История открытия
Основная статья: Клеточная теория
Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В 1665 году, 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 означает «келья, ячейка, клетка»). В 1675 году итальянский врач М. Мальпиги, а в 1682 году — английский ботаник Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632—1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы (инфузории, амёбы, бактерии). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки — эритроциты и сперматозоиды. 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. В 1802—1808 годах французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 году распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1825 году чешский учёный Я. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в 1839 ввёл термин «протоплазма». В 1831 году английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в 1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. С тех пор главным в организации клеток считается не мембрана, а содержимое.
Клеточная теория строения организмов была сформирована в 1839 году немецким зоологом Т. Шванном и М. Шлейденом и включала в себя три положения. В 1858 году Рудольф Вирхов дополнил её ещё одним положением, однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы.
В 1878 году русским учёным И. Д. Чистяковым открыт митоз в растительных клетках; в 1878 году В. Флемминг и П. И. Перемежко обнаруживают митоз у животных. В 1882 году В. Флемминг наблюдает мейоз у животных клеток, а в 1888 году Э. Страсбургер — у растительных.
[править]
Строение клеток
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:
прокариоты (доядерные) — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше;
эукариоты (ядерные) — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.
Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
[править]
Прокариотическая клетка
Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.
Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.
[править]
Эукариотическая клетка
Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех) — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.
[править]
Строение эукариотической клетки
Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)
[править]
Поверхностный комплекс животной клетки
Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира — гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).
[править]
Структура цитоплазмы
Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.
[править]
Эндоплазматический ретикулум
В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.
[править]
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.
[править]
Ядро
Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра — кариотека — образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
[править]
Лизосомы
Лизосома — небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция — автолиз — то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.
[править]
Цитоскелет
К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.
[править]
Центриоли
Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.
Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.
Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.
Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.
[править]
Митохондрии
Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.
Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.
Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.
[править]
Сопоставление про- и эукариотической клеток
Основная статья: Сравнение строения клеток бактерий, растений и животных
Наиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970—1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий.
Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот — обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеткок организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот — например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних. Так, размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5—5 мкм, размеры эукариотических — в среднем от 10 до 50 мкм. Кроме того, только среди эукариот попадаются поистине гигантские клетки, такие как массивные яйцеклетки акул или страусов (в птичьем яйце весь желток — это одна огромная яйцеклетка), нейроны крупных млекопитающих, отростки которых, укрепленные цитоскелетом, могут достигать десятков сантиметров в длину.
[править]
Анаплазия
Разрушение клеточной структуры (например, при злокачественных опухолях) носит название анаплазии.
www.ronl.ru
История открытия
Основная статья: Клеточная теория
Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В 1665 году, 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 означает «келья, ячейка, клетка»). В 1675 году итальянский врач М. Мальпиги, а в 1682 году — английский ботаник Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632—1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы (инфузории, амёбы, бактерии). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки — эритроциты и сперматозоиды. 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. В 1802—1808 годах французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 году распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1825 году чешский учёный Я. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в 1839 ввёл термин «протоплазма». В 1831 году английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в 1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. С тех пор главным в организации клеток считается не мембрана, а содержимое.
Клеточная теория строения организмов была сформирована в 1839 году немецким зоологом Т. Шванном и М. Шлейденом и включала в себя три положения. В 1858 году Рудольф Вирхов дополнил её ещё одним положением, однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы.
В 1878 году русским учёным И. Д. Чистяковым открыт митоз в растительных клетках; в 1878 году В. Флемминг и П. И. Перемежко обнаруживают митоз у животных. В 1882 году В. Флемминг наблюдает мейоз у животных клеток, а в 1888 году Э. Страсбургер — у растительных.
[править]
Строение клеток
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:
прокариоты (доядерные) — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше;
эукариоты (ядерные) — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.
Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
[править]
Прокариотическая клетка
Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.
Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.
[править]
Эукариотическая клетка
Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех) — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.
[править]
Строение эукариотической клетки
Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)
[править]
Поверхностный комплекс животной клетки
Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира — гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).
[править]
Структура цитоплазмы
Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.
[править]
Эндоплазматический ретикулум
В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.
