Предмет цитологии. Историческое развитие цитологии

Изучение каждого из уровней организации живого тре­бует своих подходов и методов. Первый уровень организа­ции живого – клетки – изучает ветвь биологических наук, именуемая цитологией.

Развитие цитологии связано с созданием и усовершен­ствованием оптических устройств, позволяющих рассмотреть и изучить клетки. В 1609-1610 гг Галилео Галилей скон­струировал первый микроскоп, однако лишь в 1624 г. он его усовершенствовал так, что им можно было пользовать­ся. Этот микроскоп увеличивал в 35-40 раз. Через год И. Фабер дал прибору название «микроскоп».

В 1665 г. Роберт Гук впервые увидел в пробке ячейки, которым дал название «cell» - «клетка». В 70-х гг XVII в Марчелло Мальпиги описал микроскопическое строение не­которых органов растений.

Благодаря усовершенствованию микроскопа Антоном ван Левенгуком, появилась возможность изучать клетки и де­тальное строение органов и тканей. В 1696 г. была опубли­кована его книга «Тайны природы, открытые с помощью совершеннейших микроскопов». Левенгук впервые рассмот­рел и описал эритроциты, сперматозоиды, открыл дотоле не­ведомый и таинственный мир микроорганизмов, которые он назвал инфузориями. Левенгук по праву считается осно­воположником научной микроскопии.

В 1715 г. X. Г. Гертель впервые использовал зеркало для освещения микроскопических объектов, однако лишь через полтора столетия Э. Аббе создал систему осветитель­ных линз для микроскопа. В 1781 г. Ф. Фонтана первый увидел и зарисовал животные клетки с их ядрами. В пер­вой половине XIX в Ян Пуркинье усовершенствовал микроскопическую технику, что позволило ему описать клеточ­ное ядро («зародышевый пузырек») и клетки в различных органах животных. Ян Пуркинье впервые употребил тер­мин «протоплазма». Р. Браун описал ядро как постоянную структуру и предложил термин «nucleus» - «ядро».

В 1838 г. М. Шлейден создал теорию цитогенеза (клеткообразования). Его основная заслуга – постановка вопроса о возникновении клеток в организме. Основываясь на рабо­тах Шлейдена, Теодор Шванн создал клеточную теорию. В 1839 г. была опубликована его бессмертная книга «Микроскопические исследования о соответствии в струк­туре и росте животных и растений».

Основными исходными положениями клеточной теории были следующие:

- все ткани состоят из клеток;

- клетки растений и животных имеют общие принци­пы строения, так как возникают одинаковыми путями;

- каждая отдельная клетка самостоятельна, а дея­тельность организма представляет собой сумму жизнеде­ятельности отдельных клеток.

Большое влияние на дальнейшее развитие клеточной те­ории оказал Рудольф Вирхов. Он не только свел воедино все многочисленные разрозненные факты, но и убедительно показал, что клетки являются постоянной структурой и воз­никают только путем размножения себе подобных – «каж­дая клетка из клетки» («omnia cellula e cellulae»).

Во второй половине XIX в. возникло представление о клетке как элементарном организме (Э. Брюкке, 1861). В 1874 г Ж. Карнуа ввел понятие «Биология клетки», тем самым, положив начало цитологии как науке о строении, функции и происхождении клеток.

В 1879-1882 гг. В. Флемминг описал митоз, в 1883 г. В. Вальдейер ввел понятие «хромосомы», через год О. Гертвиг и Э. Страсбургер одновременно и независимо друг от друга высказали гипотезу о том, что наследственные при­знаки заключены в ядре. Конец XIX в. ознаменовался от­крытием фагоцитоза Ильей Мечниковым (1892).

В начале XX в Р. Гаррисон и А. Каррель разработали методы культивирования клеток в пробирке наподобие од­ноклеточных организмов.

В 1928-1931 гг Е. Руска, М. Кнолль и Б. Боррие сконструировали электронный микроскоп, благодаря кото­рому было описано подлинное строение клетки и открыты многие ранее неизвестные структуры. А. Клод в 1929-1949 гг впервые использовал для изучения клеток элек­тронный микроскоп и разработал методы фракционирова­ния клеток с помощью ультрацентрифугирования. Все это позволило по-новому увидеть клетку и интерпретировать собранные сведения.

Клетка является элементарной единицей всего живого, потому что ей присущи все свойства живых организмов: высокоупорядоченное строение, получение энергии извне и ее использование для выполнения работы и поддержания упорядоченности (преодоление энтропии), обмен веществ, ак­тивная реакция на раздражения, рост, развитие, размноже­ние, удвоение и передача биологической информации по­томкам, регенерация, адаптация к окружающей среде.

