Цитология - Наталья Стволинская

4. Что такое микротехника?

5. Для чего используется фиксация? Приведите примеры фиксаторов.

6. Перечислите этапы приготовления постоянных препаратов.

Клеточная теория

Развитие световой микроскопии и техники приготовления препаратов позволило в тридцатых годах XIX в. сформировать представление о таких клеточных компонентах, как протоплазма и ядро. Впервые это обсуждается в работах Я. Пуркинье и Р. Броуна. Чуть позже немецкий ботаник М. Шлейден обобщил накопленные данные о сходстве строения клеток растений. Он высказал гипотезу о том, что все растения состоят из клеток, ошибочно считая, что клетки растений образуются путем кристаллизации жидкости вокруг ядра, и появление клеточной структуры растения связано с его жизнедеятельностью.

В 1838 г. Т. Шванн обобщил данные о клеточном строении и растений, и животных и сформулировал представление о клетке как структурной единице всех живых организмов. Он писал: «Клетки – это организмы, а растения и животные представляют собой агрегаты этих организмов, построенные по определенным законам». Вместе с тем и Шлейден, и Шванн ошибались, считая, что клетки могут образовываться из бесструктурного вещества, а главной структурой, которая обеспечивает особенности клетки, является клеточная оболочка.

По мере развития техники микроскопирования накапливались данные о развитии живых организмов, и во второй половине XIX в. не подтверждается представление о возможности образования клеток из бесструктурного вещества. Наоборот, утверждается представление немецкого микроскописта и патологоанатома Р. Вирхова о том, что всякая клетка происходит от клетки путем деления предшествующей, рост организма происходит за счет деления клеток.

Таким образом, в 50-е гг. XIX в. клеточная теория была представлена тремя положениями: 1) клетка – элементарная минимальная единица жизни; 2) каждая клетка происходит из себе подобных; 3) организм представляет собой совокупность клеток.

К концу XIX в. в связи с усовершенствованием микроскопов и микроскопической техники складывается представление о сложной организации клеток; двух процессах клеточного деления – митозе и мейозе, особенностях и значении этих процессов; закладываются знания о процессе оплодотворения.

В XX в. у исследователей появляются совершенно новые методы, которые позволяют изучать не только морфологию клеток, но и сложные этапы метаболизма. При помощи этих методов удалось связать структуру органоидов клетки с функцией, которую они выполняют. Это методы специфического окрашивания различных классов крупных клеточных молекул, методы слежения за структурными компонентами биополимеров в метаболических путях клетки. Развиваются биохимические подходы, активно изучается метаболизм клетки. В 30-е гг. XX в. на разных объектах растительного и животного происхождения показывается общность метаболических путей. И в эти же годы формируется представление о том, что единство клеточных структур основано не только на морфологии, но и на единстве химической организации, единстве всех процессов метаболизма.

И, наконец, в период между 1953 и 1966 гг. была раскрыта природа и пути передачи наследственной информации, доминирующая роль ДНК в этом процессе. На основе этих открытий сформулировано основное положение клеточной биологии: во всех клетках носителем наследственной информации является ДНК, на ней, как на матрице, синтезируются молекулы РНК, которые играют главную роль в реализации наследственной информации в процессе биосинтеза белка. Это положение характерно как для клеток прокариот, так и для клеток эукариот.

Таким образом, в настоящее время описаны структуры почти всех клеточных органоидов, определены их основные функции, ученые вплотную подходят к изучению регуляции всего многообразия клеточных процессов и в норме, и в условиях патологии – болезни клетки.

На современном уровне клеточная теория формулируется следующим образом: клетка – элементарная единица всего живого; клетки различных организмов гомологичны между собой, то есть имеют общие черты организации; каждая клетка образуется путем деления из исходной клетки, рост организма осуществляется за счет деления клеток митозом; многоклеточные организмы представляют собой сложные клеточные системы, объединенные в ткани и органы, связанные между собой тремя формами химической регуляции: межклеточными взаимодействиями, гуморальными и нервными.

