Цитология

Цитология (от греч. «цитос» - клетка и «логос» - наука) - наука о клетках. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособление 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 и математикой.

Цитология - одна из молодых  биологических наук, ёё возраст около 100 лет. Возраст же термина «клетка» насчитывает около 300 лет.

Исследуя клетку как важнейшую  единицу живого, цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин. Изучение клеточного строения организмов было начато микроскопами XVII века, в XIX веке была создана единая для всего органического мира клеточная теория ( Т.Шванн, 1839г.). В XX веке быстрому прогрессу цитологии способствовали новые методы: электронная микроскопия, изотопные индикаторы, культивирование клеток и др. Коренное улучшение всей техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток. В 1876г. был открыт клеточный центр, в 1894г. - митохондрии, в 1898г. - аппарат Гольджи.

Название «клетка» предложил  англичанин Р.Гук ещё в 1665г., но только в XIX веке началось её систематическое изучение. Несмотря на то, что клетки могут входить в состав различных организмов и органов (бактерий, икринок, эритроцитов, нервов и т.д.) и даже существовать как самостоятельные (простейшие) организмы, в их строении и функциях обнаружено много общего. Хотя отдельная клетка представляет собой наиболее простую форму жизни, строение её достаточно сложно.

Крупный вклад в развитие учения о клетке второй половины XIX - начала XX века внесли отечественные  цитологи - И.Д.Чистяков (описание фаз  методического деления), И.Н.Горожанкин ( изучение цитологических основ оплодотворения у растений) и особенно С.Т.Навашин, открывший в 1898г. явление двойного оплодотворения у растений.

Успехи в изучении клетки приводили к тому, что внимание биологов всё больше концентрировалось на клетке как основной структурной единице живых организмов. Всё более очевидным становилось то, что в особенностях строения и функций клетки лежит ключ к решению многих фундаментальных проблем биологии. Вместе с тем изучение клетки породило собственные проблемы, как методические, так и теоретические. Всё это и привело в конце XIX века к выделению цитологии в отдельный и самостоятельный раздел биологии.

Широкое использование новейших методов физики и химии обусловило прогресс, достигнутый в последнее десятилетие в развитии основных направлений цитологических исследований - в изучении строения, функционирования и воспроизведения клетки. Например, изучение морфологии клетки в настоящее время почти целиком базируется на использовании электронной микроскопии, при помощи которой были открыты такие важнейшие клеточные органоиды, как эндоплазматическая сеть, рибосомы, лизосомы.

Применение методов молекулярной биологии привело к открытию доли ДНК как носителя наследственной информации в клетке и к расшифровке генетического кода. Благодаря молекулярно-генетическим и биохимическим методам анализа выяснены основные этапы синтеза белка в клетке

Значение клетки как элементарной структуры и функции живого, как  центра основных биохимических реакций, протекающих в организме, как носителе материальных основ наследственности делает цитологию важнейшей общебиологической дисциплиной.

Открытие клетки. Клеточная теория

Великий русский физиолог И.П.Павлов писал: «Науку принято сравнивать с постройкой. Как здесь так  и там трудится много народа, и здесь, и там происходит разделение труда. Кто составляет план, один кладут фундамент, другие возводят стены и так далее….». «Постройка» клеточной теории началась почти 350 лет назад.

Итак, 1665год, Лондон, кабинет  физика Роберта Гука. Хозяин настраивает микроскоп собственной конструкции. Профессору Гуку тридцать лет, он окончил Оксфордский университет, работал ассистентом у знаменитого Роберта Бойля. Очень жаль, что до нас не дошел ни один портрет Гука. Впрочем, их вообще не было. Гук считал себя некрасивым и отказывался позировать.

Гук был неординарным исследователем. Свои попытки заглянуть за горизонт человеческих познаний он не ограничивал  какой-либо одной областью. Проектировал здания, установил на термометре «точки отсчета» - кипения и замерзания воды, изобрёл воздушный насос и прибор для определения силы ветра Потом увлёкся возможностями микроскопа. Он рассматривал под стократным увеличением всё, что попадало под руку, - муравья и блоху, песчинку и водоросли. Однажды под объективом оказался кусочек пробки. Что же увидел молодой учёный? Удивительную картину - правильно расположенные пустоты, похожие на пчелиные соты. Позднее такие же ячейки он нашел не только в отмершей растительной ткани, но и в живой. Гук назвал их клетками и вместе с полусотней других наблюдений описал в книге Микрография». Однако именно это наблюдение под номером 18 принесло ему славу первооткрывателя клеточного строения живых организмов. Славу, которая самому Гуку была не нужна. Вскоре его захватили другие идеи, и он больше никогда не возвращался к микроскопу, а о клетках и думать забыл.

