история становления гистологии как науки

Глава 3

В 1830 году ботаник Франц Юлиус Мейен публикует свой труд «Фитотомия», в котором описывает растительные клет- ки«бывающиеилиодиночными,так,чтокаждаяклеткапред- ставляет собой индивид, как это встречается у водорослей и грибов, или же, образуя более высоко организованные расте- ния, они соединяются в более и менее значительные массы» [106], а спустя год, в 1831 году, британский ботаник Роберт Броун впервые описывает ядро и высказывает предположе- ние, что оно является постоянной составной частью расти- тельной клетки,и,вто же время,немецкий ботаник Гуго фон Моль доказывает, что ситовидные трубки растений развива- ются из клеток [62].

3.1.2. Открытие клеточной теории

Первенство немецкого ботаника Маттиаса Якоба Шлейденаи немецкого физиолога Теодора Шваннав формулиро- вании первой клеточной теории часто подвергалось и до сих пор подвергается критике [42]. Они действительно не были первыми, кто увидел и описал клетки (см. гл. 2), они не соч- ли их жизненно важными единицами или первыми стади- ями развития (Шванн считал, что клетки образуются из так называемых цитобластем — бесструктурных живых субстан- ций [12], как и Шлейден [90]), однако обобщения, сделанные Шлейденом в 1838 году в его труде «Материалы по фитоге- незу» [90], и теория, сформулированная на основе этих обоб- щений Шванном в 1839 году в труде «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», представляют собой первую в истории науки синтетическую клеточную теорию. В своем труде Шванн сравнивает строение хорды и волокнистой хрящевой ткани, указывая, что структурно-функциональными единицами этих образований являются клетки [91]. Он также сравнива- етклетки вдругихтканях организма животных и растений и приходит к выводу, что все они сходны друг другу по своему строению.

20

История гистологии, цитологии в XIX веке

Наставник Шлейдена и Шванна Иоганн Мюллер, бывший одним из главных авторитетов своего времени в области ана- томо-физиологических исследований (в частности, открыв- ший парамезонефральный (Мюллеров) проток, а также со- вместно с Эрнстом Геккелем обосновавший биогенетический закон),включил клеточнуютеорию в свою книгу Handbuch der Physiologie (рус. — Настольная книга по физиологии), вышед- шую в светв 1840 году [72].Этим Мюллер обеспечил широкую известность клеточной теории и направил на нее внимание множества биологов второй половины XIX века, благодаря чему в течение нескольких десятков лет клеточная теория значительнорасшириласьивошлавосновуразличныхбиоло-

гических наук: Якоб Генле и Альберт фон Кёлликерсделали клетку основой гистологии,Эрнст Вильгельм фон Брюкке — основой физиологических процессов; в 1861 году Карл Гегенбауэр доказал,что все типы яиц являются яйцеклетками; в 1863 году Макс Шульцепоказал,чтомногие микроорганизмы являются одноклеточными, а Эрнст Геккель применил клеточную теорию к зоологической систематике [72].

Идея о том, что все клетки образуются из клеток, впервые была предложена прусским биологом Робертом Ремаком в 1852 году. Ремак опубликовал свои наблюдения о клеточном делении 1852 году, утверждая, что Шлейден и Шванн были неправы относительно происхождения клеток из цитобла- стем (см. выше) [93].

Вхождение клеточной теории в основу множества разных биологических наук повлияло и на Рудольфа Вирхова—еще одного студента Иоганна Мюллера. Вирхов ввел важное до- полнение к клеточной теории, указав на невозможность воз- никновения клетки откуда бы то ни было, кроме как из ма- теринской клетки. Взяв за основу труды Шлейдена, Шванна и Ремака, Вирхов дополняет клеточную теорию положением omnis cellula ex cellula (с лат. — каждая клетка образуется из клетки)[17],котороеможновстретитьвопубликованнойимв 1860 году работе по клеточной патологии [103] и которое ста- новится одном из главных афоризмов клеточной биологии.

21

Глава 3

Будучи врачом-патологом, Вирхов утверждал, что меди- цина является «антропоцентричной биологией» [42] (с чем сложно не согласиться, учитывая, что вся фундаментальная медицина является по своей сути биологией). В своей рабо- те 1860 года по клеточной патологии (о ней сказано выше) Вирхов предлагает свести причины всех болезней к единице, из которой устроен организм человека как целое — к клетке

[103], чем Вирхов сделал патологическую микроскопическую анатомию—клеточную патологию базисом для большинства клинических дисциплин.

