Цитология - наука о клетке. Наука о клетке называется цитологией (греч. "цитос"-клетка, "логос"-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название "клетка" в середине XVII в. применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.
В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.
Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.
На уроке мы узнаем историю возникновения цитологии, вспомним понятие клетки, рассмотрим, какой вклад внесли различные ученые в развитие цитологии.
Все живые су-ще-ства, за ис-клю-че-ни-ем ви-ру-сов, со-сто-ят из кле-ток. Но для уче-ных про-шло-го кле-точ-ное стро-е-ние живых ор-га-низ-мов было не таким оче-вид-ным, как для нас с вами. Наука, изу-ча-ю-щая клет-ку,ци-то-ло-гия , сфор-ми-ро-ва-лась лишь к се-ре-дине XIX века. Без зна-ния о том, от-ку-да бе-рет-ся жизнь, что яв-ля-ет-ся ее мель-чай-шей еди-ни-цей, вплоть до Сред-не-ве-ко-вья по-яв-ля-лись тео-рии о том, на-при-мер, что ля-гуш-ки про-ис-хо-дят от грязи, а мыши за-рож-да-ют-ся в гряз-ном белье (рис. 2).
Рис. 2. Теории Средневековья ()
«Гряз-ное белье сред-не-ве-ко-вой науки» пер-вым «раз-во-ро-шил» в 1665 г. ан-глий-ский есте-ство-ис-пы-та-тель Ро-берт Гук (рис. 3).
Рис. 3. Роберт Гук ()
Он впер-вые рас-смот-рел и опи-сал обо-лоч-ки рас-ти-тель-ных кле-ток. А уже в 1674 г. его гол-ланд-ский кол-ле-га Ан-то-ни ван Ле-вен-гук (рис. 4) пер-вым раз-гля-дел под са-мо-дель-ным мик-ро-ско-пом неко-то-рых про-стей-ших и от-дель-ные клет-ки жи-вот-ных, такие как эрит-ро-ци-ты и спер-ма-то-зо-и-ды.
Рис. 4. Антони ван Левенгук ()
Ис-сле-до-ва-ния Ле-вен-гу-ка ка-за-лись со-вре-мен-ни-кам на-столь-ко фан-та-сти-че-ски-ми, что в 1676 году Лон-дон-ское ко-ро-лев-ское об-ще-ство, куда он от-сы-лал ре-зуль-та-ты своих ис-сле-до-ва-ний, очень силь-но в них за-со-мне-ва-лось. Су-ще-ство-ва-ние од-но-кле-точ-ных ор-га-низ-мов и кле-ток крови, на-при-мер, никак не укла-ды-ва-лось в рамки то-гдаш-ней науки.
Чтобы осмыс-лить ре-зуль-та-ты труда гол-ланд-ско-го уче-но-го, по-тре-бо-ва-лось несколь-ко веков. Толь-ко к се-ре-дине XIX в. немец-кий уче-ный Тео-дор Шванн, ос-но-вы-ва-ясь на тру-дах сво-е-го кол-ле-ги Ма-тти-а-са Шлей-де-на (рис. 5), сфор-му-ли-ро-вал ос-нов-ные по-ло-же-ния кле-точ-ной тео-рии, ко-то-рой мы поль-зу-ем-ся и по сей день.
Рис. 5. Теодор Шванн и Маттиас Шлейден ()
Шванн до-ка-зал, что клет-ки рас-те-ний и жи-вот-ных имеют общий прин-цип стро-е-ния, по-то-му что об-ра-зу-ют-ся оди-на-ко-вым спо-со-бом; все клет-ки са-мо-сто-я-тель-ны, а любой ор-га-низм - это со-во-куп-ность жиз-не-де-я-тель-но-сти от-дель-ных групп кле-ток (рис. 6).
Рис. 6. Эритроциты, деление клетки, молекула ДНК ()
Даль-ней-шие ис-сле-до-ва-ния уче-ных поз-во-ли-ли сфор-му-ли-ро-вать ос-нов-ные по-ло-же-ния со-вре-мен-ной кле-точ-ной тео-рии:
- Клет-ка - уни-вер-саль-ная струк-тур-ная еди-ни-ца жи-во-го.
- Клет-ки раз-мно-жа-ют-ся путем де-ле-ния (клет-ка от клет-ки).
- Клет-ки хра-нят, пе-ре-ра-ба-ты-ва-ют, ре-а-ли-зу-ют и пе-ре-да-ют на-след-ствен-ную ин-фор-ма-цию.
