Возникновение цитологии. Цитология как наука, её становление и задачи

Лекция1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Планлекции

1. Предмет, цели и задачи курса. Место цитологии в системе биологических наук.

2. История открытия клетки.

3. Теория возникновения клеток-мешочков К. Вольфа.

4. Клеточная структура животных тканей.

5. Первые описания содержимого клетки.

Предмет, цели и задачи курса. Место цитологии в системе биоло-

гических наук. Цитология – это наука о развитии, строении и жизнедеятельности клеток. В связи с этим цитология без преувеличения занимает ключевую позицию в биологии, так как в основе всех функций организма лежат процессы, протекающие на клеточном уровне. Цитология – это комплексная биологическая дисциплина, в которой изучаются различные стороны учения о клетке.

Академик А. А. Заварзин, биолог-эволюционист, писал, что в те рмине «клетка» соединяются два понятия: «Когда говорят о клетке вообще, то подразумевают элементарную организацию живого вещества, вне которого нет жизненного процесса; когда же говорят об определенной клетке, например, о нервной или мышечной, то подразумевают не только клеточную отдельность со всеми ее общими свойствами, но и совершенно конкретную ее форму: нейрон или мышечное веретено» .

Клод Бернар определял клетку как «первого представителя жизни» ; Рудольф Вирхов – как «последний морфологический элемент всего живого» .

В. Я. Александров считал, что «клетка – это элементарная живая система, состоящая из двух частей – цитоплазмы и ядра – и являющаяся основой строения, развития и жизнедеятельности всех животных и растительных организмов» .

Следовательно, клетка – это элементарная самовоспроизводящаяся единица структуры и функции всех живых существ. Клеточная организация присуща как одноклеточным микроорганизмам, так и многоклеточным макрообъектам. Несмотря на различия между отдельными клетками, в каждой из

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

них можно выделить четыре основные структурно-функциональные подсистемы (рис. 1.1 ):

1. Все клетки окружены плоскими двухслойными мембранами, структурную основу которых составляют амфифильные молекулы липидов; в подобные мембраны «вмонтированы» различные белки, определяющие особенности их функционирования.

2. Наследственная информация во всех клетках хранится в виде двуспиральной молекулы ДНК, где она записана в виде линейного текста из триплетных кодонов, состоящих из четырех типов дезоксирибонуклеотидов: А, Т, Г, Ц.

3. Во всех клетках имеется принципиально одинаково устроенный аппарат биосинтеза белков, центральную роль в котором играют РНК.

4. Для всех клеток характерно существование еще одной подсистемы – ограниченной мембраной цитоплазмы с локализованными в ней фермента-

ми .

Рис. 1.1. Основные структурно-функциональные подсистемы клетки

Взаимоотношение между организмом и клеткой на различных уровнях организации живой материи существенно меняется. У бактерий и простейших организм представляет в то же время клетку; в многоклеточном целостном организме развитие и жизнедеятельность клеток регулируются системой интеграционных механизмов. Поэтому одной из важнейших задач цитологии является изучение способов регулирующего воздействия макроорганизма на тканевые клетки.

По мнению А. А. Заварзина, современный этап развития биологии характеризуется как углубляющейся дифференциацией наук, так и их синтезом на основе разностороннего анализа универсальных закономерностей организации биологических систем.

Данная тенденция особенно проявляется в развитии наук о клеточном уровне организации живой материи. Поэтому важно определить роль каждой

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

науки в формирующемся синтетическом системном подходе к изучению процессов, протекающих на рассматриваемом уровне организации. Общая цитология – наука о клетке, наука о клеточном уровне организации живой материи. Предметом общецитологических исследований являются конкретные разновидности клеток (клетки про- и эукариот, клетки животных и растительных одноклеточных и многоклеточных организмов, а в пределах последних – клетки различных направлений специализации). Эти же объекты находятся в центре внимания таких наук, как частная цитология, гистология, эмбриология, микробиология, физиология и т. д. Но и в этих науках уделяется особое внимание специфическим особенностям данного типа клеток. В общей же цитологии при исследовании конкретных разновидностей клеток целью является выяснение общих закономерностей организации клеточных структур и внутриклеточных процессов, универсальных для всех клеток, а также общих закономерностей организации регуляторных интегративных механизмов целостной клетки.

Несмотря на различные конечные задачи специальных наук и общей цитологии, они тесно связаны между собой. С одной стороны, для понимания общих закономерностей организации клеток необходимо выяснить конкретные проявления этих закономерностей, т. е. всего спектра общих признаков, свойственных конкретным разновидностям клеток. С другой стороны, полное выяснение специфических особенностей конкретного типа клеток требует знания тех общих механизмов, на основе которых и появляется та или иная специфическая особенность.

В организации любой клетки выделяют следующие уровни:

молекулярный;

надмолекулярный;

органоидный;

субсистемный;

системный.

Низшие уровни организации клетки находятся в центре внимания таких наук, как органическая химия, биохимия, молекулярная биология. На органоидном, субсистемном и системном уровнях доминирующее значение имеют уже цитологические науки. При анализе клеточных структур широко используются биохимические, молекулярно-биологические методы. Благодаря этому интересы цитологов, биохимиков, биофизиков, физиологов, молекулярных биологов, генетиков во многих случаях совпадают. Особенностью общей цитологии является и ее тесная связь с науками, которые изучают механизмы организации живой материи на ее низших уровнях. Глубокое знание закономерностей молекулярного и надмолекулярного уровней организации необходимо цитологам для успешного анализа высших уровней организации клетки. Прогрессивное развитие цитологии во многом обусловлено внедрением в практику некоторых принципиально новых методов, оказавших существенное влияние на разработку ее основных проблем.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

История открытия клетки. Развитие учения о клетке тесно связано с изобретением микроскопа (от греческого «микрос» – небольшой, «скопео» – рассматриваю). Первый микроскоп был сконструирован в 1610 г. Галилеем и представлял собой сочетание линз в свинцовой трубке.

Впервые микроскоп применил Р. Гук. В 1665 г. он впервые описал клеточное строение пробки, стеблей и др. и ввел термин «клетка». Р. Гук сделал первую попытку подсчитать количество клеток в определенном объеме пробки. Он, во-первых, сформулировал представление о клетке как о ячейке, полностью замкнутой со всех сторон. Во-вторых, Р. Гук установил факт широкого распространения клеточного строения растительных тканей.

Эти два основных вывода и определили направление дальнейших исследований в этой области.

В 1671–1679 гг. итальянец Марчелло Мальпиги дал первое систематическое описание микроструктуры органов растений, положившее начало анатомии растений.

В 1671–1682 гг. англичанин Неемия Грю также очень подробно описал микроструктуры растений; ввел термин «ткань» для обозначения понятия совокупности «пузырьков», или «мешочков».

Оба эти исследователя (они работали независимо друг от друга) дали изумительные по точности описания и рисунки (рис. 1.2 ). Они пришли к одному и тому же выводу относительно всеобщности построения растительной ткани из пузырьков.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Рис. 1.2. Рисунки М. Мальпиги срезов различных растительных тканей (Из книги «Анатомия растений», 1679 г.)

После исследований Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю факт существования клеток-ячеек в растительных тканях не вызывал сомнений. О клетках упоминали различные авторы, но должного значения им не придавалось, и они рассматривались как одна из структур, обнаруживаемая при изучении растительных тканей под микроскопом. Рассматривая и описывая клетки, исследователи начала XVIII в. не ставили вопроса об их возникновении.

Теория возникновения клеток-мешочков К.Вольфа. В 1759 г. пе-

тербургский академик Каспар Фридрих Вольф создал первую теорию клеткообразования в растительных тканях. Вольф изучал эмбриональное развитие организмов. Он говорил о клетке в связи с явлениями роста или распределения вещества в организме. Считал, что молодые органы растений состоят из гомогенной, вязкой или студневидной массы. Их рост осуществляется таким образом, что в них из более старых частей выпадают капли жидкого вещества, пограничный слой которого загустевает и капля превращается в ячейку-клетку. Если капля движется в основном вязком веществе медленно, то ее стенки успевают затвердевать, так возникает трубочка-сосуд. По мере того как все новые и новые капли вдвигаются между уже возникшими, создается обычная пузыристая структура растительной ткани. Вольф считал, что не клетки образуют сосуды, а сосуды – клетки.

Клеточная структура животных тканей. Изучение животной клетки значительно отставало; это связано с тем, что клетки животных увидеть в микроскоп значительно труднее, так как они намного мельче растительной клетки и не имеют столь резко выраженных границ.

