Методы биологии на эмпирической и теоретической стадиях процесса научного познания

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую. Это разделение не абсолютно, так как эмпирическая стадия всегда развивается на основе предсуществующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии обычно возникает необходимость в эмпирической проверке выдвигаемых новых гипотез.

1. На эмпирической стадии используются следующие методы:

Наблюдение и описание – изучение и анализ объектов живой природы в естественных условиях существования и их описание. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов с видеокамерами ночного видения, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, в том числе спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру. Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса теленка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т. д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

Метод сравнения – изучение через сопоставления сходства и различия организмов и их частей.

Экспериментальный метод (опыт)– метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения – гипотезы. Примерами экспериментов являются скрещивания животных или растений с целью получения нового сорта или породы, проверка нового лекарства, выявление роли какого-либо органоида клетки и т. д. Эксперимент – это всегда получение новых знаний с помощью поставленного опыта.

Исторический метод – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Эволюционное учение развивалось в значительной мере благодаря этому методу.

Метод моделирования – изучение какого-либо процесса или явления

через воспроизведение его самого или его существенных свойств в виде модели. Моделирование дает возможность прогнозировать последствия природных и техногенных катастроф, направления смены экологических систем, объемы выращиваемой сельскохозяйственной продукции и др. Моделирование – метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте. Так, например, при установлении структуры молекулы ДНК Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов детского конструктора модель – двойную спираль ДНК, отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований.

Методы статистики дают количественный учет и математическое описание структур и явлений. Биология все более становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят обычно вероятностный характер. Это означает, что то или иное событие не строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной степенью вероятности. На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития. Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

Дополнительные сведения

Проблема – вопрос, задача, требующие решения. Решение проблемы ведет к получению нового знания. Научная проблема всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации. Примером проблемы может служить, например, такая: «Как возникает приспособленность организмов к окружающей среде?» Сформулировать проблему бывает достаточно сложно, однако всегда, когда есть затруднение, противоречие, появляется проблема.

Гипотеза – предположение, предварительное решение поставленной проблемы. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если … тогда». Например, «Если растения на свету выделяют кислород, то мы сможем его обнаружить с помощью тлеющей лучины, т. к. кислород должен поддерживать горение». Гипотеза проверяется экспериментально.

Теория – это обобщение основных идей в какой-либо научной области знания. Например, теория эволюции обобщает все достоверные научные данные, полученные исследователями на протяжении многих десятилетий. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются. Некоторые теории могут опровергаться новыми фактами. Верные научные теории подтверждаются практикой. Так, например генетическая теория Г. Менделя и хромосомная теория Т. Моргана подтвердились многими экспериментальными исследованиями в разных странах мира. Современная эволюционная теория хотя и нашла множество научно доказанных подтверждений, до сих пор встречает противников, т. к. не все ее положения можно на современном этапе развития науки подтвердить фактами.

Частными научными методами в биологии являются:

Генеалогический метод – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.

Палеонтологический метод – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.

Цитологический, или цитогенетический, – исследование строения клетки, ее структур с помощью различных микроскопов.

Системный метод, как и кибернетический подход, относится к категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые объекты рассматриваются как системы, то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли.

Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу. Анализ - это дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез. С аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и микроструктурной организации живых объектов, выяснение видового разнообразия среди животных, растений, микроорганизмов, выявление генетической неоднородности организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро-гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике - от экологии и анатомии до молекулярной генетики.

II. Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания. От получения фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез, далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории. Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано или поздно могут быть пересмотрены.

Определения понятия « жизнь» в трудах ученых

Классическим определением жизни стала формулировка Ф. Энгельса: «Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Выдающийся биохимик академик В.А.Энгельгардт отмечал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть ни что иное, как противодействие энтропии».

Более образно по этому поводу высказывался выдающийся физик XX века Э.Шредингер: «Живой организм может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, только путем постоянного извлечения отрицательной энтропии из окружающей его среды. Отрицательная энтропия вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той положительной энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив».

Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, известный биофизик М. Волькенштейн определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».

Несмотря на обилие высказываний по поводу феномена жизни, дать краткое и однозначное определение жизни представляется сегодня весьма сложной задачей. «Жизнь» не существует сама по себе - это лишь специфическое качество определенных систем, называемых «живыми» или «биологическими».

Жизнь, в ее конкретных проявлениях на Земле, представлена многообразием организмов. На основании достижений современной биологии можно выделить совокупность свойств, которые являются общими для всех живых существ и отличают их от тел неживой природы. Таким образом, к понятию «жизнь» мы приходим путем постижения специфических свойств живых организмов.

В одной из последних и удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б.М. Медниковым в виде аксиом теоретической биологии:

• Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана).

