Клетки — это структурно-функциональные и информационные (генетические) единицы живого. Это значит, что основные свойства живой материи: размножение, обмен веществ, превращение энергии, гомеостаз и др., могут проявляться только на клеточном и более высоких уровнях организации. Клетки могут существовать отдельно в виде одноклеточных форм жизни (простейшие, бактерии, одноклеточные водоросли, низшие грибы) или входить в состав тканей многоклеточного организма.
Все живые организмы, за исключением вирусов, состоят из одной, нескольких или огромного количества в большинстве своём микроскопических клеток. Но даже вирусы не проявляют жизни вне клетки, они внедряются в клетку хозяина и только там начинают делиться.
Клетка — это элементарная живая система, а это значит, что она состоит из более мелких, но взаимосвязанных частей. Этими частями являются её детали, построенные из биополимеров — нуклеиновых кислот и белков, которые совместно поддерживают энергетические и метаболические процессы всего организма в целом.
Длительная эволюция жизни ещё в далеком геологическом прошлом привела к появлению одноклеточных организмов. Многоклеточность в истории Земли возникла позже. Клетки у таких живых организмов преимущественно специализированные, имеют разнообразные формы, размеры и другие морфологические особенности. Они способны выполнять удивительное множество самых разнообразных функций. Клетки:
- кожи укрывают и защищают наш организм,
- мускулов — сокращаются,
- нервов — передают импульсы,
- кишечника — поглощают питательные вещества,
- почек — фильтруют кровь,
- иммунной системы — защищают наш организм от внешних вторжений,
- крови — переносят кислород,
- костей и хрящей — образуют костный каркас и т. д.
Клетки различаются по форме, размерам, функциям, но имеют общие признаки: общий план строения, схожий химический и элементарный состав.
Существует предположение, что все ныне живущие организмы произошли из единственной, возникшей несколько миллиардов лет назад первобытной клетки. Пережив своих конкурентов, эта клетка положила начало процессу клеточного деления и эволюции, которая в конце концов создала зеленый покров Земли, изменила состав ее атмосферы и сделала ее родиной разумной жизни.
Первые клетки на Земле появились около 3,8 млрд. лет назад в ходе химической, а затем предбиологической эволюции. Биогенез — не единственная гипотеза происхождения жизни, однако лишь она хотя бы частично подтверждена лабораторными опытами и имеет научное обоснование.
Согласно одной из новейших версий первыми появились вирусы, позже сформировались клетки прокариотического типа. На сегодняшний день они представлены бактериями и археями. Прокариоты устроены проще (у них нет клеточного ядра и других мембранных органелл, существенно меньше генетического материала), в процессе своей эволюции они так и не образовали многоклеточных форм жизни. Однако у прокариот наблюдаются более разнообразные варианты обмена веществ.
От прокариотических клеток, предположительно путем симбиогенеза, произошли клетки эукариот. Они имеют более сложное строение и большой геном. Их расцвет начался только около 1 млрд. лет назад, и за это время в процессе своей эволюции они образовали почти все разнообразие жизни на Земле.
Открытие клетки
Открытие и изучение клеток, а тем более их внутренних структур стало возможным только после появления в XVI – XVII в. световых микроскопов, ведь человеческий глаз не способен различать объекты размером менее 0,1 мм (100 мкм — микрон). Размеры самых мелких клеток составляют 2-4 мкм. Однако при их малых размерах клетки являются одними из самых сложных созданий во всей Вселенной.
Но не все они имеют микроскопические размеры. Есть и гигантские клетки. Например, хорошо видны невооружённым глазом волокна апельсина, лимона, арбузной мякоти. Семена хлопчатника имеют волоски, состоящие из одной клетки, их длина равна 5 см. У китайской крапивы волокна ещё длиннее — до 55 см. Но их ширина намного меньше, всего от 50 до 100 мкм. Яйцеклетки птиц и некоторых рыб обладают очень большими размерами — их диаметр достигает нескольких сантиметров.
- Оптический (световой) микроскоп изобрели в 16 веке. По одной версии в 1591 году его придумали отец и сын Янсены. По другой — немного раньше в 1538 г. итальянский врач Франкастро впервые скомбинировал две линзы так, что получилось небольшое увеличение.