В 1676–1719 гг. Антон ван Левенгук открыл мир микроскопических животных, впервые описал красные кровяные клетки и сперматозоиды.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

В 1781 г. Феликс Фонтана первый увидел и нарисовал клетки животных с ядрами (рис. 1.3 ).

Рис. 1.3. Рисунки Феликса Фонтана, изображающие слущившийся кусочек кожи угря (слева) и две клетки крови (справа), 1787 г.

Таким образом, в XVII–XVIII вв. клеточная структура описывалась отдельными учеными неоднократно. В отношении растительных тканей был накоплен значительный фактический материал. Однако клеточному строе-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

нию не придавали принципиального значения. Клетка как элементарная живая единица еще никем не рассматривалась. Единственной попыткой понять возникновение клетки была теория Вольфа.

Большую роль в развитии науки о клетке сыграли исследования французского ботаника Бриссо де Мирбеля. В 1801 г. Мирбель положил начало сравнительному изучению клеток растений. Однако он защищал все тот же взгляд на природу клеток как на пузырьки, разделенные общей стенкой. Против этой точки зрения выступили многие немецкие исследователи. Данный вопрос привлек к себе настолько большое внимание, что Геттингенская академия в 1804 г. объявила денежную премию за ее разрешение. Эта премия была поделена между ботаниками Г. Линком и К. Рудольфи. Они разрешили вопрос о природе клеток. Пришли к заключению об обособленности клеток и о наличии у них собственных мембран, окружающих их со всех сторон. Тот же вывод был сделан Л.Х. Тревиранусом.

В 1812 г. И. Мольденгауер окончательно доказал индивидуальность клеток путем их изоляции. Он показал, что каждая из клеток имеет свою собственную оболочку.

Линк добился полного выделения клеток из тканей путем их длительного кипячения.

Было создано новое представление о клетке. Наиболее четко оно было сформулировано в 1830 г. Францем Мейеном. Он написал первую сводку по анатомии растений и сформулировал представление о клетке. «Клетка растительного организма представляет собой пространство, вполне замкнутое вегетативной мембраной» .

Данный период – это период собирания материала, накопления многочисленных сведений о тончайшей структуре растений.

Первые сведения о животной клетке были получены Левенгуком и Фонтана. Изучать животные клетки было трудно, так как техника того времени не позволяла получать тонкие срезы через мягкие ткани животных, не был известен метод фиксации и уплотнения органов, животные клетки относительно очень мелкие, границы клеток весьма неотчетливы.

Не случайно, что животные клетки были обнаружены и изучены не сразу. Анри Мильн-Эдвардс имел хороший микроскоп, но он готовил препараты, раздавливая ткани между двумя стеклами, в силу этого наряду с настоящими клетками он на рисунках изображал капельки жира, отдельные яд-

ра и т. д., принимая и их за клетки.

Анри Дютроше описал ряд клеток из животных тканей.

В 1830–1845 гг. Ян Пуркиня и его ученики усовершенствовали микроскопическую технику и правильно описали клетки в многочисленных органах животных. Во всех тканях они обнаружили клетки, однако называли их зернами или шариками. Ими был открыт реснитчатый эпителий, описано движение ресничек. Они изучили нервные клетки и дали их рисунки (рис. 1.4 ).

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Рис. 1.4. Рисунки Я. Пуркиня, изображающие «зернышки» (клетки), из которых состоят ткани органов животных

Первые описания содержимого клетки. В конце 18 в., в 1774 г., Бо-

навентура Корти видел и описал активное движение жидкого содержимого

в растительной клетке.

В 1811 г. более подробно были изучены протоплазматические токи

Тревиранусом.

В клеточном содержимом было обнаружено наличие слизи, клееобразных веществ, сахара, хлорофилловых зерен, различных кристаллов, зерен крахмала и т. д.

	Курт Шпренгель большое	внимание
	уделил зернам крахмала, полагая, что из них
	путем набухания образуются клетки. Эта ги-
	потеза не имела успеха и была полностью
	опровергнута.
	Обнаружено клеточное ядро. Впервые
	в 1830 г. его описал Пуркиня под названием
	«зародышевого пузырька».
	В 1831–1833 гг. Роберт Броун обнару-
	жил ядро в растительных клетках. Он дал
	ему название – «nucleus». Р.Броун настаивал
	на постоянном наличии ядра во всех живых
	клетках. Роль и значение ядра еще не были
	известны.
	В 1837 г. Мейен заявил, что ядро пред-
	ставляет собой «конденсированную в комо-
	чек слизь, а возможно, и запасное питатель-
Роберт Броун (1773–1858)	ное вещество».
 Цитология с основами гистологии. Конспект лекций

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Планлекции

1. Основные даты развития клеточной теории.

2. Клеточная теория Шванна – Вирхова.

3. Основные постулаты современной клеточной теории.

Основные даты развития клеточной теории. Развитие микроскопии привело к пониманию того, что клетка из себя представляет. Клеткам стали приписывать значение простейших органических структурных элементов. Искали элементарную биологическую единицу. Впервые Лоренц Окен таковыми стал считать клетки. Он в 1809 г. создал умозрительную теорию строения и развития организмов, в которой элементами являлись «инфузории» – клетки. Считал, что сложные организмы – это сумма элементарных организмов, которые, войдя в его состав, живут общей жизнью целого, но в то же время пр о- должают оставаться независимыми. Эти элементарные организмы – пузырьки с плотной оболочкой и жидким содержимым; «в философском смысле они могут быть названы инфузориями» [ 22 ]. Л. Окен сформулировал принцип сведения строения сложных организмов к элементарным единицам, во всей этой концепции выражена эволюционная идея, хотя он развития во времени не признавал.

В 1834–1847 гг. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге П. Ф. Горянинов сформулировал принцип, согласно которому клетка является универсальной моделью организации живых существ. Горянинов делил мир живых существ на два царства: царство бесформенное, или молекулярное, и органическое, или клеточное. Он писал, что «…органический мир есть прежде всего клеточное царство …» . Развивал представление

о возникновении живых существ из неорганического мира. Считал, что зерна слизи, скученные вокруг первичного маленького пузырька, образуют ядро, или цитобласт, которое способно развиваться в клетку. Так возникают наиболее просто организованные тела. П.Ф. Горянинов связал проблему возникновения жизни с происхождением клетки.

В 20-х г. XIX в. наиболее значительные работы в области изучения растительных и животных тканей принадлежат французским ученым Анри Дютроше (1824 г.), Франсуа Распайлю (1827 г.), Пьеру Тюрпену (1829 г.). Они доказывали, что клетки (мешочки, пузырьки) являются элементарными структурами всех растительных и животных тканей.

Эти исследования подготавливали почву для клеточной теории. Большую трудность для формирования клеточной теории представляла

неизученность микроскопической анатомии животных. Гистология животных уже существовала. Она была разработана Яном Пуркиня и его учениками.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Он первым применил окраску, ввел просветляющие среды для препаратов. Его ученик Ошатц сконструировал первый микротом. В 1837 г. Пуркиня в докладе обществу естествоиспытателей в Праге высказал теорию «ядросодержащих зернышек» (клеток). Он говорил об аналогии «клеток» растений и «зернышек» животных. Выдвинул положение построения тела животных из клеток.

Иоганнес Мюллер на основании изучения ткани хорды высказал представление о соответствии в клеточном строении растений и животных (1838 г.).

Матиас Шлейден изучал возникновение клеток в процессе роста различных частей растений. Он писал «… как для физиологии растений, так и для общей физиологии жизнедеятельность отдельных клеток является главнейшей и совершенно неизбежной основой, и поэтому, прежде всего, встает вопрос, как же собственно возникает этот маленький своеобразный организм клетка» . Его теория клеткообразования была им позднее названа теорией цитогене-

Матиас Шлейден (1804–1881) зиса (1838 г.); существенным является то обстоятельство, что она впервые связала

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

вопрос возникновения клетки с ее содержимым и (в первую очередь) с ядром.

Возникновение клеток по Шлейдену представлено на рис. 1.5 .

Рис. 1.5. Схема процесса возникновения клеток по представлению М. Шлейдена (1838 г.)

Тело клетки Шлейден обозначил термином цитобластема (этот термин принадлежит Шванну, цитос – клетка, бластео – образовывать).

Таким образом, по его теории новая клетка может образовываться в старых, центр ее возникновения – ядро. Теория цитогенеза, а именно общность происхождения клеток, явилась фундаментом для клеточной теории Шванна.

