Вспомните, кто впервые открыл клетку. Кем были сформулированы основные положения клеточной теории?
Большинство организмов на нашей планете имеют клеточное строение. Клетка служит основной единицей живого, способной к обмену веществ, превращению энергии и самовоспроизведению. Клетка - элементарная биосистема. Она может существовать как самостоятельный одноклеточный организм, или участвовать в образовании тел колониальных и многоклеточных организмов.
Рис. 10. Микроскоп Роберта Гука
Зарождение и развитие цитологии. Первые сведения о клеточном строение организмов относятся ко второй половине XVII в.
В 1665 г. английский ученый Роберт Гук (1635- 1703) использовал усовершенствованный им микроскоп (рис. 10) для изучения биологических объектов и тем самым ввел в науку новый метод исследования природы. Увиденные на срезе мертвой ткани пробки ячейки (рис. 11) были им названы клетками (cellula). Ошибочно приняв за клетки поры пробки, заполненные воздухом, а за живое вещество - клеточные стенки, Гук тем не менее внес значительный вклад в изучение клеточного строения организмов. Кроме пробки он рассмотрел в микроскоп и другие растительные ткани, например, сердцевину стебля бузины. Результаты исследований были изложены Р. Гуком в книге «Микрография» (1667), ставшей первой научной работой, посвященной клеточному строению организмов.
Рис. 11. Рисунок среза пробки (вверху) и сердцевины бузины (внизу)
Дальнейшее изучение строения клеток связано с именем голландского исследователя Антони ван Левенгука (1632-1723). Он занимался шлифованием оптических стекол, изготовлением линз и достиг в этом деле совершенства. Его не удовлетворяли существовавшие микроскопы, и он решил изобрести свой. Соорудив подвижное острие для объектов, он придумал освещать их при помощи вогнутого зеркала. Микроскопы Левенгука оказались более совершенными, чем микроскоп Р. Гука. За счет соединения нескольких двояковыпуклых линз они давали увеличение в 270 раз. Это позволило ученому обнаружить бактерий и инфузорий, детально изучить строение сперматозоидов и эритроцитов человека. Особенно важными для науки стали исследования Левенгука простейших. Всех их он объединил под общим названием «анималькули», т.е. зверушки, или мелкие животные, так как не сомневался в их животной природе. Ученый описал не только строение простейших, но и изучил их передвижение и размножение.
По мере совершенствования инструментальной базы и техники микроскопических исследований к XIX в. клеточное строение организмов было хорошо изучено. В 1831 г. английский ученый Р. Броун открыл в клетке ядро. В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден (рис. 12) поставил вопрос о значении клетки для развития организма, указывая на то, что в основе изучения жизнедеятельности растений лежит исследование жизненных процессов отдельной клетки. В 1839 г. немецкий зоолог Т. Шванн (рис. 12) в книге «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» обобщил известные к тому времени данные о клеточном строении организмов и сформулировал клеточную теорию. Главными ее положениями стали доказательства клеточного строения всех организмов и зависимости роста и развития животных и растений от клеточного деления. И, хотя представление Шванна и Шлейдена об образовании новых клеток из неклеточного вещества было ошибочным, общий вывод о единстве клеточного строения организмов был верен. Дальнейшее развитие клеточной теории шло в направлении уточнения знаний о клеточном содержимом и выяснения значения клеточного деления. В 1855 г. немецкий врач Р. Вирхов (рис. 12) на основании данных об упорядоченном делении исходных клеток сделал обобщение, согласно которому клетка может возникнуть только из предшествующей клетки.
Таким образом, в середине XIX в. оформилась цитология (от греч. kytos - сосуд, здесь - клетка) - наука, изучающая строение и жизнедеятельность как отдельных клеток, так и их комплексов в составе тел многоклеточных организмов.