- Галилео Галилей в 1609 г собрал прибор с вогнутой и выпуклой линзой.
- Первым человеком, увидевшим клетку и давшим ей это название, был Роберт Гук — английский изобретатель и естествоиспытатель. Произошло это в 1665 году. Он создал собственную модель микроскопа с 30-кратным увеличением, под которым он исследовал тончайшие срезы коры пробкового дерева, а это мёртвая ткань. Гук сумел разглядеть стенки клеток и пустое внутреннее пространство, которое они окружали.
Гук назвал эти образования «клетками», от латинского слова «cella», что означает «маленькая комнатка», ибо они напомнили ему монашеские кельи. Однако у него не было ни малейшего представления о том, чем же на самом деле они являлись и какую функцию выполняли. Он решил, что это протоки, через которые осуществляется движение жидкостей в растениях. А слово «клетки» в современном его значении стали употреблять только 150 лет спустя.
Через шесть лет после публикации записей наблюдений Гука Королевское научное общество в Лондоне получило рукописи от двух других ученых, которые утверждали, что растения состоят из клеток с толстыми стенками.
Первым человеком, который сумел увидеть клетку животного, был Антон ван Левенгук. Его и следует называть истинным основоположником исследований при помощи микроскопа. Левенгук был самоучкой — он не учился ни в каком университете, однако стал одним из величайших и наиболее опытных исследователей природы.
В 1648 году Левенгук в шестнадцатилетнем возрасте отправился в Амстердам и стал учеником в полотняной лавке. В этой лавке пользовались увеличительными стеклами для того, чтобы сосчитать количество ниток на единицу площади в полотне, — так определяли его качество. На основе увеличительных стекол, которыми пользовались торговцы полотном, Левенгук создал свой первый микроскоп. По-видимому, «Микрография» Гука вдохновила Левенгука на то, чтобы с микроскопом приступить к изучению живых организмов.
Левенгук овладел способами шлифовки линз, которые позволили ему создать микроскоп с увеличением в 300 раз. С его помощью он в 1670 году обнаружил во взятой из пруда воде мельчайшие организмы, которые назвал «анималькулами», то есть «маленькими животными». Эти организмы включали мельчайшие движущиеся образования, состоявшие всего из одной клетки. Однако сам Левенгук еще не понял, что это клетки, — он видел лишь, что они очень маленькие и живые. В изданных в 1683 году «Философских трудах Королевского научного общества» можно увидеть сделанный Левенгуком первый в истории рисунок бактерии.
В 1673 году Левенгук взял на пробу кровь из собственного пальца и увидел, что она состоит из маленьких круглых шариков, которые он назвал «глобулусами». Он решил, что вся живая материя состоит из этих «глобулусов», но это предположение не получило широкого признания, поскольку оказалось, что наблюдения Левенгука мало применимы к монолитным животным тканям. Более популярной стала теория о том, что основным строительным материалом человеческого тела являются животные волокна. В последующие сто лет практически не произошло никакого прогресса в изучении и понимании роли клеток.
Название «ядро» было присвоено округлым или овальным образованиям клетки в 1831 году шотландским ученым Робертом Брауном. Он был убежден, что эти ядра выполняют какие-то важные функции, только не знал, какие именно.
Клеточная теория
На развитие научных представлений о клетках оказала огромное влияние работа немецкого физиолога и убежденного католика Теодора Шванна. Он занимался исследованиями нервных и мускульных тканей при помощи микроскопа и открыл жировую оболочку, покрывающую многие нервные клетки. С тех пор эти клетки так и называются «клетками Шванна». Немецкий ученый порвал с традиционным и, по сути, мистическим представлением о неких «жизненных силах» и стал искать сугубо научное объяснение жизненным феноменам, которое базировалось бы на точных законах физики и химии.
Во время обеда Шванна и ботаника (он же адвокат) Маттиаса Шлейдена в 1837 году разговор коснулся ядра растительных клеток, и Шванн вспомнил, что видел внутри животных клеток такие же образования, которые он ранее наблюдал внутри растительных клеток. Этот миг положил начало созданию подлинной клеточной теории.
