Цитология как наука.

История цитологии тесно связана с изобретением, использованием и усовершенствованием микроскопа.

1665 г.: Р. Гук, наблюдая впервые под микроскопом тонкий срез пробкового дерева, обнаружил пустые ячейки, которые назвал целлюли , или клетки; фактически Р. Гук наблюдал только оболочки растительных клеток.

1671 г.: Н. Грю, М. Мальпиги, изучая анатомию растений, также обнаружили мельчайшие «ячейки», «пузырьки» или «мешочки».

1674 г.: А. Ван Левенгук впервые обнаружил, а затем и многократно наблюдал под микроскопом в капле воды одноклеточные животные организмы.

В этот период главной частью клетки считалась ее стенка, и лишь спустя двести лет стало ясно, что главное в клетке не стенка, а внутреннее содержимое. В 18 веке новые сведения о клетке накапливались медленно, причем в области зоологии медленнее, чем в ботанике, поскольку настоящие клеточные стенки, которые служили главным предметом исследования, свойственны только растительным клеткам. По отношению к животным клеткам ученые не решались применить этот термин и отождествить их с растительными клетками.

В дальнейшем по мере усовершенствования микроскопа и техники микроскопирования накапливались и сведения о клетках животных и растений. Уже к 30-м годам 19 века накопилось много сведений по морфологии клетки, и было установлено, что цитоплазма и ядро являются ее обязательными компонентами:

1802, 1808 гг.: Ш. Бриссо-Мирбе установил факт, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток.

1809 г.: Ж. Б. Ламарк распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животных.

1825 г.: Я. Пуркине обнаружил протоплазму – полужидкое студенистое содержимое клеток.

1831 г.: Р. Броун обнаружил ядро в клетках растений.

1833 г.: Р. Броун пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки.

1839 г.: Т. Шванн обобщил все накопленные к этому времени данные и сформулировал клеточную теорию.

1855 г.: Р. Вирхов доказал, что все клетки образуются из других клеток путем деления.

1866 г.: Геккель установил, что сохранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро.

1866-1898 гг.: описаны основные компоненты клетки, которые можно увидеть под оптическим микроскопом. Цитология приобретает характер экспериментальной науки.

1900 г.: за появлением генетики начинает развиваться цитогенетика, изучающая поведение хромосом во время деления и оплодотворения.

1946 г.: в биологии началось использование электронного микроскопа, что позволило изучить ультраструктуры клеток.

Цитология – наука, изучающая строение, химический состав и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Предмет цитологии – клетки одно- и многоклеточных прокариотических и эукариотических организмов.

Задачи цитологии :

1. Изучение строения и функций клеток и их компонентов (мембран, органоидов, включений, ядра).

2. Изучение химического состава клеток, биохимических реакций, протекающих в них.

3. Изучение взаимоотношения клеток многоклеточного организма.

4. Изучение деления клеток.

5. Изучение возможности приспособления клеток к изменениям окружающей среды.

Для решения поставленных задач в цитологии используются различные методы.

Микроскопические методы : позволяют изучить структуру клетки и ее компонентов с помощью микроскопов (светового, фазово-контрастного, люминесцентного, ультрафиолетового, электронного); световое микроскопирование основано на потоке света; изучает клетки и их крупные структуры; электронное микроскопирование – изучение мелких структур (мембраны, рибосомы и др.) в пучке электронов с длиной волны меньше, чем у видимого света.

Цито- и гистохимические методы – основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определенные вещества цитоплазмы; используется для установления химического состава и локализации различных компонентов (белков, ДНК, РНК, липидов и т.п.) в клетках.

Гистологический метод – это метод приготовления микропрепаратов из нативных и фиксированных тканей и органов. Нативный материал замораживается, а фиксированный объект проходит этапы уплотнения, заливки в парафин. Затем из исследуемого материала изготавливают срезы, окрашивают и заключают в канадский бальзам.

Биохимические методы позволяют изучить химический состав клеток и протекающие в них биохимические реакции.

Метод дифференциального центрифугирования : основан на разной скорости оседания компонентов клетки;выделяет отдельные компоненты клетки (митохондрии, рибосомы и др.) для последующего изучения другими методами.

Метод рентгеноструктурного анализа: после введения в клетку атомов металла исследуется пространственная конфигурация и некоторые физические свойства макромолекул (белок, ДНК).

Метод авторадиографии – введение в клетку радиоактивных (меченых) изотопов и дальнейшее изучение их включения в вещества, синтезируемые клеткой; позволяет изучить процессы матричного синтеза и деления клеток.

