Клетка

Основные положения клеточной теории

История цитологии (науки о клетке) тесно связана с изобретением, использованием и усовершенствованием микроскопа.

С момента первого описания англичанином Р. Гуком (1665 г.) целлюлъ, или клеток, в тонком срезе пробковой ткани дерева накопилось огромное количество сведений, фактов и доказательств клеточного состава растений, животных и микроорганизмов.

Клеточная теория. Одним из крупнейших обобщений XIX в. стала клеточная теория, изложенная в трудах Теодора Шванна, Маттиаса Шлейдена и Рудольфа Вирхова.

Теодор Шванн - основоположник клеточной теории

Открытие клетки принадлежит английскому естествоиспытателю Роберту Гуку, который в 1665 г. впервые под микроскопом увидел, что пробка имеет ячеистое строение, подобно пчелиным сотам. Эти ячейки Гук назвал клетками. Вслед за Гуком клеточное строение растений подтвердили итальянский биолог М. Мальпиги (1675 г.) и английский ботаник Н. Грю (1682 г.). Их внимание привлекли форма клеток и строение их оболочек. В результате было дано представление о клетках как о «мешочках» или «пузырьках», наполненных «питательным соком».

Значительный вклад в изучение клетки внес голландский натуралист, один из основоположников научной микроскопии Антони ван Левенгук, открывший в 1674 г. одноклеточные организмы - инфузории, амебы, бактерии. Он также впервые наблюдал животные клетки - эритроциты крови, сперматозоиды.

В XIX-XX вв. благодаря применению более современных методов цитологического анализа были получены новые данные, позволившие подтвердить, уточнить и дополнить клеточную теорию.

Современная клеточная теория включает следующие положения:

1. Все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы - особая, неклеточная форма жизни, изучением которых занимается вирусология).

Вирусы можно считать неклеточными формами жизни, но признаки живого (обмен веществ, способность к размножению и т.п.) они проявляют только внутри клеток, вне клеток вирус является сложным химическим веществом.

2. Клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности; именно клетка обладает всей совокупностью черт, характеризующих живое.

Самая маленькая из известных сейчас клеток (микроорганизм Micoplasma) имеет размер 0,2 мкм, самая большая - не-оплодотворенное яйцо (яйцеклетка) эпиорниса (вымершей нелетающей птицы, обитавшей на о. Мадагаскар) - весит около 3,5 кг.

Типичные размеры растительных и животных клеток составляют от 5 до 20 мкм. При этом между размерами организмов и размерами их клеток прямой зависимости нет.

Одноклеточные состоят из одной клетки, мелкие организмы могут состоять всего лишь из сотен клеток, организм человека включает в себя 1014 клеток.

  • 3. Все живые организмы развиваются из одной или группы клеток; каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки.
  • 4. В сложных многоклеточных организмах клетки дифференцируются, специализируясь по выполнению определенной функции; клетки объединены в ткани и органы, функционально связанные в системы, и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.

Исходя из этих положений, клетка - это элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению; это элементарная структурная, функциональная и генетическая единица, а также единица развития живого.

Клетка может быть самостоятельным организмом (представители одноклеточных или простейших) или структурно-функциональной единицей в многоклеточном организме (клетки эпителия, крови, нервной ткани и др.).

В организме кроме клеток есть многоядерные надклеточные структуры, характеризующиеся отсутствием клеточных границ и расположением ядер в сплошной массе цитоплазмы (синцитии, симпласты) и безъядерное межклеточное вещество, обладающее способностью к метаболизму и потому живое.

Например, слизевики (организмы, близкие к грибам) состоят из неразделённой перегородками клеточной массы со множеством ядер; сходным образом устроены и поперечно-полосатые мышцы животных, некоторые простейшие (ряд инфузорий).

Ряд структур организма (раковины, жемчужины, минеральная основа костей) образован не клетками, а продуктами их секреции. Тем не менее данные структуры обязаны своим происхождением клеткам: синцитии и симпласты многоклеточных это продукт слияния исходных клеток, а внеклеточное вещество - продукт их секреции, т.е. образуется оно в результате метаболизма клеток.

Для приведения клеточной теории в более полное соответствие с данными современной клеточной биологии список ее положений часто дополняют и расширяют. Во многих источниках эти дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

Дополнения к клеточной теории следующие:

  • 1. Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу.
  • 2. В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации -молекул нуклеиновых кислот (не «каждая клетка из клетки», а «каждая молекула из молекулы»).

Положение о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым ее более мелким компонентам - к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.

  • 3. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью гуморальных и нервных факторов.
  • 4. Клетки многоклеточных тотипотентны, т.е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию, т.е. к дифференцировке.

