии, в 1898-м – аппарат Гольджи. К концу XIX века было обнаружено большинство общих и специальных органоидов в цитоплазме клетки.

Эти открытия показали, что в цитоплазме совершаются разнообразные процессы, связанные с жизнедеятельностью и функциональной активностью клетки.

Крупный вклад в развитие учения о клетке внесли отечественные цитологи: в 1874 году Иван Дорофеевич Чистяков описал фазы митотического деления, в 1880 году Иван Николаевич Горожанкин провел исследование цитологических основ оплодотворения у хвойных растений, в 1898 году Сергей Гаврилович Навашин открыл явление двойного оплодотворения у цветковых растений, в 1882 году Илья Ильич Мечников открыл явление фагоцитоза у клеток. Учение И.И. Мечникова о фагоцитозе дало толчок развитию иммунологического направления в медицине.

Успехи в изучении клетки способствовали тому, что внимание биологов все больше концентрировалось на клетке как основной структурной единице живых организмов. Становилось все более очевидным, что изучение особенностей строения и функционирования клетки является фундаментальной областью биологических исследований.

Все это привело к тому, что в конце XIX века цитология выделилась в самостоятельную область биологии.