Тем самым трое студентов Мюллера — Шлейден, Шванн и Вирхов,сталиосновоположникамиклеточнойтеории—одной из фундаментальных теорий клеточной биологии. Не умаляя их заслуг, следует сказать, что не только они внесли вклад в развитие гистологии,цитологии,эмбриологии и иных биоло- гических наук — прогресс возможен только в случае конти- нуальности процесса накопления научного знания идеятель- ности множества ученых, каждый из которых вносит вклад в развитие науки.

3.1.3. Иные открытия первой половины XIX века

Помимо открытий по описанию клетки в общем и созда- нию клеточнойтеории,первая половина XIX века знаменует- ся также множеством изменений в гистологической технике и открытий в гистологии.

Так, в начале XIX века английский оптик Эдмунд Кульпепер используя весь накопленный опыт предшественников, изобретает новую модель микроскопа (рис. 13), которая ста- новится наиболее распространенной в течение всей первой половины XIX века [12].

Вскоре после обоснования Шванном основных положе- ний клеточной теории в 1839 году, еще один студент Иоган- на Мюллера, швейцарский гистолог Альберт фон Кёлликер распространяет ее положения на ранние стадии эмбриональ- ного развития. В 1844 году он показывает, что яйцо (яйце-

22

История гистологии, цитологии в XIX веке

Рис. 13. Микроскоп Эдмунда Кульпепера. Из частной коллекции Эвелио Периа и Марии Виктории Боробио. Севилья, Испания

клетка) и сперматозоид оба являются клетками,которые сли- ваются друг с другом во время оплодотворения [10]. Помимо этого, он показывает, что лейомиоциты (гладкие мышечные клетки) также являются отдельными клетками, в то время как соматические (поперечно-полосатые) мышцы представляют собой структуру из объединившихся клеток (в 1847 году) [48], а также исследует множество иных тканей млекопитающих (в числе прочегодоказав,что нервные волокна являются непре- рывными продолжениями нейронов,чем Кёлликер заложил ос- нову всех последующих исследований в нейрофизиологии).

Параллельно работе Кёлликера, в Берлине трудится еще один студент Иоганна Мюллера, друг Теодора Шванна [82] —

Фридрих Густав Якоб Генле. В первой половине XIX века

23

Глава 3

Генле открывает названные в его честь: отдел нефрона, распо- лагающийсямеждупроксимальнымидистальнымизвитымка- нальцами (петля Генле),микроскопические карманы в конъюн- ктиве глаза (карманы Генле), ампулу маточной трубы (ампула Генле) и много иных микроструктурных образований [58].

Также в первую половину XIX века чешский анатом,физи- олог и гистолог Ян Евангелиста Пуркинье первым констру- ирует микротом, использует окраску для гистологических препаратов (индиго), разрабатывает методику просветления срезов в скипидаре и оливковом масле и первым предлагает заключить их в канадский бальзам [23], что позволило сде- лать их как никогда прежде пригодными для исследования в проходящем свете [12]. Помимо развития гистологической техники, Пуркинье в 1827 году открывает один из видов ней- роновкорымозжечка(клеткиПуркинье,рис.14),в1839году— проводящие волокна в сердце (волокна Пуркинье), вводит термин «протоплазма» [42].

Рис. 14. Клетки Пуркинье (А) и гранулярные клетки (В) мозжечка голубя. Рисунок Сантьяго Рамон-и-Кахаля, Музей Кахаля, Мадрид, Испания

24

История гистологии, цитологии в XIX веке

3.2. Вторая половина XIX века

Во второй половине XIX века происходит бурное развитие гистологии,связанноекаксоткрытиемклеточнойтеории,так и с дальнейшим улучшением микроскопической техники и появлением гистологической техники. Так, можно выделить Франца фон Лейдига, углубленно занимавшегося гистоло- гией и сравнительной анатомией. В 1850 году на основании обобщения информации из трудов Пуркинье, Генле, Мюл- лера, Ремака и иных гистологов, он создает классификацию тканей, принятую в общих чертах до сих пор: он подразде- ляет все ткани млекопитающих на эпителиальную, соедини- тельную,мышечную и нервную [9].Также Лейдиг занимается сравнительной анатомией и гистологией половых систем и,

вчастности, также в 1850 году описывает интерстициальные клетки яичка, названные позже в его честь [68]. В то же вре- мя современник Лейдига, итальянский гистолог Альфонсо Джакомо Гаспаре Корти, в 1851 году описывает гистологи- ческую структуру названного в его честь периферического отдела органа слуха [81].

Развиваются и методы микроскопии: так, с 1850 года на- чала применяться водная,а с 1878 года—масляная иммерсия (от лат. immersio — погружение), позволившие увеличить раз- решающую способность светооптического уровня в десятки раз [12]. Помимо изобретения иммерсионных объективов,

в1873 году немецкий физик Эрнст Карл Аббе описывает физическую основу получения изображения в микроскоп —

дифракционную теорию образования изображения (схема 2),

что становится физическим фундаментом для технологиче- ского прорыва в создании микроскопов, создававшихся до того момента на методе проб и ошибок [42]. В связи с этим Аббе также открывает дифракционный предел — минимальное значение размера видимой в микроскоп точки, которое можно получить при фокусировке электромагнитного излучения [22] (впоследствии преодоление дифракционного предела Аббе позволило достичь так называемого суперразрешения в ми-

25

Глава 3

кроскопии, за что в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии(см.ниже).Являясьсовладельцем компании по производству микроскопов «Carl Zeiss» [1], Аббе внедряет открытую им физическую теорию в производство, благодаря чему компания на многие годы вперед становится одним из лидеров по продаже микроскопов во всем мире [42].

Схема образования изображения в микроскопе по Аббе

x′—фокальная плоскость; x″—сопряженная плоскость,в которой расположено оптическое изображение А″В″,образованное отклоненным пучком лучей

Схема 2.Дифракционная теория образования изображения по Аббе

С ходом продолжающегося развития микроскопии и нако- пления знаний связано все более увеличивающееся количе- ство открытий в цитологии. Так, немецкий биолог Вальтер Флемминг при помощи анилиновых красителей хроматин в ядре (и давший ему это название) и центросому—в 1875 году [46], а также впервые описал митоз (он же дал ему это назва- ние, от греч. mitos — нить) в 1878 году в клетках плавников и жабр саламандр [47].Спустя 9лет,в 1884 году,немецкий бота-

ник Эдуард Адольф Страсбургер и немецкий зоолог Оскар Вильгельм Гертвиг, по словам Р.К. Данилова, «независимо друготдруга высказали гипотезу отом,что хроматин являет- ся материальным носителем наследственности» [12]. Гертвиг также внес существенный вклад в развитие эмбриологии, но рассмотрение ее истории не входит в цель данной работы.

26

История гистологии, цитологии в XIX веке

Вдальнейшем начали развиваться и методы гистологиче- ской окраски — в 1877 году российским химиком из Казан- ского Императорского университета Николаем Высоцким

была изобретена первая смесь гематоксилина с эозином [98]

для использования в процессе окрашивания микропрепара- тов,истехпор,вплотьдонастоящеговремени,данныйметод считается «золотым» для окраски большинства гистологиче- ских препаратов.Вскоре,в 1883 году,Фридрихом Шмитцем

иАндреасом Шимпером были открыты пластиды в рас- тительных клетках, а в 1886 году митохондрии, изначально названные Рихардом Альтманом биопластенами [42]. В 1889 году американским патологом Айра Томпсоном ВанГизоном был открыт метод окрашивания препаратов при помощи пикрофуксина (смеси пикриновой кислоты и фук- сина) [50], что позволило подробно изучить строение соеди- нительной ткани, а в 1892 году немецкий гистолог Мартин Гейденгайн изобрел методику окраски срезов при помощи

железного гематоксилина [55] и в 1894 году ввел термин «те-

лофаза» для описания последней стадии митоза.

Также следует упомянуть еще одного немецкого ученого — психиатра Франца Александра Ниссля,который исследовал межнейронные связи в головном мозге людей, а также изо- брел в 1884 году известный метод окрашивания эндоплаз- матической сети с помощью основных красителей (метод Ниссля) и открыл с помощью этого метода хроматофильную субстанцию в нейронах (названную им тигроидом) [39].

Тем временем французский морфолог Луи Антуан Ранвье проводит в Париже эксперименты по регенерации пе- риферических нервов, в результате которых он открывает в 1878 году регулярно расположенные разрывы миелиновой оболочки, расположенные через разные интервалы по длине нервноговолокна,которыевпоследствиибудутназваныузло-

выми перехватами (Ранвье) [35].