Метод кино- и фотосъемки фиксируют процессы деления клеток.

Микрохирургические методы позволяют пересаживать компоненты клеток (органоиды, ядро) из одной клетки в другую с целью изучения их функций.

Метод культуры клеток – выращивание отдельных клеток на питательных средах в стерильных условиях; дает возможность изучать деление, дифференцировку и специализацию клеток, получать клоны растительных организмов.

Знание основ химической и структурной организации, принципов функционирования и механизмов развития клетки исключительно важно для понимания сходных черт, присущих сложно устроенным организмам растений, животных и человека. Разработка метода ЭКО – пример практического применения цитологических знаний.

Клеточная теория. Основные положения современной клеточной теории.

Клеточная теория – научное обобщение в биологии, согласно которому, клетка признана общей структурной единицей живых организмов, утверждается сходство животных и растительных клеток в строении, функциях и развитии. Строение самых сложных живых существ клеточная теория сводит к строению клеток, их развитие – к размножению, росту и развитию клеток.

«Только со времени этого открытия стало на твердую почву исследование органических, живых продуктов природы – как сравнительная анатомия и физиология, так и эмбриология. Покров тайны, окутывавший процесс возникновения и роста и структуру организмов, был сорван. Непостижимое чудо предстало в виде процесса, происходящего согласно тождественному для всех многоклеточных организмов закону» (Ф.Энгельс). Независимо друг от друга сущность клеточной теории изложили в своих работах М. Шлейден «Данные о развитии растений» (1838) и Т. Шванн «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839):

1. Клетка является главной структурной единицей всех растительных и животных организмов.

2. Процесс образования клеток обусловливает рост (развитие и дифференцировку) растительных и животных тканей.

3. Клетка в определенных границах есть индивидуум, некое самостоятельное целое, а организм – своеобразная их сумма.

4. Новые клетки возникают из цитобластомы.

Первые два вывода сохраняют актуальность и сегодня.

Хотя создание клеточной теории связано с именами Шлейдена и Шванна, мысль о единстве строения растений и животных высказывалась неоднократно Ламарком (1809), Дютроше (1824), Молем (1831), Горяниновым.

В 1858 г. Рудольф Вирхов в работе «Целлюлярная патология»:

1. Показал связь патологических процессов с морфологическими структурами, с определенными изменениями в строении клеток; болезнь всего организма определяется болезнью клетки.

2. Взамен тезиса Т.Шванна о цитобластоме выдвигает другой: Omnis cellula ex cellule – каждая клетка от клетки.

3. Высказал предположение, что вне клеток нет жизни.

Вирхов Р. также рассматривал организм как сумму составляющих его клеток, что критиковали И. М. Сеченов, С. П. Боткин и И. П. Павлов. Они показали, что многоклеточный организм – это единое целое и деятельность организмы, как и интеграция его частей, осуществляются, прежде всего, центральной нервной системой. В ХIХ - ХХ вв. благодаря применению более современных методов цитологического анализа были получены новые данные (описано сложное строение клетки, основные ее органоиды, способы деления клетки и др.), позволившие подтвердить, уточнить и дополнить клеточную теорию:

Все живые организмы состоят из клеток (за исключением вирусов);

Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности;

Именно клетка обладает всей совокупностью черт, характеризующих живое;

Все живые организма развиваются из одной или из группы клеток;

Каждая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

В сложных многоклеточных организмах клетки дифференцируются, специализируясь по выполнению определенной функции;

Клетки объединены в ткани и органы, функционально связанные системы и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.

Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка – элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению; является единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов.

2. Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.

3. Клетки образуются путем деления исходной (материнской) клетки.

4. В многоклеточной организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и системы органов, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.

Таким образом, создание клеточной теории стало важнейшим событием в естествознании, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии и послужила фундаментом для дальнейшего развития многих биологических дисциплин – эмбриологии, гистологии, физиологии и др.

Строение клетки.

Если клетки бактерий и других прокариот устроены сравнительно просто и несут ряд примитивных черт, унаследованных от первых живых организмов на Земле, то эукариотические клетки - от простейших (протист) до клеток высших растений и млекопитающих – отличаются и сложностью и разнообразием структуры. Типичной клетки не существует, но из тысячи разных типов клеток можно выделить общие черты.