Клеточная теория – это основной закон биологии, он подчеркивает общность организации всех клеток и единство происхождения всего живого на Земле. Кроме того, этот закон имеет и практическое значение. Поскольку в нем говорится о гомологии всех клеток, то информация, полученная для одних клеточных типов, может быть использована для общей характеристики других классов клеток. Так, очень много информации о функциях клеток человека было получено при изучении менее сложных организмов, например, клеток дрожжей. Их легко выращивать в лаборатории, с ними легко ставить эксперименты. Эукариотические клетки дрожжей стали моделью для изучения процессов секреции и регуляции клеточного деления. Беспозвоночные организмы: небольшая нематода (Caenorhabditis elegans) и плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster) служат прекрасными моделями для изучения процессов специализации клеток и программируемой клеточной смерти. Чем лучше ученые понимают работу простых клеточных систем, тем больше узнают о клетках человека.

Вопросы

1. Когда было сформулировано представление о клетке как единице всего живого? Какие ученые внесли вклад в формирование этой гипотезы?

2. В какое время накопились знания о сложной организации клеток, о процессах клеточного деления?

3. Дайте современную формулировку клеточной теории.

4. В чем теоретическое и практическое значение клеточной теории?

Клетки прокариот и эукариот

Живые клетки появились на Земле, видимо, около 3,5–4 миллиардов лет тому назад. Одно из наиболее удивительных свидетельств общности происхождения всех клеток и совместной ранней эволюции – это универсальность генетического кода: организация триплетов нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот, которые кодируют аминокислоты, входящие в состав белков. Генетический код почти не различается у всех современных организмов, следовательно, такой способ кодирования генетической информации появился и закрепился на ранних стадиях эволюции.

Ранние этапы клеточной эволюции связаны с распространением в разных средах обитания небольших клеток размером 1–2 мкм с простой внутренней организацией. Это клетки прокариот, к ним относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, иначе их называют цианобактериями, и микоплазмы. Форма клеток может быть сферической, удлиненной или более сложной (извилистой). Они имеют плазматическую мембрану, которая служит барьером для транспорта молекул между внутренней средой клетки и ее окружением. В клетке имеется цитоплазма, в центральной части клетки находится одна двуспиральная молекула ДНК, обычно замкнутая в кольцо. В цитоплазме расположены рибосомы – мельчайшие органоиды, способные синтезировать белок из аминокислот по заданной программе, записанной в матричных РНК (мРНК). В цитоплазме таких клеток могут храниться вещества запаса. Отличительной особенностью клеток прокариот является наличие сложной, объемной (до 30 % сухого веса) защитной оболочки, которая иначе называется клеточной стенкой (рис. 1.1). Поскольку в этих клетках происходят активные синтетические процессы, требующие больших затрат энергии, то клетке необходимы молекулы – носители энергии. Такими молекулами являются АТФ, они образуются в процессе дыхания на складчатых выростах плазматической мембраны, направленных внутрь клетки, называемых мезосомами.

Рис. 1.1. Схема строения клетки прокариот: а) микоплазма; б) бактерия; в) цианобактерия (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978). 1 – ДНК; 2 – рибосомы; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – мезосома; 5 – клеточная стенка; 6 – тилакоид; 7 – секретируемые и запасные вещества.

Бактерии – это наиболее простые одноклеточные организмы, обнаруженные в самых разнообразных средах обитания. Они легко приспосабливаются к окружающей среде, очень быстро размножаются. Каждые 20–30 минут после удвоения кольцевой молекулы ДНК клетка делится надвое, если в среде обитания достаточно веществ, способных обеспечить все эти процессы энергией. Бактерии живут на Земле дольше других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток. В настоящее время хорошо изучен генетический материал бактериальных клеток, и показано, что в составе кольцевой ДНК находится около 5000 генов, кодирующих разнообразные белки бактерий.

Цианобактерии, в ботанической литературе их называют сине-зелеными водорослями, сходны по простоте организации с бактериями и обитают в водной среде. Они имеют клеточную стенку, сходную по химическому составу с бактериями, аналогично бактериям у них организован генетический аппарат и все клеточные структуры. Цианобактерии в несколько раз крупнее обычных бактериальных клеток. Главная их особенность – способность к фотосинтезу, который происходит на особых мембранных образованиях внутри прокариотической клетки.