Зато у других учёных открытие Гука пробудило крайнее любопытство. Итальянец Марчелло Мальпиги называл  это чувство «человеческим зудом  познания». Он также стал рассматривать  в микроскоп разные части растений. И обнаружил, что те состоят из мельчайших трубочек, мешочков, пузырьков. Разглядывал Мальпиги под микроскопом и кусочки тканей человека и животных. Увы, техника того времени была слишком слаба. Поэтому клеточное строение животного организма ученый так и не распознал.

Дальнейшая история открытия продолжилась в Голландии. Антони ван  Левенгук (1632-1723 г.г.) никогда не думал, что его имя будет стоять в  ряду великих ученых. Сын промышленника  и торговца из Делфта, он тоже торговал сукном. Так и прожил бы Левенгук незаметным коммерсантом, если бы не его страстное увлечение да любопытство. На досуге он любил шлифовать стёкла, изготовляя линзы. Голландия славилась своими оптиками, но Левенгук достиг небывалого мастерства. Его микроскопы, состоявшие лишь из одной линзы, были гораздо лучше тех, которые имели несколько увеличительных стёкол. Сам он утверждал, что сконструировал 200 таких приборов, давших увеличение до 270раз. А ведь ими было очень трудно пользоваться. Вот что писал об этом физик Д.С.Рождественский: «Вы можете себе представить ужасное неудобство этих мельчайших линзочек. Объект вплотную к линзе, линза вплотную к глазу, носа девать некуда.». Кстати, Левенгук до последних дней, а дожил он до 90 лет, сумел сохранить остроту зрения.

Через свои линзы естествоиспытатель увидел новый мир, о существовании  которого не догадывались даже отчаянные  фантазёры. Больше всего поразили Левенгука  его обитатели - микроорганизмы. Эти  мельчайшие существа обнаруживались везде: в капле воды и комке земли, в слюне и даже на самом Ливенгуке. С 1673г. подробные описания и зарисовки своих удивительных наблюдений исследователь отправил в Лондонское королевское общество. Но учёные мужи не спешили ему верить. Ведь было задето их самолюбие: «неуч», «профан», «мануфактурщик», а туда же, в науку. Левенгук тем временем неустанно посылал новые письма о своих замечательных открытиях. В итоге академикам пришлось признать заслуги голландца. В 1680г. Королевское общество избрало его полноправным членом. Левенгук стал мировой знаменитостью. Отовсюду в Делфт ехали смотреть на диковины, открываемые его микроскопами. Одним из самых знатных гостей был русский царь ПётрI - большой охотник жо всего нового… Левенгуку, не прекращавшему исследований, многочисленные гости только мешали. Любопытство и азарт подгоняли первооткрывателя. За 50 лет наблюдений Левенгук открыл более 200 видов микроорганизмов и первым сумел описать структуры, которые, как мы теперь знаем, являются клетками человека. В частности, он увидел эритроциты и сперматозоиды (по его тогдашней терминологии, «шарики» и «зверьки»). Конечно, Левенгук и не предполагал, что это были клетки. Зато он рассмотрел и очень подробно зарисовал строение волокна сердечной мышцы. Поразительная наблюдательность для человека с такой примитивной техникой.

Антони ван Левенгук был, пожалуй, единственным за всю историю  построения клеточной теории учёным без специального образования. Зато все остальные, не менее знаменитые исследователи клеток учились в  университетах и были людьми высокообразованными. Немецкий ученый Каспар Фридрих Вольф, например, изучал медицину в Берлине, а затее в Галле. Уже в 26лет он написал труд «Теория зарождения», за который был подвергнут на родине резкой критике коллег. Что же нового для развития клеточной теории дали исследования Вольфа? Описывая «пузырьки», «зёрнышки», «клетки», он увидел их общие черты у животных и растений. Кроме того, Вольф впервые предположил, что клетки могут иметь определенное значение в развитии организма. Его труды помогли другим учёным правильно понять роль клеток.

Теперь хорошо известно, что  главная часть клетки - ядро. Впервые. Кстати, описал ядро(в эритроцитах  рыб) Левенгук ещё в 1700г.. Но ни он, ни многие другие видевшие ядро учёные не придавали ему особого значения. Лишь в 1825г. чешский биолог Ян Эвангелиста Пуркинье исследуя яйцеклетку птиц, обратил внимание на ядро. «Сжатый сферический пузырёк, одетый тончайшей оболочкой. Он…преисполнен производящей силой, отчего я и назвал его «зародышевый пузырёк»», - писал учёный.