[править]
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.
[править]
Ядро
Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра — кариотека — образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
[править]
Лизосомы
Лизосома — небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция — автолиз — то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.
[править]
Цитоскелет
К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.
[править]
Центриоли
Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.
Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.
Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.
Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.
[править]
Митохондрии
Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.
Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.
Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.
[править]
Сопоставление про- и эукариотической клеток
Основная статья: Сравнение строения клеток бактерий, растений и животных
Наиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970—1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий.
Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот — обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеткок организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот — например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних. Так, размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5—5 мкм, размеры эукариотических — в среднем от 10 до 50 мкм. Кроме того, только среди эукариот попадаются поистине гигантские клетки, такие как массивные яйцеклетки акул или страусов (в птичьем яйце весь желток — это одна огромная яйцеклетка), нейроны крупных млекопитающих, отростки которых, укрепленные цитоскелетом, могут достигать десятков сантиметров в длину.
[править]
Анаплазия
Разрушение клеточной структуры (например, при злокачественных опухолях) носит название анаплазии.
www.ronl.ru
Министерство образования и науки
Омский государственный колледж управления и профессиональных технологий
Реферат на тему: Клеточная теория и тайны жизни
Омск 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………..……………………….3
1. Выдающиеся микроскописты…………………………………………………4
2. Основоположники клеточной теории………………………………………....8
3. Современные положения клеточной теории и ее значение………………..11
4. Методы изучения клеток. Многообразие клеток…………………………...13
5. Основные этапы создания и развития клеточной теории…………………..16
Список литературы………………………………………………………………18
ВВЕДЕНИЕ
Человечество всегда стремилось узнать, что такое жизнь, живое. Одним из шагов человечества в познании тайн живого стало изучение клетки, образующей живой организм. Начало этого процесса положено сравнительно недавно, конечно, по историческим меркам. Оно стало возможным только с развитием методов исследования, прежде всего с развитием микроскопии. Первый простой микроскоп появился в Голландии в конце ХVI в. Состоял он из трубы, прикрепленной к подставке, и имел два увеличительных стекла. Считают, что изобрели его в 1590—1610 гг. Ганс и Захариус Янсены — голландские мастера оптики. Прибор этот больше считали игрушкой. Кто же мог тогда предположить, что он сулит величайшие открытия!
1. ВЫДАЮЩИЕСЯ МИКРОСКОПИСТЫ
Первым, кто понял и по достоинству оценил огромное значение микроскопа, был английский физик, ботаник Роберт Гук. Он впервые применил микроскоп для исследования строения растений и животных. Роберт Гук (1635—1703), рассматривая в 1665 г. под усовершенствованным трехлинзовым микроскопом в сорокакратном увеличении тончайший срез пробки, открыл мельчайшие ячейки, похожие на такие же ячейки в меде, и дал им впервые название «клетки». Конечно, он не мог тогда предположить, что его открытие превратится позже в основы биологии, будет иметь значение и в нашем, XXI в.
В 1665 г. Роберт Гук впервые сообщил о существовании клеток. Он писал: «Взяв кусочек чистой светлой пробки, я отрезал от него… острым как бритва перочинным ножом… очень тонкую пластину. Когда затем я поместил этот срез на черное предметное стекло… и стал разглядывать его под микроскопом, направив на него свет с помощью плоско-выпуклого зеркала, я очень ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами… эти поры, или ячейки, были не слишком глубокими, а состояли из очень многих маленьких ячеек, вычлененных из одной длинной непрерывной поры особыми перегородками… Такое строение свойственно не одной только пробке. Я рассматривал при помощи своего микроскопа сердцевину бузины и различных деревьев, а также внутреннюю мякоть полого стебля тростника, некоторых овощей и других растений: фенхеля, амброзии, моркови, лопуха, ворсянки, папоротника… и т. п. И обнаружил у всех у них тот же план строения, что и у пробки».
В пробке Р. Гук наблюдал лишь пустые, лишенные клеточного содержимого мертвые клеточные стенки, похожие по форме на ячейки пчелиных сот. Он дал им название ячеек, или клеток. Термин «клетка» — от английского «cell» — «клетка», прижился в биологии и существует и поныне. А тогда все свои наблюдения Р. Гук, английский физик и ботаник, описал в своем труде «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол» (1665 г.).
