Методы цитологии. Клеточная теория

На сегодняшний день биологическая наука развивается невероятными темпами. Трудно выделить какую-либо другую науку, открытия в которой имеют настолько важное значение в жизни современного человеческого общества.

А ещё каких-то 350 лет назад не было известно даже того, что все живые организмы состоят из клеток. И немудрено, потому что большинство клеток, как вам хорошо известно, имеют очень маленькие размеры. Например, та же инфузория-туфелька в длину около 0,2 мм или целых 200000 нанометров. Именно столько и составляет разрешающая способность человеческого глаза. Считается, что при отсутствии зрительных патологий, хорошем освещении и с определённого расстояния мы с вами можем различить две точки, расположенные на удалении 0,2 мм друг от друга. Но никаких гарантий, что мы увидим ту же инфузорию, это не даёт. Можете поэкспериментировать в свободное время.

Так вот. Чтобы обнаружить клеточное строение живых организмов, глаз человека нужно было вооружить. И таким орудием стал световой микроскоп.

Изобретатель первого микроскопа с использованием системы линз точно неизвестен. Среди авторов называют и Захария Янсена, и Галилео Галилея. Бесспорным же является тот факт, что английский естествоиспытатель Роберт Гук, усовершенствовав микроскоп собственными силами, в 1665 году впервые обнаружил ячеистое строение образцов растений.

Рассматривая срез пробки дуба, он увидел структуры, напоминающие клетки. С тех пор все последующие поколения учёных и простых обывателей стали использовать слово «клетка» применительно к мельчайшей структурно-функциональной единице всех живых организмов. Даже несмотря на то, что живые клетки в большинстве случаев на эти самые клетки, с точки зрения геометрии, совсем не похожи.

Вскоре клеточное строение растений подтвердили итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги и английский ботаник Неемия Грю. Они обратили внимание на форму клеток и строение оболочек.

Следующее открытие было сделано человеком не только с биологией, но и с наукой вообще никак не связанным. Но приспособление, увеличивающее предметы, ему было необходимо в профессиональной деятельности. Так Антони ван Левенгук, а это был именно он, определял качество тканей, продажей которых занимался.

В 1665 году, вскоре после его публикации, Левенгук прочёл труд Роберта Гука «Микрография». Эта книга вызвала у него интерес к изучению окружающей природы с помощью линз. Попутно освоив ремесло шлифовальщика, Левенгук стал очень искусным и успешным изготовителем линз. Устанавливая свои линзы в металлические оправы, он собирал микроскопы и с их помощью проводил самые передовые по тем временам исследования. Линзы, которые он изготавливал, были неудобны и малы, для работы с ними нужен был определённый навык, однако с их помощью был сделан ряд важнейших открытий.

Наблюдаемые объекты Левенгук зарисовывал, а свои наблюдения описывал в письмах (общим количеством около 300), которые на протяжении более чем 50 лет отсылал в Лондонское королевское общество, а также некоторым учёным.
Однако в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение. Это произошло, когда голландец отослал копию своих наблюдений одноклеточных организмов. Можно понять удивление учёных мужей, ведь о существовании микроорганизмов в то время ничего не было известно. И только после перепроверки результатов именитыми англичанами (делегацию возглавлял упомянутый нами Неемия Грю) 8 февраля 1680 года Левенгук был избран действительным членом Лондонского королевского общества.
Таким образом, голландский исследователь только в XVII веке открыл параллельный мир, о котором люди даже не догадывались за предыдущие тысячи и тысячи лет своего существования. Кстати, посмотреть в его удивительный микроскоп приезжало много известных исторических деятелей. В том числе и Пётр Первый.

В 1696 году Антони ван Левенгук в книге «Тайны природы, открытые с помощью совершеннейших микроскопов» обобщил свои открытия. Он стал первым человеком, который описал эритроциты, бактерии, дрожжи, простейших, волокна хрусталика, зарисовал сперматозоиды и строение глаз насекомых, и многое другое.

Поэтому голландец по праву считается основоположником биологической микроскопии.

Так, исследования Гука и Левенгука (какое любопытное созвучие получилось) дали начало появлению целой биологической науки – науки о клетке цитологии (от греческого κύτος «клетка» и λόγος — «учение», «наука»), которая изучает строение и функции клеток и их органелл. То есть биологи во второй половине XVII века спустились с организменного уровня изучения живой материи на клеточный. Но до молекулярного ещё было далеко. Около 200 лет пройдёт до признания молекулы наименьшей частицей химического вещества, обладающей всеми его химическими свойствами.

Каждый из вас уже использовал световой микроскоп для изучения биологических и не только биологических объектов. Порой это просто захватывающе, согласитесь.
Да, на сегодняшний день эти оптические приборы достигли совершенства. Но область их применения оказалась ограниченной. С помощью светового микроскопа невозможно рассмотреть объекты, размер которых меньше длины световой волны. Помните из физики? Глаз человека и не только человека воспринимает отражённые волны. А от очень маленького предмета световые волны не отражаются, а огибают его. Поэтому в световой микроскоп нельзя различить объекты меньше 200-400 нанометров.  То есть примерно в 1000 раз меньше нашей инфузории. Но хитрые физики всё же нашли выход. В начале 30-х годов XX века был создан электронный микроскоп, в котором вместо света используется пучок электронов, которые, в свою очередь, способны отражаться от мельчайших объектов. Таким образом у биологов появилась возможность различать живое размером меньше 1 нанометра. Например, клеточную мембрану, толщина которой составляет 10 нанометров и в световой микроскоп наблюдать её невозможно. Кстати, советуем запомнить это число. В дальнейшем вам будет удобно сравнивать с размерами мембраны размеры других органоидов клетки.
За электронным был сконструирован сканирующий микроскоп, который давал уже объёмное изображение. Куда же в наше время без дополнительной и виртуальной реальности, правда?