Клеточная теория Шванна – Вирхова. В 1839 г. Теодор Шванн, ис-

ходя из генетического принципа, обосновал клеточную теорию всех организмов. Постулаты его теории:

все ткани состоят из клеток;

общий принцип развития этих структур;

самостоятельная жизнедеятельность каждой отдельной клетки. Вальдейер (1909 г.) считал, что «заслуга Шванна заключается не в том,

что он открыл клетки как таковые, а в том, что он научил исследователей понимать их значение» .

В клеточной теории Шванна впервые была дана обоснованная обобщающая и ведущая идея трактовки строения организма . Она стала общепризнанной и вызвала большой интерес к детальному изучению строения ор-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

ганизмов. Карл Рейхерт писал, что «…интерес к ней стал всеобщим и разносторонним после того, как открытие клетки дало основание к планомерному развитию микроскопической анатомии …». Однако эндогенная теория возникновения клеток сыграла отрицательную роль в развитии эмбриологии. Ряд исследователей стали допускать возникновение целых органов прямо из бесструктурной массы. Большая заслуга в выяснении клеточной природы ряда тканей и в доказательстве процесса деления как единственного пути размножения клетки принадлежит Роберту Ремаку.

Окончательный удар теории цитогенеза был нанесен Рудольфом Вирховым. В 1859 г. Р. Вирхов, основываясь на исследованиях Ремака, пересмотрел и развил клеточную теорию, заменив представление о цитогенезе законом: «всякая клетка от клетки».

В последней трети XIX в. был сделан ряд крупнейших открытий, обогативших цитологическую науку.

В 1871 г. И.Д. Чистяков обнаружил хромосомы, описал способы деления ядра. А дату появления его классического труда о растительной клетке – 1874 г. – следует считать началом развития цитологии в России [ 17 ].

1875 г. – Страсбургер подробно описал деление ядра. 1898 г. – В.И. Беляев описал редукционное деление.

1898 г. – С.Г. Навашин открыл явление двойного оплодотворения у покрытосеменных и т. д.

Основные постулаты современной клеточной теории. Основные по-

ложения клеточной теории Шванна – Вирхова сохранили свое значение и на сегодняшний день.

Основные постулаты современной клеточной теории следующие: 1. Клетка – элементарная единица живого: вне клетки нет жизни.

Живому свойствен ряд совокупных признаков: способность к воспроизведению (репродукции), использование и трансформация энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость.

Такую совокупность признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Из клетки можно выделить отдельные ее компоненты, даже молекулы, многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Вне клетки работают многие ферменты, выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок и т. д. Все эти клеточные компоненты, структуры обладают лишь частью набора свойств живого. Только клетка как таковая является наименьшей единицей, обладающей всеми взятыми свойствами, отвечающими определению «живое».

Клетки имеют различную морфологию, величину. Встречаются два типа организации клеток: прокариотические – доядерные и эукариотические – собственно ядерные (рис. 1.6 , 1.7 ). Несмотря на морфологические отличия про – и эукариотические клетки имеют много общего, что позволяет отнести их к одной, клеточной, системе организации живого (одеты плазматической мембраной, обладающей сходной функцией переноса веществ из клетки

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

и внутрь ее; синтез белка происходит на рибосомах; сходны процессы синтеза РНК, репликация ДНК; похожи биоэнергетические процессы).

Рис. 1.6. Комбинированная схема прокариотической клетки: 1 – клеточная стенка; 2

– плазматическая мембрана; 3 – ДНК нуклеоида; 4 – полирибосомы цитоплазмы; 5 – мезосома; 6 – ламеллярные структуры; 7 – впячивания плазмалеммы; 8 – скопления хроматофоров; 9 – вакуоли с включениями; 10 – бактериальные жгутики; 11 – пластинчатые тилакоиды

а б

Рис. 1.7. Комбинированная схема строения эукариотической клетки: а – клетка животного; б – растительная клетка; 1 – ядро с хроматином и ядрышками; 2 – цитоплазматическая мембрана; 3 – клеточная стенка; 4 – поры в клеточной стенке, через которые сообщается цитоплазма соседних клеток; 5 – шероховатая эндоплазматическая сеть; 6 – гладкая эндоплазматическая сеть; 7– пиноцитозная вакуоль; 8 – аппарат Гольджи; 9 – лизосомы; 10 – жировые включения; 11 – клеточный центр; 12 – митохондрия; 13 – рибосомы и полирибосомы; 14 – вакуоль; 15 – хлоропласт

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Ю. С. Ченцов считает, что клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом, т. е. клетка – это самоподдерживающаяся и самовоспроизводящаяся система биополимеров.

2. Клетка – единая система, включающая множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц – органелл или органоидов.

Клетка содержит множество типов внутриклеточных структур, выполняющих разнообразные функции, каждый из которых специализирован на выполнении определенных функций. Каждая из функций обязательна, без выполнения ее клетка не может существовать. Клетку можно «разложить» на ряд компонентов, выполняющих свои функции, но каждая из них представляет собой новую систему или подсистему. Например: ядро – система хранения, воспроизведения и реализации генетической информации и т. д.

3. Клетки гомологичны по строению и по основным свойствам.

Разные клетки растений и животных сходны. Гомологичность строения клеток наблюдается внутри каждого из типов клеток (рис. 1.6 , 1.7 ). Гомологичность в строении клеток определяется сходством общеклеточных функций, направленных на поддержание жизни самих клеток и на их размножение. Разнообразие же в строении клеток многоклеточных организмов – это результат функциональной специализации. Например, в нервной клетке кроме общеклеточных компонентов имеются специфические: наличие длинных и разветвленных клеточных отростков, оканчивающихся специальными структурами, передающими нервные импульсы; в цитоплазме – тигроид; в клеточных отростках – большое количество микротрубочек. Все эти особенности нервной клетки связаны с ее специализацией – передачей нервного импульса.

4. Клетка увеличивается в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала (ДНК): клетка от клетки.

Размножение прокариотических и эукариотических клеток происходит путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала.

У эукариотических клеток единственно полноценный способ деления – митоз или мейоз при образовании половых клеток. При этом образуется клеточное веретено, с помощью которого равномерно по двум дочерним клеткам распределяются хромосомы.

У прокариотических клеток также имеется специальный аппарат разделения клеток.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

5. 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 химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).

Клетка в многоклеточном организме – это единица функционирования и развития. Первоосновой всех реакций целостного организма является клетка.

Рост организма, увеличение его биомассы есть результат размножения клеток и выработки ими разнообразных продуктов.

Поражение клеток, изменение их свойств – это основа для развития заболеваний.

6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, то есть обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – к дифференцировке.

Индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного организма – это результат последовательного, избирательного включения работы разных генных участков хромосомы в различных клетках. Это приводит

к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, т.е. к процессу дифференцировки.

Дифференцировка – это результат избирательной активности разных генов в клетке по мере развития многоклеточного организма.

Следовательно, любая клетка тотипотентна. Тотипотентность ядер клеток организма представлена на рис. 1.8 .

Рис. 1.8. Тотипотентность ядер клеток организма: а – ядро, выделенное из клетки кишечника головастика Xenopus laevis; б – яйцеклетка, лишенная ядра путем облучения; 1 – выделение ядра из соматической клетки; 2 – облучение ооцита; 3 – пересадка ядра; 4 – дробящаяся яйцеклетка; 5 – личинка

Однако в разных клетках одни и те же гены могут находиться или в активном, или в репрессированном состоянии.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Планлекции

1. Световая микроскопия. Фазово-контрастная микроскопия. Поляризационная микроскопия. Интерференционная микроскопия. Микроскопия в темном поле. Ультрафиолетовая микроскопия. Флуоресцентная микроскопия.

2. Витальное изучение клеток. Метод культуры тканей. Микрохирургия. Прижизненное окрашивание. Изучение фиксированных клеток и тканей. Химическая фиксация. Леофилизация ткани. Окрашивание. Цитохимические методы. Цитофотометрия. Авторадиография. Контрастирование корпускулярных объектов. Ультрамикротомия.

3. Специальные методы электронной микроскопии биологических объектов: метод трансмиссионной, высоковольтной, сканирующей электронной микроскопии.

Световая микроскопия. Развитие цитологии тесно связано с усовершенствованием микроскопов и методов микроскопического исследования. Даже сейчас, несмотря на бурное развитие электронной микроскопии, световая микроскопия не теряет своего значения, в первую очередь для прижизненного изучения клеток.