Клеточная теория в современной интерпретации включает следующие главные положения:

- клетка является универсальной элементарной едини­цей живого;

- клетки всех организмов принципиально сходны по сво­ему строению, функции и химическому составу;

- клетки размножаются только путем деления исход­ной клетки;

- клетки хранят, перерабатывают и реализуют генети­ческую информацию;

- многоклеточные организмы являются сложными кле­точными ансамблями, образующими целостные системы.

- именно благодаря деятельности клеток в сложных орга­низмах осуществляются рост, развитие, обмен веществ и энергии.

В XX веке за открытия в области цитологии и смежных наук были присуждены Нобелевские премии. Среди лауре­атов были:

в 1906 г Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль за открытия в области структуры нейронов;

в 1908 г Илья Мечников и Пауль Эрлих за открытия фагоцитоза (Мечников) и антител (Эрлих);

в 1930 г Карл Ландштейнер за открытие групп крови;

в 1931 г Отто Варбург за открытие природы и меха­низмов действия дыхательных ферментов цитохромоксидаз;

в 1946 г Герман Меллер за открытие мутаций;

в 1953 г Ханс Кребс за открытие цикла лимонной кис­лоты;

в 1959 г Артур Корнберг и Северо Очоа за открытие механизмов синтеза ДНК и РНК;

в 1962 г Френсис Крик, Морис Уилкинсон и Джеймс Уотсон за открытие молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах;

в 1963 г Франсуа Жакоб, Андре Львов и Жак Моно за открытие механизма синтеза белка;

в 1968 г Хар Гобинд Корана, Маршалл Ниренберг и Роберт Холли за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белка;

в 1970 г Джулиус Аксельрод, Бернард Кац и Ульф фон Эйлер за открытие гуморальных медиаторов нервных окончаний и механизма их хранения, выделения и инак­тивации;

в 1971 г Эрл Сазерленд за открытие вторичного посред­ника цАМФ и его роли в механизме действия гормонов;

в 1974 г Кристиан де Дюв, Альберт Клод и Джордж Паладе за открытия, касающиеся структурной и функциональ­ной организации клетки (ультраструктура и функция лизосом, комплекса Гольджи, эндоплазматического ретикулума).

Все живые существа состоят из клеток – маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Простейшие формы жизни – это одиночные клетки, размножающиеся делением. Более высокоразвитые организмы, такие как мы сами, можно сравнить с клеточными городами, в которых специализированные функции осуществляют группы клеток, в свою очередь связанные между собой сложными системами коммуникаций. В известном смысле клетки находятся на полпути между молекулами и человеком. Мы изучаем клетки, чтобы понять, каково их молекулярное строение, с одной стороны, и чтобы выяснить, как они взаимодействуют для образования столь сложного организма, как человек – с другой.

Считается, что все организмы и все составляющие их клетки произошли эволюционным путем от общей преДНКовой клетки. Два основных процесса эволюции - это:

1. 
   Случайные изменения генетической информации, передаваемой от организма к его потомкам.
   
2. 
   Отбор генетической информации, способствующей выживанию и размножению своих носителей.
   

Естественно, в эволюционном подходе есть свои опасности: большие пробелы в наших знаниях мы заполняем рассуждениями, детали которых могут быть ошибочными, не в наших силах вернуться в прошлое и стать свидетелями уникальных молекулярных событий, происходивших миллиарды лет назад. Однако эти древние события оставили много следов, которые мы можем анализировать. ПреДНКовые растения, животные и даже бактерии сохранились как ископаемые. 

Но, что еще более важно, каждый современный организм содержит информацию о признаках живых организмов в прошлом. В частности, существующие ныне биологические молекулы, позволяют судить об эволюционном пути, демонстрируя фундаментальное сходство между наиболее далекими живыми организмами и выявляя некоторые различия между ними.

Условия, существовавшие на Земле в первый миллиард лет ее истории, все еще являются предметом спора. Мы не знаем, была ли поверхность нашей планеты вначале расплавленной? Содержала атмосфера аммиак или же метан? Можно только предполагать, что Земля была весьма неспокойным местом – с постоянными вулканическими извержениями, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. Не было совсем или было очень мало кислорода, и отсутствовал озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца.

В таких условиях, очевидно, возникали простые органические (т.е. содержащие углерод) молекулы. Лучшее тому доказательство лабораторные эксперименты. Если через нагретую смесь воды и газов, таких, как углекислый газ, аммиак, метан и водород, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, они реагируют с образованием малых органических молекул. Обычно набор таких молекул невелик, но каждая образуется в сравнительно больших количествах.