Огромный вклад в изучение клеток вслед за Р. Гуком вносит голландский исследователь Антони ван Левенгук (1632—1723). Еще в молодости Левенгук научился делать увеличительные стекла, очень увлекался этим и достиг большого мастерства. Его лупы увеличивали от 150 до 270 раз. Такие увеличительные стекла в то время были совершенно неизвестны. Лупы Левенгука были очень маленькими — размером с горошину, пользоваться ими было трудно. Тем не менее Левенгук давал очень точные наблюдения, рисунки.
Левенгук не получил образования, достиг выдающихся успехов только благодаря своему трудолюбию и таланту. Занимался он торговлей мануфактурой (в основном сукном). Он почти 60 лет присылал в Лондонское королевское общество письма, в которых рассказывал о своих замечательных наблюдениях. Письма печатались в научных журналах. Затем 170 из них были изданы отдельной книгой на латинском языке под названием «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопа» (он свои лупы называл микроскопом).
Тайн, которые раскрыл А. Левенгук, очень много. Он впервые наблюдал и зарисовал клетки более 200 видов растений и животных. Среди них были, например, эритроциты, мышечная ткань, сперматозоиды, т. е. Левенгук был первым человеком, который увидел животные клетки! Еще одно, не менее потрясающее открытие, — начиная с 1674 г. он наблюдает мир микроорганизмов. По его рисункам можно легко узнать различные формы бактерий, клетки которых относят к прокариотам.
Приблизительно 1683 г. можно считать годом рождения науки о микроорганизмах, когда исследователь описывает их наиболее подробно, — это год рождения науки микробиологии. Открытие микроорганизмов — это самое важное открытие Левенгука. С 1680 г. Левенгук становится членом Лондонского королевского общества, наиболее авторитетного научного общества того времени. Хотя он и не был профессиональным ученым, его открытия буквально потрясли научный мир и оказали огромное влияние на развитие науки, в том числе и в России.
С работой Левенгука познакомился царь Петр I во время своего пребывания в Голландии. Петр I привез в Россию микроскоп Левенгука. Позднее были изготовлены и свои, отечественные микроскопы, позволившие российским ученым внести свой вклад в изучение строения живого. К Левенгуку в Дельф приезжала и английская королева, желая посмотреть через чудесные стеклышки его микроскопов, принесших ему почетное звание «отца научного микровидения». Это не случайно. Даже простое перечисление некоторых его открытий поражает воображение и сейчас, триста с лишним лет спустя: 1674 г. — открытие первых простейших; 1676 г. — открытие бактерий; 1677 г. — сперматозоидов; 1680 г. — дрожжевых грибков; 1680 г. — красных кровяных телец у лягушки; 1681 г. — паразитирующих жгутиковых и т. д., и т. п. Причем все это проделано очень добросовестно, тщательно, систематично, хотя сам Левенгук не отдавал себе отчета в том, каково будет значение его работы для науки.
Вообще же, следует отметить, что весь процесс создания клеточной теории потребовал огромного труда большого количества ученых. За любой, самой мелкой деталью строения клетки стоит гигантская работа исследователей. Примерно в то же время, когда делал свои открытия Левенгук, итальянский ученый Марчелло Мальпиги, мечтавший о приобретении такого чудесного инструмента, как микроскоп, получив его, делает целый ряд биологических открытий. Это он рассматривает клетки мозга, языка, селезенки, сетчатки, печени, нервов, кожи, капилляров, кровяные тельца, легкие лягушки, куриного зародыша и растительных тканей. Мальпиги более тридцати лет не расстается с микроскопом — и заслуживает у своих современников почетный титул мастера микроскопной техники.
Вклад М. Мальпиги в область микроскопической анатомии растений и животных настолько велик, что его именем названо одно из семейств двудольных, мельчайшие тельца — клубочки кровеносных капилляров внутри почечных капсул: мальпигиев слой размножения кожицы, мальпигиевы сосуды — трубчатые выделительные органы насекомых и др. Чуть позже М. Мальпиги голландский натуралист Ян Сваммердам увлекся необыкновенным миром, который он увидел под микроскопом, и полностью посвятил себя изучению строения и жизни насекомых, став одним из создателей энтомологии — науки о насекомых.