В 1838 году Шлейден предположил, что каждый структурный элемент растений был создан из клеток, либо из их производных. В следующем, 1839 году с подобным же выводом относительно животных выступил и Шванн, выпустивший свой знаменитый труд «Исследования сходства в структуре и развитии растений и животных при помощи микроскопа». В этом труде Шванн утверждал, что «первичные структуры всех тканей образованы клетками».
Там Шванн сформулировал основные положения клеточной теории:
- все организмы состоят из клеток;
- клетки представляют собой мельчайшие структурные единицы жизни;
- клетки возникают путём новообразований из неклеточного вещества;
- многоклеточные организмы состоят из множества клеток;
- рост организмов осуществляется путем возникновения новых клеток.
Имена Шлейдена и Шванна столь же тесно связаны с теорией клеток, как имена Уотсона и Крика — с открытием ДНК, сделанным столетием позже. Однако когда Шлейден и Шванн попытались понять, как же размножаются клетки, они допустили серьезнейшие ошибки.
Разумеется, нам следует принять во внимание те объективные трудности, с которыми они столкнулись. Если ученый обладает микроскопом, то какие области он должен исследовать, чтобы увидеть, как формируются клетки? В любом живом теле нет таких очевидных мест. Лучше всего наблюдать за этим на примере развивающегося эмбриона, но для этого требуется сначала осознать, что все клетки тела ведут свое происхождение от одной-единственной клетки, от оплодотворенного яйца, которое в дальнейшем размножается путем деления.
Шлейден и Шванн этого не знали, и это было неизвестно еще нескольким поколениям ученых, работавших позже них. Шлейден полагал, что первый этап в процессе воспроизводства клетки связан с формированием центра кристаллизации в пространстве за пределами клетки, после чего вокруг этого центра начинает образовываться новая клетка. По мнению Шванна, формирование новой клетки начинается с образования центра кристаллизации в свободном пространстве между отдельными клетками.
При этом Шлейден и Шванн либо не знали, либо игнорировали результаты наблюдения, сделанного Дюмортье в 1832 году, когда французский ученый увидел, что клетки зеленой водоросли размножаются путем деления. В области исследования животных клеток ключевым стало открытие в 1841 году немецким ученым Робертом Ремарком, который критически отнесся к теории, выдвинутой Шлейденом и Шванном, процесса размножения клеток эмбриона цыпленка. Другим важнейшим открытием Ремарка стало то, что оплодотворенное яйцо лягушки подвергается многократному последующему делению, в результате чего появляется эмбрион лягушки. Ремарк также сделал вывод о том, что различные злокачественные опухоли и новообразования на теле людей и животных появляются за счет деления изначально здоровых клеток.
В 1859 году немецкий ученый Рудольф Вирхов писал:
«Любое животное является слагаемым из основных элементов, каждый из которых обладает характерными признаками живого организма. Из этого следует, что основной живой организм, так называемый индивидуальный организм, можно сравнить со своего рода социально организованным обществом, в котором отдельные члены зависят друг от друга таким образом, что при этом каждый отдельный элемент ведет свою собственную особую деятельность и, получая стимулы к своей деятельности от других элементов, тем не менее выполняет свою задачу своими собственными силами».
Здесь впервые прозвучала концепция, что мы представляем собой сообщество клеток. Идеи Вирхова стали основой теории формирования клеток, пусть даже сами механизмы возникновения новых клеток и не были еще до конца понятны ученым. Ученые уже увидели развитие оплодотворенного яйца лягушки и его последующее деление, приводящее к возникновению множества новых клеток, ряд из которых впоследствии развивался в клетки мускулов и хрящей. Как происходило это превращение, они не знали. Кроме того, ученым было нелегко признать некоторые «казусы» — например, то, что и нервы состоят из одной клетки, хотя их отростки, аксоны, тянутся порой на метр в длину, и они мало похожи на привычные небольшие круглые клетки, которые наблюдались во всех остальных животных тканях. Попытки воссоздать и описать трехмерную структуру нервной системы наталкивались на невозможность определить истинные взаимоотношения нервных клеток и их длинных отростков и ответвлений.
