В современной науке важную роль занимают новые, молодые дисциплины, сформировавшиеся в самостоятельные разделы в последнее столетие и даже позже. То, что не было доступно для исследований раньше, теперь становится доступным благодаря техническим новшествам и современным научным методам, что позволяет регулярно получать новые результаты. Постоянно в средствах массовой информации мы слышим сообщения о новых открытиях в области биологии, а конкретно генетики и цитологии, эти смежные дисциплины переживают сейчас настоящий расцвет, а множество амбициозных научных проектов постоянно дают новые данные для анализа.

Одной из новых дисциплин чрезвычайно перспективных, является цитология, наука о клетках. Современная цитология – наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология – одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет, хотя само понятие клетки было введено в обиход учёными гораздо раньше.

Мощным стимулом к развитию цитологии послужили разработка и совершенствование установок, приборов и инструментов для исследований. Электронная микроскопия и возможности современных компьютеров наряду с химическими методами дают все последние годы новые материалы для исследований.

Цитология как наука, её становление и задачи

Цитология (от греч. κύτος – пузырьковидное образование и λόγος – слово, наука) – раздел биологии, наука о клетках, структурных единицах всех живых организмов, ставит перед собой задачи изучения строения, свойств, и функционирования живой клетки.

Изучение мельчайших структур живых организмов стало возможным лишь после изобретения микроскопа – в 17 веке. Термин «клетка» впервые предложил 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703) для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Рассматривая тонкие срезы высушенной пробки, он обнаружил, что они «состоят из множества коробочек». Каждую из этих коробочек Гук назвал клеткой («камерой»)». В 1674 году голландский учёный Антони ван Левенгук установил, что вещество, находящееся внутри клетки, определенным образом организовано.

Однако бурное развитие цитологии началось только во второй половине 19 в. по мере развития и усовершенствования микроскопов. В 1831 Р. Броун установил существование в клетке ядра, но не сумел оценить всю важность своего открытия. Вскоре после открытия Броуна несколько ученых убедились в том, что ядро погружено в полужидкую протоплазму, заполняющую клетку. Первоначально основной единицей биологической структуры считали волокно. Однако уже в начале 19 в. почти все стали признавать непременным элементом растительных и животных тканей структуру, которую называли пузырьком, глобулой или клеткой. В 1838–1839 гг. немецкие учёные М. Шлейден (1804–1881) и Т. Шванн (1810–1882) практически одновременно выдвинули идею клеточного строения. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. Шванн предложил термин «клеточная теория» и представил эту теорию научному сообществу.

Согласно клеточной теории, все растения и животные состоят из сходных единиц – клеток, каждая из которых обладает всеми свойствами живого. Эта теория стала краеугольным камнем всего современного биологического мышления. В конце 19 в. главное внимание цитологов было направлено на подробное изучение строения клеток, процесса их деления и выяснение их роли. Вначале при изучении деталей строения клеток приходилось полагаться главным образом на визуальное исследование мертвого, а не живого материала. Необходимы были методы, которые позволяли бы сохранять протоплазму, не повреждая ее, изготавливать достаточно тонкие срезы ткани, проходящие и через клеточные компоненты, а также окрашивать срезы, чтобы выявлять детали клеточного строения. Такие методы создавались и совершенствовались в течение всей второй половины 19 в.

Фундаментальное значение для дальнейшего развития клеточной теории имела концепция генетической непрерывности клеток. Сначала ботаники, а затем и зоологи (после того как разъяснились противоречия в данных, полученных при изучении некоторых патологических процессов) признали, что клетки возникают только в результате деления уже существующих клеток. В 1858 Р. Вирхов сформулировал закон генетической непрерывности в афоризме «Omnis cellula e cellula» («Каждая клетка из клетки»). Когда была установлена роль ядра в клеточном делении, В. Флемминг (1882) перефразировал этот афоризм, провозгласив: «Omnis nucleus e nucleo» («Каждое ядро из ядра»). Одним из первых важных открытий в изучении ядра было обнаружение в нем интенсивно окрашивающихся нитей, названных хроматином . Последующие исследования показали, что при делении клетки эти нити собираются в дискретные тельца – хромосомы, что число хромосом постоянно для каждого вида, а в процессе клеточного деления, или митоза, каждая хромосома расщепляется на две, так что каждая клетка получает типичное для данного вида число хромосом.