Световой микроскоп – это оптическая система, состоящая из конденсора, объектива и окуляра (рис. 1.9 ). Пучок света от источника освещения собирается в конденсоре, направляется на объект; пройдя через объект, лучи света попадают в систему линз объектива, они строят первичное изображение, которое увеличивается с помощью линз окуляра. В современных микроскопах объективы сменные.

Рис. 1.9. Виды световой микроскопии

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность.

Разрешающая способность – это минимальное расстояние между двумя точками, при котором они еще раздельно изображаются данной оптической системой.

Разрешающая сила микроскопа (d ) определяется его объективом, так как окуляр дает только вторичное увеличение изображения, отбрасываемого объективом, и вычисляется по формуле

d = (0,61 · λ)/(n · sinα),

где d – минимальное разрешаемое расстояние; λ – длина волны применяемого света; n – коэффициент преломления среды; α – угол между оптической осью объектива и наиболее отклоняющимся лучом, попадающим в объектив

(рис. 1.10 ).

Знаменатель этой дроби зависит от конструкции объектива и является для каждого объектива величиной постоянной и носит название численной апертуры объектива (А ).

А = n · sinα.

Чем больше апертура объектива, тем выше разрешение микроскопа. Численную апертуру можно увеличить двумя путями:

1. Можно увеличить угол зрения объектива (α), что и делается в объективах с большим увеличением. Однако угол α не может быть больше 90°, а sinα – больше 1.

2. Можно увеличить преломление среды, находящейся между препаратом

и объективом. Поэтому наиболее сильные объективы делаются иммерсионными, так как n иммерсионного масла равно 1,515, воды– 1,33, а воздуха– 1.

Численная апертура сухих систем на практике не превосходит 0,95, наиболее высокая апертура у масляноиммерсионных объективов и равна 1,4.

Разрешающая способность микроскопа зависит не только от апертуры, но и от длины волны света.

С применением длины волны света 550 нм наименьший диаметр видимых частиц составит 0,24 микрона, для ультрафиолетового света (260–280 нм) d = 0,13–0,14 микрон.

Обычно в световых микроскопах используются источники освещения в видимой области спектра (400–700 нм), поэтому максимальная разрешающая способность микроскопа не может быть выше 0,2–0,3 микрон. Все, что может дать световой микроскоп как вспомогательный прибор к нашему глазу, – это повысить d примерно в 1000 раз.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Рис. 1.10. Угол входного отверстия объектива

Обычный световой микроскоп используется везде, где структуры объекта достаточно контрастны и хорошо различимы.

Контрастность изображения зависит от амплитуды световых колебаний, если объект поглощает часть света, то амплитуда колебаний снижается и объект воспринимается глазом как более темный. Если объект избирательно поглощает лучи определенных длин волн, создается цветовой контраст. Однако большинство живых клеток недостаточно контрастны: структуры внутри них прозрачны и поэтому видны плохо. Для изучения таких объективов были разработаны специальные виды световой микроскопии.

Фазово-контрастная микроскопия широко используется для наблюдений за живыми клетками, позволяет резко повысить контрастность изображения объекта.

Принцип метода состоит в выявлении сдвигов фазы световых колебаний, которые возникают, когда свет проходит через структуру, хотя и не поглощающую, но имеющую показатель преломления, отличный от такового окружающей его среды.

Однако фазовые сдвиги глазом непосредственно не улавливаются. В объектив фазово-контрастного микроскопа вмонтирована специальная пластинка, проходя через которую луч света испытывает дополнительный сдвиг

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

фазы колебаний. При построении изображения взаимодействуют лучи, находящиеся в одной фазе либо в противофазе, но обладающие разной амплитудой. Создается светло-темное контрастное изображение объекта.

Поляризационная микроскопия применяется в цитологии для специальных целей. Позволяет выявить структуры с упорядоченным расположением молекул (например: кристаллы или фибриллярные белки, волокна веретена деления, миофибриллы и т. д.), то есть изучаются объекты, обладающие изотропией. Такие структуры обладают двойным лучепреломлением (анизотропией). Проходящий через них световой луч разделяется на два, распространяющихся с различной скоростью и в различных направлениях.

У поляризационного микроскопа перед конденсором помещается поляризатор, который пропускает световые волны с определенной плоскостью поляризации. После препарата и объектива помещается анализатор, который может пропускать свет с той же плоскостью поляризации. Поляризатор и анализатор – это призмы, сделанные из исландского шпата (призмы Николя). Если вторую призму (анализатор) повернуть на 90° по отношению к первой, то свет проходить не будет. В том случае, когда между такими скрещенными призмами будет находиться объект, обладающий анизотропией, то есть обладающий способностью поляризовать свет, он будет виден как яркосветящийся на темном поле.

При интерференционной микроскопии пучок параллельных световых лучей от осветителя разделяется на два потока. Один из них проходит через объект и приобретает изменения в фазе колебания, другой идет мимо объекта. В призмах объектива оба потока вновь соединяются и интерферируют между собой, то есть происходит преобразование сдвига фазы в изменение амплитуды (т. е. яркости).

В результате интерференции будет строиться изображение, на котором участки клетки разной толщины или разной плотности будут отличаться друг от друга по степени контрастности, то есть величина фазового сдвига непосредственно связана с плотностью структуры, т.е. с количеством в ней сухого вещества.

Следовательно, измерив величину фазового сдвига, а также размер клетки или ее структуры, можно определить ее сухой вес.

Микроскопия в темном поле (ультрамикроскопия) основана на том, что подобно пылинкам в луче света (эффект Тиндаля) мельчайшие частицы, лежащие за пределами разрешающей способности микроскопа, становятся видимыми в лучах, идущих под таким большим углом, что в объектив они непосредственно не попадают.

В объектив попадает только свет, отраженный от этих частиц, и они выглядят светящимися точками на темном фоне.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Этот метод является ценным при изучении живых клеток, живых коллоидов протоплазмы.

Ультрафиолетовая микроскопия. Поскольку стекло непрозрачно для УФ-лучей, вся оптика здесь делается или кварцевой, или зеркальной (отражательной). Изображение рассматривается на флуоресцирующем экране визуально и фотографируется.

Ценность метода состоит в том, что некоторые важные компоненты клетки, например, нуклеиновые кислоты, совершенно не поглощающие видимый свет, обладают специфическим поглощением УФ-лучей с определенной длиной волны. Микроскопирование объектов в этих случаях позволяет выявить такие вещества без всякого окрашивания.

Флуоресцентная микроскопия позволяет изучать как собственную (первичную) флуоресценцию ряда веществ, так и вторичную флуоресценцию, вызванную окрашиванием клеточных структур специальными красителями – флуорохромами.

Принцип метода заключается в том, что некоторые вещества при световом облучении сами начинают светиться, причем длина волны испускаемого ими света всегда больше, чем длина волны света, возбуждающего флуоресценцию. Для возбуждения флуоресценции пользуются или синим светом, или УФ-светом.

Собственно флуоресценцией обладают некоторые пигменты, витамины, гормоны. Можно использовать флуорохромы, они избирательно связываются с определенными структурами клетки, вызывая их вторичную флуоресценцию.

Витальное изучение клеток. Световой микроскоп позволяет видеть живые клетки. Для изучения же живых клеток, органов, тканей используют ряд методов.

Метод культуры тканей был разработан Гаррисоном, Каррелем, Берроузом, А. А. Максимовым. Суть метода: в камеру, наполненную питательной средой, помещают небольшой кусочек живой ткани. Через некоторое время на периферии такого кусочка начинается деление и рост клеток. В другом случае – вырезанный кусочек ткани обрабатывают раствором фермента, что приводит к полному разобщению клеток друг от друга. Затем взвесь отмытых клеток помещают в сосуд с питательной средой, где они опускаются на дно, прикрепляются к стеклу, начинают размножаться, образуя сначала колонию, а затем сплошной клеточный пласт.

Микрохирургия позволяет с помощью специальных микроманипуляторов выполнять различные операции на клетке и ее органоидах. С помощью микроманипулятора клетки разрезают, извлекают из них части, вводят вещества (микроинъекции) и т. д. Микроманипулятор совмещают с обычным микроскопом, в который наблюдают за ходом операции. При микроманипу-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

ляциях клетки помещают в специальные камеры, в которых и делается операция. Широко применяют микропучки УФ-света или лазерные микропучки.