• Генетическая программа образуется матричным путём. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения используется ген предшествующего поколения (аксиома Н. К. Кольцова).

В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и не направленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (первая аксиома Ч. Дарвина).

• Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева – Ресовского).

• Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (вторая аксиома Ч. Дарвина).

Уровни организации живого – пример систем живой природы

Жизнь на Земле представлена организмами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам (популяция, вид), а также сообществам разной сложности (биогеоценозы, биосфера). В свою очередь, организмы характеризуются молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей и т.д.), с другой - сам является единицей в составе надорганизменных биологических систем (популяций, видов, биогеоценозов, биосферы в целом).

Уровень	Определение и краткая характеристика
Молекулярный	Представлен биологическими макромолекулами: нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды. С этого уровня начинаются процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ, передача наследственной информации и др. На молекулярном уровне проходит граница между живой и неживой природой.
Клеточный	Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех организмов. Только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. У одноклеточных организмов этот уровень совпадает с организменным
Тканево-органный	Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы.
Организменный или онтогенетический	Характеризуется многообразием форм. Организм как целое (особь) - элементарная единица жизни. На этом уровне протекают процессы онтогенеза
Популяционно- видовой	Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, свободно между собой скрещивающихся, составляет популяцию. Популяция - это элементарная единица эволюционного процесса, в ней начинаются процессы видообразования
Биогеоценотический	Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций разных видов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации. Являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов
Биосферный	Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, где живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны, образуя целостную динамическую систему.

Основные свойства живых систем

1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.

2. Обмен веществ. К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада (ассимиляция и диссимиляция), в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма и как следствие – постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз.

3. Самовоспроизведение (репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.

4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.

5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом). Филогенез всего органического мира называют эволюцией. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие часто сопровождается ростом – увеличением линейных размеров и массы всей особи и ее отдельных органов за счет увеличения размеров и количества клеток. Историческое развитие сопровождается образование новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов на Земле.

7. Раздражимость – это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить. Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы) или роста (тропизмы). Неотъемлемым свойством организмов и всех живых систем является раздражимость - способность воспринимать внешние или внутренние раздражители (воздействия) и адекватно на них реагировать.

У животных, не имеющих нервной системы, одноклеточных организмов и некоторых клеток многоклеточных организмов (например, фагоцитов крови) реакции на раздражение выражаются, в частности, в форме двигательных реакций - таксисов, пространственных перемещений. В зависимости от характера раздражения выделяют следующие таксисы: фототаксис, хемотаксис, термотаксис, геотаксис и т.д. У фотосинтезирующих организмов обычно ярко выражен положительный фототаксис (перемещение в зону, наиболее освещенную), гетеротрофным организмам чаще всего свойственен отрицательный фототаксис (избегание освещенных зон). Благодаря хемотаксису, фагоциты крови скапливаются вокруг, например, проникших в организм бактерий и осуществляют свою функцию - фагоцитоз («пожирание») бактерий. Растения сравнительно с животными характеризуются малой подвижностью. Большинство движений у растений возникает как ответные реакции на раздражение светом, температурой, гравитацией, химическими факторами. Ростовые движения связаны с влиянием на растение фактора, действующего в одном направлении - тропизмы. Положительный тропизм называется тогда, когда растение изгибается по направлению к раздражителю, а отрицательным, если растение изгибается в противоположную от раздражителя сторону. К сократительным движениям у растений можно отнести быстрые движения листьев у мимозы, кислицы, насекомоядных растений (например, росянки) при прикосновении к ним - настии.

У многоклеточных животных нервная и мышечная системы обеспечивают ответные двигательные реакции; развиваются формы опосредованной реактивной связи с раздражителем через высшую нервную деятельность и сознание. Благодаря раздражимости достигается уравновешивание организмов с внешней средой: организмы адекватно реагируют на изменения условий окружающей их среды изменениями в функционировании соответствующих элементов биологической системы и самой системы в целом.

8. Дискретность (от лат. discretus – разделенный), целостность – наоборот способствует объединению. Применительно к живым организмам эти термин означает, что любая биологическая система (от организма до биосферы) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных в пространстве, но в то же время тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Так любой биологический вид состоит из отдельных особей, тело живого организма состоит из отдельных органов, органы состоят из тканей, а ткани - из клеток и т.д. Дискретность строения материи - основа ее упорядоченности. Она позволяет самообновляться организму без прекращения его функций, а на надвидовом уровне дает возможность эволюционирования. На основе дискретности выделяют уровни организации живой материи. «Дискретность и целостность – два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды).

Целостность биологических систем качественно отличается от целостности неживого тем, что целостность живого поддерживается в процессе развития.

9. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

10. Ритмичность – свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д. Ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов через определенные равные промежутки времени. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и многие другие.