Важный прорыв в этой области произошел в 1873 году, когда итальянский физиолог и нейрогистолог Камилло Гольджи (1843–1926) разработал способ окрашивать нервные клетки контрастным материалом. Теперь даже слепой, по словам самого Гольджи, мог легко увидеть нервы со всеми их отростками и соответственно изучить их. Гольджи полагал, что нервные аксоны со всеми их многочисленными ответвлениями, ясно видные после их окраски черной краской, образуют гигантскую разветвленную нервную сеть, через которую передаются нервные импульсы. Но Гольджи заблуждался: то, что он видел, было не аксоном одной нервной клетки с многочисленными ответвлениями, а множеством пересекающихся аксонов, которые относились к различным нервными клеткам.
Решающие изменения случились во второй половине 1880-х годов. В октябре 1886 года швейцарский эмбриолог Вильгельм Хис выдвинул идею о том, что каждая отдельная нервная клетка со всеми ее аксонами представляет собой отдельную системную единицу. С этого момента нервную систему стали рассматривать как совокупность отдельных клеточных элементов, каждый из которых взаимодействует с другими благодаря пересекающимся отросткам. Решающее доказательство правильности этой теории было получено лишь с помощью электронного микроскопа, который появился в 1930-е годы и позволил увидеть межнейронные синапсы — зоны функционального контакта двух нервных клеток.
С открытием Хиса наибольшую важность приобрели исследования внутренней структуры клетки. Учёные уже определили, что внутри как растительных, так и животных клеток находится ядро, хотя в ту пору никто еще не знал, что это ядро содержит в себе набор генов. Для того чтобы понять это, требовалось более тщательно изучить внутреннее строение клетки. Во время исследований растительных и животных клеток было установлено, что в момент деления клетки оболочка ядра растворяется и через срединную часть клетки протягивается веретенообразная структура. На этом веретене в центре клетки собирался определенный органический материал, который затем попадал в обе дочерние клетки. Когда клетка разделялась на две новые клетки, каждая из них получала свою отдельную оболочку и в каждой из них формировалось свое собственное ядро.
То, что собиралось в центре клетки на веретене, и представляло собой наследственный материал клеток — но кто мог понять это в ту пору? В 1870-е годы ученые установили лишь, что этот материал представляет собой набор микротрубочек различных размеров, каждая из которых делится надвое, и затем образовавшиеся пары разделяются и расходятся к разным полюсам клетки-матери, чтобы оказаться в новых клетках. Эти микротрубочки ученые назвали хромосомами.
Профессор зоологии Лейденского университета Эдуард ван Бенеден во время изучения паразитического червя установил, что в его клетках содержится всего несколько хромосом. Благодаря этому он мог легко проследить за судьбой каждой из хромосом при делении клеток, то есть в процессе митоза. Ван Бенеден установил, что каждая пара хромосом делится в центре клетки, после чего хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки. В ходе этих исследований ван Бенеден установил также, чем определяются половые различия особей.
Животные, размножающиеся половым путем, как, например, люди, половину своих хромосом получают от матери, половину — от отца. Это происходит в момент оплодотворения яйцеклетки. У людей каждый из родителей дает плоду по 23 хромосомы, в результате чего оплодотворенная яйцеклетка имеет 46 хромосом, и точно такое же количество хромосом содержится в каждой клетке человеческого эмбриона.
Изучая животное, в каждой клетке которого содержалось всего по две хромосомы, ван Бенеден догадался, что одна из этих хромосом была получена из отцовского сперматозоида, а другая — из материнской яйцеклетки. Таким образом, яйцеклетка и сперматозоид содержат лишь по одной хромосоме, и, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, она получает две хромосомы, и далее от нее путем деления образуются все без исключения клетки данного животного. Но как же взрослая особь, каждая из клеток которой содержит по две хромосомы, производит яйцеклетки и сперматозоиды, которые содержат лишь по одной хромосоме? Выяснилось, что процесс уполовинивания числа хромосом, мейоз, происходит одновременно с развитием яйцеклеток и сперматозоидов. Они проходят через две стадии деления клеток, однако при этом число хромосом в них удваивается лишь один раз. Мейоз — это один из основных генетических процессов. У людей, клетки которых содержат по 46 хромосом, в яйцеклетках и сперматозоидах получается по 23 хромосомы.