Прижизненное окрашивание – окрашивание живых клеток витальными красителями в диапазоне концентраций, не вызывающих токсического эффекта, широко используется в цитологии и гистологии. По своему химическому строению витальные красители относятся к органическим соединениям ароматического ряда. Они представляют собой электролиты, которые могут быть разделены на кислотные и основные. Большинство из них являются индикаторными. На этом основано их применение для определения концентрации водородных ионов.

Многие витальные красители могут легко переходить из окисленной формы в восстановленную и обратно. Это используют для определения уровня окислительно-восстановительных процессов в клетке. При окрашивании клеток витальными красителями последние проникают в клетку, собираются в цитоплазме в виде гранул, ядро не окрашивается.

Большая часть сведений о клетке была получена на стабильном фиксированном материале.

Задачи фиксации – убить клетку, прекратить активность внутриклеточных ферментов, предотвратить распад клеточных компонентов, избежать потери структур и веществ, препятствовать появлению артефактных структур. Химическая фиксация заключается в быстрой обработке ткани растворами с целью убить клетки, сохранив их структуру по возможности неизменными.

Леофилизация ткани, при которой происходит быстрое замораживание ткани при температуре жидкого азота, затем высушивание в вакууме, позволяет избежать многих недостатков химической фиксации, обеспечивает мгновенную остановку всех процессов жизнедеятельности.

Окрашивание позволяет выявить большинство клеточных органоидов и структур. Применяют натуральные и синтетические красители. Натуральные красители употребляют в сочетании с протравами (окислы различных металлов), с которыми они образуют комплексные соединения. Синтетические красители бывают кислые и основные. В зависимости от этого они могут окрашивать различные участки клеток в разные цвета и тем самым повышать контрастность клеточных и внеклеточных компонентов.

Имеется ряд специфических приемов окрашивания, с помощью кот о- рых можно определить специфические химические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, аминокислоты и т. д. Это цитохимические методы. Существует целая группа цитохимических реакций, связанная с обнаружением ферментов.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Цитофотометрия позволяет определить количество вещества в клетке и их составных элементов по поглощению ими световых лучей определенной длины волны.

Этот метод дает возможность измерять или собственное поглощение лучей химическими компонентами клетки, или количество красителя, образовавшегося в ходе цитохимической реакции в данном месте клетки. Важно, чтобы данная реакция носила количественный характер, т. е. количество окрашиваемого продукта было бы пропорционально количеству определяемого вещества.

D = lgT 0 / T ,

где D – оптическая плотность структуры; T 0 – количество света, прошедшего через пустое место препарата; T – количество света, прошедшего через поглощающую структуру.

Для определения концентрации вещества используют микроскопыцитофотометры; для определения нуклеиновых кислот и белков – ультрафиолетовую цитометрию; применяют также иммунохимические реакции с использованием флуоресцирующих антител.

Авторадиография – регистрация веществ, меченных изотопами. Используется фотографическая регистрация излучения изотопов. С помощью этого метода можно проследить динамику различных биосинтезов в конкретных морфологических структурах, определить длительность существования веществ цитоплазмы в неизменном виде, он используется для определения расположения определенных типов нуклеиновых кислот или отдельных нуклеотидных последовательностей в составе клеточных ядер или хромосом. Суть метода – обнаружение маркированных искусственным изотопом молекул с помощью фотоэмульсии, которой покрываются срезы клеток и тканей, фиксированных в разные сроки после введения меченого предшественника.

Контрастирование корпускулярных объектов широко применяется для контрастирования вирусов, рибосом, молекул нуклеиновых кислот. Одним из распространенных методов является оттенение металлами. Для контрастирования оттенением используются платина, палладий, их сплавы, уран. При негативном контрастировании объектов растворами солей тяжелых металлов применяют молибденовокислый аммоний, уранилацетат, фосфорно-вольфра- мовую кислоту. Соли тяжелых металлов используют при позитивном контрастировании.

Ультрамикротомия позволяет получать ультратонкие срезы (0,05–

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Специальные методы электронной микроскопии биологических объектов. Одним из распространенных, ставшим классическим методом, применяемом при структурно-биохимических исследованиях, является метод электронной микроскопии в различных его модификациях. Эти модификации обусловлены как различными подходами к анализу изучаемых структур, так и особенностями подготовки клеток для ультраструктурных исследований.

Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия позволяет анализировать не только все органоиды ядерного и цитоплазматического аппаратов, но и некоторые структуры, находящиеся на надмолекулярном уровне организации, например: опорные и сократительные микрофибриллы, микротрубочки и т. д.

Метод высоковольтной электронной микроскопии применяют на системном и субсистемном уровнях организации. Данный метод позволяет изучать «толстые» срезы или даже целые распластанные клетки, что дает возможность анализировать в целом сложную систему субмембранных фибрилл поверхностного аппарата клетки.

Метод сканирующей электронной микроскопии используется в исследовании функции поверхностного аппарата клетки, взаимосвязи отдельных субсистем поверхностного аппарата ядра и ряда других вопросов общей цитологии. Этот метод дает возможность объемного изучения поверхности объекта.

Большое значение в цитологических исследованиях имеет метод замораживания – скалывания. Это щадящий метод подготовки биологических объектов для ультраструктурного анализа. Суть метода: объект помещают в атмосферу жидкого азота. Моментально прекращаются все метаболические процессы. С замороженного объекта делают сколы. С поверхности сколов получают реплики путем нанесения на них металлической пленки. Эти пленки в дальнейшем исследуют под микроскопом.

Электронный микроскоп по принципу конструкции сходен с оптическим: источник освещения – катод электронной пушки, конденсорная система – конденсорная магнитная линза, объектив – объективная магнитная линза, окуляр – проекционные магнитные линзы, но вместо глаза электроны попадают на люминисцирующий экран или на фотопластинку. У электронного микроскопа достигнуто разрешение в 1Ао (0,1 нм). На экранах или фотопленках электронного микроскопа можно получить увеличение до 500000 раз. В дальнейшем при фотопечати можно получить еще 10-кратное увеличение.

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.

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 (греческий kytos вместилище, здесь - клетка + logos учение) - наука о строении, функциях и развитии клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий. Цитологические исследования (см.) имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека и животных.

Различают общую и частную цитологии. Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, метаболизм, реакции на повреждение, патологические изменения, репаративные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или эволюционной адаптацией к среде обитания (у протистов и бактерий).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа (см.) и гистологических методов исследования (см.). Термин «клетка» впервые был применен Гуком (R. Нооке, 1665), описавшим клеточное строение (точнее - целлюлозные оболочки клеток) ряда растительных тканей. В 17 веке наблюдения Гука были подтверждены и развиты М. Мальпиги, Грю (N. Grew, 1671),

А. Левенгуком. В 1781 году Фонтана (F. Fontana) опубликовал рисунки животных клеток с ядрами.

В первой половине 19 века начало формироваться представление о клетке как об одной из структурных единиц организма. В 1831 году Броун (R. Brown) обнаружил в клетках растений ядро, дал ему наименование «nucleus» и предположил о наличии этой структуры у всех растительных и животных клеток. В 1832 году Дюмортье (В. С. Dumortier), а в 1835 году Моль (H. Mohl) наблюдали деление растительных клеток. В 1838 году М. Шлейден описал ядрышко в ядрах растительных клеток.

Распространенность клеточного строения в животном царстве была показана исследованиями Дютроше (R. J. H. Dutrochet, 1824), Распая (F. V. Raspail, 1827), школ Я. Пуркинье и И. Мюллера. Я. Пуркинье первым описал ядро животной клетки (1825), разработал способы окраски и просветления клеточных препаратов, применил термин «протоплазма», был одним из первых, кто попытался сопоставить структурные элементы животных и растительных организмов (1837).

В 1838-1839 годы Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (см.), в которой клетка рассматривалась как основа строения, жизнедеятельности и развития всех животных и растений. Концепция Т. Шванна о клетке как о первой ступени организации, обладающей всем комплексом свойств живого, сохранила свое значение и в настоящее время.

Превращению клеточной теории в универсальное биол. учение способствовало раскрытие природы простейших. В 1841 -1845 год Зибольд (С. Th. Siebold) сформулировал понятие об одноклеточных животных и распространил на них клеточную теорию.