В 1837г. Пуркинье сообщил научному миру результаты многолетней работы: в в каждой клетке организма животного и человека есть ядро. Это была очень важная новость. В то время было известно лишь о наличии ядра в растительных клетках. К такому выводу пришёл английский ботаник Роберт Броун за несколько лет до открытия Пуркинье. Броун, кстати, и ввёл в употребление сам термин «ядро». А Пуркинье, к сожалению, не сумел обобщить накопленные знания о клетках. Прекрасный экспериментатор, он оказался слишком осторожен в выводах.

К середине XIX века наука наконец вплотную подошла  к тому, чтобы достроить здание под названием «клеточная теория». Немецкие биологи Матиас Якоб Шлейден  и Теодор Шванн были друзьями. В  их судьбах немало общего, но главное, что их объединяло, - «человеческий зуд познания» и страсть к науке. Сын врача, юрист по образованию, Матиас Шлейден в 26лет решил круто изменить свою судьбу. Он вновь поступил в университет - на медицинский факультет и по окончании его занялся физиологией растений. Целью его работы было понять, как происходит образование клеток. Шлейден совершенно справедливо полагал, что ведущая роль в этом процессе принадлежит ядру. Но, описывая возникновение клеток, учёный, увы, ошибался. Он считал, сто каждая новая клетка развивается внутри старой. А это, конечно же, не так. Кроме того, Шлейден думал, что клетки животных и растений не имеют ничего общего. Вот почему не он сформулировал основные постулаты клеточной теории. Это сделал Теодор Шванн.

Воспитываясь  в очень религиозной семье, Шванн  мечтал стать священнослужителем. Для того чтобы лучше подготовиться к духовной карьере, он поступил на философский факультет Боннского университета. Но вскоре любовь к естественным наукам пересилила, и Шванн перешел на медицинский факультет. После его окончания он работал в Берлинском университете, где изучал строение спинной струны - основного органа нервной системы животных из отряда круглоротых. Учёный открыл оболочку нервных волокон у человека. Серьёзной научной работой Шванн занимался всего пять лет. В расцвете сил и славы он неожиданно бросил исследования, уехал в маленький тихий Льеж и стал преподавать. Религия и наука так и не сумели ужиться в этом замечательном человеке.

В октябре !837г. в  Берлине произошло важнейшее  для науки событие. Случилось  всё в небольшом ресторанчике, куда зашли перекусить два молодых человека. Годы спустя один из них - Теодор Шванн вспоминал: «Однажды, когда я обедал с господином Шлейденом, этот знаменитый ботаник указал мне на важную роль, которую ядро играет в растительных клеток. Я тотчас же припомнил, что видел подобный же орган в клетках спинной струны, и в тот же момент понял крайнюю важность, которую будет иметь моё открытие, если я сумею показать, что в клетках спинной струны это ядро играет ту же роль, что и ядро растений в развитии их клеток… С этого момента все мои усилия были направлены к нахождению доказательств предсуществования ядра клетки».

Усилия оказались  не напрасны. Уже через два года вышла в свет его книга «Микроскопические  исследования о соответствии в структуре  и росте животных и растений». В ней были изложены основные идеи клеточной теории. Шванн не только первым увидел в клетке то, что объединяет и животные и растительные организмы, но и показал сходство в развитии всех клеток.

Конечно, авторство  со Шванном разделяют и все учёные, возводившие «постройку». А особенно Матиас Шлейден, подавший другу блестящую идею. Известен афоризм: «Шванн стоял на плечах Шлейдена». Его автор - Рудольф Вирхов, выдающийся немецкий биолог. Вирхову же принадлежит и другое крылатое выражение: «Omnis cellula e cellula», что с латыни переводится: «Всякая клетка от клетки». Именно этот постулат стал триумфальным лавровым венком для теории Шванна.

Рудольф Вирхов изучал значение клетки для всего  организма. Ему, окончившему медицинский  факультет, особенно интересна была роль клеток при заболеваниях. Работы Вирхова о болезнях послужили базой для новой науки - патологической анатомии. Именно Вирхов ввёл в науку о болезнях понятие клеточной патологии. Но в своих искания он несколько перегнул палку. Представляя живой организм как «клеточное государство», Вирхов считал клетку полноценной личностью. «Клетка…да, это именно личность, притом деятельная, активная личность, и её деятельность есть…продукт явлений, связанных с продолжением жизни».