Таким образом, еще до конца 19 в. было сделано два важных заключения. Одно состояло в том, что наследственность есть результат генетической непрерывности клеток, обеспечиваемой клеточным делением. Другое – что существует механизм передачи наследственных признаков, который находится в ядре, а точнее – в хромосомах. Было установлено, что благодаря строгому продольному расщеплению хромосом дочерние клетки получают совершенно такую же (как качественно, так и количественно) генетическую конституцию, как исходная клетка, от которой они произошли.

Второй этап в развитии цитологии начинается с 1900 гг., когда были ясно сформулированы законы наследственности , открытые австрийским учёным Г.И. Менделем еще в 19 в. В это время из цитологии выделяется отдельная дисциплина – генетика , наука о наследственности и изменчивости, изучающая механизмы наследования и гены, как носители наследственной информации, заключённые в клетках. Основой генетики явилась хромосомная теория наследственности – теория, согласно которой хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, т.е. преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом.

Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь еще больших успехов в изучении строения клетки. На данный момент цитологические методы активно используются в селекции растений, в медицине – например, в изучении злокачественных образований и наследственных заболеваний.

Основные положения клеточной теории

В 1838-1839 гг. Теодор Шванн и немецкий ботаник Маттиас Шлейден сформулировали основные положения клеточной теории:

1. Клетка есть единица структуры. Все живое состоит из клеток и их производных. Клетки всех организмов гомологичны.

2. Клетка есть единица функции. Функции целостного организма распределены по его клеткам. Совокупная деятельность организма есть сумма жизнедеятельности отдельных клеток.

3. Клетка есть единица роста и развития. В основе роста и развития всех организмов лежит образование клеток.

Клеточная теория Шванна–Шлейдена принадлежит к величайшим научным открытиям XIX в. В то же время, Шванн и Шлейден рассматривали клетку лишь как необходимый элемент тканей многоклеточных организмов. Вопрос о происхождении клеток остался нерешенным (Шванн и Шлейден считали, что новые клетки образуются путем самозарождения из живого вещества). Только немецкий врач Рудольф Вирхов (1858-1859 гг.) доказал, что каждая клетка происходит от клетки. В конце XIX в. окончательно формируются представления о клеточном уровне организации жизни. Немецкий биолог Ганс Дриш (1891) доказал, что клетка – это не элементарный организм, а элементарная биологическая система. Постепенно формируется особая наука о клетке – цитология.

Дальнейшее развитие цитологии в XX в. тесно связано с разработкой современных методов изучения клетки: электронной микроскопии, биохимических и биофизических методов, биотехнологических методов, компьютерных технологий и других областей естествознания. Современная цитология изучает строение и функционирование клеток, обмен веществ в клетках, взаимоотношения клеток с внешней средой, происхождение клеток в филогенезе и онтогенезе, закономерности дифференцировки клеток.
В настоящее время принято следующее определение клетки. Клетка – это элементарная биологическая система, обладающая всеми свойствами и признаками жизни. Клетка есть единица структуры, функции и развития организмов.

Единство и разнообразие клеточных типов

Существует два основных морфологических типа клеток, различающиеся по организации генетического аппарата: эукариотический и прокариотический. В свою очередь, по способу питания различают два основных подтипа эукариотических клеток: животную (гетеротрофную) и растительную (автотрофную). Эукариотическая клетка состоит из трех основных структурных компонентов: ядра, плазмалеммы и цитоплазмы. Эукариотическая клетка отличается от остальных типов клеток, в первую очередь, наличием ядра. Ядро – это место хранения, воспроизведения и начальной реализации наследственной информации. Ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышка и ядерного матрикса.