Важным этапом в развитии цитологии было создание Р. Вирховом учения о целлюлярной патологии (см.). Он рассматривал клетки как материальный субстрат болезней, что привлекло к их изучению не только анатомов и физиологов, но и патологов (см. Патологическая анатомия). Р. Вирхов также постулировал происхождение новых клеток только из пред-существующих. В значительной мере под влиянием трудов Р. Вирхова и его школы начался пересмотр взглядов на природу клеток. Если ранее важнейшим структурным элементом клетки считалась ее оболочка, то в 1861 году Шультце (М. Schultze) дал новое определение клетки как «комочка протоплазмы, внутри которого лежит ядро»; то есть ядро окончательно было признано обязательной составной частью клетки. В том же 1861 году Брюкке (E. W. Brucke) показал сложность строения протоплазмы.

Обнаружение органоидов (см.) клетки - клеточного центра (см. Клетка), митохондрий (см.), комплекса Гольджи (см. Гольджи комплекс), а также открытие в клеточных ядрах нуклеиновых кислот (см.) способствовали установлению представлений о клетке как о сложной многокомпонентной системе. Изучение процессов митоза [Страсбургер (E. Stras-burger, 1875); П. И. Перемежко, 1878; В. Флемминг (1878)] привело к открытию хромосом (см.), установлению правила видового постоянства их числа [Рабль (К. Rabi, 1885)] и созданию теории индивидуальности хромосом [Бовери (Th. Boveri, 1887)]. Эти открытия наряду с изучением процессов оплодотворения (см.), биологическая сущность которого выяснил О. Гертвиг (1875), фагоцитоза (см.), реакций клеток на раздражители способствовали тому, что в конце 19 века цитология становится самостоятельным разделом биологии. Карнуа (J. В. Сагпоу, 4884) впервые ввел понятие «биология клетки» и сформулировал представление о цитологии как науке, изучающей форму, структуру, функцию и эволюцию клеток.

Большое влияние на развитие цитологии оказало установление Г. Менделем законов наследования признаков (см. Менделя законы) и последующая трактовка их, данная в начале 20 века. Эти открытия привели к созданию хромосомной теории наследственности (см.) и формированию в цитологии нового направления - цитогенетики (см.), а также кариологии (см.).

Крупным событием в науке о клетке стала разработка метода культуры тканей (см. Культуры клеток и тканей) и его модификаций - метода однослойных культур клеток, метода органных культур фрагментов ткани на границе питательной среды и газовой фазы, метода культуры органов или их фрагментов на оболочках куриных эмбрионов, в тканях животных или в питательной среде. Они дали возможность в течение длительного времени наблюдать за жизнедеятельностью клеток вне организма, детально изучать их движение, деление, дифференцировку и др. Особенно широкое распространение получил метод однослойных клеточных культур [Янгиер (D. Youngner), 1954], сыгравший большую роль в развитии не только цитологии, но и вирусологии, а также в получении ряда противовирусных вакцин. Прижизненному изучению клеток в большой степени способствует микрокиносъемка (см.), фазово-контрастная микроскопия (см.), люминесцентная микроскопия (см.), микрургия (см.), витальная окраска (см.). Эти методы позволили получить много новых сведений о функциональном значении ряда клеточных компонентов.

Введение в цитологию количественных методов исследования привело к установлению закона видового постоянства размеров клеток [Дриш (H. Driesch), 1899], уточненного впоследствии E. М. Вермелем и известного как закон постоянства минимальных клеточных размеров. Якоби (W. Jacobi, 1925) обнаружил феномен последовательного удвоения объема ядер клеток, что во многих случаях соответствует удвоению числа хромосом в клетках. Были выявлены также изменения размеров ядер, связанные с функциональным состоянием клеток как в нормальных условиях [Беннингхофф (A. Benning-hoff), 1950], так и при патологии (Я. Е. Хесин, 1967).

Методы химического анализа в цитологии начал применять еще в 1825 году Распай. Однако решающее значение для развития цитохимии имели работы Лизона (L. Lison, 1936), Глика (D. Glick, 1949), Пирса (A. G. Е. Реаг-se, 1953). Большой вклад в развитие цитохимии внесли также Б. В. Кедровский (1942, 1951), А. Л. Шабадаш (1949), Г. И. Роскин и Л. Б. Левинсон (1957).

Разработка методов цитохимического выявления нуклеиновых кислот, в частности реакции Фейльгена (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты) и метода Эйнарсона, в сочетании с цитофотометрией (см.) позволили в значительной мере уточнить представления о трофике клеток, о механизмах и биол. значении полиплоидизации (В. Я. Бродский, И. В. Урываева, 1981).

В первой половине 20 века начинает выясняться функциональная роль внутриклеточных структур. В частности, работами Д. Н. Насонова (1923) было установлено участие комплекса Гольджи в формировании секреторных гранул. Ходжбу (G. Н. Ноgeboom, 1948) доказал, что митохондрии являются центрами клеточного дыхания. Н. К. Кольцов впервые сформулировал представление о хромосомах как носителях молекул наследственности, а также ввел в цитологию понятие «цитоскелет» (см. Цитоплазма).

Научно-техническая революция середины 20 века привела к бурному развитию цитологии и пересмотру ряда ее представлений. С помощью электронной микроскопии (см.) было изучено строение и во многом раскрыты функции ранее известных органоидов клеток, открыт целый мир субмикроскопических структур (см. Мембраны биологические, Эндоплаз-матический ретикулум, Лизосомы, Рибосомы). Эти открытия связаны с именами Портера (К. R. Porter), Дж. Пелейда, Риса (H. Ris), Бернхарда (W. Bernhard), К. де Дюва и других выдающихся ученых. Изучение ультраструктуры клеток позволило разделить весь живой органический мир на эукариот (см. Эукариотные организмы) и прокариот (см. Прокариотные организмы).

Развитие молекулярной биологии (см.) показало принципиальную общность генетического кода (см.) и механизмов синтеза белка на матрицах нуклеиновых кислот для всего органического мира, включая царство вирусов. Новые методы выделения и изучения клеточных компонентов, развитие и усовершенствование цитохимических исследований, особенно цитохимии ферментов, применение радиоактивных изотопов для изучения процессов синтеза клеточных макромолекул, внедрение методов электронной цитохимии, применение меченных флюорохромами антител для изучения с помощью люминесцентного анализа локализации индивидуальных клеточных белков, методы препаративного и аналитического центрифугирования значительно расширили границы цитологии и привели к стиранию четких граней между цитологией, биологией развития, биохимией, молекулярной биофизикой и молекулярной биологией.

Из чисто морфологической науки недавнего прошлого современная цитология развилась в экспериментальную дисциплину, постигающую основные принципы деятельности клетки и через нее - основы жизни организмов. Разработка методов пересадки ядер в энуклеированные клетки Гердоном (J. В. Gurdon, 1974), соматической гибридизации клеток Барски (G. Barski, 1960), Харрисом (Н. Harris, 1970), Эфрусси (В. Eph-russi, 1972) дала возможность изучить закономерности реактивации генов, определить локализацию многих генов в хромосомах человека и приблизиться к решению ряда практических задач медицины (например, к анализу природы малигнизации клеток), а также народного хозяйства (например, получение новых сельско-хозяйственных культур и др.). На базе методов гибридизации клеток была создана технология получения стационарных антител гибридных клеток, продуцирующих антитела заданной специфичности (моноклональные антитела). Их уже используют для решения ряда теоретических вопросов иммунологии, микробиологии и вирусологии. Начинается применение этих клонов для усовершенствования диагностики и лечения ряда болезней человека, изучения эпидемиологии инфекционных болезней и др. Цитологический анализ взятых у больных клеток (нередко после их культивирования вне организма) имеет значение для диагностики некоторых наследственных болезней (напр., пигментной ксеродермы, гликогенозов) и изучения их природы. Намечаются также перспективы применения достижений цитологии для лечения генетических болезней человека, профилактики наследственной патологии, создания новых высокопродуктивных штаммов бактерий, повышения урожайности растений.

Многогранность проблем исследования клетки, специфика и разнообразие методов ее изучения обусловили в настоящее время формирование в цитологии шести основных направлений: 1) цитоморфологии, изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования к-рой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (темнопольный конденсор, фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия); 2) цитофизиологии, изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие ее внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приемы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии; 3) цитохимии (см.), исследующей молекулярную организацию клетки и ее отдельных компонентов, а также хим. изменения, связанные с процессами обмена веществ и функциями клетки; цитохимические исследования проводят светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами цитофотометрии (см.), ультрафиолетовой и интерференционной микроскопии, авторадиографии (см.) и фракционного центрифугирования (см.) с последующим химическим анализом различных фракций; 4) цитогенетики (см.), изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов; 5) цитоэкологии (см.), исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним; 6) цитопатологии, предметом к-рой является изучение патологических процессов в клетке (см.).