Главный вопрос, который так и не смогли разрешить в то время, как же именно передаются от родителей к детям их генетические характеристики. Особенно сложным он оказался для Чарлза Дарвина, выдвинувшего теорию эволюции и естественного отбора. Труды Дарвина по этой проблеме были впервые опубликованы в 1859 году. Каким же образом возникает разнообразие видов и их разнообразные отличительные характеристики, которые затем подвергаются естественному отбору? Дарвин, который не знал о теории клеток, полагал, что исходный материал, из которого развивается эмбрион, происходит из всех без исключения частей тел его родителей. Это стало известно под названием «теории пангенезиса». Племянник Дарвина Фрэнсис Галстон, не веривший в теорию пангенезиса, выдвинул предположение о том, что наследственный материал каким-то образом передается из поколения в поколение.
Фундаментальный прорыв в области генетики совершил Грегор Мендель. Рассказывать об этом весьма сложно, ибо неясно, насколько сам Мендель сознавал все его значение.
Результаты экспериментов Менделя с горохом в монастырском саду под Брно были опубликованы в издаваемом в Брно естественно-историческом журнале в 1866 году, однако они привлекли к себе очень мало внимания. Мендель писал, что характерные признаки гибридов гороха — такие, как округлая или угловатая форма семян, их желтый или зеленый оттенок, — следует считать наследственными признаками. Однако проявляются далеко не все признаки, поскольку некоторые из них подавляются каким-то одним, доминантным. При скрещивании рослых и малорослых сортов все потомство было высокорослым. Когда же между собой скрещивались эти гибриды, то треть потомства оказывалась низкорослым, а две трети — высокорослым. Речь о том, что за все это отвечают гены, в ту пору еще не шла.
Теодор Бовери из университета Вюрцбурга развил выводы ван Бенедена, сделанные в результате наблюдений за хромосомами, и доказал, что при развитии клетки все их характеристики сохраняются неизменными. Бовери пришел к выводу о том, что хромосомы являются независимыми образованиями по отношению к самой клетке. Он также обнаружил, что если в яйцеклетку морского ежа проникало больше одного сперматозоида, то в оплодотворенной яйцеклетке оказывалось избыточное количество хромосом и эмбрион развивался с дефектами. Исследование хромосом в клетках дождевых червей и морских ежей привело Бовери к выводу о том, что хромосомы переходят во вновь образовывавшиеся клетки при делении клеток и что именно они являются носителями наследственной информации. В 1902 году Бовери увидел взаимосвязь между своей теорией об индивидуальном характере хромосом и исследованиями Менделя о передаче наследственных признаков.
Бовери имел дело с генами, хотя их еще не называли так. У самого термина «ген» — весьма запутанное происхождение. В 1889 году Гуго де Вриес придумал термин «панген», которым он решил обозначить мельчайшую единицу, заключающую в себе наследственные характеристики. Затем этот термин укоротил до «гена» Вильгельм Йоханнесен. В 1908 году Уильям Бейтсон, зоолог из Кембриджского университета, описывая вопросы наследственности и изменения видов, написал:
«Крайне необходимо придумать слово для того, чтобы обозначить само понятие об этом, и в этой связи слово „генетика“ вполне бы подошло».
Ученым, который с полной достоверностью установил существование генов, стал американец Томас Хант Морган, сделавший это в первой четверти XX столетия. Морган был биологом-исследователем, однако никаких особых успехов он не добился. Однажды он изучал дрозофил и заметил, что одна из дрозофил обладает необычным свойством — белыми глазами (в то время как обычно у дрозофил глаза красные). Морган доказал, что эта необычная особенность была связана с полом дрозофилы.
Затем Морган обнаружил еще трёх дрозофил, имеющих общие характерные признаки, которые были связаны с полом, и смог доказать, что за каждый из них отвечала особая область хромосомы, или ген. После этого ученые смогли наконец точно определить место генов в составе хромосом, и это позволило заложить фундамент науки генетики. Было признано, что гены — единственный механизм, отвечающий за передачу наследственных признаков от родителей потомству. Дрозофилы до сих пор остаются важным объектом генетических исследований, а Моргану за его достижения в этой сфере в 1933 году была присуждена Нобелевская премия.