Клетки тканей растений, грибов и животных в зависимости от выполняемых ими функций имеют не только разные размеры, но и различную форму. Диметр большинства клеток эукариот составляет 10-100 мкм, самые мелкие клетки имеют размеры около 4 мкм, у некоторых 1-10 мм (клетки мякоти арбуза), а самые крупные (яйцеклетки страусов, пингвинов, гусей) 10-20см, иногда и больше (отростки нервных клеток могут достигать 1 метра). По форме можно выделить клетки: округлые, многоугольные, палочковидные, звездчатые (нервные), дисковидные (эритроциты), цилиндрические, кубические и др.

Клетка состоит из трех структурных компонентов - оболочки (плазмалемма), цитоплазмы и ядра (рис….).

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Оболочка Цитоплазма Ядро

Бислой липидов; - гиалоплазма; - ядерная оболочка;

Два слоя белков; - органоиды общего - ядерный сок;

назначения;

Олигосахариды; - органоиды специального - хроматин;

назначения; - ядрышко.

Включения.

Рис.1. Обобщенная схема строения эукариотической клетки.

4. Биологические мембраны. Цитоплазматическая мембрана: строение, свойства, функции.

Для клеток характерен мембранный принцип строения.

Биологическая мембрана – тонкие пленки, белково-липидная структура, толщиной 7 - 10 нм, расположенная на поверхности клеток (клеточная мембрана), образующая стенки большинства органоидов и оболочку ядра.

В 1972 г. С. Сингером и Г. Николсом была предложена жидкостно-мозаичная модель строения клеточной мембраны. Позднее она была практически подтверждена. При рассмотрении в электронном микроскопе можно увидеть три слоя. Средний, светлый, составляет основу мембраны - билипидный слой, образованный жидкими фосфолипидами («липидное море»). Молекулы мембранных липидов (фосфолипиды, гликолипиды, холестерол и др.) имеют гидрофильные головки и гидрофобные хвосты, поэтому упорядоченно ориентированы в бислое. Два темных слоя – это белки, располагающиеся относительно бислоя липидов по-разному: периферические (прилегающие )- большинство белков, находятся на обеих поверхностях липидного слоя; полуинтегральные (полупогруженные ) – пронизывают только один слой липидов; интегральные (погруженные ) – проходят через оба слоя. У белков имеются гидрофобные участки, взаимодействующие с липидами, и гидрофильные – на поверхности мембраны в контакте с водным содержимым клетки, или тканевой жидкостью.

Функции биологических мембран :

1) отграничивает содержимое клетки от внешней среды и содержимое органоидов, ядра от

2) обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее в цитоплазму из органоидов и наоборот;

3) участвуют в получении и преобразовании сигналов из окружающей среды, узнавании веществ клеток и т.д.;

4) обеспечивают примембранные процессы;

5) участвуют в преобразовании энергии.

Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана, плазматическая мембрана) – биологическая мембрана, окружающая клетку. Толщина ее около7,5 нм. Имеет характерное для биологических мембран строение. На поверхности мембраны находятся олигосахаридные цепи (антенны), которые выполняют функции: распознавания внешних сигналов; сцепления клеток, их правильной ориентации при образовании тканей; иммунного ответа, где гликопротеиды играют роль иммунного ответа.

Химический состав плазмолеммы: 55% - белки, 35% - липиды, 2-10% - олигосахариды.

Наружная клеточная мембрана образует подвижную поверхность клетки, которая может иметь выросты и выпячивания, совершает волнообразные колебательные движения, в ней постоянно перемещаются макромолекулы. Клеточная поверхность неоднородна: структура ее в разных участках неодинакова, неодинаковы и физиологические свойства этих участков. В плазмалемме локализованы некоторые ферменты (около 200), поэтому действие факторов внешней среды на клетку опосредуется ее цитоплазматической мембраной. Поверхность клетки обладает высокой прочностью и эластичностью, легко и быстро восстанавливается после небольших повреждений.

Строение плазматической мембраны определяет ее свойства:

Пластичность (текучесть), позволяет мембране менять свою форму и размеры;

Способность к самозамыканию, дает возможность мембране восстанавливать целостность при разрывах;

Избирательная проницаемость, обеспечивает прохождение различных веществ через мембрану с разной скоростью.

Основные функции цитоплазматической мембраны:

· определяет и поддерживает форму клетки;

· отграничивает внутренне содержимое клетки;

· защищает клетку от механических воздействий и проникновения повреждающих биологических агентов;

· регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава;

распознает внешние сигналы, «узнает» определенные вещества (например, гормоны);

· участвует в формировании межклеточных контактов и различного рода, специфических выпячиваний цитоплазмы (микроворсинок, ресничек, жгутиков).