В СССР различные направления современной цитологии представлены исследованиями И. А. Алова, В. Я. Бродского, Ю. М. Васильева, О. И. Епифановой, JI. Н. Жинкина, A. А. Заварзина, А. В. Зеленина, И. Б. Райкова, П. П. Румянцева, Н. Г. Хрущова, Ю. С. Ченцова, B. А. Шахломова, В. Н. Ярыгина и др. Проблемы цитогенетики и тонкой структуры хромосом разрабатываются в лабораториях А. А. Прокофьевой-Белъговской, А. Ф. Захарова (т. 15, доп. материалы), И. И. Кикнадзе.

Наряду с традиционными в нашей стране развиваются и такие новые направления цитологии как ультраструктурная патология клетки, вирусная цитопатология, цитофармакология- оценка действия лекарственных препаратов методами цитологии на культурах клеток, онкологическая цитология, космическая цитология, изучающая особенности поведения клеток в условиях космических полетов.

Исследования в области цитологии ведутся в Институте цитологии АН СССР, Институте цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, Институте генетики и цитологии АН БССР, на кафедрах цитологии и гистологии университетов и медицинских институтов, в цитологических лабораториях Института молекулярной биологии АН СССР, Института биологии развития им. Н. К. Кольцова АН СССР, Института эволюционной морфологии и экологии животных им.А. Н. Северцова АН СССР, Института морфологии человека АМН СССР, Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи АМН СССР, Института медицинской генетики АМН СССР, во Всесоюзном онкологическом научном центре АМН СССР. Исследования по цитологии координируются Научным советом по проблемам цитологии при АН СССР.

Цитология преподается в качестве самостоятельного раздела в курсе гистологии на кафедрах гистологии и эмбриологии медицинских институтов и на кафедрах цитологии и гистологии университетов.

Специалисты, работающие в области цитологии, в нашей стране объединены во Всесоюзное общество анатомов, гистологов и эмбриологов, в Московское общество цитологов, в секции цитологии Московского общества испытателей природы. Имеются и международные общества цитологов: Международное общество по биологии клеток (International Society of Cell Biology), Международная организация по исследованию клеток (International Cell Research Organization), Европейская организация по биологии клетки (European Cell Biology Organization).

Работы по цитологии публикуются в журналах «Цитология», «Цитология и генетика», а также во многих зарубежных журналах. Периодически издаются международные многотомные издания по цитологии: Advances in Cell and Molecular Biology (Англия, США), International Review of Cytology (США), Protoplasmologia (Австрия).

Библиогр.: История - Вермель Е.М. История учения о клетке, М., 1970, библиогр.; Г е р т в и г О, Клетка и ткани, Основы общей анатомии и физиологии, пер. с нем., т. 1-2, Спб., 1894; К а ц н е л ь-с о н 3. С. Основные этапы развития цитологии, в кн.: Руководство по цитол., под ред. А. С. Трошина, т. 1, с. 16, М. - JI., 1965; О г н е в И. Ф. Курс нормальной гистологии, ч. 1, М., 1908; П e р е м е ж-к о П. И. Учение о клетке, в кн.: Основания к изучению микроскопической анатомии человека и животных, под ред. М. Д. Лавдовского и Ф. В. Овсянникова, т. 1, с. 49, Спб., 1887; ПетленкоВ. П. и К л и ш о в А. А. Клеточная теория и теория клеток (К 100-летию со дня смерти Т. Шванна), Арх. анат., гистол. и эмбриол., т. 83, в. 11, с. 17, 1982, библиогр.; Ш в а н н Т. Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений, пер. с нем. М. - JI., 1939; С a r n о у J. В. La biologie cellulaire, P., 1884; W i 1 s o n E. B. The cell in development and inheritance, N. Y., 1896. Руководства, основные труди, справочные издания - А в ц ы н А. П. и III а х-л а м о в В. А. Ультраструктурные основы патологии клетки, М., 1979; Александров В. Я. Реактивность клеток и белки, Л., 1985; Восток К. и Самнер Э. Хромосома эукариотической клетки, пер. с англ., М., 1981; Бродский В. Я. и Урываева И. В., Клеточная полиплоидия, Пролиферация и дифференцировка, М., 1981; ВельшУ. и ШторхФ. Введение в цитологию и гистологию животных, пер. с нем., М., 1976; Заварзин А. А. Основы частной цитологии и сравнительной гистологии многоклеточных животных, JI., 1976; Заварзин А. А. и Харазо-в а А. Д. Основы общей цитологии, Л., 1982, библиогр.; Захаров А. Ф. Хромосомы человека, М., 1977; о н ж е, Хромосомы человека, Атлас, М., 1982; Зеленин А, В., Кущ А. А. и Прудов-с к и й И. А. Реконструированная клетка, М., 1982; ЗенгбушП. Молекулярная и клеточная биология, пер. с нем., т. 1-3, М., 1982; К а р м ы ш е в а В. Я. Поражение клеток при вирусных инфекциях, М., 1981; НейфахА. А. и Тимофеева М. Я. Проблемы регуляции в молекулярной биологии развития, М., 1978; Р а й-к о в И. Б. Ядро простейших, Л., 1978; РингерцН. и Сэвидж Р. Гибридные клетки, пер. с англ., М., 1979; Ролан Ж.-К., СелошиА. иСелоши Д. Атлас по биологии клетки, пер. с франц., М., 1978; С о л о в ь е в В. Д., Хесин Я, Е. и Быковский А,. Ф, Очерки по вирусной цитопатологии, М., 1979; Хэм А. и Кормак Д. Гистология, пер. с англ., т. 1, ч. 2, М., 1982; Ч е н ц о в Ю. С. Общая цитология, М., 1984; Э ф р у с с и Б. Гибридизация соматических клеток, пер. с англ., М., 1976; Grundlagen der Cytolo-gie, hrsg. v. G. C. Hirch u. a., Jena, 1973. Периодические издания - Цитология, Д., с 1959; Цитология и генетика, Киев, с 1965; Acta Cytologica, St Louis, с 1957; Acta Histochemica and Cytochemica, Kyoto, с 1960; Advances in Cell and Molecular Biology, N. Y., с 1971; Analytical and Quantitative Cytology, St Louis, с 1979; Canadian Journal of Genetics and Cytology, Austin, с 1916; Caryologia, Firenze, с 1948; Cell, Cambridge, с 1974; Cellule, Bruxelle, с 1884; Cytogenetics and Cell Genetics, Basel, с 1962; Folia Histochemica et, Cytochemica, Warszawa, с 1963; International Review of Cytology, N. Y., с 1952; Journal of Histochemistry and Cytochemistry, N. Y., с 1953. См. также библиогр. к ст. Клетка.