Однако с применением электронного микроскопа возникла небольшая проблема. Для того, чтобы исследовать с его помощью клетку, её нужно подвергнуть специальной обработке. Если клетка живая, то это вызывает её гибель. Поэтому для изучения процессов жизнедеятельности клетки применяют замедленную кино- или видеосъёмку через мощные световые микроскопы.

Важной задачей в познании функционирования клетки является точное определение местоположения исследуемых химических веществ при их перемещении. Для этого удобно заменить один из атомов в молекуле вещества на радиоактивный изотоп. Оно начинает фонить и легко обнаруживается счётчиком радиоактивных частиц или по способности этого вещества засвечивать фотоплёнку. В качестве радиоактивной метки чаще всего используют так называемый тяжёлый водород с атомной массой 3, углерод – 14, фосфор – 32. Такой метод получил название авторадиографии.

Для изучения отдельных органоидов клетки их сначала оттуда нужно выделить. Вы можете предложить варианты того, как это сделать?

Самым оптимальным способом является такой же, который применяют при сушке белья. Загружаем в стиральную машину и раскручиваем на большой скорости в центрифуге. Вода под действием центробежной силы перемещается к стенкам и сливается.
Составные части клетки имеют различные размеры, массу и плотность, поэтому в центрифуге оседают на дно пробирки с разными скоростями и остаются на определённом уровне. Что даёт возможность отделить одни частицы от других. При помощи этого метода, а называется он ультрацентрифугирование (от латинского ultra – «больше», «сверх», «за пределами», centrum – «средоточие», «центр» и fuga – «бегство», «бег») выделяют митохондрии, рибосомы и другие органоиды клетки.

Пространственное расположение атомов и их группировок в молекулах изучают при помощи рентгеноструктурного метода. Именно во многом благодаря ему и было открыто строение самой главной молекулы жизни – ДНК. А незнание вредного влияния рентгеновского излучения на первых порах, к сожалению, приводило к смертельным исходам среди исследователей.

Актуальным, особенно в наше время, является метод клеточных культур – выращивание клеток многоклеточных организмов на питательных средах в контролируемых условиях.

Для выяснения функций отдельных органоидов клеток применяют методы микрохирургии: удаление, пересадка отдельных клеточных органелл, инъекции различных веществ и т.д. – всё как в обычной хирургии, только с применением специальных микрохирургических инструментов и оптических средств.

Но вернёмся в XVII век – к открытию и началу изучения клетки. Уникальные в то время микроскопы Левенгука имели только одну линзу и давали очень небольшое увеличение. Но уже к середине XVIII столетия учёные начали использовать микроскопы с системой увеличительных линз, что позволило проникнуть внутрь клетки и рассмотреть её содержимое. Конечно же, вначале в клетке увидели самую главную её часть – ядро.

Одному из первых это удалось сделать в 1781 году чешскому физиологу Яну Пуркинье. Который обнаружил и описал ядро в яйцеклетке птиц. «Это сжатый сферический пузырёк, одетый тончайшей оболочкой. Он содержит свою собственную лимфу, включён в белый сосковидный бугорок и преисполнен производящей силой, отчего я и назвал его “зародышевый пузырёк”».

А в 1831 году ядро растительной клетки описал шотландский ботаник Роберт Броун. В его исследованиях впервые упоминается ядро не как случайное образование в клетке, а фигурирует как какая-то существенная часть, имеющая значение для жизни клетки. Но каково его значение в то время даже не предполагали.

Работа над изучением клетки набирала ход. В 1838 году выходит книга немецкого ботаника Маттиаса Шлейдена «Материалы к фитогенезу», где он (впервые после открытия клетки, а это почти 200 лет назад) высказывает идею о том, что клетка является основной структурной единицей растительного организма, и ставит вопрос о возникновении новых клеток в растениях.
Через год, основываясь на работах Шлейдена, опять же немецкий физиолог Теодор Шванн опубликовал свой труд «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В этой работе были обобщены все имеющиеся на то время исследования клетки и сделан наиважнейший вывод о единстве строения растений и животных – первая версия клеточной теории.

Звучала она так:

·    все живые существа состоят из клеток;

·    все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности;

·     каждая клетка самостоятельна; деятельность организма является суммой процессов жизнедеятельности составляющих его клеток.

Но это было не всё. Оставалась одна загадка.

И Шлейден, и Шванн ошибочно полагали, что новые клетки в организме возникают из неклеточного вещества. Первым в этом усомнился их соотечественник Рудольф Вирхов. Ещё до открытия деления клетки высказавший утверждение, что каждая клетка происходит от клетки (1859 год).
Дальнейшие исследования немецких учёных подтвердили принцип «клетка из клетки». В 1878 году биолог Вальтер Флемминг описал митоз, а позднее зоолог Оскар Гертвиг и ботаник польского происхождения Эдуард Страсбургер независимо друг от друга пришли к выводу, что информация о наследственных признаках клетки заключена в ядре.

Так, работами многих исследователей была создана современная клеточная теория, в основу которой легла клеточная теория Теодора Шванна.

Вот четыре положения современной клеточной теории, обязательные для запоминания:

1. Клетка – элементарная структурная и функциональная единица живых организмов, обладающая всеми признаками и свойствами живого.

2. Клетки всех организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.

3. Клетки образуются только путём деления исходной материнской клетки.

4. В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям, их работа скоординирована, и организм представляет собой целостную систему.