Похожая информация.

Все живые организмы состоят из клеток - из одной клетки (одноклеточные организмы) или многих (многоклеточные). Клетка - это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи; это элементарная живая система. Существуют неклеточные организмы (вирусы), но они могут размножаться только в клетках. Существуют организмы, вторично потерявшие клеточное строение (некоторые водоросли). История изучения клетки связана с именами ряда ученых. Р. Гук впервые применил микроскоп для исследования тканей и на срезе пробки и сердцевины бузины увидел ячейки, которые и назвал клетками. Антони ван Левенгук впервые увидел клетки под увеличением в 270 раз. М. Шлейден и Т. Шванн явились создателями клеточной теории. Они ошибочно считали, что клетки в организме возникают из первичного неклеточного вещества. Позднее Р. Вирхов сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: «Всякая клетка происходит из другой клетки...» Значение клеточной теории в развитии науки велико. Стало очевидно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Она их главный компонент в морфологическом отношении; клетка является эмбриональной основой многоклеточного организма, т.к. развитие организма начинается с одной клетки - зиготы; клетка - основа физиологических и биохимических процессов в организме. Клеточная теория позволила прийти к выводу о сходстве химического состава всех клеток и еще раз подтвердила единство всего органического мира.

Современная клеточная теория включает следующие положения:

Клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;

Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

Размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Значение клеточной теории в развитии науки состоит в том, что благодаря ей стало понятно, что клетка – это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Она их главный «строительный» компонент, клетка является эмбриональной основой многоклеточного организма, т.к. развитие организма начинается с одной клетки – зиготы. Клетка – основа физиологических и биохимических процессов в организме, т.к. на клеточном уровне происходят, в конечном счёте, все физиологически и биохимические процессы. Клеточная теория позволила придти к выводу о сходстве химического состава всех клеток и ещё раз подтвердила единство всего органического мира. Все живые организмы состоят из клеток – из одной клетки (простейшие) или многих (многоклеточные). Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи; это элементарная живая система. Существует эволюционно неклеточные организмы (вирусы), но и они могут размножаться только в клетках. Различные клетки отличаются друг от друга и по строению, и по размерам (размеры клеток колеблются от 1мкм до нескольких сантиметров – это яйцеклетки рыб и птиц), и по форме (могут быть круглые как эритроциты, древовидные как нейроны), и по биохимическим характеристикам (например, в клетках, содержащих хлорофолл или бактериохлорофилл, идут процессы фотосинтеза, которые невозможны при отсутствии этих пигментов), и по функциям (различают половые клетки – гаметы и соматические – клетки тела, которые в свою очередь подразделяются на множество разных типов).

8. Гипотезы происхождения эукариотических клеток: симбиотическая, инвагинационная, клонирования. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток, согласно которой основой, или клеткой-хозяином, в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот, способный лишь к амебоидному движению. Переход к аэробному дыханию связан с наличием в клетке митохондрии, которые произошли путем изменений симбионтов - аэробных бактерий, проникших в клетку-хозяина и сосуществовавших с ней.

Сходное происхождение предполагают для жгутиков, предками которых служили симбионты-бактерии, имевшие жгутик и напоминавшие современных спирохет. Приобретение клеткой жгутиков имело наряду с освоением активного способа движения важное следствие общего порядка. Предполагают, что базальные тельца, которыми снабжены жгутики, могли эволюционировать в центриоли в процессе возникновения механизма митоза.

Способность зеленых растений к фотосинтезу обусловлена присутствием в их клетках хлоропластов. Сторонники симбиотической гипотезы считают, что симбионтами клетки-хозяина, давшими начало хлоропластам, послужили прокариотические синезеленые водоросли.

Серьезным доводом в пользу симбиотического происхождения митохондрий, центриолей и хлоропластов является то, что перечисленные органеллы имеют собственную ДНК. Вместе с тем белки бациллин и тубулин, из которых состоят жгутики и реснички соответственно современных прокариот и эукариот, имеют различное строение.

Центральным и трудным для ответа является вопрос о происхождении ядра. Предполагают, что оно также могло образоваться из симбионта-прокариота. Увеличение количества ядерной ДНК, во много раз превышающее в современной эукариотической клетке ее количество в митохондрий или хлоропласте, происходило, по-видимому, постепенно путем перемещения групп генов из геномов симбионтов. Нельзя исключить, однако, что ядерный геном формировался путем наращивания генома клетки-хозяина (без участия симбионтов).