11. Энергозависимость. Биологические системы являются «открытыми» для поступления энергии. Под «открытыми» понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают из окружающей среды энергия и вещества в виде пищи. В большинстве случаев организмы используют энергию Солнца: одни непосредственно – это фотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии), другие опосредованно, в виде органических веществ потребляемой пищи, – это гетеротрофы (животные, грибы и бактерии).

12. Хиральная чистота молекул. В нынешнее время известно, что белки, входящие в состав живых существ на нашей планете, построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты - из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. Таким образом, все живое представлено ассиметричными молекулами, а неживое – симметрией в молекулах.

Таким образом, биологические системы резко отличаются от объектов неживой природы своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи. Характеризуя жизнь как явление, следует учитывать ее разнообразие и многокачественность, поскольку она представлена на нашей планете биологическими системами различной сложности. Все биосистемы должны иметь нечто общее, что отличало бы их от неживой природы. Это – сложный обмен веществ и энергии, способность к размножению и развитию, наследственность, изменчивость и адаптивная эволюция.

ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ 1

1. Заполнить таблицу:

Вопросы	Уровень организации
Изучение работы печени
Изучение сообщества
Изучение дыхательной системы
Роль углеводов и жиров в обмене веществ
Изучение процессов митоза и мейоза
Изучение отдельных организмов бактерий и простейших, а также клеток, составляющих многоклеточные организмы.
Изучение процессов жизнедеятельности индивидуумов
Демэкология
Синтез АТФ в митохондриях
Изучение представителей одного вида
Изучение хромосом клеток
Экология
Изучение клеток, имеющих общее происхождение и выполняющих сходные функции
Изучение сердечной мышцы
Изучение органоидов эукариотических организмов
Синэкология
Анатомия и физиология человека
Изучение организмов одного и того же вида, совместно обитающих в определенных ареалах
Аутэкология
Синтез белков и углеводов
Исследование молекул нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и других биологических молекул в клетке.
Высшая форма организации живого. Включает все биогеоценозы, связанные общим обменом веществ и превращением энергии.
Гистология
Транскрипция мат РНК
Изучение участков ДНК
Изучение одноклеточных и многоклеточных организмов.
Представлен совокупностью организмов разных видов, в той или иной степени зависящих друг от друга.

ТЕМА ЗАНЯТИЯ 2

ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

Цитология («cytos» - ячейка, клетка) наука о клетке. Современная цитология изучает: строение клеток, их формирование как элементарных живых систем; исследует формирование отдельных клеточных компонентов, процессы воспроизведения клеток, репарации, приспособления к условиям среды и другие процессы. Другими словами, современная цитология – это физиология клетки.

Открытие и дальнейшее изучение клетки стало возможным только после изобретения микроскопа. Это связано с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм). Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.

Примечание. 1 миллиметр (мм) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем (Å). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.

В основу клеточной теории легли работы многих исследователей, искавших элементарную структурную единицу живого. Созданию и развитию клеточной теории способствовало возникновение в XVI в. и дальнейшее развитие микроскопии.

Исследования клетки имеют большое значение для разгадки заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологи­ческие изменения, приводящие к возникновению заболеваний. Одно из серьезных заболеваний человека – сахарный диабет. Причина этого заболевания – недостаточная деятельность группы клеток поджелудочной железы, вырабаты­вающих гормон инсулин, который участвует в регуляции сахар­ного обмена организма. Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают также на уровне кле­ток. Вот почему изучение строения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо не только в биологии, но также в медицине и ветеринарии.

Краткая история цитологии

Первые оптические приборы (простые линзы, очки, лупы) были созданы еще в XII веке. Но сложные оптические трубки, состоящие из двух и более линз, появляются только в конце XVI века. В изобретении светового микроскопа принимали участие Галилео Галилей (1609-1610 гг.), отец и сын Янсены (1590 г.) и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов. В середине XVII в. выдающийся английский естествоиспытатель Роберт Гук (1665 г.), изучая микроскопическое строение пробки, установил, что она состоит из замкнутых пузырьков, или ячеек. Р. Гук назвал их клетками (лат. – cellula).

В 1671 г. М. Мальпиги (Италия) и Н. Грю (Англия), изучая анатомическое строение растений, пришли к выводу, что все растительные ткани состоят из пузырьков-клеток. В работах Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю клетка рассматривается как составная часть ткани, которая не может существовать вне организма. Однако голландский микроскопист Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы (инфузории, саркодовые, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды). Позже (в XVIII в.) Л. Спалланцани открыл деление одноклеточных организмов.