Плазмалемма (плазматическая мембрана) – это биологическая мембрана, покрывающая всю клетку и отграничивающая её живое содержимое от внешней среды. Поверх плазмалеммы часто располагаются разнообразные клеточные оболочки (клеточные стенки). В животных клетках клеточные оболочки, как правило, отсутствуют. Цитоплазма – это часть живой клетки (протопласта) без плазматической мембраны и ядра. Цитоплазма пространственно разделена на функциональные зоны (компартменты), в которых протекают различные процессы. В состав цитоплазмы входят: цитоплазматический матрикс, цитоскелет, органоиды и включения (иногда включения и содержимое вакуолей к живому веществу цитоплазмы не относят). Все органоиды клетки делятся на немембранные, одномембранные и двумембранные. Вместо термина «органоиды» часто употребляют устаревший термин «органеллы».

К немембранным органоидам эукариотической клетки относятся органоиды, не имеющие собственной замкнутой мембраны, а именно: рибосомы и органоиды, построенные на основе тубулиновых микротрубочек – клеточный центр (центриоли) и органоиды движения (жгутики и реснички). В клетках большинства одноклеточных организмов и подавляющего большинства высших (наземных) растений центриоли отсутствуют.

К одномембранным органоидам относятся: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, сферосомы, вакуоли и некоторые другие. Все одномембранные органоиды связаны между собой в единую вакуолярную систему клетки. В растительных клетках настоящие лизосомы не обнаружены. В то же время в животных клетках отсутствуют настоящие вакуоли.

К двумембранным органоидам относятся митохондрии и пластиды. Эти органоиды являются полуавтономными, поскольку обладают собственной ДНК и собственным белоксинтезирующим аппаратом. Митохондрии имеются практически во всех эукариотических клетках. Пластиды имеются только в растительных клетках.
Прокариотическая клетка не имеет оформленного ядра – его функции выполняет нуклеоид, в состав которого входит кольцевая хромосома. В прокариотической клетке отсутствуют центриоли, а также одномембранные и двумембранные органоиды – их функции выполняют мезосомы (впячивания плазмалеммы). Рибосомы, органоиды движения и оболочки прокариотических клеток имеют специфическое строение.



Что изучает цитология.

Цитология – наука о клетке. Из среды других биологических наук она выделилась почти 100 лет назад. Впервые обобщенные сведения о строении клеток были собраны в книгу Ж.-Б. Карнуа «Биология клетки», вышедшей в 1884 году. Современная цитология изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем: исследуются функции отдельных клеточных компонентов, процессы воспроизведения клеток, их репарации, приспособление к условиям среды и многие другие процессы, позволяющие судить об общих для всех клеток свойствах и функциях. Цитология рассматривает также особенности строения специализированных клеток. Другими словами, современная цитология – это физиология клетки. Цитология тесно сопряжена с научными и методическими достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики. Это послужило основанием для углубленного изучения клетки уже с позиций этих наук и появления некой синтетической науки о клетке – биологии клетки, или клеточной биологии. В настоящее время термины цитология и биология клетки совпадают, так как их предметом изучения является клетка с ее собственными закономерностями организации и функционирования. Дисциплина «Биология клетки» относится к фундаментальным разделам биологии, потому что она исследует и описывает единственную единицу всего живого на Земле – клетку.

Представление о том, что организмы состоят из клеток.

Длительное и пристальное изучение клетки как таковой привело к формулированию важного теоретического обобщения, имеющего общебиологическое значение, а именно к появлению клеточной теории. В XVII в. Роберт Гук, физик и биолог, отличавшийся большой изобретательностью, создал микроскоп. Рассматривая под своим микроскопом тонкий срез пробки, Гук обнаружил, что она построена из малюсеньких ничем не заполненных ячеек, разделенных тонкими стенками, которые, как это нам теперь известно, состоят из целлюлозы. Он назвал эти маленькие ячейки клетками. В дальнейшем, когда другие биологи начали исследовать под микроскопом растительные ткани, оказалось, что маленькие ячейки, обнаруженные Гуком в мертвой иссохшей пробке, имеются и в живых растительных тканях, но у них они не пустые, а содержат каждая по маленькому студенистому тельцу. После того, как микроскопическому исследованию подвергли животные ткани, было установлено, что они также состоят из мелких студенистых телец, но что эти тельца лишь в редких случаях отделены друг от друга стенками. В результате всех этих исследований в 1939 г. Шлейден и Шванн независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию, гласящую, что клетки представляют собой элементарные единицы, из которых в конечном счете построены все растения и все животные. В течение какого-то времени двоякий смысл слова клетка еще вызывал некоторые недоразумения, но затем он прочно закрепился за этими маленькими желеобразными тельцами.

