4.4. Развитие клеточной теории во второй половине XIX века, начало цитологических исследований, изучение структуры клетки
Клеточная теория, сформулированная Шлейденом и Шванном в первой половине XIX века, представляет собой одно из крупных биологических обобщений, утверждающее единство принципа строения и развития мира растений и мира животных. Согласно клеточной теории основным структурным элементом растений и животных является клетка. Во второй половине XIX века клеточный уровень исследования становится ведущим принципом биологических дисциплин. Хотя обычно Шлейдена и Шванна справедливо считаются отцами клеточной теории, но на самом деле в ее развитие внесли значительный вклад и другие ученые, и с их имен начинается наука цитология.
В 1850-х годах немецкий врач Рудольф Вирхов (Rudolf Virchow, рис. 4.4.1) при изучении больной ткани показывает, что больные клетки происходят от нормальных. Его работы показали, что болезненные процессы сводятся к изменениям в жизнедеятельности элементарных мельчайших частей животного организма — его клеток. Причем процесс разрушения клеток идет постепенно, без внезапного нарушения структуры и содержимого. Рудольф Вирхов стал основателем современной науки патологии. Вместе с Луи Пастером они доказали, что, будь то целый организм или часть многоклеточного организма, вначале всегда бывает клетка. В 1858 г. выходит свет «Клеточная патология» Р. Вирхова. Идея о всеобщем распространении клеточного деления как способа образования новых клеток закрепляется Р. Вирховом в виде афоризма: «Omnis cellula ex cellula» (Всякая клетка — из другой клетки). Вскоре было открыто кариокинетическое деление клеток у растений (1875, Э. Страсбургер), затем у животных (1878, русский учёный П. И. Перемежко; 1882, немецкий учёный В. Флемминг).
Несмотря на торжество клеточной теории, остро встают противоречия, отражающие двойственный характер клеточного учения, развивавшегося в рамках механистического представления о природе. Уже у Шванна встречается попытка рассматривать организм как сумму клеток. Эта тенденция получает особое развитие у Вирхова. С одной стороны, Вирхов распространил клеточную область патологии, что способствовало признанию универсальности клеточного учения. Его труды закрепили отказ от теории цитобластемы Шлейдена и Шванна, что привлекло внимание к протоплазме и ядру, признанными наиболее существенными частями клетки. С другой стороны, Вирхова направил развитие клеточной теории по пути чисто механистической трактовки организма. Вирхов возводил клетки в степень самостоятельного существа, вследствие чего организм рассматривался не как целое, а просто как сумма клеток.
Рис. 4.4.1. Рудольф Вирхов
Постепенно изменяется представление о составе клетки. Выясняется второстепенное значение клеточной оболочки, и выдвигается на первый план значение протоплазмы (цитоплазмы) и ядра клеток, что нашло своё выражение в определении клетки, данном Шульце в 1861 г.: «Клетка — это комочек протоплазмы с содержащимся внутри ядром». В 1861 году Брюкко выдвигает теорию о сложном строении клетки, которую он определяет как «элементарный организм». В 1866 году Эрнст Геккель установил, что хранение и передачу наследственной информации осуществляет ядро. Вскоре было описано кариокинетическое деление клеток у растений (1875, Э. Страсбургер), затем у животных (1878, русский учёный П. И. Перемежко; 1882, немецкий учёный В. Флемминг).
Сложность строения клетки наталкивает биологов на идею полной самостоятельности клеток. В 1895 году выходит «Клеточная физиология» Макса Ферворна (Max Verworn), рассматривавшего любой физиологический процесс, протекающий в организме, как простую сумму физиологических проявлений отдельных клеток. В завершении этой линии развития клеточной теории появилась механистическая теория «клеточного государства», в качестве сторонника которой выступал, в том числе, и Геккель. Согласно данной теории организм сравнивается с государством, а его клетки — с гражданами. Подобная теория противоречила принципу целостности организма.