Большая часть исследователей полагала, что ген сформирован на основе белка. Обнаружение в 1920-е годы вирусов, которые обладали способностью воспроизводиться внутри бактерий, подтвердило верность этих взглядов, поскольку исследования показали, что в 90 процентах случаев вирусы состояли из белка. В 1928 году были получены данные, которые указывали на то, что наследственная информация содержится в ДНК. Исследуя бактерию, которая вызывала пневмонию, британский медик и ученый-генетик Фред Гриффитс обнаружил, что эта бактерия существует в двух разновидностях: вирулентной, вызывающей заболевание в подопытных мышах, и безвредной. Когда он нагревал раствор с вирулентными штаммами, они также становились безвредными. Однако, к его удивлению, если он вводил подопытным мышам раствор с вирулентными штаммами, который был обезврежен в ходе нагревания, вместе с раствором с безвредными штаммами, то мыши заболевали пневмонией. Получалось, что вирулентные штаммы даже после того, как их подвергли нагреванию, сохраняли способность передавать свои болезнетворные качества безвредным штаммам.
Для того чтобы выяснить, что же именно передается в этом случае, ученым потребовалось пятнадцать лет, и они установили, что передается именно ДНК. Это открытие вызвало удивление, поскольку в те годы ученые полагали, что передаваться должны белки. Что ДНК содержит наследственный материал, выяснилось в ходе проведенных в 1944 году экспериментов с вирусами. Сами вирусы состоят из белка и ДНК, и исследования доказали, что наследственная информация, которая приводила к образованию новых вирусов, содержалась лишь в ДНК. В конце 1940-х годов было доказано, что качества бактерии меняются не под воздействием белка, но под воздействием ДНК. Однако некоторые ученые сомневались, что гены образованы спиралями ДНК. Предположение, что наследственный материал содержится именно в ДНК, а не в белках, получило окончательное подтверждение в начале 1950-х годов после открытия Криком и Уотсоном двойной спирали ДНК. Затем последовало открытие механизма саморепродукции ДНК и обеспечения строительства белков согласно содержащемуся в ДНК наследственному коду. Так ученые начали приближаться к пониманию молекулярной основы функционирования клеток.
Они выяснили, в чем заключаются функции хромосом, однако функции митохондрий удалось разгадать только в 1950-х годах. Эти небольшие образования были обнаружены во всех клетках, кроме клеток бактерий, еще в XIX столетии, однако выяснить их функцию тогда не смогли. Само название «митохондрии» отражает впечатления от их внешнего вида, зафиксированное впервые обнаружившими их учеными, — в основе его лежат греческие слова «нить» и «гранулы». В течение многих лет после открытия митохондрий ученые ошибочно полагали, что их функция состоит в переносе наследственной информации.
Только в 1950-е годы их удалось извлечь из клеток и выяснить их структуру при помощи электронного микроскопа. Отделить митохондрии от других структур клетки удалось следующим образом: большое количество клеток надрезали и помещали в центрифугу. Поскольку удельный вес митохондрий отличается от удельного веса других структур клетки, в процессе центрифугирования они отделяются. В результате биохимического исследования митохондрий ученые установили, что они обеспечивают клетки энергией, поставляя ее в форме АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты.
При исследовании клеток ученым зачастую необходимо иметь в своем распоряжении большое количество одинакового материала для проведения биохимического анализа. Извлечение клеток из живого организма — если только речь не идет о клетках крови — представляет собой немалую трудность. Поэтому встал вопрос о том, чтобы научиться выращивать их в искусственной питательной среде. Такие технологии стали разрабатывать с конца 1890-х годов, настоящий же прорыв в этой области произошел в 1907 году, когда ученые научились искусственно культивировать клетки тканей в течение нескольких недель.
Большинство клеток, изъятых из живого организма и помещенных в искусственную питательную среду, растут там в течение ограниченного периода времени. Однако в процессе исследований выяснилось, что возможны практически «бессмертные» популяции клеток; они-то и оказались наиболее удобным объектом для изучения. Одна такая популяция клеток, которую называют «ГеЛа», возникла из тканей Генриетты Лакк, проходившей лечение по поводу рака шейки матки в 1951 году. Саму Генриетту Лакк раковая опухоль в конце концов убила. Популяция же клеток «ГеЛа», взятая из ее тела, оказалась весьма живучей. Благодаря наблюдениям за ней удалось изучить многие аспекты жизнедеятельности клеток — такие, как, например, рост внутри клеток вирусов полиомиелита. Всего только за два года в различные лаборатории по всему миру для изучения было разослано 600 тысяч образцов клеточных культур «ГеЛа».