В дальнейшем на основании исследований отдельных клеток сформировались представления о клетке как элементарном организме. Каспар Фридрих Вольф (1759) установил, что клетка есть единица роста. Долгое время изучались только клетки растений. Лишь в 1830-е гг. чешский гистолог Я. Пуркинье, немецкий физиолог И. Мюллер и другие исследователи показали, что клеточная организация является универсальной и для животных тканей, а немецкий физиолог Теодор Шванн доказал гомологичность растительных и животных клеток. Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

В истории развития клеточной теории можно выделить два этапа:

- период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных (около 300 лет);

- период обобщения имеющихся данных в 1838 и формулирование постулатов клеточной теории;

Основные положения клеточной теории

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

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

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

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

Клеточная теория Шванна–Шлейдена принадлежит к величайшим научным открытиям XIX в. Но Шванн и Шлейден считали, что новые клетки образуются путем самозарождения из живого вещества. Только немецкий врач Рудольф Вирхов (1858-1859 гг.) доказал, что каждая клетка происходит от клетки. В 1833 г. Р. Броун описал ядро растительной клетки. В 1839 г. М. Шлейден и Т. Шванн открыли ядрышко и сформулировали основные положения клеточной теории

В конце XIX в. окончательно формируются представления о клеточном уровне организации жизни. Немецкий биолог Г. Дриш (1891) доказал, что клетка – это не элементарный организм, а элементарная биологическая система. Постепенно формируется особая наука о клетке – цитология. Дальнейшее развитие цитологии в XX в. тесно связано с разработкой современных методов изучения клетки: электронной микроскопии, биохимических и биофизических методов, биотехнологических методов, компьютерных технологий и других областей естествознания. Современная цитология изучает строение и функционирование клеток, обмен веществ в клетках, взаимоотношения клеток с внешней средой, происхождение клеток в филогенезе и онтогенезе, закономерности дифференцировки клеток.

Клеточная теория развивалась благодаря новым открытиям. В 1880 г. У. Флемминг описал хромосомы и процессы, происходящие в митозе. Начиная с 1930 г. стала бурно развиваться электронная микроскопия, что позволило ученым изучать тончайшее строение клеточных структур. XX век стал веком расцвета биологии и таких наук, как цитология, генетика, эмбриология, биохимия, биофизика. Без создания клеточной теории это развитие было бы невозможным.

В настоящее время принято следующее определение клетки:

Клетка – это элементарная биологическая система, обладающая всеми свойствами и признаками жизни. Клетка есть единица структуры, функции и развития организмов.

 

Основные положения современной клеточной теории:

1. Все простые и сложные организмы состоят из клеток, способных к обмену с окружающей средой веществами, энергией, биологической информацией.

2. Клетка – элементарная структурная, функциональная единица живого.

3. Клетка – элементарная единица размножения и развития живого.

4. В многоклеточных организмах клетки дифференцированы по строению и функциям. Они объединены в ткани, органы и системы органов.

5. Клетка представляет собой элементарную, открытую живую систему, способную к саморегуляции, самообновлению и воспроизведению.

Методы изучения клеток

1. Метод световой микроскопии (рис. 1) – метод, при котором максимальное увеличение в 2 тыс. раз, разрешающая способность (минимальное расстояние, на котором можно различить 2 точки) = 0,3 мкм.

2. Метод электронной микроскопии (1933 г. - Германия) (рис.2) – метод, при котором вместо света используют поток электронов, стеклянные линзы заменены электромагнитными полями, максимальное увеличение 600000 раз, разрешающая способность = 0,04 мкм.

Рис.1, 2

3. Центрифугирование - разделение смесей на составные части под действием центробежной силы. Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций (составляющих) органических веществ и т. д. при этом ускорение в 300 раз больше, чем земное притяжение

4. Метод манипуляции (микрохирургии) - тончайшие операции на клетке под электронным микроскопом

5. Метод меченых атомов – введение в клетку изотопов, фотографирование; изучение химического состава

6. Метод культуры тканей вне организма - наблюдение за развитием тканей в питательной среде.

Практическое значение:

• Выращивание леса путем клонирования (во Франции 10%)

• Получение лекарственных веществ, например, на заводах по выращиванию клеток женьшеня.

• Изготовление розового масла из культуры клеток нектаринов.

Многообразие клеток

Мир живых существ на Земле насчитывает не менее 1,5—2 млн видов животных, 500 тыс. видов растений, примерно 100 тыс. видов грибов. Все это многообразие организмов изучает систематика. Систематика – раздел биологии, задачей которого является описание и обозначение всех существующих и вымирающих организмов, а также их классификация по таксонам (группировкам) различного ранга. До середины 20 века органический мир обычно делили только на два царства – растений и животных. Хотя еще в 19 веке все одноклеточные или даже все низшие организмы (простейшие, водоросли и низшие грибы) считали возможным выделить в самостоятельное царство, а некоторые микологи предлагали выделить в отдельное царство грибы. Только с развитием электронной микроскопии и молекулярной биологии в середине 20 века началась фундаментальная перестройка всей системы высших таксонов.