В середине XIX века швейцарский физиолог Рудольф Альберт фон Келликер (1817-1905) установил, что яйцеклетка и сперматозоид — это индивидуальные клетки. В 1861 г. Келликер опубликовал учебник по эмбриологии, в котором работа Карла Байера от 1827 года об открытии человеческой яйцеклетки, интерпретировалась в свете клеточной теории. По мнению Келликера каждый многоклеточный организм начинает свою жизнь как одноклеточный. Слияние яйцеклетки и сперматозоида формирует оплодотворенное яйцо, которое, как показал Келликер, все еще является отдельной клеткой. Это слияние, или оплодотворение, — начало развития эмбриона. Позже немецкий зоолог Карл Гегенбар продемонстрировал, что даже крупные яйца птиц — это всего лишь клетка. По мере многократного деления оплодотворенного яйца получающиеся клетки не сильно отличаются от первоначальной. Однако постепенно они дифференцируются настолько, что начинают напоминать структуры взрослого организма. Хотя биологи к середине XIX века сформулировали понятие оплодотворения, в деталях оно не было описано. Лишь в 1879 г. швейцарский зоолог Германн Фоль наблюдал оплодотворение икры у рыб.
В 1866 году Эрнст Геккель установил, что хранение и передачу наследственной информации осуществляет ядро. В дополнение к ядру, отрытому ранее, в последней четверти XIX века был обнаружен ряд постоянных составных частей цитоплазмы (органоидов): центросомы (1876, бельгийский учёный Э. ван Бенеден), клеточные гранулы (митохондрии) (1897—98, немецкий учёный К. Бенда, у животных; 1904, немецкий учёный Ф. Мевес, у растений), сетчатый аппарат (комплекс Гольджи) (1898, итальянский учёный К. Гольджи). Швейцарский учёный Ф. Мишер (1868) установил в ядрах клеток наличие кислоты, которая так и была названа нуклеиновой, т.е. ядерной. Немецкий ботаник Юлиус Сакс (Julius Sachs) в 1865 году показал, что, хотя листья растений и кажутся ровно окрашенными, хлорофилл неравномерно распределен в растительной клетке и локализуется он в маленьких субклеточных включениях, которые позднее назвали хлоропласты. Стало ясно, что фотосинтез протекает именно в хлоропластах и что хлорофилл является обязательным участником этого процесса.
В 1877—1881 гг. Э. Руссов и И. Горожанкин впервые наблюдали и описали цитоплазматические соединения между растительными клетками — плазмодесмы. Позднее их формирование и структуру изучали немецкие ботаники Э.Страсбургер и Ю. Сакс. Таким образом, были доказаны взаимосвязь клеток в тканях и органах и, следовательно, материальная основа целостности организма.
Накопленные знания требовали усовершенствования методики детального изучения строения клетки. Методика пришла сама собою и совсем из иной области: из органической химии. Вслед за открытиями Марселена Бертло (Marcelin Berthelo) химики-органики начали разрабатывать методики синтеза органических веществ, которых нет в природе. Многие из них были ярко окрашенными и в 1850-х годах положили начало гигантской индустрии синтетических красителей.
Если содержание клетки действительно гетерогенно, вполне возможно, что некоторые части могут реагировать с определенным химическим агентом и абсорбировать его, в то время как другие части не могут. Если агент является красителем, то в результате некоторые части клетки будут окрашены, в то время как иные — нет. Благодаря такой методике можно наблюдать не замеченные прежде детали строения.
Наиболее известным в биологии экспериментатором в данной области является немецкий цитолог Вальтер Флемминг (1843—1905). Он изучал животные клетки и обнаружил, что внутри ядра клетки имеются пятна материала, интенсивно абсорбируемые красителем. Они ярко выступают на бесцветном фоне. Флемминг назвал этот абсорбирующий материал хроматином (от греческого «цвет»). Когда Флемминг окрашивал сектор растущей ткани, он убивал клетки, однако каждая из них находилась на определенной стадии деления. В 1870-х годах Флемминг начал работать над изучением изменений в хроматиновом (окрашенном) материале, которые сопровождают деление клеток3.