Цитология — это наука о клетке, наука о клеточном уровне организации живой материи.

Клеточная теория

Возникновение цитологии как науки относится к моменту формирования одного из крупнейших обобщений биологии — клеточной теории. Центральная идея последней о единстве строения и развития живой материи на основе ее клеточной организации полностью сохранила свое значение и до сих пор. Однако в связи с внедрением в биологию в середине XX в. прин-ципиально новых методов исследований, приведших к существен-ной детализации наших знаний о закономерностях организации живого, к настоящему времени оформились и вошли в науку представления о различных уровнях организации живой мате-рии, обладающих своей спецификой и своими закономерностями.

Уровни организации клетки

В организации любой клетки можно выделить следующие уров-ни: молекулярный, надмолекулярный, органоидный, субсистем-ный и системный. При этом низшие уровни клеточной организа-ции, так же как и неклеточные формы жизни, находятся в центре внимания таких наук, как органическая химия, биохи-мия, молекулярная биология. На органоидном, системном и субсистемном уровнях доминирующее значение имеют уже цитологические исследования.

см. Клетка

Объектом общецитологи-ческих исследований являются конкретные разновидности кле-ток (клетки про- и эукариот, клетки животных и растительных одноклеточных и многоклеточных организмов , а в пределах по-следних— клетки различных направлений специализации).

Те же объекты находятся и в центре внимания других биологических наук — гистологии, эмбрио-логии, микробиологии, протозоологии и т. д. Однако в этих науках основное внимание уделяется специфическим особенно-стям данного типа клеток.

В цитологии при исследо-вании конкретных разновидностей клеток ставится цель выяс-нить общие закономерности организации клеточных структур и внутриклеточных процессов, универсальных для всех клеток, а также общие закономерности организации регуляторных ин-тегративных механизмов целостной клетки.

Таким образом, в цитологии органически сочетаются два основных направления исследований: дискретный анализ отдельных клеточных компонентов и анализ клетки как целостной элементарной системы живой материи.

В настоящее время в общей цитологии можно выделить два главных направления исследований, два различных аспекта изучения закономерностей организации клет-ки, каждый из которых имеет свою специфику (и методическую, и качественную, определяемую логикой исследования). Это:

• изучение функционального значения морфологических струк-тур
• сравнительно-цитологическое исследование общих за-кономерностей клеточной организации.

В изучении функциональ-ного значения клеточных структур и клетки как интегрирован-ной целостной системы, в свою очередь, можно выделить два подхода к проблеме, два способа ее анализа, условно назван-ные нами морфофункциональным и экспериментальным.

Несмотря на различные конечные задачи указанных выше биологических наук и цитологии, они тесно связаны между собой. С одной стороны, глубокое понимание общих закономер-ностей организации клеток невозможно без выяснения конкрет-ных проявлений этих закономерностей, т. е. всего спектра моди-фикаций общих признаков, свойственных конкретным разновид-ностям клеток. С другой стороны, достаточно полное выяснение специфических особенностей конкретного типа клеток требует знания тех общих механизмов, на основе которых и появляется та или иная специфическая особенность. Материал с сайта

В цитологических исследованиях при дис-кретном анализе клеточных структур и процессов широко используются биохимические и молекулярно-биологические ме-тоды, благодаря чему интересы цитологов, биохимиков, биофи-зиков и молекулярных биологов во многих случаях совпадают. Глубокое знание закономерностей молекулярного и надмолеку-лярного уровней организации необходимо цитологам для успеш-ного анализа более высоких уровней организации клетки.

Цитология - наука о клетке. Наука о клетке называется цитологией (греч. "цитос"-клетка, "логос"-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название "клетка" в середине XVII в. применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.

В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ И КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ

ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ КАК ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА

ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

Цитология – раздел биологии, в настоящее время выступающий как самостоятельная наука, изучающая структурные, функциональные и генетические особенности клеток всех организмов.