Ученые серьезно продвинулись вперед, когда научились выделять из ткани клетки разных типов. Причем не беда, если первоначально удается выделить слишком малое число клеток какого-то одного типа — искусственная питательная среда поможет увеличить их количество. При этом большая часть клеток в искусственной среде сохраняет свои изначальные свойства: у нервных клеток вытягиваются длинные отростки-аксоны в поисках тех объектов, куда они могут передать нервный импульс, мускульные клетки непроизвольно сокращаются, а клетки кожи могут, размножаясь, формировать новые слои.
Все это позволило дать твердое научное обоснование клеточной теории. От того, как функционируют клетки, зависит жизнедеятельность организма и развитие в нем различных заболеваний, которые являются следствием неправильного функционирования клеток. Такой подход позволяет анализировать болезненные процессы на клеточном уровне. Он применяется при патологоанатомических исследованиях, когда определенные участки тканей исследуются при помощи микроскопа, чтобы выявить отклонения в развитии клеток, приводящие к болезни.
Клеточная теория позволила выработать общий универсальный подход к проблемам биологии. Эта теория подчеркивает глубинное единство всего живого и лежит в основе концепции о том, что все живые организмы представляют собой своеобразные «республики элементарных живых частиц» — иными словами, являются сообществом клеток.
Все клетки происходят от одного и того же общего прародителя, и все они в процессе эволюции сохранили свои основные базовые свойства. Подобные свойства клеток и живых организмов обусловливают то, что познание особенностей функционирования одного живого организма способно в большинстве случаев обеспечить понимание и познание другого живого организма, включая и человеческий, что крайне ценно, ведь с человеческим организмом особенно не поэкспериментируешь, в то время как эксперименты на мышах, лягушках, мушках, морских ежах, червях и бактериях способны дать нам знания, касающиеся всего живого, в том числе и нас самих. Например, обитающая в человеческом кишечнике бактерия Escherichia coli, которая вырабатывает 4300 различных белков, хорошо растет и быстро размножается. Исследованиям этой бактерии мы обязаны значительному росту наших знаний о молекулярных основах жизнедеятельности клеток, включая знания о воспроизводстве информации ДНК и белковом синтезе. Изучение многоклеточных животных, таких, как плодовые мушки, заложило основы классической генетики. Изучение лягушек, мышей и цыплят позволило узнать особенности эмбрионального развития позвоночных животных.
Вышепредставленное взято из книги Льюиса Уолперта. Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем.
Современная клеточная теория состоит из следующих пунктов:
- Клетка – наименьшая единица живого. Это представление было известно ещё из работ Шванна и др. Р. Вирхов считал, что каждая клетка несёт в себе полную характеристику жизни, все признаки живого впервые можно обнаружить только на клеточном уровне.
- Сходство клеток разных организмов по строению и химическому составу. У всех клеток общий план организации, однообразие которых объясняется одинаковостью общеклеточных функций, связанных с поддержанием самой живой системы (синтез белков и нуклеиновых кислот, биоэнергетика клетки и т.д.). Сходство также указывает на общность происхождения живых организмов. Различие строения клеток объясняется их разными функциями и эволюцией прокариотической клетки до эукариотической.
- Размножение клеток путём деления исходной клетки. Сформулированное Р. Вирховым положение «всякая клетка от клетки» можно считать биологическим законом. Размножение прокариотических и эукариотических клеток происходит только путём деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение её генетического материала.
- Клетки – как части целого организма. Каждое проявление деятельности целого организма осуществляется специализированными клетками. Но в многоклеточном организме деятельность отдельных клеток не обособлена от других клеток и межклеточного вещества.