Среди продуктов есть ряд соединений, таких, как цианистый водород (HCN) и формальдегид, которые легко вступают в последующие реакции в водном растворе. Наиболее важно, что в эксперименте удается получить четыре основных класса внутриклеточных малых молекул: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты.

Хотя в таких опытах нельзя точно воспроизвести условия, существовавшие ранее на Земле, они показывают, что органические молекулы образуются на удивление легко. Кроме того, наша формирующаяся планета имела огромные преимущества перед любым экспериментатором: она была очень велика и обеспечивала широкий спектр условий. Но важнее всего то, что в распоряжении Земли были сотни миллионов лет. В таких условиях кажется вполне вероятным, что в какой-то момент, в каком-нибудь месте сконцентрировались многие из простых органических молекул, входящих в состав современных клеток.

Простые органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, могут ассоциировать с образованием больших полимеров. Две аминокислоты могут соединиться с помощью пептидной связи, а два нуклеотида могут быть соединены фосфодиэфирной связью. Последовательное повторение этих реакций ведет к образованию линейных полимеров, называемых соответственно полипептидами и полинуклеотидами. У современных организмов полипептиды, называемые белками, и полинуклеотиды в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) обычно считаются наиболее важными компонентами. Универсальные «кирпичики», из которых состоят белки – это всего лишь 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК построены только из четырех типов нуклеотидов. Остается лишь гадать, почему именно эти наборы мономеров, а не другие со схожими химическими свойствами были отобраны для биосинтеза.

Специфическое спаривание комплементарных нуклеотидов сыграло, видимо, решающую роль в возникновении жизни. Рассмотрим, например, полинуклеотид, подобный РНК и содержащий основания урацил (U), аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G). Благодаря комплементарному спариванию оснований – А с U и G с С – при добавлении РНК к смеси активированных нуклеотидов в условиях, благоприятствующих полимеризации, синтезируется новая молекула РНК, последовательность нуклеотидов которой комплементарна последовательности нуклеотидов в исходной РНК. Таким образом, новые молекулы представляют собой как бы слепок исходной молекулы, каждому А которой соответствует U в копии и т.д. На первой стадии информация, содержащаяся в последовательности исходной цепи РНК, сохраняется в новообразующихся комплементарных цепях. На второй стадии копирование с использованием комплементарной цепи в качестве матрицы восстанавливает исходную последовательность. Механизмы комплементарного матричного копирования изящны и просты, они занимают центральное место в процессах переноса информации в биологических системах. 

Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее полинуклеотидов, и эта информация передается из поколения в поколение благодаря комплементарному спариванию оснований.

Для быстрого образования полинуклеотидов в пробирке обязательно должны присутствовать специфические белковые катализаторы-ферменты, которых не могло быть в «пребиотическом бульоне». Там, однако, были, очевидно, минералы и ионы металлов, способные служить менее эффективными катализаторами. Кроме того, катализаторы лишь ускоряют реакции, которые происходили бы и без них, но за достаточно долгое время. Поскольку и время, и химически активные предшественники нуклеотидов имелись в изобилии, то вполне возможно, что в пребиотических условиях на Земле стало возможным возникновение медленно реплицирующихся систем полинуклеотидов.

Как только эволюция нуклеиновых кислот продвинулась до кодирования ферментов, обеспечивающих их собственное воспроизведение, распространение репликативной системы должно было резко ускориться. Взрывной характер такого автокаталитического процесса можно видеть на примере жизненного цикла некоторых современных вирусов бактерии: проникнув в бактерию, эти вирусы направляют синтез белков, избирательно катализирующих их собственную репликацию и в короткое время оккупируют всю клетку.

Одним из решающих событий, приведших к формированию первой клетки, очевидно, было формирование внешней мембраны. В самом деле: белки, синтезируемые под контролем определенного типа РНК не могли бы облегчить репродукцию именно этих молекул РНК, если бы не удерживались поблизости от них. Более того, до тех пор, пока белки свободно диффундировали в популяции реплицирующихся молекул РНК, они в равной степени способствовали размножению любого из конкурирующих видов РНК. Если возникала РНК, производящая улучшенный тип фермента, новый фермент не способен был направленно обеспечить выживание именно этой измененной РНК. Отбор молекул РНК по качеству кодируемых ими белков не мог начаться раньше, чем появился некий замкнутый объем (компартмент), заключающий в себя белки, произведенные молекулой РНК. Следовательно, эти белки становятся доступными только для РНК, порождающей их.