Согласно инвагинационной гипотезе , предковой формой эукариотической клетки был аэробный прокариот. Внутри такой клетки-хозяина находилось одновременно несколько геномов, первоначально прикреплявшихся к клеточной оболочке. Органеллы, имеющие ДНК, а также ядро, возникли путем впячивания и отшнуровывания участков оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрий, хлоропласты. В процессе дальнейшей эволюции произошло усложнение ядерного генома, появилась система цитоплазматических мембран.

Инвагинационная гипотеза хорошо объясняет наличие в оболочках ядра, митохондрий, хлоропластов, двух мембран. Однако она не может ответить на вопрос, почему биосинтез белка в хлоропластах и митохондриях в деталях соответствует таковому в современных прокариотических клетках, но отличается от биосинтеза белка в цитоплазме эукариотической клетки.

Клонирование. В биологии - метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Именно так, на протяжении миллионов лет, размножаются в природе многие виды растений и некоторых животных. Однако сейчас термин "клонирование" обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами. Термин "клон" как таковой происходит от греческого слова "klon", что означает - веточка, побег, черенок, и имеет отношение, прежде всего, к вегетативному размножению. Клонирование растений черенками, почками или клубнями в сельском хозяйстве известно уже тысячи лет. При вегетативном размножении и при клонировании гены не распределяются по потомкам, как в случае полового размножения, а сохраняются в полном составе. Только у животных все происходит иначе. По мере роста клеток животных происходит их специализация, то есть клетки теряют способность реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре многих поколений.

Клеточная теория - одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений,животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента живых организмов.

Общие сведения

Маттиас ШлейдениТеодор Шваннсформулироваликлеточную теорию , основываясь на множестве исследований оклетке(1838

Положения клеточной теории Шлейдена-Шванна

Все животные и растения состоят из клеток.

Растут и развиваются растения и животные путём возникновения новых клеток.

Клетка является самой маленькой единицей живого, а целый организм - это совокупность клеток.

Основные положения современной клеточной теории

Клетка- элементарная единица живого, вне клетки жизни нет.

Клетка- единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц - органоидов.

Клетки всех организмов гомологичны.

Клетка происходит только путём деления материнской клетки, после удвоения её генетического материала.

Многоклеточный организм представляет собой сложную систему из множества клеток, объединённых и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом.

Клетки многоклеточных организмов тотипотентны.

23. Бесполое размножение,

отсутствием полового процесса и осуществляющиеся без участия половых клеток.

бесполое размножение особенно широко распространено у одноклеточных организмов, но свойственно и многим многоклеточным - грибам, растениям и животным; отсутствует у первичнополостных червей и моллюсков и как редкое исключение встречается у членистоногих и позвоночных.

Бесполое размножение происходит путём отделения от материнского организма большей или меньшей его части и превращения её в дочерний организм, а также путём развития специально предназначенных для размножения образований (как одноклеточных - спор, так и многоклеточных - геммул у губок, статобластов у мшанок), в дальнейшем отделяющихся и дающих начало дочерним особям.Отделение от материнского тела многоклеточных частей обычно обозначается как вегетативное размножение. Бесполое размножение редко бывает единственной формой размножения особей данного вида и, как правило, осуществляется наряду с половым размножением. Вместе с тем одному виду могут быть свойственны разные способы бесполого размножения

24. Основные типы бесполого размножения

в размножении принимает участие только одна особь; осуществляется без участия половых клеток; в основе размножения лежит митоз; потомки идентичны и являются точными генетическими копиями материнской особи. Преимущество бесполого размножения - быстрое увеличение численности. Наиболее распространенными видами бесполого размножения являются следующие:

1.Бинарное деление - митотическое деление, при котором образуются две равноценные дочерние клетки (например, у амебы);

2.Множественное деление, или шизогония. Материнская клетка распадается на большое количество более или менее одинаковых дочерних клеток (малярийный плазмодий);

3.Споруляция. Размножение посредством спор - специализированных клеток грибов и растений. Если споры имеют жгутик и подвижны, то их называют зооспорами (хламидомонада)

4.Почкование. На материнской особи происходит образование выроста - почки, из которого развивается новая особь (дрожжи, гидра);

5.Фрагментация - разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых развивается в новую особь. У растений (спирогира), и у животных (кольчатые черви). В основе фрагментации лежит свойство регенерации;

6.Вегетативное размножение. Характерно для многих групп растений. При вегетативном размножении новая особь развивается либо из части материнской, либо из особых структур (луковица, клубень и т.д.), специально предназначенных для вегетативного размножения;

7.Клонирование. Искусственный способ бесполого размножения. В естественных условиях встречается редко. Клон - генетически идентичное потомство, полученное от одной особи в результате того или иного способа бесполого размножения

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СТАВРОПОЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ»

КАФЕДРА БИОЛОГИИ С ЭКОЛОГИЕЙ

ХОДЖАЯН А.Б., МИХАЙЛЕНКО А.К., МАКАРЕНКО Э.Н.