Он обнаружил, что, как только начался процесс деления клеток, окрашенный материал разделился на короткие нитеобразные объекты, которые позже были названы хромосомами (окрашенными телами) (рис. 4.4.2). Поскольку эти нитеобразные хромосомы характерны для делящихся клеток, Флемминг назвал процесс митозом (от греческого «нить»). В решающий момент деления каждая хромосома давала точную копию самой себя. Сдвоенные хромосомы впоследствии расходились, по одной из каждого дуплета—к каждому полюсу. Клетка делилась, и посередине ее формировалась мембрана. На месте одной материнской клетки возникали две дочерние, каждая — с равным числом окрашенного материала (благодаря дублированию хромосом), таким образом, чтобы каждая хромосома дочерней клетки присутствовала когда-то в материнской клетке (рис. 4.4.3).
В конце XIX века был открыт митоз как универсальный способ клеточного деления, типичный для всех клеточных организмов, а также клеточные органоиды, и клетку перестали рассматривать как простой комочек протоплазмы.
Термин хромосомы был предложен Хенрихом вон Валдайером в 1888 году. Это было нелегко – увидеть хромосомы во время митоза. Но те, кто их наблюдали впервые, не могли понимать значения увиденного. Но это не мешало им описать в деталях удивительное поведение тех телец, которые впоследствии были названы хромосомами, во время деления клеток.
Рис. 4.4.2. Рисунок клеточного ядра, опубликованный Вальтером Флеммингом в 1882 году
Далее работу продолжил бельгийский цитолог Эдуард ван Бенеден (1864 — 1910). В 1883 году он описал поведение хромосом в клетках аскарид. В 1887 г. он продемонстрировал два важных факта поведения хромосом. Во-первых, он представил доказательства того, что число хромосом постоянно в разных клетках организма, а во-вторых, что каждый вид характеризуется своим числом хромосом (теперь, к примеру, известно, что каждая клетка человека содержит 46 хромосом). Далее он обнаружил, что формирование половых клеток — яйцеклеток и сперматозоидов — не сопровождается репликацией (удвоением) хромосом. Каждая яйцеклетка и каждый сперматозоид получают только половину обычного набора хромосом. Был открыт мейоз. Именно ему принадлежит заслуга открытия того факта, что число хромосом в яйцеклетках и сперматозоидах вдвое меньше, чем в других клетках организма.
Дальнейшее развитие цитологии связано с именами Августа Вейсмана, которого больше всего в клетке интересовали ядра клеток с хромосомами. Поведение хромосом при делении клеток натолкнуло Вейсмана на мысль, что именно они являются материальным субстратом наследственности, передаваясь от клетки к клетке, из поколения в поколение. Вейсман подметил, что даже в тех случаях, когда размеры и форма хромосом в разных клетках организма меняются, в зародышевых клетках, из которых образуются половые клетки, хромосомы стабильны. Это и обеспечивает, по мнению Вейсмана, передачу наследственных свойств от родителей к потомкам. Вейсманн противопоставил соматические (soma cells) и половые клетки (germ cells). В 1887 году Вейсманн сформулировал теорию непрерывности зародышевой плазмы. Вейсман считал, половые клетки зародыша происходят из половых клеток родителей, а не из клеток тела (соматических клеток). По предположению Вейсманна при первом же дроблении оплодотворенного яйца одна из дочерних клеток дает начало половым клеткам, т.е. зародышевой плазме, а другая соматическим клеткам, а мейоз необходим для поддержания диплоидного числа хромосом.
Рис. 4. 4.3. Поведение хромосом при митозе, рисунок Флемминга
Таим образом, усилиями ученых, работавшим во второй половине XIX века, было изучено строение клеточного ядра, проведен цитологический анализ таких важнейших биологических процессов, как митоз, мейоз, оплодотворение.