Биология в лицее

История изучения клетки. Клеточная теория

Открытие клетки. Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук. В 1663 г., пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell — «келья, ячейка, клетка»).

В 1674 г. голландский мастер Антоний ван Левенгук (1632 — 1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы. Таким образом, уже к началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. Однако клеточная теория строения организмов сформировалась лишь к середине XIX века, после того как появились более мощные микроскопы и были разработаны методы фиксации и окраски клеток.

Появление клеточной теории

Клеточная теория  — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений и мира животных, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента растительных и животных организмов.

Клеточная теория — основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века. Она предоставила 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 - 1839).

Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что она является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерий 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.

Развитие клеточной теории связано с открытием протоплазмы и клеточного деления. К середине XIX в. выяснилось, что главным в клетке является её «содержимое» — протоплазма. В 1858 г. немецкий патолог Р. Вирхов опубликовал «Целлюлярную патологию», в которой распространил клеточную теорию на явления патологии и обратил внимание на ведущее значение ядра в клетке, провозгласив принцип образования клеток путём деления («Оmnis cellula ex cellula» - «Каждая клетка из клетки»). Деление вначале трактовалось как перешнуровка ядра и клеточного тела. В 70 — 80-х гг. был открыт митоз как универсальный способ клеточного деления, типичный для всех клеточных организмов. В конце XIX в. были открыты клеточные органоиды, и клетку перестали рассматривать как простой комочек протоплазмы.

Основные положения теории Шлейдена и Швана:

1. Все животные и растения состоят из клеток.
2. Клетка является наименьшей единицей живого организма.
3. Рост растений и животных осуществляется за счет образования новых клеток.

Основные положения современной клеточной теории

• Клетка – элементарная структурная и функциональная единица живых организмов. Все живые организмы (за исключением вирусов) состоят из клеток.

1. Клеточное строение имеют животные, грибы, растения и все прокариоты. Вирусы – это неклеточные формы жизни.
2. Клетка является элементарной живой системой, для которой характерны такие признаки живого, как обмен веществ и энергии, рост и развитие, раздражимость, самовоспроизведение.

• Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и функционированию.

1. Клетки всех клеточных организмов имеют общий план строения – снаружи они ограничены мембраной, содержимое клетки составляют цитоплазма и органоиды, в клетке содержится наследственный материал – в ядре у эукариот и непосредственно в цитоплазме у прокариот.
2. Набор химических веществ, входящих в состав клеток, также в основном одинаков у всех организмов. Обязательные вещества клетки – белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты.

• Новые клетки образуются в результате деления исходной клетки.

1. Универсальным способом деления клеток эукариот является митоз. При митозе происходит точное распределение генетического материала по дочерним клеткам. Генетически дочерние клетки полностью идентичны материнской.
2. При образовании половых клеток животных и спор растений имеет место редукционное деление – мейоз, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое по сравнению с материнской.
3. Клетки прокариот также размножаются делением.

• Клетки многоклеточных организмов дифференцируются в зависимости от выполняемых ими функций. Группы клеток, сходных по строению и выполняемым функциям, образуют ткани.

1. В состав многоклеточного организма входит от нескольких единиц до нескольких десятков типов клеток, составляющих различные ткани и органы.
2. Генетический материал всех этих клеток одинаков. В зависимости от функции клетки в работу включаются определенные гены, определяющие строение и функционирование клетки.

Клетки прокариот и простейших обладают всеми свойствами живых систем.

Клеточная теория — основополагающая биологическая теория, утверждающая единство принципа строения и развития всех живых организмов на Земле, в которой в качестве общего структурно-функционального элемента рассматривается клетка.

Методы изучения клетки

Прижизненное изучение клеток проводят с помощью светового микроскопа. Объектами такого изучения могут служить свободноживущие простейшие, которых в лаборатории содержат в специальных средах; клетки крови можно изучать в капле плазмы или в специальной синтетической среде; для изучения клеток тканей животного организма используют метод клеточных культур. При культивировании клеток, кроме химического состава среды, необходимо поддерживать определённую температуру. Также обязательным условием является стерильность. Метод культивирования клеток используется не только для цитологических исследований, но и для биохимических, генетических и вирусологических.

При изучении живых клеток используют методы микрохирургии. С помощью микроманипулятора можно вводить внутрь клетки вещества, извлекать части клетки. Так с помощью микроманипулятора удалось пересадить ядро из клетки одной амёбы в клетку другого штамма и доказать, что именно ядро определяет физиологические особенности клетки. Сравнительно недавно стали применять аппараты с лазерным микропучком, что позволяет очень точно дозировать импульсы облучения.

При изучении живых клеток используют различные красители, в том числе способные светиться (флуоресцировать) при поглощении световой энергии. Многие красители избирательно связываются с некоторыми структурами клетки, вызывая их свечение.

Клетка в сканирующем микроскопе (слева).          Раковые клетки в конфокальном микроскопе (справа)

Широко используют световую микроскопию с компьютерной обработкой изображений. Например, конфокальный сканирующий световой микроскоп позволяет получить серии последовательных изображений, на основании которых реконструируется объёмное изображение клетки.

Все современные методы изучения клетки можно классифицировать следующим образом:

1. Световая, электронная микроскопия. Современный световой микроскоп увеличивает объекты в 3000 раз и позволяет увидеть наиболее крупные органоиды клетки, наблюдать движение цитоплазмы, деление клетки. Электронный микроскоп даёт увеличение в сотни тысяч раз, что позволяет изучить тонкое строение органоидов.
2. Фракционирование — ультрацентрифугирование. Метод основан на том, что клеточные органоиды имеют разную массу и плотность. Измельчённые ткани помещают в пробирки и вращают в центрифуге с большой скоростью. Более плотные органоиды осаждаются при низких скоростях вращения, а менее плотные — при высоких. Каждый слой изучается отдельно.
3. Рентгеноструктурный анализ. Основан на получении рентгенограмм. Позволяет изучить конфигурацию молекул белка, нуклеиновых кислот для понимания их биологических функций.
4. Получение культуры тканей. Даёт возможность исследовать живые клетки, помещённые в соответствующую среду, в которой они способны к автономному росту, формированию тканей и органов организма.
5. Окрашивание. Применяется для окрашивания живых клеток красителями для получения контрастного изображения изучаемых структур.

< Предыдущая страница "Учение о клетке"

Следующая страница "Химический состав клетки" >