Основы ЦИТОЛОГИИ:

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ

Учебное пособие для студентов первого курса ФВСО

Ставрополь, 2009

УДК: 576.3 (07)

ББК 28.05я73

«Основы цитологии: структурная организация клетки», Учебное пособие для студентов первого курса факультета высшего сестринского образования (ФВСО).– Ставрополь: Изд - во СтГМА.– 2009.– 50 с.

Ходжаян Анна Борисовна, доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой биологии с экологией;

Михайленко Антонина Кузьминична, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры биологии с экологией;

Макаренко Элина Николаевна, кандидат медицинских наук, старший преподаватель кафедры биологии с экологией.

Учебное пособие включает необходимые материалы по разделу «Основы цитологии: структурная организация клетки» для самоподготовки студентов ФВСО заочной формы обучения. Данное пособие дополняет основную учебную литературу, содержит данные, не вошедшие в учебники, некоторые новые современные положения, оригинальный иллюстративный материал, контрольные тестовые вопросы и способствует более глубокой проработке изучаемого предмета.

Рецензенты:

Мещеряков А.Ф., академик РАЕН, академик МАО, доктор биологических наук, профессор.

Чижова Л.Н., зав. лабораторией иммуногенетики, биохимии, общей химии ГНУ СНИИЖК, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

УДК: 576.3 (07)

Ставропольской государственной медицинской академии.

© Ставропольская государственная медицинская академия, 2009

Краткая история цитологии

Цитология (греч. citos – клетка, logos – наука) – наука о клетке .

В настоящее время учение о клетке является во многих отношениях центральным объектом биологических исследований.

Предпосылкой для открытия клетки явилось изобретение микроскопа и его использование для исследования биологических объектов.

Первый световой микроскоп сконструировали в Голландии в 1590 году два брата, Ганс и Захариус Янссены, шлифовальщики линз. Долгое время микроскоп использовался как забава, игрушка для развлечения знатных особ.

Антонио ван Левенгук (1632-1723)

Термин «клетка» утвердился в биологии, несмотря на то, что Роберт Гук наблюдал, в действительности, не клетки, а только целлюлозные оболочки растительных клеток. Кроме того, клетки не являются полостями. В дальнейшем клеточное строение многих частей растений видели и описали М. Мальпиги, Н. Грю, а также А. Левенгук.

Важным событием в развитии представлений о клетке была изданная в 1672 году книга Марчелло Мальпиги «Анатомия растений», где приводилось подробное описание микроскопических растительных структур. В своих исследованиях Мальпиги убедился, что растения состоят из клеток, которые он называл «мешочками» и «пузырьками».

Среди блестящей плеяды микроскопистов XVII века одно из первых мест занимает А. Левенгук , голландский купец, который завоевал себе славу учёного. Он прославился созданием линз, которые давали увеличение в 100-300 раз. В 1674 году Антонио ван Левенгук открыл с помощью собственноручно изобретенного микроскопа одноклеточных простейших, названных им «микроскопическими животными», бактерии, дрожжи, клетки крови – эритроциты, половые клетки – сперматозоиды, которые Левенгук называл «анималькули». Из животных тканей Левенгук изучал и точно описал строение сердечной мышцы. Он был первым натуралистом, наблюдавшим клетки животногоорганизма. Это пробудило интерес к изучению живого микромира.

Как наука цитология возникла лишь в XIX веке . В это время были сделаны важные открытия.

В 1830 году чешский исследователь Ян Пуркинье описал вязкое студенистое вещество внутри клетки и назвал его протоплазмой (гр. protos – первый, plasma – образование).

В 1831 году шотландский ученый Роберт Броун открыл ядро .

В 1836 году Габриелем Валентини в ядре было обнаружено ядрышко.

В 1838 году была опубликована работа Матиаса Шлейдена «Данные о фитогенезисе», где автор, опираясь на уже имевшиеся в ботанике представления о клетке, выдвинул идею об идентичности растительных клеток с точки зрения их развития. Он пришёл к выводу, что закон клеточного строения справедлив для растений.

