Введение предмет цитологии

Цитология – это наука о строении, химическом составе, развитии, воспроизведении и функциях клетки. Клетки, как элементарные структурно-функциональные и генетические единицы живого, существуют на Земле в виде отдельных организмов (бактерий, простейших, одноклеточных водорослей и грибов) и в составе тканей многоклеточных животных, растений и грибов.

На первых этапах своего становления и развития цитология представляла собой описательную науку. В настоящее время она превратилась в фундаментальную дисциплину, рассматривающую не только морфологические, но и молекулярно-биологические аспекты организации и функционирования клетки. Углубленному изучению клетки в значительной мере способствовало использование наряду с традиционным микроскопическим методом современных методов биохимии, биофизики и генетики. Прогресс цитологии во многом связан с развитием и научными достижениями молекулярной биологии, физиологии и др. наук.

Цитология как синтетическая наука о клетке, является одним из важнейших разделов современной биологии. Без знаний в этой области невозможно восприятие многих биологических закономерностей, протекающих на различных уровнях организации живого. Поэтому цитология служит фундаментом ряда дисциплин биологического и медицинского профиля: анатомии, гистологии, физиологии, генетики, биологии размножения и развития, эволюционного учения и т.д.

Данное пособие предназначено для студентов биологического факультета. Однако, поскольку оно посвящено изучению элементарной единицы живой материи, может быть полезно для студентов педагогических, медицинских, физкультурных, аграрных высших учебных заведений.

Содержание учебного пособия «Цитология» соответствует государственному стандарту и утвержденной учебной программе дисциплины.

Краткая история изучения клетки, методы цитологии

Термин клетка был предложен в 1665 г. английским физиком Р.Гуком, обнаружившим с помощью сконструированного им светового микроскопа мелкие ячейки (cel) в срезах пробки. В 1674 г. голландец А.ван Левенгук впервые сообщил об открытии живых микроскопических объектов: эритроцитов, сперматозоидов, простейших. Несколько лет спустя он впервые увидел бактерии. В 30-е годы 19 века Р. Броуном в растительных клетках было обнаружено ядро.

В 1838-39 гг. немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн, обобщив все доступные им наблюдения и идеи, предложили и обосновали клеточную теорию, согласно которой клетка является структурной и функциональной единицей строения растений и животных. Позднее (в середине 19 века) работами немецкого врача Р. Вирхова было показано, что новые клетки возникают только путем деления предсуществующих клеток. Процесс образования клеток лежит в основе роста, размножения и развития всего живого. Клеточная теория, основные постулаты которой сохранили свое значение на сегодняшний день, в последующем дополнилась новыми положениями.

Дальнейшему прогрессу в изучении клетки способствовало развитие микроскопической техники и гистологических методов исследований. Решающим моментом на этом пути было создание К.Цейссом в 1886 г. прототипа микроскопа современного вида. Усовершенствование линз позволило рассматривать структуры, соизмеримые по размерам с теоретическим пределом разрешения для светового микроскопа. В 90-е гг. 19 века разработаны методы фиксации, получения тонких срезов на микротоме, более 2000 методов окраски разных тканей и органелл клетки. Все это привело к обнаружению ряда клеточных структур: в 1857 г. Келликер увидел в мышечных клетках митохондрии; в 1879 г В. Флеминг и И.Д. Чистяков описали хромосомы и митоз; в 1898 г. К. Гольджи впервые наблюдал пластинчатый комплекс (Гольджи).

Однако возможности светового микроскопа и микроскопической техники к концу 19 века были в значительной степени исчерпаны. Световой микроскоп не позволяет увеличить изображение препарата более чем в 2000 раз. Это ограничение связано с волновой природой света: излучение с определенной длиной волны может быть использовано только для изучения клеточных структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны самого излучения. При этом объекты, расстояние между которыми меньше примерно половины длины волны света, используемого для освещения, с помощью светового микроскопа различить невозможно. В результате два объекта будут выглядеть в световом микроскопе раздельно лишь в том случае, если расстояние между ними не превышает 0,2 мкм. Этот предел разрешения был достигнут в конце 19 века, а поскольку многие компоненты клеток имеют более мелкие размеры, сам факт их существования долго оставался неизвестным.

Существенным шагом в развитии цитологии стало использование в исследованиях электронных микроскопов, сконструированных в 1928-1931 гг. Е.Руска, М. Кноллем и Б. Боррие. В них источником излучения является поток электронов со значительно более короткой, чем видимый свет, длиной волны. С его помощью были открыты новые клеточные структуры, более детально описаны ранее известные органеллы, определена структура мембран и изучена молекулярная организация клетки.

Помимо микроскопических методов для изучения тонкой структуры клеточных органелл, их локализации и метаболических свойств, для анализа строения клетки на макромолекулярном уровне в 20 веке разработаны и широко применяются в современной цитологии многочисленные методы. К ним можно отнести дифференциальное центрифугирование, т.е. разделение органелл клетки и ее химических компонентов по удельному весу при разных ускорениях; хроматографию и электрофорез, позволяющих разделять смеси химических веществ по массе и электрическому заряду в агаре, полиакриламидном геле, целлюлозе; авторадиографию, основанную на использовании меченых молекул предшественников, включающихся в разные компоненты клеток. Этот метод дает возможность выявить обновляемые популяции клеток, длительность фаз митотического цикла, проследить перемещение молекул в клетке и тканях.

Эксперименты, проведенные в начале - середине 20-го века показали, что многие типы эукариотических клеток способны не только выживать, но и размножаться и даже дифференцироваться в благоприятных условиях. В 1907–1911 годы Р. Гаррисон начал культивировать клетки вне организма, а в 1913 г. А. Каррель получил длительно перевиваемые штаммы клеток. В 50-е годы были созданы прописи синтетических питательных сред, на которых могут размножаться культивируемые клетки. В 1964 г. Като и Такеуши удалось получить из растущей в культуре тканей клетки корня целое растение моркови.

Широкие перспективы для дальнейшего развития цитологии открывают методы клеточной и молекулярной инженерии. В 1964 г. Г.Гердон при пересадке ядра клетки печени или кишечника взрослой лягушки в зиготу с удаленным ядром получил развитие нормального лягушонка. Это позволило сделать принципиальный вывод о том, что дифференцированные клетки содержат всю полноту генетической информации. Настоящую революцию в исследовании клетки произвела разработка технологии рекомбинативных ДНК. Этот метод позволяет вырезать любой участок клеточной ДНК и вставить его в самореплицирующийся генетический материал, например вируса, и получать таким образом неограниченное количество нуклеиновой кислоты, а также кодируемых ею белков.

Достижением последних десятилетий явилась расшифровка специфичности многих процессов в клетке: установлена роль эндосом в сортировке биологических молекул; изучены сигнальные участки олигопептидов и олигосахаридов, предопределяющих перемещение белковых молекул в клетке; расшифрованы последовательности аминокислот, обеспечивающих импорт молекул в эндоплазматическую сеть, митохондрии и ядро; расширены представления о клеточных рецепторах, избирательно узнающих сигнальные молекулы и обеспечивающие процессы межклеточного взаимодействия и адгезии клеток с компонентами внеклеточного матрикса; значительно дополнена информация о механизмах передачи внешних сигналов внутрь клетки и формировании клеточного ответа.