В настоящее время цитологические исследования имеют существенное значение для диагностики заболеваний, так как позволяют изучать патологию на основе элементарной единицы строения, функционирования и воспроизведения живой материи – клетки . На уровне клетки проявляются все основные свойства живого: обмен веществ, использование биологической информации, размножение, рост, раздражимость, наследственность, способность приспосабливаться. Клетки живых организмов отличаются разнообразием морфологии и сложностью строения (даже в пределах одного организма), однако определённые черты обнаруживаются во всех без исключения клетках.

Открытию клеточной организации живых существ предшествовало изобретение увеличительных приборов. Так первый микроскоп бы сконструирован голландскими оптиками Гансом и Захарием Янсенами (1590). Великий Галилео Галилей изготовил микроскоп в 1612 году. Однако началом изучения клетки считается 1665 год, когда английский физик Роберт Гук использовал изобретение своего соотечественника Христиана Гюйгенса (в 1659 г. он сконструировал окуляр), применив его к микроскопу для исследования тонкого строения пробки. Он заметил, что вещество пробки состоит из большого количества мелких полостей, отделённых друг от друга стенками, которые он и назвал клетками. Так было положено начало микроскопическим исследованиям.

Особо следует выделить исследования А. Левенгука, который в 1696 г. открыл мир одноклеточных организмов (бактерии и инфузории) и впервые увидел клетки животных (эритроциты и сперматозоиды).

В 1825 году Я. Пуркинье впервые наблюдал ядро в яйцеклетке курицы, а Т. Шванн первым описал ядро в клетках животных.

К 30-м годам XIXвека был накоплен значительный фактический материал по микроскопическому строению клеток и в 1838 году М. Шлейден выдвинул идею об идентичности растительных клеток с точки зрения их развития. Т. Шванн сделал окончательное обобщение, поняв значение клетки и клеточного строения как основной структуры жизнедеятельности и развития живых организмов.

Клеточная теория, созданная М. Шлейденом и Т. Шванном, говорит о том, что клетки являются структурной и функциональной основой живых существ. Р. Вирхов применил клеточную теорию Шлейдена-Шванна в медицинской патологии, дополнив её такими важными положениями, как «всякая клетка из клетки» и «всякое болезненное изменение связано с каким-то патологическим процессом в клетках, составляющих организм».

Основные положения современной клеточной теории :

1. Клетка - элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов, вне клетки нет жизни.

2. Клетка - целостная система, содержащая большое количество связанных друг с другом элементов - органелл.

3. Клетки различных организмов похожи (гомологичны) по строению и основным свойствам и имеют общее происхождение.

4. Увеличение количества клеток происходит путем их деления, после репликации их ДНК: клетка - от клетки.

5. Многоклеточный организм – это новая система, сложный ансамбль из большого количества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных между собой с помощью химических факторов: гуморальных и нервных.

6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны - любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала этого организма, всеми возможными потенциями для проявления этого материала, - но отличаются по уровню экспрессии (работы) отдельных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - дифференцировке.

Таким образом, благодаря клеточной теории, обосновывается представление о единстве органической природы.

Современная цитология изучает:

Строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем;

Функции отдельных клеточных компонентов;

Процессы воспроизводства клеток, их репарацию;

Приспособление к условиям внешней среды;

Особенности специализированных клеток.

Цитологические исследования имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека.

Ключевые слова и понятия: цитология, клетка, клеточная теория

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КЛЕТКАХ

Все известные на Земле формы жизни могут быть классифицированы следующим образом:

НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ

ВИРУСЫ

Вирус (лат. virus – яд) – неклеточный организм, размеры которого варьируют в пределах 20 – 300 нм.

Вирионы (вирусные частицы) состоят из двух или трёх компонентов: сердцевину вируса составляет генетический материал в виде ДНК или РНК (некоторые имеют оба типа молекул), вокруг него находится белковая оболочка (капсид), образованная субъединицами (капсомерами). В некоторых случаях имеется дополнительная липопротеиновая оболочка, возникающая из плазматической мембраны хозяина. У каждого вируса капсомеры капсида располагаются в строго определённом порядке, благодаря чему возникает особый тип симметрии, например спиральная (трубчатая форма – вирус табачной мозаики или сферическая у РНК-содержащих вирусов животных) и кубическая (изометрические вирусы) или смешанная (рис. 1).