В 1839 году вышла в свет ставшая классической книга Теодора Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В ней автор сделал окончательный вывод о том, что клетка является структурной единицей жизнедеятельности и развития растений и животных.

В 1838 – 1839 годах немецкие ученые Матиас Шлейден и ТеодорШванн независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию.

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ:

1) все живые организмы (растения и животные) состоят из клеток;

2) клетки растений и животных сходны по строению, химическому составу и выполняемым функциям.

М. Шлейден и Т. Шванн считали, что клетки в организме возникают путём новообразования из первичного неклеточного вещества.

В 1858 году немецкий учёный-анатом Рудольф Вирхов в своей книге «Целлюлярная патология» опроверг это представление и доказал, что новые клетки всегда возникают из предшествующих путем деления – «клетка от клетки, всё живое только из клетки» – (omnis cellula a cellula). Важным обобщением Р.Вирхова явилось утверждение, что наибольшее значение в жизнедеятельности клеток имеют не оболочки, а их содержимое – протоплазма и ядро. Опираясь на клеточную теорию, Р. Вирхов поставил на научную основу учение о болезнях. Опровергнув господствующее в то время представление, согласно которому в основе болезней лежит только изменение состава жидкостей организма (крови, лимфы, желчи), он доказал огромное значение изменений, происходящих в клетках и тканях. Р. Вирхов установил: «Всякое болезненное изменение связано с каким-то патологическим процессом в клетках, составляющих организм». Это утверждение стало основой для появления важнейшего раздела современной медицины – патологической анатомии.

Вирхов был одним из основоположников исследования явлений жизнедеятельности на клеточном уровне, что является его бесспорной заслугой. Однако при этом он недооценивал исследования тех же явлений на уровне организма как целостной системы. В представлении Вирхова организм – это государство клеток и все его функции сводятся к сумме свойств отдельных клеток.

В преодолении этих односторонних представлений об организме большое значение имели работы И.М.Сеченова, С.П.Боткина и И.П.Павлова. Отечественные ученые доказали, что организм представляет собой по отношению к клеткам высшее единство. Клетки и другие структурные элементы, составляющие тело, не обладают физиологической самостоятельностью. Их формирование и функции координируются и управляются целостным организмом с помощью сложной системы химической и нервной регуляции.

Коренное улучшение всей техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток.

В 1876 году Эдуард Ван Бенеден установил наличие клеточного центра в делящихся половых клетках.

В 1890 году Рихард Альтман описал митохондрии, назвав их биобластами, и выдвинул идею о возможности их самовоспроизведения.

В 1898 году Камилло Гольджи открыл органоид, названный в его честь комплексом Гольджи.

В 1898 году хромосомы впервые были описаны Карлом Бенда.

Крупный вклад в развитие учения о клетке во второй половине XIX – начале XX вв. внесли отечественные цитологи И.Д.Чистяков (описание фаз митотического деления), И.Н.Горожанкин (изучение цитологических основ оплодотворения у растений), С.Г.Навашин, открывший в 1898г. явление двойного оплодотворения у растений. Успехи в изучении клетки привели к тому, что внимание биологов все больше концентрировалось на клетке как основной структурной единице живых организмов.

Качественный скачок в цитологии произошел в XX веке . В 1932 году МаксКнолль и Эрнст Руска изобрели электронный микроскоп, дающий увеличение в 10 6 раз. Были обнаружены и описаны невидимые в световой микроскоп микро- и ультрамикроструктуры клетки. С этого момента клетку начали изучать на молекулярном уровне.

Таким образом, достижения цитологии всегда связаны с усовершенствованием техники микроскопирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

1) Клетка – элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого.

2) Клетки растений, животных и грибовсходны по строению, химическому составу, обмену веществ.

3) Клетка – функциональная единица живого. Сходные по строению и выполняемым функциям клетки объединяются в ткани, ткани – в органы и системы органов, которые формируют целостный организм. Это обеспечивает дискретность и целостность организма.

4) Клетка – единица развитиявсего живого. Любой организм начинает свое индивидуальное развитие из одной клетки – зиготы.

5) Новые клетки образуются в результате деления материнской клетки.

6) Клетка имеет мембранный принцип строения.

7) Ядро является главным компонентом эукариотической клетки, хранителем генетической информации и регуляторным механизмом.

8) Сходство строения клеток растений и животных доказывает общность их происхождения.

9) Дифференциация клеток лежит в основе усложнения строения живых организмов.