Далеко не всегда работы ученых признавались при их жизни. Так случилось с К. Ф. Вольфом, одним из основателей современной эмбриологии. До его работ считалось, что в каждой зародышевой клетке находится полностью сформированный миниатюрный, но вполне готовый взрослый организм, который содержит в себе зародыши всех будущих поколений. Предполагалось, что развитие зародыша заключается только лишь в росте уже существующих органов. Была широко распространена «теория вложения», по которой утверждалось, что в яичнике Евы имелись готовые зачатки всех прошедших, настоящих и будущих поколений, т. е. организм представляет собой что-то вроде игрушки матрешки, в которую вложены такие же матрешки, последовательно уменьшающиеся в размерах.
Вот эту теорию и опроверг Каспар Фридрих Вольф, вызвав резкие возражения современников. Ему даже запретили чтение лекций в университете в Берлине, и в 1766 г. он уезжает в Петербург, в Медицинскую академию, где и проработал 28 лет, создавая науку о тканях. Но его труды не нашли у современников должного понимания, и только лишь несколько десятков лет спустя его взгляды и теории о зародышевых листках — трех слоях клеток — получили широкую известность и принесли Вольфу заслуженную славу — посмертно — как одному из основателей науки эмбриологии — науки о развитии зародышей и гистологии — науки о тканях.
Дальнейшее усовершенствование микроскопа и разработка методов гистологических исследований (гистология — наука о тканях) дали новый импульс в изучении клетки. Установили, что все растительные организмы образованы тканями, которые, в свою очередь, состоят из клеток. Французский же ученый Ж. -Б. Ламарк распространил идею о клеточном строении живых организмов и на животных.
К началу XIX в. было накоплено огромное количество материала о клетках. Но лишь в XIX в. ученые обратили внимание на внутреннее содержимое клетки. В 1825 г. чешский ученый Ян Пуркинье (1787—1869) открыл ядро в яйцеклетке птиц, а в 1831 г. английский ученый Роберт Броун (1772—1858), известный как выдающийся английский ботаник, специалист в области описательной систематики, в клетках кожицы орхидеи открыл ядро, которое потом нашел в клетках многих других растений. В 1837 г. тот же Ян Пуркинье обратил внимание на полужидкое студенистое содержимое, заполнявшее клетку, а в 1840 г. предложил назвать клеточное содержимое протоплазмой, убедившись в том, что именно оно, а не клеточные стенки, представляет собой живое вещество (позднее был введен термин «цитоплазма»: цитоплазма + ядро = протоплазма).
2. ОСНОВОПОЛОЖНИКИ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ
Таким образом, в 30-х гг. XIX в. были накоплены конкретные представления о структурной организации клетки. Немецкий зоолог Теодор Шванн (1810—1882) стал первым ученым, который обобщил все эти знания и пришел к выводу, что клетка является тем микроскопическим элементом, из которого состоят все живые организмы. Чтобы убедиться в этом, Т. Шванн пригласил к сотрудничеству своего друга, немецкого ботаника Матиаса Шлейдена (1804—1881). Ознакомившись с трудами М. Шлейдена, Т. Шванн пришел к выводу, что как растения, так и животные построены на одинаковой основе, что принцип строения клеток у них одинаков.
Ученые чрезвычайно долго при помощи микроскопа проверяли правильность своих предположений. Когда все сомнения были устранены, Т. Шванн в 1839 г. опубликовал труд «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Труд вызвал переворот в биологии и сделал известными фамилии обоих ученых. Так была разработана одна из самых важных биологических теорий, получившая название клеточной теории. Основную роль в этом крупном открытии XIX столетия сыграл Т. Шванн, но часть заслуг принадлежит также М. Шлейдену. Главная идея этого открытия потрясающе проста: жизнь сосредоточена в клетках. В основе этой теории следующие положения:
— как растениям, так и животным свойственно единство строения;
— в основе структуры всех организмов находится клетка;
— образование все новых и новых клеток — это принцип роста и развития растений и животных;
— клетка является элементарной биологической единицей;
— организм в целом есть сумма образовавших его клеток.