- Клет-ка - это са-мо-сто-я-тель-ная био-си-сте-ма, от-ра-жа-ю-щая опре-де-лен-ный струк-тур-ный уро-вень ор-га-ни-за-ции живой ма-те-рии.
- Мно-го-кле-точ-ные ор-га-низ-мы - это ком-плекс вза-и-мо-дей-ству-ю-щих си-стем раз-лич-ных кле-ток, обес-пе-чи-ва-ю-щих ор-га-низ-му рост, раз-ви-тие, обмен ве-ществ и энер-гии.
- Клет-ки всех ор-га-низ-мов сход-ны между собой по стро-е-нию, хи-ми-че-ско-му со-ста-ву и функ-ци-ям.
Клет-ки чрез-вы-чай-но раз-но-об-раз-ны. Они могут раз-ли-чать-ся по струк-ту-ре, форме и функ-ци-ям (рис. 7).
Рис. 7. Разнообразие клеток ()
Среди них есть сво-бод-но жи-ву-щие клет-ки, ко-то-рые ведут себя как особи по-пу-ля-ций и видов, как са-мо-сто-я-тель-ные ор-га-низ-мы. Их жиз-не-де-я-тель-ность за-ви-сит не толь-ко от того, как ра-бо-та-ют внут-ри-кле-точ-ные струк-ту-ры, ор-га-но-и-ды. Они сами вы-нуж-де-ны до-бы-вать себе пищу, пе-ре-ме-щать-ся в окру-жа-ю-щей среде, раз-мно-жать-ся, то есть дей-ство-вать как ма-лень-кие, но вполне са-мо-сто-я-тель-ные особи. Таких сво-бо-до-лю-би-вых од-но-кле-точ-ных очень много. Они вхо-дят во все цар-ства кле-точ-ной живой при-ро-ды и на-се-ля-ют все среды жизни на нашей пла-не-те. В мно-го-кле-точ-ном ор-га-низ-ме клет-ка яв-ля-ет-ся его ча-стью, из кле-ток об-ра-зу-ют-ся ткани и ор-га-ны.
Раз-ме-ры кле-ток могут быть очень раз-ны-ми - от одной де-ся-той мик-ро-на и до 15 сан-ти-мет-ров - таков раз-мер яйца стра-у-са, пред-став-ля-ю-ще-го собой одну клет-ку, а вес этой клет-ки - пол-то-ра ки-ло-грам-ма. И это да-ле-ко не пре-дел: яйца ди-но-зав-ров, к при-ме-ру, могли до-сти-гать в длину целых 45 сан-ти-мет-ров (рис. 8).
Рис. 8. Яйцо динозавра ()
Обыч-но у мно-го-кле-точ-ных ор-га-низ-мов раз-ные клет-ки вы-пол-ня-ют раз-лич-ные функ-ции. Клет-ки, сход-ные по стро-е-нию, рас-по-ло-жен-ные рядом, объ-еди-нен-ные меж-кле-точ-ным ве-ще-ством и пред-на-зна-чен-ные для вы-пол-не-ния опре-де-лен-ных функ-ций в ор-га-низ-ме, об-ра-зу-ют ткани (рис. 9).
Рис. 9. Образование ткани ()
Жизнь мно-го-кле-точ-но-го ор-га-низ-ма за-ви-сит от того, на-сколь-ко сла-жен-но ра-бо-та-ют клет-ки, вхо-дя-щие в его со-став. По-это-му клет-ки не кон-ку-ри-ру-ют между собой, на-про-тив, ко-опе-ра-ция и спе-ци-а-ли-за-ция их функ-ций поз-во-ля-ет ор-га-низ-му вы-жить в тех си-ту-а-ци-ях, в ко-то-рых оди-ноч-ные клет-ки не вы-жи-ва-ют. У слож-ных мно-го-кле-точ-ных ор-га-низ-мов - рас-те-ний, жи-вот-ных и че-ло-ве-ка - клет-ки ор-га-ни-зо-ва-ны в ткани, ткани - в ор-га-ны, ор-га-ны - в си-сте-мы ор-га-нов. И каж-дая из этих си-стем ра-бо-та-ет на то, чтобы обес-пе-чить су-ще-ство-ва-ние це-ло-му ор-га-низ-му.