наука о клетках - структурных и функциональных единицах почти всех живых организмов. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате координированной активности составляющих его клеток. Задача цитолога - установить, как построена живая клетка и как она выполняет свои нормальные функции. Изучением клеток занимаются также патоморфологи, но их интересуют изменения, происходящие в клетках во время болезни или после смерти. Несмотря на то что учеными давно уже было накоплено немало данных о развитии и строении животных и растений, только в 1839 были сформулированы основные концепции клеточной теории и началось развитие современной цитологии. Клетки - это самые мелкие единицы живого, о чем наглядно свидетельствует способность тканей распадаться на клетки, которые затем могут продолжать жить в "тканевой" или клеточной культуре и размножаться подобно крошечным организмам. Согласно клеточной теории, все организмы состоят из одной или многих клеток. Из этого правила есть несколько исключений. Например, в теле слизевиков (миксомицетов) и некоторых очень мелких плоских червей клетки не отделены друг от друга, а образуют более или менее слитную структуру - т.н. синцитий. Однако можно считать, что такое строение возникло вторично в результате разрушения участков клеточных мембран, имевшихся у эволюционных предков этих организмов. Многие грибы растут, образуя длинные нитевидные трубки, или гифы. Эти гифы, часто разделенные перегородками - септами - на сегменты, тоже можно рассматривать как своеобразные вытянутые клетки. Из одной клетки состоят тела протистов и бактерий. Между бактериальными клетками и клетками всех других организмов существует одно важное различие: ядра и органеллы ("маленькие органы") бактериальных клеток не окружены мембранами, и поэтому эти клетки называют прокариотическими ("доядерными"); все другие клетки называют эукариотическими (с "настоящими ядрами"): их ядра и органеллы заключены в мембраны. В этой статье рассматриваются только эукариотические клетки.
См. также КЛЕТКА.
Открытие клетки. Изучение мельчайших структур живых организмов стало возможным лишь после изобретения микроскопа, т.е. после 1600. Первое описание и изображения клеток дал в 1665 английский ботаник Р.Гук: рассматривая тонкие срезы высушенной пробки, он обнаружил, что они "состоят из множества коробочек". Каждую из этих коробочек Гук назвал клеткой ("камерой"). Итальянский исследователь М.Мальпиги (1674), голландский ученый А. ван Левенгук, а также англичанин Н.Грю (1682) вскоре привели множество данных, демонстрирующих клеточное строение растений. Однако ни один из этих наблюдателей не понял, что действительно важным веществом был наполнявший клетки студенистый материал (впоследствии названный протоплазмой), а казавшиеся им столь важными "клетки" были просто безжизненными целлюлозными коробочками, в которых содержалось это вещество. До середины 19 в. в трудах ряда ученых уже просматривались зачатки некой "клеточной теории" как общего структурного принципа. 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.
Создание клеточной теории. Количество прямых сведений о клетке и ее содержимом чрезвычайно возросло после 1830, когда появились усовершенствованные микроскопы. Затем в 1838-1839 произошло то, что называют "завершающим мазком мастера". Ботаник М.Шлейден и анатом Т.Шванн практически одновременно выдвинули идею клеточного строения. 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.
Открытие протоплазмы. Сначала незаслуженно большое внимание уделяли стенкам клетки. Однако еще Ф.Дюжарден (1835) описал живой студень у одноклеточных организмов и червей, назвав его "саркодой" (т.е. "похожим на мясо"). Эта вязкая субстанция была, по его мнению, наделена всеми свойствами живого. Шлейден тоже обнаружил в растительных клетках мелкозернистое вещество и назвал его "растительной слизью" (1838). Спустя 8 лет Г.фон Моль воспользовался термином "протоплазма" (примененным в 1840 Я.Пуркинье для обозначения субстанции, из которой формируются зародыши животных на ранних стадиях развития) и заменил им термин "растительная слизь". В 1861 М.Шультце обнаружил, что саркода содержится также в тканях высших животных и что это вещество идентично как структурно, так и функционально т.н. протоплазме растений. Для этой "физической основы жизни", как определил ее впоследствии Т.Гексли, был принят общий термин "протоплазма". Концепция протоплазмы в свое время сыграла важную роль; однако уже давно стало ясно, что протоплазма не однородна ни по своему химическому составу, ни по структуре, и этот термин постепенно вышел из употребления. В настоящее время главными компонентами клетки обычно считают ядро, цитоплазму и клеточные органеллы. Сочетание цитоплазмы и органелл практически соответствует тому, что имели в виду первые цитологи, говоря о протоплазме.
Основные свойства живых клеток. Изучение живых клеток пролило свет на их жизненно важные функции. Было установлено, что последние можно разбить на четыре категории: подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение. Подвижность проявляется в различных формах: 1) внутриклеточная циркуляция содержимого клетки; 2) перетекание, обеспечивающее перемещение клеток (например, клеток крови); 3) биение крошечных протоплазматических выростов - ресничек и жгутиков; 4) сократимость, наиболее развитая у мышечных клеток. Раздражимость выражается в способности клеток воспринимать стимул и реагировать на него импульсом, или волной возбуждения. Эта активность выражена в наивысшей степени у нервных клеток. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, протекающие в клетках. Размножение обеспечивается способностью клетки к делению и образованию дочерних клеток. Именно способность воспроизводить самих себя и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого. Однако многие высокодифференцированные клетки эту способность утратили.
ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА
В конце 19 в. главное внимание цитологов было направлено на подробное изучение строения клеток, процесса их деления и выяснение их роли как важнейших единиц, обеспечивающих физическую основу наследственности и процесса развития.
Развитие новых методов. 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. Совершенствовался и сам микроскоп. К числу важных достижений в его устройстве следует отнести: осветитель, расположенный под столиком, для фокусировки пучка света; апохроматический объектив для корректировки недостатков окрашивания, искажающих изображение; иммерсионный объектив, дающий более четкое изображение и увеличение в 1000 раз и более. Было также обнаружено, что основные красители, например гематоксилин, обладают сродством к содержимому ядра, а кислотные красители, например эозин, окрашивают цитоплазму; это наблюдение послужило основой для создания разнообразных методов контрастного или дифференциального окрашивания. Благодаря этим методам и усовершенствованным микроскопам постепенно накапливались важнейшие сведения о строении клетки, ее специализированных "органах" и различных неживых включениях, которые клетка либо сама синтезирует, либо поглощает извне и накапливает.
Закон генетической непрерывности. Фундаментальное значение для дальнейшего развития клеточной теории имела концепция генетической непрерывности клеток. В свое время Шлейден считал, что клетки образуются в результате своего рода кристаллизации из клеточной жидкости, а Шванн в этом ошибочном направлении пошел еще дальше: по его мнению, клетки возникали из некой "бластемной" жидкости, находящейся вне 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. Следовательно, афоризм Вирхова можно распространить и на хромосомы (носители наследственных признаков), поскольку каждая из них происходит от предсуществующей. В 1865 было установлено, что мужская половая клетка (сперматозоид, или спермий) представляет собой полноценную, хотя и высокоспециализированную клетку, а спустя 10 лет О.Гертвиг проследил путь сперматозоида в процессе оплодотворения яйцеклетки. И наконец, в 1884 Э. ван Бенеден показал, что в процессе образования как сперматозоида, так и яйцеклетки происходит модифицированное клеточное деление (мейоз), в результате которого они получают по одному набору хромосом вместо двух. Таким образом, каждый зрелый сперматозоид и каждая зрелая яйцеклетка содержат лишь половинное число хромосом по сравнению с остальными клетками данного организма, и при оплодотворении происходит просто восстановление нормального числа хромосом. В итоге оплодотворенная яйцеклетка содержит по одному набору хромосом от каждого из родителей, что является основой для наследования признаков и по отцовской, и по материнской линии. Кроме того, оплодотворение стимулирует начало дробления яйцеклетки и развитие нового индивида. Представление о том, что хромосомы сохраняют свою идентичность и поддерживают генетическую непрерывность от одного поколения клеток к другому, окончательно сформировалось в 1885 (Рабль). Вскоре было установлено, что хромосомы качественно отличаются друг от друга по своему влиянию на развитие (Т.Бовери, 1888). Начали появляться также экспериментальные данные в пользу высказанной ранее гипотезы В. Ру (1883), согласно которой даже отдельные части хромосом влияют на развитие, структуру и функционирование организма. 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.
Законы наследственности. Второй этап в развитии цитологии как науки охватывает 1900-1935. Он наступил после того, как в 1900 были вторично открыты основные законы наследственности, сформулированные Г.Менделем в 1865, но не привлекшие к себе внимания и надолго преданные забвению. Цитологи, хотя и продолжали заниматься изучением физиологии клетки и такими ее органеллами, как центросома, митохондрии и аппарат Гольджи, основное внимание сосредоточили на строении хромосом и их поведении. Проводившиеся в это же время эксперименты по скрещиванию быстро увеличивали объем знаний о способах наследования, что привело к становлению современной генетики как науки. В результате возник "гибридный" раздел генетики - цитогенетика.
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЦИТОЛОГИИ
Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение. Цитологические методы используются, в частности, в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода.
См. также
ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ;
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ. Однако самое важное применение цитологических методов в медицине - это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения, распознаваемые опытными патоморфологами.
См. также РАК.
ЛИТЕРАТУРА
Ченцов Ю.С. Общая цитология, 3-е изд. М., 1995 Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология, т. 1. М., 1996

• - cytology - .Hаука о структуре и функциях клеток ; основы Ц. были заложены в конце ХVII в. с изобретением микроскопа...

  Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь

• - учение о строении и жизни клеток раст., жив. и чел. ц. делится на общую и частную...

  Сельскохозяйственный словарь-справочник

• - наука о строении, функции и развитии клеток. Основы Ц. были заложены в клеточной теории, сформулированной Т. Шванном в 1838-39...

  Ветеринарный энциклопедический словарь

• - отрасль науки, изучающая структуру, функцию и эволюцию клеток...

  Словарь ботанических терминов

• - наука, изучающая строение, химический состав, функции, индивидуальное развитие и эволюцию клеток...

  Начала современного Естествознания

• - наука о клетках - структурных и функциональных единицах почти всех живых организмов. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате координированной активности составляющих его...