Положения эти могут формулироваться по-разному в разных источниках, но смысл их одинаков — тайна жизни заключена в клетках. Кто же эти люди, принесшие человечеству эту знаменитую теорию?
Матиас Якоб Шлейден, выдающийся немецкий ботаник, родился 5 апреля 1804 г. в Гамбурге. Здесь же он и учился в гимназии. В 1824 г. поступил на юридический факультет Гейдельбергского университета, закончил его с отличием, но адвокатом не стал. Заинтересовался биологией, медициной, философией и изучал их в Геттингенском университете. Больше всего увлекался физиологией и ботаникой — и опубликовал много трудов по этим наукам. Был мрачным, раздражительным человеком, склонным к спорам, но вместе с тем очень трудолюбивым, творческим деятелем. Как человек прогрессивный, опубликовал множество научно-популярных работ. В одной из книг он представил свою теорию возникновения клеток из материнской клетки.
Работа Матиаса Шлейдена послужила толчком для Теодора Шванна к занятию длительными и тщательными микроскопическими исследованиями, которые, в конечном итоге, доказали единство клеточного строения всего органического мира. Основной труд Матиаса Шлейдена «Основы научной ботаники» (Лейпциг, 2 тома) был опубликован в 1842—1843 гг. и оказал огромное влияние на изменение взглядов на морфологию растений с точки зрения их онтогенеза, т. е. индивидуального развития. В конце своей жизни Шлейден увлекся антропологией, желая познать тайны происхождения человека. Как мы видим, деятельность и имя Матиаса Шлейдена неразрывно связаны с именем другого немецкого ученого — Теодора Шванна, с которым он примерно с 1837 г. вел совместные микроскопические исследования.
Теодор Шванн родился 7 декабря 1810 г. в Нейсе. Учился в Боннском университете, затем в Кельне, Вюрцбурге, Берлинском анатомическом институте. Спектр его научных изысканий очень широк. Например, в 1836 г. он открыл пепсин и установил его ферментативную активность при переваривании белков. Или другая сторона его деятельности: он заинтересовался вопросом о возможности самозарождения жизни — и изучал процессы гниения и брожения, деятельность низших грибков. Проделал огромное количество микроскопических исследований. Установил клеточное строение хорды, мышц, хряща, стенок кровеносных сосудов, описал тонкую оболочку, окружавшую нервные волокна (она получила название шванновской оболочки).
Познакомившись с работами М. Шлейдена о развитии растительных клеток, Шванн, как зоолог, пришел к выводу, что животные клетки развиваются подобным образом и имеют сходное строение. В 1839 г. Шванн, обобщив свои идеи, идеи ботаника М. Шлейдена и других ученых, публикует свою основную работу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой он окончательно доказал клеточную теорию строения организмов, потрясшую ученый мир и ставшую одной из основополагающих теорий XIX в. В дальнейшем Т. Шванн возглавлял кафедру физиологии в Льеже и вел исследования в разных отраслях биологии. Умер Теодор Шванн 14 января 1882 г. в Кельне.
Идея строения организмов из клеток занимает умы многих ученых. Одним из исследователей клеток был К. М. Бэр.
Карл Максимович Бэр (1792—1876) очень заинтересовался проблемой развития оплодотворенной яйцеклетки в зародыше. Начал он свои поиски с исследования яйцеклеток млекопитающих. В 1827 г. он опубликовал работу об открытии яйцеклетки в яичнике собаки. Затем он эти опыты перенес на самок кроликов, овец, кошек, мышей. Он же первый обнаружил женские яйцеклетки. К. М. Бэр изучил развитие огромного количества зародышей, что позднее дало ему возможность создать основы новой научной отрасли — сравнительной эмбриологии. Он установил, что все живые организмы начинают свое развитие с одной клетки, представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка не только единица строения, но и единица развития все живых организмов. Так К. М. Бэр сделал существенное дополнение к основному положению клеточной теории.
Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах немецкого ученого Рудольфа Вирхова (1821—1902). В 1858 г. Р. Вирхов опубликовал свою теорию клеточной патологии, в основу которой была положена физиологическая самостоятельность каждой клетки в отдельности. Как ни странно, несмотря на ошибочность такого положения, работа Вирхова значительно продвинула вперед клеточную теорию и положила начало многочисленным исследованиям в медицине. Ведь ученый был прав, доказывая, что клетка, хоть больная, хоть здоровая, образуется исключительно делением существовавших до нее клеток, т. е. клетка может возникнуть только из предшествующей клетки в результате ее деления! Это привело к осознанию того факта, что рост и развитие организмов связаны с делением клеток и их дальнейшей дифференцировкой, приводящей к образованию тканей и организмов.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
Кропотливая работа цитологов XX в. дала возможность сформулировать основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии следующим образом:
1. Клетка — элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет.
2. Новые клетки возникают только путем деления ранее существующих клеток.
3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу, происхождению, т. е. гомологичны.
4. Рост и развитие многоклеточного организма — следствие роста и размножения одной или нескольких клеток.
5. Клеточное строение организмов — свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.
Клеточная тория внесла огромный вклад в понимание научной картины окружающего нас мира. Стало ясно, что все организмы, начиная с низших и заканчивая самыми высокоразвитыми, состоят из отдельных компонентов — клеток. Идея о том, что все организмы построены из клеток, стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, создав единую основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами. Ведь на клеточном уровне даже наиболее отдаленные виды очень сходны по строению и биохимическим свойствам, что указывает на общность их происхождения и эволюционного развития. Иными словами, клеточная теория и теория эволюции, созданная Ч. Дарвином, тесно связаны между собой. Клетка выполняет функцию связи между индивидуалом и видом, в ней сосредоточена наследственная информация, обеспечивающая сохранение как всего вида, так и отдельных его особей.
Изучая клетку, человек познает природу самой жизни. Клетка — это же самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками живого организма. На уровне клетки проявляются такие свойства живого, как обмен веществ и превращение энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, реагирование на раздражение и т. п. В меньших единицах материи эти свойства не проявляются. Если выделить из клетки митохондрии, рибосомы, ядро, хлоропласты, то они будут способны некоторое время выполнять свои функции, но эти функции сами по себе не составляют жизнь. Только целостная клетка способна поддерживать жизнь во всех ее проявлениях.
Исследования клетки имеют большое значение для профилактики и лечения заболеваний как самого человека, так и растений, животных. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к заболеваниям. Чтобы это было понятно, приведем несколько примеров. Если в клетке окажется всего одна лишняя хромосома, т. е. в диплоидном наборе их будет не 46, как обычно, а 47, это приведет к очень тяжелым последствиям: у ребенка развивается болезнь Дауна, для которой характерна непропорционально маленькая голова, узкие глазные щели, плоское лицо, резко выраженная умственная отсталость.
Или другой пример. Все здоровые люди имеют белок гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой, а эритроциты у них похожи на диски. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием — серповидноклеточной анемией, — эритроциты похожи не на диски, а на серпы, потому что из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, у них из-за нарушений биосинтеза белка в клетках заменены всего две аминокислоты, и это приводит к существенному изменению формы и нарушению функции эритроцита — он плохо справляется со своей задачей — переносом кислорода, и человек тяжело дышит.
Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают тоже на уровне клетки. Поэтому у медиков часто возникает потребность в очень подробном изучении клеток больного человека, их строения, формы, химического состава, обмена веществ. В ветеринарии это также часто необходимо, особенно на сельскохозяйственных предприятиях. Без изучения клеток невозможно обнаружить возбудителей многочисленных болезней животных, например кокцидиоза. Возбудители кокцидиоза — паразитические простейшие — кокцидии проникают в клетки кишечного эпителия, разрушают их — и животные без соответствующего лечения погибают сотнями и тысячами. Порой знания клеточной теории помогают криминалистам обнаружить преступника, установить отцовство, разоблачить претендента на царский престол и выявить еще многое другое — волнующее, таинственное, неизвестное, о применении которого сейчас говорят только фантасты.
4. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТОК
Состояние дел в изучении клеток всегда очень зависело от состояния науки вообще на данный отрезок времени. Поэтому, по мере развития науки, число методов изучения клетки постепенно возрастало. На сегодняшний день методов изучения клеток очень много. Вот основные из них.
1. Световая микроскопия. Световой микроскоп дает увеличение до 300 раз. Один из видов — флуоресцентная микроскопия. Этот метод позволяет наблюдать живые клетки в ультрафиолетовом свете. При этом одни клеточные структуры начинают сразу светиться — флуоресцировать, другие светятся лишь при добавлении специальных красителей. Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть места расположения нуклеиновых кислот, витаминов, жиров и т. п. Но, используя световой микроскоп, исследователи ограничены его разрешающей способностью. Максимально возможное разрешение, т. е. способность увидеть две отстоящие друг от друга точки, равно половине длины волны используемого света. Получить изображение объекта размером меньше этой величины невозможно. Средняя длина волны видимого света составляет примерно 550 нм, поэтому в конце XIX в. смогли получить разрешение примерно в 200 нм. Применив ультрафиолетовый свет, длина волны которого составляет 250 нм, получили разрешение примерно на 100 нм. Но многие клеточные структуры имеют меньший размер. Поэтому исследование таких структур из-за недостаточного увеличения светового микроскопа затормозилось.
2. Электронная микроскопия. Этот метод помог решить проблему изучения самых мелких клеточных структур, начиная с 1930—1940 гг. Сейчас используют несколько типов электронных микроскопов. Один из них — трансмиссионный (просвечивающий). Электроны в нем проходят через образец, поэтому для изучения можно использовать только очень тонкие срезы, полученные на ультратоме и специально подготовленные (окрашенные тяжелыми металлами или путем негативного контрастирования, напылением, замораживанием — скалыванием и т. п.). Сравнительно недавно был введен в употребление сканирующий электронный микроскоп. В нем очень точно сфокусированный пучок электронов двигается взад и вперед по поверхности образца, а отраженные от поверхности образца электроны собираются и формируют изображение наподобие того, что возникает на экране телевизора.
Преимущество этого метода заключается в том, что детали строения поверхности видны с большой глубиной резкости, что создает эффект трехмерности. Но разрешающая способность сканирующего электронного микроскопа ниже, чем у трансмиссионного (5-20 мм), но при этом можно работать с образцами большого размера. Совсем недавно в биологии стали использовать электронный микроскоп высокого напряжения — 500000 — 1000000 В. Большое ускорение электронов позволяет им проходить через сравнительно толстые срезы в 1-5 мм, при этом получают трехмерное изображение структур при высоком разрешении, что облегчает изучение объекта. Сейчас внедряются методы, позволяющие быстро исследовать живые образцы, что в будущем должно дать очень важную информацию.
3. Хроматография — метод основан на том, что в неподвижной среде, через которую протекает растворитель, каждый из компонентов смеси движется со своей собственной скоростью, независимо от других; смесь веществ при этом разделяется.
4. Электрофорез применяется для разделения частиц, несущих заряды, широко применяется для выделения и идентификации аминокислот.
5. Аминокислотный анализатор — он помогает определить последовательность аминокислот в белке.
6. Метод дифференциального центрифугирования. Он основан на том, что различные клеточные органоиды и включения имеют различную плотность. Поэтому при очень быстром вращении в специальном приборе — ультрацентрифуге — органоиды тонко измельченных клеток выпадают в осадок из раствора послойно, располагаясь по слоям в соответствии со своей плотностью. Более плотные компоненты осаждаются при более низких скоростях центрифугирования, а менее плотные — при более высоких скоростях. Затем слои разделяют и изучают отдельно.
7. Метод меченых атомов. Применяется для изучения процессов, происходящих в живых клетках. Чтобы проследить за изменениями какого-либо вещества, в него вводят один из радиоактивных изотопов — 3Н, 32Р, 14С. По химическим свойствам изотопы одного и того же элемента не отличаются друг от друга, но зато радиоактивный изотоп сигнализирует о своем местонахождении радиоактивным излучением. Это позволяет проследить за исследуемым химическим веществом, установить последовательность этапов его химического превращения, продолжительность, зависимость от условий.