Несмот-ря на все раз-но-об-ра-зие форм и раз-ме-ров, клет-ки раз-ных типов схожи между собой. Такие про-цес-сы, как ды-ха-ние, био-син-тез, обмен ве-ществ, идут в клет-ках неза-ви-си-мо от того, яв-ля-ют-ся ли они од-но-кле-точ-ны-ми ор-га-низ-ма-ми или вхо-дят в со-став мно-го-кле-точ-но-го су-ще-ства. Каж-дая клет-ка по-гло-ща-ет пищу, из-вле-ка-ет из нее энер-гию, из-бав-ля-ет-ся от от-хо-дов об-ме-на ве-ществ, под-дер-жи-ва-ет по-сто-ян-ство сво-е-го хи-ми-че-ско-го со-ста-ва и вос-про-из-во-дит саму себя, то есть осу-ществ-ля-ет все про-цес-сы, от ко-то-рых за-ви-сит ее жизнь.
Все это поз-во-ля-ет рас-смат-ри-вать клет-ку как осо-бую еди-ни-цу живой ма-те-рии, как эле-мен-тар-ную живую си-сте-му (рис. 10).
Рис. 10. Схематический рисунок клетки ()
Все живые су-ще-ства, от ин-фу-зо-рии до слона или кита, са-мо-го круп-но-го на се-го-дняш-ний день мле-ко-пи-та-ю-ще-го, со-сто-ят из кле-ток. Раз-ни-ца лишь в том, что ин-фу-зо-рии - са-мо-сто-я-тель-ные био-си-сте-мы, со-сто-я-щие из одной клет-ки, а клет-ки кита ор-га-ни-зо-ва-ны и вза-и-мо-свя-за-ны как части боль-шо-го 190-тон-но-го це-ло-го. Со-сто-я-ние всего ор-га-низ-ма за-ви-сит от того, как функ-ци-о-ни-ру-ют его части, то есть клет-ки.
Список литературы
- Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. - Дрофа, 2009.
- Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. - 2-е изд., перераб. - М.: Вентана-Граф, 2005
- Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2002.
- Krugosvet.ru ().
- Uznaem-kak.ru ().
- Mewo.ru ().
Домашнее задание
- Что изучает цитология?
- Каковы основные положения клеточной теории?
- Чем различаются клетки?
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ И КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ
ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ КАК ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА
ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ
Цитология – раздел биологии, в настоящее время выступающий как самостоятельная наука, изучающая структурные, функциональные и генетические особенности клеток всех организмов.
В настоящее время цитологические исследования имеют существенное значение для диагностики заболеваний, так как позволяют изучать патологию на основе элементарной единицы строения, функционирования и воспроизведения живой материи – клетки . На уровне клетки проявляются все основные свойства живого: обмен веществ, использование биологической информации, размножение, рост, раздражимость, наследственность, способность приспосабливаться. Клетки живых организмов отличаются разнообразием морфологии и сложностью строения (даже в пределах одного организма), однако определённые черты обнаруживаются во всех без исключения клетках.
Открытию клеточной организации живых существ предшествовало изобретение увеличительных приборов. Так первый микроскоп бы сконструирован голландскими оптиками Гансом и Захарием Янсенами (1590). Великий Галилео Галилей изготовил микроскоп в 1612 году. Однако началом изучения клетки считается 1665 год, когда английский физик Роберт Гук использовал изобретение своего соотечественника Христиана Гюйгенса (в 1659 г. он сконструировал окуляр), применив его к микроскопу для исследования тонкого строения пробки. Он заметил, что вещество пробки состоит из большого количества мелких полостей, отделённых друг от друга стенками, которые он и назвал клетками. Так было положено начало микроскопическим исследованиям.
Особо следует выделить исследования А. Левенгука, который в 1696 г. открыл мир одноклеточных организмов (бактерии и инфузории) и впервые увидел клетки животных (эритроциты и сперматозоиды).
В 1825 году Я. Пуркинье впервые наблюдал ядро в яйцеклетке курицы, а Т. Шванн первым описал ядро в клетках животных.
К 30-м годам XIXвека был накоплен значительный фактический материал по микроскопическому строению клеток и в 1838 году М. Шлейден выдвинул идею об идентичности растительных клеток с точки зрения их развития. Т. Шванн сделал окончательное обобщение, поняв значение клетки и клеточного строения как основной структуры жизнедеятельности и развития живых организмов.
Клеточная теория, созданная М. Шлейденом и Т. Шванном, говорит о том, что клетки являются структурной и функциональной основой живых существ. Р. Вирхов применил клеточную теорию Шлейдена-Шванна в медицинской патологии, дополнив её такими важными положениями, как «всякая клетка из клетки» и «всякое болезненное изменение связано с каким-то патологическим процессом в клетках, составляющих организм».
Основные положения современной клеточной теории :
1. Клетка - элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов, вне клетки нет жизни.