ФОРМЫ ЖИЗНИ

Жизнь на планете Земля известна только в двух формах: внеклеточной и клеточной . Внеклеточная форма жизни – это особая форма, представленная вирусами и бактериофагами (фагами), которые занимают промежуточное положение между живой и неживой природой.

Клеточная форма жизни (организмы) в зависимости от типа организации клеток подразделяется на прокариоты и эукариоты.

Прокариоты – это одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра. К ним относятся бактерии, цианеи (цианобактерии или сине-зеленые водоросли) и микоплазмы, образующие царство Дробянки.

Эукариоты – это одноклеточные и многоклеточные организмы. В их клетках всегда есть четко оформленное ядро.

ТИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ КЛЕТОК

Существуют два типа организации клеток: прокариотические и эукариотические клетки (таблица 1). Принципиальным отличием между ними является наличие оформленного ядра.

Прокариотические клетки (доядерные) не содержат оформленного ядра. Основными компонентами прокариотических клеток являются оболочка и цитоплазма. Структурой, отвечающей за передачу наследственной информации, является генофор (нуклеоид) , расположенный непосредственно в цитоплазме. По химической природе генофор – это молекула ДНК , не связанная с белками и имеющая форму кольца.

На поверхности плазматической мембраны бактерий располагается клеточная стенка, состоящая из муреина (полисахаридных цепей, соединенных друг с другом короткими цепями пептидов). У некоторых клеток клеточная стенка покрыта защитным слизистым слоем или капсулой. Клеточная стенка сохраняет форму клеток, обеспечивает их жесткость и антигенные свойства.

Мембрана прокариот имеет сложнодифференцированные впячивания – мезосомы , которые по своим функциям напоминают митохондрии эукариотических клеток.

Цитоплазма прокариотических клеток лишена органоидов, за исключением рибосом. В ней находятся включения в виде гранул гликогена, липидов и т.д. Кроме того, в ней присутствуют плазмиды (внекольцевые фрагменты ДНК, определяющие ряд признаков и свойств данной клетки, гены которых контролируют незначительную часть наследственных признаков бактериальной клетки). Они способны к самостоятельной репликации и стабильно наследуются потомством. Широко используются в генной инженерии.

У зеленых и пурпурных бактерий (автотрофы) на впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтезирующие пигменты. Следовательно, клетки сине-зеленых водорослей (цианеи) сходны с бактериальными, но, кроме вышеперечисленных компонентов, они содержат хлорофилл.

Эукариотические клетки (ядерные) имеют оформленное ядро, которое включает структуры, ответственные за хранение, воспроизведение и передачу наследственной информации – хромосомы . Они расположены в ядре клетки и отграничены от цитоплазмы ядерной оболочкой. По химической природе хромосомы – это дезоксирибонуклеопротеидные структуры (ДНП ) – комплексы ДНК и белков. В не делящейся клетке хромосомы деспирализованы и имеют вид нитей хроматина. Во время деления они спирализуются и приобретают палочковидную форму. К надцарству эукариот относятся царства растений, грибов и животных.

Для растительных клеток характерно наличие толстой целлюлозной клеточной стенки, различных пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. В качестве питательного резервного углевода клетки растений запасают крахмал.

В клетках грибов клеточная оболочка содержит хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, пластиды отсутствуют. Главным резервным полисахаридом является гликоген.

Животные клетки имеют цитоплазматическую мембрану, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерны центриоли. Запасным углеводом является гликоген.

Клеточная теория – одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений и мира животных, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента растительных и животных организмов.

Клеточная теория – основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838).

Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерий имеют схожее строение. Позднее эти заключения стали основой для доказательства единства организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни.

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

1 Клетка – единица строения, жизнедеятельности, роста и развития живых организмов, вне клетки жизни нет

2 Клетка – единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определённое целостное образование

3 Ядро − главная составная часть клетки (эукариот)

4 Новые клетки образуются только в результате деления исходных клеток

5 Клетки многоклеточных организмов образуют ткани, ткани образуют органы. Жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.

Для приведения клеточной теории в более полное соответствие с данными современной клеточной биологии список её положений часто дополняют и расширяют. Во многих источниках эти дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

– Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу (см. ниже).

– В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации – молекул нуклеиновых кислот («каждая молекула из молекулы»). Положения о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из её более мелких компонентов – к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.

– Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединённых и интегрированных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).

– Клетки многоклеточных тотипотенты, то есть обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – к дифференцировке.