8. Секвенирование позволяет определить последовательность нуклеотидов в ДНК.
9. Компьютерный анализ расшифрованных полинуклеотидных последовательностей с целью поиска функциональных сайтов в молекулах ДНК и РНК, т. е. определенных участков ДНК и РНК, участвующих в регуляции функций генов и клеток.
10. Методы аналитической химии — для изучения химического состава клеток.
Совокупность данных методов в настоящее время позволила установить, что все клетки по своему строению разделяются на две группы. Одну группу, более просто устроенную, составляют бактерии и сине-зеленые, клетки которых не имеют оформленного ядра и некоторых других структур. Их называют доядерными, или прокариотическими (от греч. «карион» — ядро). Другую группу клеток составляют все остальные организмы, имеющие сложно устроенные клетки, содержащие ядро — эукариотические клетки. Это клетки растений, животных, грибов и, наконец, самого человека. Иными словами, живой мир, окружающий нас, един, имеет общее происхождение.
5. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ
— 1590—1610 гг. — голландские оптики братья Ганс и Захариус Янсены создают микроскоп.
— 1665 г. — Роберт Гук впервые употребил термин «клетка» для описания структуры пробки.
— 1650—1700 — Антони ван Левенгук при помощи хорошо отшлифованных линз наблюдает различные одноклеточные организмы, в 1676 г. описывает бактерии; изучает более 200 видов организмов, дрожжевые грибы, эритроциты, сперматозоиды.
— 1667 г. — Ян Сваммердам исследует микроскопическое строение насекомых.
— 1661—1668 гг. — Марчелло Мальпиги изучает клетки растений, мозга, печени, сетчатки, нервов, кожи, капилляров и т. п.
— 1759 г. — Каспар Фридрих Вольф разрушает теорию преформизма, дает начало эмбриологии и цистологии.
— 1827 г. — Долланд резко улучшает качество линз, интерес к микроскопии увеличивается.
— 1827 г. — Карл Максимович Бэр открывает яйцеклетки млекопитающих, устанавливает, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки, т. е. клетка — единица развития.
— 1831—1833 — Роберт Броун обнаружил ядро в растительных клетках.
— 1839 г. — ботаник М. Шлейден и зоолог М. Шванн сформулировали клеточную теорию, пришли к выводу, что клетка является основной единицей строения и функции в живых организмах.
— 1840 г. — Ян Пуркинье предложил название протоплазмы для клеточного содержимого.
— 1855 г. — Рудольф Вирхов высказал свое знаменитое утверждение о том, что всякая клетка происходит от клетки.
— 1866 г. — Геккель установил, что хранение и передачу наследственной информации осуществляет ядро, т. е. установлены функции ядра.
— 1866—1883 гг. — открыты пластиды, в частности хлоропласты.
— 1890 г. — открыты митохондрии.
— 1898 г. — Камилло Гольджи открыл органоид, получивший впоследствии название «минарет Гольджи».
— 1900 г. — вновь открыты законы Г. Менделя, начинает развиваться цитогенетика.
— 1930-е гг. — появился электронный микроскоп и стало возможным по настоящее время изучение ультраструктуры клетки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология. В 3 т. М., Мир, 1990.
2. История биологии. В 2 т. М.: Наука, 1972—1975.
3. Н. А. Лемеза, Л. В. Камлюк, Н. Д. Листов. Биология в экзаменационных вопросах и ответах. М., Рольф, Айрис-пресс, 1998.
4. Общая биология. Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии в школе.// Под ред. акад. В. К. Шумного, проф. Г. М. Дамлица и проф. А. О. Рувинского. М.: Просвещение, 1995.
5. Тименов А. В. Уроки биологии в 10 (11) классе. Развернутое планирование. Ярославль: Академия развития, 2001.
6. Энциклопедический словарь юного биолога. Сост. М. Е. Аслиз. М., Педагогика, 1986.
www.ronl.ru