2. Клетка - целостная система, содержащая большое количество связанных друг с другом элементов - органелл.
3. Клетки различных организмов похожи (гомологичны) по строению и основным свойствам и имеют общее происхождение.
4. Увеличение количества клеток происходит путем их деления, после репликации их ДНК: клетка - от клетки.
5. Многоклеточный организм – это новая система, сложный ансамбль из большого количества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных между собой с помощью химических факторов: гуморальных и нервных.
6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны - любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала этого организма, всеми возможными потенциями для проявления этого материала, - но отличаются по уровню экспрессии (работы) отдельных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - дифференцировке.
Таким образом, благодаря клеточной теории, обосновывается представление о единстве органической природы.
Современная цитология изучает:
Строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем;
Функции отдельных клеточных компонентов;
Процессы воспроизводства клеток, их репарацию;
Приспособление к условиям внешней среды;
Особенности специализированных клеток.
Цитологические исследования имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека.
Ключевые слова и понятия: цитология, клетка, клеточная теория
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КЛЕТКАХ
Все известные на Земле формы жизни могут быть классифицированы следующим образом:
НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ
ВИРУСЫ
Вирус (лат. virus – яд) – неклеточный организм, размеры которого варьируют в пределах 20 – 300 нм.
Вирионы (вирусные частицы) состоят из двух или трёх компонентов: сердцевину вируса составляет генетический материал в виде ДНК или РНК (некоторые имеют оба типа молекул), вокруг него находится белковая оболочка (капсид), образованная субъединицами (капсомерами). В некоторых случаях имеется дополнительная липопротеиновая оболочка, возникающая из плазматической мембраны хозяина. У каждого вируса капсомеры капсида располагаются в строго определённом порядке, благодаря чему возникает особый тип симметрии, например спиральная (трубчатая форма – вирус табачной мозаики или сферическая у РНК-содержащих вирусов животных) и кубическая (изометрические вирусы) или смешанная (рис. 1).
Цитология - наука, изучающая клеточное взаимодействие и структуру клетки, которая, в свою очередь, является фундаментальной составляющей любого живого организма. Сам термин происходит от древнегреческих понятий «китос» и «логос», означающих, соответственно, клетку и учение.
Возникновение и раннее развитие науки
Цитология - это одна из целой плеяды наук, которые отпочковались в Новое время от биологии. Предтечей ее возникновения стало изобретение микроскопа в XVII веке. Именно наблюдая за жизнью через подобную примитивнейшую конструкцию, англичанин впервые обнаружил, что из клеток состоят все Таким образом, он заложил то, что изучает цитология сегодня. Десятью годами позже другой ученый - Антони Левенгук - обнаружил, что клетки имеют строго упорядоченную структуру и закономерности функционирования. Ему принадлежит и открытие существования ядер. Вместе с тем еще долгое время представление о клетке и ее функционировании тормозились неудовлетворительным качеством микроскопов того времени. Следующие важные шаги были сделаны в середине XIX века. Тогда была существенно усовершенствована техника, что позволило создать новые концепции, которым и обязана своим интенсивным развитием цитология. Это, прежде всего, открытие протоплазмы и возникновение
Основываясь на накопившихся к тому времени эмпирических знаниях, биологи М. Шлейден и Т. Шванн практически одновременно предложили научному миру идею того, что все клетки животных и растений сходны между собой, и что каждая такая клетка сама по себе обладает всеми свойствами и функциями живого организма. Подобное представление о сложных жизненных формах на планете оказало существенное влияние на путь, по которому далее прошла цитология. Это касается и ее современного развития.
Открытие протоплазмы
Следующим важным достижением в упомянутой области знаний стало открытие и описание свойств протоплазмы. Она является веществом, которое наполняет клеточные организмы, а также представляет собой среду для органов клеток. Позднее знания ученых об этом веществе эволюционировали. Сегодня его называют цитоплазмой.
Дальнейшее развитие и открытие генетической наследственности
Во второй половине XIX были обнаружены дискретные тельца, которые содержатся в Они были названы хромосомами. Их изучение открыло человечеству законы генетической непрерывности. Важнейшим вкладом в эту область отметился в конце XIX века австриец Грегор Мендель.
Современное состояние науки
Для современного научного сообщества цитология - это одна из важнейших отраслей биологических знаний. Таковой ее сделало развитие научной методологии и технических возможностей. Методы современной цитологии широко используются в полезных для людей исследованиях, например, при изучении раковой опухоли, выращивании искусственных органов, а также в селекции, генетике, выведении новых видов животных и растений и так далее.
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.