Рис. 12. Основоположники клеточной теории (сверху вниз): Маттиас Шлейден (1804-1881). Теодор Шванн (1810— 1882) и Рудольф Вирхов (1821-1902)
В настоящее время цитология превратилась в клеточную биологию. Ее содержанием стало изучение общебиологических вопросов на микроскопическом, субмикроскопическом, макро- молекулярном и молекулярном уровнях живого. В центре внимания оказались не только клеточные структуры, но и те вещества, из которых они построены. Задачей современной цитологии является выяснение механизмов жизнедеятельности и саморегуляции клетки как автономной биосистемы. Достижения в этой области позволили обобщить и сформулировать положения современной клеточной теории.
Рис. 13. Величина клеток и клеточных органоидов, которые можно увидеть в световом и электронном микроскопах: 1 мкм (микрометр) = 10-6 м, 1 нм (нанометр) = 109 м
Основные положения клеточной теории.
1. Клетка -структурно-функциональная единица живого, представляющая собой элементарную биосистему. Для нее характерны все признаки живого: обмен веществ и превращение энергии, раздражимость, саморегуляция, самовоспроизведение, рост и развитие.
2. Клетки всех организмов имеют сходный химический состав и общий план строения.
3. Новая клетка возникает в результате деления материнской клетки.
4. Многоклеточный организм развивается из одной исходной клетки.
5. Сходство клеточного строения организмов свидетельствует о единстве их происхождения.
Методы цитологии.
Микроскопические методы, или микроскопия, позволяют изучить строение клетки. Это наиболее старые методы исследования. Однако в световой микроскоп можно увидеть лишь небольшое число органоидов (рис. 13). Современные электронный и сканирующий микроскопы позволяют рассмотреть фиксированные клетки и изучить их ультраструктуру (рис. 14). Для изучения живых клеток в настоящее время применяют фазово-контрастные и интерференционные микроскопы.
Рис. 14. Строение клеток и клеточных структур, увиденных с помощью микроскопов: 1 - светового; 2 - электронного; 3 — сканирующего
Метод центрифугирования используют для разделения клеточных органоидов и макромолекул. Клетку разрушают и измельчают специальными способами. Ее содержимое, состоящее из отдельных фрагментов, подвергают центрифугированию с разной скоростью вращения. В зависимости от молекулярной массы вещества или величины органоидов получают разные фракции. Этот метод позволяет выделить отдельные органоиды и изучить их свойства и структуру, очистить макромолекулы и исследовать их строение (рис. 15).
Рис. 15. Фракционирование клеточных структур методом центрифугирования
Биофизические методы дают возможность изучать строение и функции клеток с использованием меченых атомов, изотопного анализа, регистрации биоэлектрических потенциалов и др. В результате применения этих методов исследуется работа клеточных мембран, транспорт веществ, появление и проведение возбуждения и др.
Методы культуры клеток и тканей применяют для изучения следующих процессов: формирования клеточных органоидов, влияния различных веществ на клетки, наблюдения за размножением клеток вне организма, выделения факторов их роста. Для изучения клеток различных тканей их разделяют и выращивают в специальных сосудах. Пересадка ядер, хлоропластов и других органоидов клеток дает возможность с помощью методов культуры клеток и тканей получать клеточные гибриды. Эти методы также лежат в основе клонирования организмов из одной или нескольких клеток.
Клетка, цитология, или клеточная биология; методы изучения клеток: микроскопические (микроскопия), центрифугирование, биофизические, культура клеток и тканей.
1. Назовите имена ученых, положивших начало изучению клетки. Какие открытия были ими сделаны? Можно ли считать 1665-й год датой зарождения цитологии как науки и почему? 2. Назовите авторов клеточной теории. На чем были основаны их утверждения? Сформулируйте основные положения современной клеточной теории. Сравните их с первыми положениями, сформулированными в XIX в. 3. Охарактеризуйте основные методы изучения клетки. Результаты сравнения оформите в виде таблицы (в тетради).
Методы изучения клетки
|
Название метода |
На чем основан метод исследования? |
Что дает метод исследования? |
4. Какие преимущества для исследования клеток дает использование интерференционного и фазово-контрастного микроскопов?