Элементы строения клеток
Клетки растений, грибов и животных состоят из наружной клеточной мембраны (плазмалеммы), цитоплазмы с органеллами и ядра, такие клетки называются эукариотическими (лат. Eukaryota от др.-греч. εὖ- «хорошо; полностью» + κάρυον «орех; ядро»). Клетки бактерий и цианобактерий отличаются отсутствием оформленного ядра и многих органоидов цитоплазмы, такие клетки называют прокариотическими (лат. Procaryota, от др.-греч. πρό ‘перед’ и κάρυον ‘ядро’). Есть различия и внутри этих групп клеток, например растительная клетка отличается от клетки грибов, а клетки прокариот различаются по биохимическим свойствам. В зависимости от типа клеток все организмы подразделяются на два надцарства: Прокариоты и Эукариоты.
У всех клеток есть 2 компонента: плазмалемма (цитоплазматическая мембрана) и протопласт (живая часть).
Эукариотические клетки состоят из трёх основных взаимосвязанных частей:
- наружной клеточной (плазматической) мембраны (плазмалеммы);
- цитоплазмы, состоящей из гиалоплазмы, включений и обособленных участков – органоидов (органэлл);
- ядра (по гречески «карион»), часто ядро тоже относят к органоидам.
Кроме этого у всех клеток, кроме животной есть клеточная стенка.
Цитоплазма
Цитоплазма — это вся живая часть клетки кроме цитоплазматической мембраны, ядра и клеточной стенки. Она включает в себя гиалоплазму, органеллы и непостоянные структуры — включения.
Гиалоплазма, или матрикс цитоплазмы — это полужидкая прозрачная внутренняя среда клетки, коллоидная тонкозернистая система, включающая в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. Эта система из жидкого (золеобразного) может переходить в гелеобразное состояние и обратно. Она меняет своё состояние не только полностью, но и по зонам, благодаря чему в бесструктурной на первый взгляд среде могут формироваться фибриллярные и нитчатые комплексы белковых молекул.
Гиалоплазма выполняет следующие функции:
- Ферментативную. Главным образом в состав гиалоплазмы входят различные глобулярные белки, их содержится там 20-25% от всех белков эукариотической клетки. Среди них важное место занимают белки-ферменты, метаболизирующие сахара, азотистые основания, аминокислоты, липиды и другие органические соединения. В гиалоплазме также есть ферменты активации аминокислот при синтезе белков, транспортные (тРНК).
- При участии рибосом и полисом там происходит синтез белков.
- В значительной степени обеспечивает осмотические и буферные свойства, зависящие от состава гиалоплазмы.
- Объединение всех клеточных структур и обеспечение химического взаимодействия их друг с другом.
- Транспортная. Через гиалоплазму осуществляется перенос аминокислот, жирных кислот, сахаров, нуклеотидов внутри клетки. Идёт по ней и постоянный поток ионов к плазмалемме, ядру и вакуолям.
- Является основным вместилищем и зоной перемещения молекул АТФ.
- В ней происходит отложение запасных продуктов: жировых капель, гликогена, некоторых пигментов.
Органеллы
Органеллы (органоиды) — это постоянные структуры определённых клеток, выполняющие жизненно-важные функции. Одни учёные считают настоящими органеллами только цитоплазму и ядро, другие, в том числе и составители КИМов ЕГЭ, ядро к органоидам не относят, третьи называют этим термином все функциональные единицы внутренней части клетки, включая ядро. Органеллы бывают мембранными и немембранными.
Немембранные органеллы — это:
- рибосомы (полирибосомы);
- клеточный центр;
- элементы цитоскелета (микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты).
Мембранные органоиды делятся на одномембранные и двумембранные, к последним относятся только митохондрии и пластиды, иногда к ним же причисляют и ядро. Одномембранные органеллы — это:
- цитоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум ЭПС);
- аппарат Гольджи (АГ), или пластинчатый комплекс;
- лизосомы;
- вакуоли;
- пероксисомы.
Все одномембранные органоиды взаимосвязаны, они формируют вакуолярную систему. На ЭПС синтезируются белки, гормоны, ферменты и т.д. В АГ они упаковываются, частично используются для нужд клетки, а также выводятся наружу. В аппарате Гольджи формируются лизосомы, которые обеспечивают внутриклеточное переваривание и вынос непереваренных остатков из клетки.
Вакуолярная система клетки обеспечивает синтез и транспорт внутриклеточных биополимеров, продуктов секреции, выводимых из клетки, что сопровождается производством всех мембран этой системы.