Важнейшая роль в эволюции клеточных мембран, по-видимому, принадлежит классу амфипатических молекул, которые обладают простым физико-химическим свойством: одна их часть гидрофобна (нерастворима в воде), а другая - гидрофильна (растворима в воде). Когда такие молекулы попадают в воду, они располагаются так, что их гидрофобные части и приходят в тесный контакт друг с другом, а гидрофильные части – в контакт с водой. Амфипатические молекулы способны спонтанно агрегировать, образуя двухслойные структуры в виде маленьких замкнутых пузырьков, изолирующих водное содержимое от внешней среды. Этот феномен может быть продемонстрирован в пробирке путем простого смешивания фосфолипидов и воды: при подходящих условиях действительно образуются маленькие пузырьки. Все ныне существующие клетки окружены плазматической мембраной, состоящей из амфипатических молекул, главным образом фосфолипидов, такой структуры. В клеточных мембранах в состав липидного бислоя входят также амфипатичские белки. В электронном микроскопе такие мембраны имеют вид листков толщиной около 5 нм с выраженной трехмерной структурой (следствие плотной укладки фосфолипидных молекул хвост к хвосту).

Не совсем ясно, в какой момент эволюции биологического катализа были сформированы первые клетки. Они могли появиться, когда молекулы фосфолипидов пребиотического бульона случайно собрались в мембранную структуру, заключившую в себя самореплицирующуюся смесь каталитических молекул РНК. Однако принято считать, что синтез белков осуществлялся до появления клеток. В любом случае, как только они оказались заключенными в замкнутую мембрану, молекулы РНК начали эволюционировать не только на основе их собственной структуры, но также в зависимости от их воздействия на другие молекулы в том же компартменте: нуклеотидные последовательности РНК могли теперь влиять на признаки целой клетки.

Таким образом, живые клетки, скорее всего, появились на Земле приблизительно 3,5 млрд. лет назад в результате спонтанной агрегации молекул. Изучение современных организмов и содержащихся в них молекул позволяет предполагать, что развитие автокаталитических механизмов, присущих живым системам, началось с эволюции группы молекул. Со временем одна из этих групп согласованно катализирующих РНК приобрела способность к прямому синтезу полипептидов. Первые клетки, по-видимому, широко использовали каталитические функции и РНК, и белков, а в качестве вещества наследственности содержали только РНК. После того как накопление дополнительных каталитических белков сделало возможным развитие более эффективных и сложных клеток, двухцепочечная ДНК заменила РНК в роли хранителя генетической информации.

Существует предположение, что все ныне живущие организмы произошли из единственной, возникшей несколько миллиардов лет назад «первобытной» клетки. Пережив своих конкурентов, эта клетка положила начало процессу клеточного деления и эволюции, который, в конце концов, создал зеленый покров Земли, изменил состав ее атмосферы и сделал ее родиной разумной жизни. Видимо, только так можно объяснить «фамильное сходство» между всеми организмами. На эволюционном пути имеется важная веха. Приблизительно 1,5 млрд. лет назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой внутренней структурой к большим по размеру и значительно более сложно устроенным клеткам.

В настоящее время различают прокариотические и эукариотические организмы. К первым принадлежат сине-зе­леные водоросли, актиномицеты, бактерии, спирохеты, микоплазмы, риккетсии и хламидии, ко вторым – большин­ство водорослей, грибы и лишайники, растения и животные. В отличие от прокариотической, эукариотическая клетка имеет ядро, ограниченное оболочкой из двух мембран, и большое количество мембранных органелл. Более детальные различия представлены в таблице 1.

Бактерии освоили самые разнообразные среды обитания: они живут в почве, пыли, воде, воздухе, на внешних покровах животных и растений и внутри организма. Их можно обнаружить даже в горячих источниках, где они живут при температуре около 60 °С или выше. Численность бактерий трудно оце­нить: в 1 г плодородной почвы может находиться до 100 млн., а в 1 см³ парного молока – свыше 3000 млн. бактерий. Жизнедеятельность микроорганиз­мов имеет важное значение для всех остальных живых существ, так как бактерии и грибы раз­рушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ в природе. К тому же бактерии приобретают все большее значение в жизни людей, и не потому, что они вызывают различные за­болевания, а потому, что их можно использовать для получения многих необходимых продуктов.

При неблагоприятных условиях бактерии способны образовывать споры. бразуют эндоспоры, Некоторые бактерии (в основном принадлежащие к роду Clostridium или Bacillus) образуют эндоспоры, т. е. споры, находящиеся внутри клетки. Эндо­споры - толстостенные долгоживущие образования, крайне устойчивые к нагреванию и коротковолно­вому излучению. Они по-разному располагаются внутри клетки, что служит очень важным признаком для идентификации и систематики таких бактерий. Если покоящаяся, устойчивая структура образуется из целой клетки, то она называется цистой. Цисты образуют некоторые виды Azotobacter.

Одним из важнейших систематических признаков является форма бактериальной клетки.