В1883 году происходит значительное открытие в области клеточной биологии — немецкий биолог Андреас Франц Вильгельм Шимпер впервые показывает возможность са-

27

Глава 3

морепликации пластид внутри растительной клетки и пред- лагает первую гипотезу эндосимбиотического происхожде- ния эукариотической клетки [89]. Открытию самореплика- ции пластид предшествует доказательство симбиотической природы лишайников (симбиоз гриба и водоросли), выдви- нутое российскими ботаниками Андреем Фаминцыным и Осипом Баранецким в 1867 году [28]. Впоследствии казан-

скимботаникомКонстантиномМережковскимв1910годубу-

дет предложена, а в 1967 году американским эволюционным биологом Линн Маргулис доказана теория симбиогенеза эу- кариотической клетки (см.ниже).

Генрих Вильгельм фон Вальдейер, предложил в 1888

году термин «хромосома» [99] (хотя сами они были впервые замечены Карлом Вильгельмом фон Негели в 1843 году и четко описаны Антони Шнайдером в 1873 году [42]), в 1891 году — термин "нейрон" для идентификации видимых им клеток центральной нервной системы [100] (что стало воз- можно только после открытия Камилло Гольджи своего ме- тода окрашивания нервной ткани — импрегнации солями тяжелых металлов (см. ниже) и проводил множество иссле- дований в области развития зубов и волос (откуда множество изобретенных им терминов используются в гистологии по настоящее время).

В 1890 году российский врач Дмитрий Романовский в ходе работы над своей докторской диссертацией изобретает, а в 1891 году публикуя ее представляет метод гистологиче- скойокраскидлявыявлениямалярийногоплазмодия—смесь заплесневелого метиленового синего и эозина [66]. Данная методика стала «золотым» стандартом для окрашивания раз- личных препаратов крови (в том числе при малярии) [45] и впоследствии была модифицирована многими исследовате- лями, в том числе Карлом Густавом Гимзе в 1902 году, или

Джеймсом Хомером Райтом также в 1902 году [66].

Возвращаясь к вопросу о развитии оптики, спустя двад- цать лет после открытия теории Аббе, в 1893 году, другой немецкий физик-оптик Август Карл Иоганн Кёлер, также

28

История гистологии, цитологии в XIX веке

работник компании «Carl Zeiss», разрабатывает новый прин- цип освещения в процессе микроскопии, представляющий из себя использование совокупности линз, расположенных между источником света и предметным столиком, что по- зволяет, во-первых, равномерно осветить все поле зрения и, во-вторых,уменьшить блики отисточника света (в конце XIX века это были преимущественно свечи) [65].Сегодня принци- пы освещения по Кёлеру можно увидеть практически во всех микроскопах (конденсор).

Ко второй половине XIX века доступные методы окра- ски микропрепаратов были бесполезны для изучения нерв- ной ткани, поскольку имеющиеся к тому времени красители практически не фиксировались в нейронах. Работая врачом, итальянец Камилло Гольджи экспериментировал с приме- нением металлической пропитки для окрашивания нерв- ной ткани, в частности, с использованием дихромата калия

иразличных солей серебра, и в 1873 году Гольджи публикует свою работу, в которой показывает результаты этого метода

иназывает его импрегнацией (от лат. impraegnatio — наполне- ние) [52]. За два года до открытия нового метода окраски, в 1871 году, немецкий анатом Йозеф фон Герлах выдвигает ошибочную гипотезу, согласно которой вся нервная систе- ма представляет собой непрерывную сеть нервных волокон (а не нейронов), которую Герлах называет ретикулумом (от лат. reticulum — сетка) [38]. На основании данной ошибочной гипотезы Гольджи в 1875 году представляет ошибочную ретикулярную теорию строения нервной системы [85], позже опровергнутую Сантьяго Рамоном-и-Кахалем путем обо-

снования последним верной нейронной теории, за которую он впоследствии получит Нобелевскую премию (см. ниже).

Несмотряназаблуждение,вкладКамиллоГольдживразви- тие нейробиологии неоценим — он первым дал четкие опи- сания мозжечка, гиппокампа, спинного мозга, коры больших полушарий, обонятельной луковицы и иных отделов цен- тральной нервной системы млекопитающих (рис. 15). В 1878 году он также открыл сухожильный проприоцептор, сообща-

29