Клеткам присуща одна важная структурная особенность - относительно малые размеры. Клетки, которые были бы значительно меньше или больше известных, существовать не могут, так как это противоречит законам физики.

Самая маленькая жизнеспособная клетка - микроорганизм Micoplasma- не может быть намного меньше, чем есть, из-за того что молекулы, из которых она построена, имеют фиксированную величину, задаваемую размерами атомов углерода, водорода, кислорода и азота, а для обеспечения жизнедеятельности клетки необходимо, чтобы она содержала хотя бы минимальное число различных биомолекул.

С другой стороны, клетки не могут быть намного больше, чем они есть, потому что в этом случае скорости метаболических процессов могли бы лимитироваться скоростью диффузии молекул питательных веществ внутри клетки, что ограничило бы возможности регуляции метаболизма. Максимальные размеры клеток зависят, таким образом, от основных законов физики, определяющих скорость диффузии молекул, растворенных в водной среде.

Другая причина связана с существованием оптимального соотношения между поверхностью и объемом клеток. Благодаря тому что площадь поверхности клетки относительно велика по сравнению с ее объемом, в клетку проникает большее число молекул питательных веществ в единицу времени.

Методы изучения клетки. С введением в биологию современных биологических, физических и химических методов исследования стало возможным изучить структуру и функционирование различных компонентов клетки.

Один из методов изучения клетки - микроскопирование. Микроскоп - это оптический прибор, позволяющий получить обратное изображение изучаемого объекта и рассмотреть мелкие детали его строения, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.

Световая микроскопия является наиболее древним и основным методом исследования клеток. Современный световой микроскоп увеличивает объекты в 3000 раз (максимальная разрешающая способность составляет около 0,2 мкм, или 200 нм) и позволяет увидеть наиболее крупные органоиды клетки, наблюдать движение цитоплазмы, деление клетки. Однако его разрешающая способность ограничена размерами, сравнимыми с длиной световой волны (0,4-0,7 мкм для видимого света), а многие элементы клеточной структуры значительно меньше по размерам.

Изобретенный в 40-е гг. XX в. электронный микроскоп дает увеличение в десятки и сотни тысяч раз. В электронном микроскопе вместо света используется поток электронов, а вместо линз- электромагнитные поля. Поэтому электронный микроскоп дает четкое изображение при значительно больших увеличениях.

При помощи такого микроскопа удалось изучить строение органоидов клетки. Электронный микроскоп имеет разрешающую способность около 1-2 нм. Этого достаточно для изучения крупных белковых молекул.

В электронном микроскопе видны биологические мембраны (толщина 6-10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм), микротрубочки (толщина около 25 нм) и другие структуры.

Обычно необходимо окрашивание и контрастирование объекта солями металлов или металлами. По этой причине, а также потому, что объекты исследуются в вакууме, с помощью электронного микроскопа можно изучать только убитые клетки. В световом микроскопе можно наблюдать живые клетки и изучать протекание физиологических процессов.

Строение и состав отдельных органоидов клетки изучают с помощью метода центрифугирования. Измельченные ткани с разрушенными клеточными оболочками помещают в пробирки и вращают в центрифуге с большой скоростью. Метод основан на том, что различные клеточные органоиды имеют разную массу и плотность.

Более плотные органоиды осаждаются в пробирке при низких скоростях центрифугирования, менее плотные - при высоких; затем эти слои изучают отдельно. Например, таким образом из клеток выделяют митохондрии.

Для изучения химического состава, выяснения локализации отдельных химических веществ в клетке широко используются методы цито- и гистохимии, основанные на избирательном действии реактивов и красителей на определенные химические вещества цитоплазмы.

Метод рентгеноструктурного анализа дает возможность определять пространственное расположение и физические свойства молекул (например, ДНК, белков), входящих в состав клеточных структур.

Для выявления локализации мест синтеза биополимеров, определения путей переноса веществ в клетке, наблюдения за миграцией или свойствами отдельных клеток широко используется метод авторадиографии - регистрации веществ, меченных радиоактивными изотопами. Многие процессы жизнедеятельности клеток, в частности деление клетки, фиксируют с помощью кино- и фотосъемки.

При исследовании живых клеток, выяснении функций отдельных органелл используют метод микрохирургии -оперативного воздействия на клетку, связанного с удалением или имплантированием отдельных органелл, их пересаживанием из клетки в клетку, введением в клетку крупных макромолекул.

Широко используют метод культуры клеток и тканей, выращивание клеток (и целых организмов из отдельных клеток) на питательных средах в стерильных условиях. С помощью этого метода можно получить ответ на вопрос, как из одной клетки образуются разнообразные ткани и органы организма.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >