Введение[править | править код]
На фотографиях зелёный флуоресцентный белок показывает расположение различных частей клетки
Клетки — функциональные основные единицы жизни организма. Это было обнаружено Робертом Хуком и клетка — функциональная единица всех известных живущих организмов. Это — наименьшая единица жизни, которая классифицирована как живое существо, и часто называется стандартным блоком жизни. Некоторые организмы, типа большинства бактерий, являются одноклеточными (состоят из единственной клетки). Другие организмы, типа людей, являются многоклеточными. Люди имеют приблизительно 100 триллионов или 101410^{14} клеток; типичный размер клетки — 10 мкм, и типичная масса ячейки — 1 нанограмм. Наибольшие ячейки — приблизительно равны 135 мкм в предшествующем рожке спинного мозга, в то время как ячейки гранулы в мозжечке, наименьшем, могут быть приблизительно равны 4 мкм, и самая длинная ячейка может достигнуть от пальца ноги до более низкого ствола мозга (Псевдоуниполярные ячейки). Наибольшие известные клетки — яйцеклетки неоплодотворенного страуса , которые весят 3.3 фунта (или 0,40951241х3.3=1,351кг ).
В 1835, прежде, чем заключительная теория клетки была развита, Джан Эванджелиста Перкин ? наблюдал маленькие «гранулы», смотря на ткань образца через микроскоп. Теория ячейки, сначала развитая в 1839 Маттиасом Джакобом Шлеиденом и Зэодором Шуонном, заявляет, что все организмы составлены из одной или более клеток, что все клетки происходят от существующих ранее клеток, что жизненные функции организма происходят в пределах клеток, и что все клетки содержат наследственную информацию, необходимую для того, чтобы регулировать функции клетки и для того, чтобы передать информацию к следующему поколению клеток.
Клетка — слово прибывает от латинского cellula, значения, маленькой комнаты. Описательный срок для наименьшей живущей биологической структуры был выдуман Робертом Хуком в книге, которую он издал в 1665, когда он сравнил клетки пробки, которые он видел через его микроскоп как маленькие комнаты, в которых живут монахи.
§ 10. Клеточная теория. Общий план строения клетки
Клеточная теория. В первой половине XIX в. происходило углубление представлений о строении клетки, что связано с существенными улучшениями конструкции микроскопов. В клетках были обнаружены ядро и некоторые другие структуры. До этого считалось, что живыми являются клеточные стенки, а внутри клетки или пусты, или заполнены «питательным соком». В 1840-х гг. ученые пришли к пониманию того, что важнейшие процессы жизнедеятельности протекают именно внутри клеток, а не в клеточных стенках.
*В 1825 г. чешский анатом и физиолог Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке курицы. Позже он пришел к выводу, что именно внутреннее содержимое клеток, а не их оболочки, представляет собой живое вещество. Пуркине и его ученики исследовали микроскопическое строение ряда тканей и органов млекопитающих и человека. Однако, сравнивая клетки животных с клетками растений, Пуркине все же не пришел к выводу об их сопоставимости и единстве происхождения.
Британский ботаник Р. Броун в 1831 г. ввел термин «ядро» и описал его как сферическое плотное внутриклеточное тельце. Он же высказал предположение о том, что ядро является постоянным компонентом растительной клетки.*
В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден доказал, что различные органы растений состоят из клеток. Кроме того, ученый указал на значимость ядра для жизнедеятельности клетки.
Создателем клеточной теории стал немецкий зоолог Т. Шванн. Он установил, что ткани животных состоят из клеток, каждая из которых имеет ядро. Сопоставляя собственные наблюдения с трудами Шлейдена, Шванн пришел к выводу о том, что на микроскопическом уровне животные и растения устроены по единому плану. В 1839 г. была опубликована его книга «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В этой книге были выражены основные идеи клеточной теории: все организмы состоят из клеток, при этом клетки растений и животных сходны по строению и процессам жизнедеятельности. Создание клеточной теории было одним из величайших открытий в естествознании XIX в., наряду с эволюционной теорией и законом сохранения и превращения энергии.
*Главной ошибкой Шванна было высказанное вслед за Шлейденом мнение о том, что клетки растений и животных возникают из бесструктурного неклеточного вещества. Интересно, что именно этот ошибочный взгляд на способ образования клеток позволил Шванну прийти к выводу об их сходстве у растений и животных.*
В 1855 г. немецкий врач Р. Вирхов дополнил клеточную теорию. Он сформулировал принцип «Каждая клетка — от клетки», т. е. клетки образуются из других клеток в результате деления. *Вирхов также предположил, что в основе всех заболеваний лежит изменение структуры и функций клеток. Клеточная теория в толковании Вирхова стала общепринятой основой как биологии, так и медицины.*
В дальнейшем учение о клетке оказалось в центре внимания всей биологической науки и бурно развивалось. Для изучения клеток и их компонентов стали использовать разнообразные физические и биохимические методы. Это позволило понять сложность строения клеток и многообразие протекающих в них процессов.
Клеточная теория, главные положения которой были сформулированы в середине XIX в., является одной из основополагающих идей современной биологии. Она утверждает единство принципа строения и развития всех организмов, имеющих клеточное строение. Клеточная теория стала одной из предпосылок возникновения эволюционного учения, фундаментом для развития таких дисциплин, как гистология (наука о тканях), эмбриология (наука о зародышевом развитии организмов), физиология и др.
Современная клеточная теория включает следующие основные положения.
1. Клетка — элементарная структурно-функциональная единица живых организмов, обладающая всеми признаками и свойствами живого.
2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и процессам жизнедеятельности.
3. Все клетки образуются только в результате деления исходных (материнских) клеток.
4. Клетки большинства многоклеточных организмов специализируются по функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы и системы органов.
История открытия клеток
Шванн — автор клеточной теории
В литературе, посвященной истории клеточной теории, долгое время высказывалось утверждение, время от времени повторяющееся и в настоящее время, что учение о клетках как структурных образованиях, общих для растений и животных, принадлежит в равной мере ботанику М. Шлейдену и зоологу Т. Шванну. Впрочем, еще в конце прошлого века М. Гейденгайн, а позднее Ф. Студничка, и в особенности советский гистолог и историк клеточной теории 3. С. Кацнельсон со всей определенностью показали, что роль Шлейдена и Шванна в создании клеточной теории неравноценна. Истинным основоположником этой теории должен считаться Шванн, использовавший кроме результатов собственных исследований наблюдения Пуркине и его учеников, Шлейдена и ряда других ботаников и зоологов.
Клеточная теория Шванна содержит три главных обобщения — теорию образования клеток, доказательства клеточного строения всех органов и частей организма и распространение этих двух принципов па рост и развитие животных и растений.
Возможность сопоставления растительных и животных клеток и признания полного соответствия (гомологии) между клетками растений и животных была следствием двух положений, из которых исходил Шванл. Он вместе со Шлейденом принимал, во-первых, что клетки являются полыми, пузырьковидными образованиями и, во-вторых, что в обоих царствах природы клетки возникают из бесструктурного неклеточного вещества, находящегося внутри клеток или между ними; последнее Шванн называл цитобластемой. 3. С. Кацнельсон высказал звучащую парадоксально и вместе с тем правильную мысль, что именно эти ошибочные взгляды на природу клеток и способ их возникновения позволили Шванну увидеть их сходство у растений и животных, тогда как более правильный взгляд на животные клетки как образования, состоящие из зернистого вещества и в отличие от растительных клеток, как правило, лишенные оболочек, сложившийся у Пуркине, отвлек его от идеи гомологии клеток у растений и животных.
Клеточную теорию как широкое биологическое обобщение Шванн выразил в следующих словах: «Развитию положения, что для всех органических производных существует общий принцип образования и что таковым является клеткообразование… можно дать название клеточной теории».
Первые описания клеток
Представление о дискретности организмов животных и растений, т. е. об их построении из отдельностей, называвшихся то «клетками» (Р. Гук), то «мешочками» или «пузырьками» (М. Мальпиги, Н. Грю), то «зернышками» (К. Вольф), долгое время оставалось лишенным конкретного содержания, так как о природе этих образований ничего не было известно. Прошли незамеченными описания Ф. Фонтаны (1781), видевшего и изобразившего в клетках кожи угря ядра и даже ядрышки; Фонтана, разумеется, был далек от понимания смысла и значения своих наблюдений. Даже в начале XIX в. на микроскопическое строение организованных тел были распространены совершение абстрактные воззрения. Например, в «Учебнике натурфилософии» (1809) Л. Окена живые тела описывались как скопления частиц, которые он называл «органическими кристаллами», «слизистыми пузырьками», «органическими точками», «гальваническими пузырьками» и даже «инфузориями».
Изобретение ахроматического микроскопа и постоянное усовершенствование его оптических возможностей позволили подойти к изучению подлинного строения клеток, прежде всего растительных; сначала в них удалось увидеть самое заметное структурное образование — оболочку. О подлинной дискретности тела высших растений стало возможным говорить лишь после того, как в 1812 г. немецкому ботанику Мольденгауэру методом мацерации удалось отделить друг от друга составляющие их клетки.
Методы изучения первых этапов деления клетки
Изучение первых этапов деления клетки – процесс сложный и требующий от ученых использования разнообразных методик и технологий. Вот некоторые из методов, которые позволяют наблюдать и изучать первые этапы деления клетки:
- Микроскопия: один из основных методов, используемый для изучения делимости клетки. Позволяет увидеть структуру и процессы внутри клеток.
- Культивирование клеток: позволяет исследователям проводить эксперименты непосредственно с клетками, контролируя условия и наблюдая за процессами деления.
- Маркировка клеток: метод, который помогает ученым отслеживать и идентифицировать отдельные клетки и определенные структуры внутри них.
- Использование генетически модифицированных организмов: позволяет исследователям изучать гены и процессы, связанные с делением клеток, путем изменения генома организма.
- Биохимические методы: позволяют изучать молекулярные и биохимические процессы, связанные с делением клеток.
- Методы молекулярного клонирования: позволяют создавать клоны клеток и изучать их поведение и последствия деления.
- Генетические методы: позволяют исследователям изучать гены и мутации, влияющие на процесс деления клеток.
- Использование модельных организмов: позволяет исследователям изучать процессы деления клеток на основе данных, полученных на модельных организмах, например, на дрозофиле или нематодах.
Комбинируя и применяя эти методы, ученые смогли раскрыть многие тайны процесса деления клетки и улучшить наше понимание этого фундаментального процесса жизни.
32.369. Митоз
Хромосомы: индивидуальность, парность, число
Во время деления клетки хорошо заметны хромосомы. При изучении хромосом разных видов живых организмов было обнаружено, что их набор строго индивидуален. Это касается числа, формы, черт строения и величины хромосом. Набор хромосом в клетках тела, характерный для данного вида растений, животных, называется кариотипом (Рис. 1).
Рис. 1. Диплоидный набор хромосом в клетке
В любом многоклеточном организме существует два вида клеток — соматические (клетки тела) и половые клетки, или гаметы. В половых клетках число хромосом в 2 раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках все хромосомы представлены парами — такой набор называется диплоидным и обозначается 2n. Парные хромосомы (одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными.
В половых клетках каждая из хромосом находится в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается п.
Митоз. Подготовка клетки к делению
Наиболее распространенным способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий, или фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки.
Во время подготовки клетки к делению — в период интерфазы (период между двумя актами деления) число хромосом удваивается. Вдоль каждой исходной хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется ее точная копия. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок — хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК. В период интерфазы в клетке происходит процесс биосинтеза белка, удваиваются также все важнейшие структуры клетки (в т. ч. клеточный центр). Продолжительность интерфазы в среднем 10—20 ч. Затем наступает процесс деления клетки — митоз.
Фазы митоза
Во время митоза клетка проходит следующие четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза (рис. 2).
В профазе хорошо видны центриоли ― органоиды, играющие определенную роль в делении дочерних хромосом. Центриоли делятся и расходятся к разным полюсам. От них протягиваются нити, образующие веретено деления, которое регулирует расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки. В конце профазы ядерная оболочка распадается, исчезает ядрышко, хромосомы спирализуются и укорачиваются.
Метафаза характеризуется наличием хорошо видимых хромосом, располагающихся в экваториальной плоскости клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет перетяжку — центромеру, к которой прикрепляются нити веретена деления. После деления центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.
В анафазе дочерние хромосомы расходятся к разным полюсам клетки.
В последней стадии — телофазе — хромосомы вновь раскручиваются и приобретают вид длинных тонких нитей. Вокруг них возникает ядерная оболочка, в ядре формируется ядрышко.
В процессе деления цитоплазмы все ее органоиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Весь процесс митоза продолжается обычно 1-2 ч.
Рис. 2. Схематические изображение основных стадий митоза: А – профаза, Б – метафаза, В – анафаза, Г – телофаза.
В результате митоза все дочерние клетки содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз — это способ деления клетки, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками, обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.
Биологическое значение митоза
Биологическое значение митоза огромно. Функционирование органов и тканей многоклеточного организма было бы невозможно без сохранения одинакового генетического материала. Митоз обеспечивает такие важные процессы жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, поддержание структурной целостности тканей при полной утрате клеток в процессе их функционирования (замещение погибших эритроцитов, эпителия кишечника и пр.). восстановление органов и тканей после повреждения. Стоит отметить, что образование гамет у растений тоже происходит в процессе митоза (из гаплоидной споры образуются 2 гаплоидные гаметы).
Прочитано
Отметь, если полностью прочитал текст
Суть и значение основных положений клеточной теории[править]
Клетка — элементарная единица живого. Как мы уже обсуждали, части клетки (макромолекулы. органеллы) не являются живыми, так как не обладают всем набором свойств живого. В большинстве своём они не могут размножаться. Могут размножаться митохондрии и хлоропласты — но это как раз связано с тем, что они — бывшие клетки бактерий (см. ). Кроме того, могут размножаться молекулы ДНК; но они (как и вирусы) способны делать это только внутри клеток, в присутствии произведенных на клеточных рибосомах ферментов. К тому же ни молекулы ДНК, ни вирусы не обладают другими свойствами живого (например, у них нет собственного обмена веществ). Поэтому только там, где есть клетки, могут присутствовать и реализовывать свои свойства другие уровни организации живого — особи, популяции и экосистемы.
Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов имеют общее происхождение и сходны по своему строению и химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ. Иногда говорят, что все клетки гомологичны друг другу. В XX веке выяснилось, что клетки прокариот и эукариот — системы разного уровня организации (см.ниже). Гомология всех клеток свелась к наличию у них замкнутой наружной мембраны из двойного слоя фосфолипидов (да и то у архебактерий она имеет иной химический состав, чем у остальных групп организмов), хромосом — наследственного материала в виде молекул ДНК, образующих комплекс с белками — и рибосом. Это, конечно, не отменяет общего происхождения всех клеток, которое подтверждается общностью их химического состава.
В чем же состоит сходство химического состава всех клеток? Часто на этот счет пишут, что во всех клетках есть белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Но ведь они-то (особенно белки, РНК и ДНК) как раз во всех клетках разные!
На самом деле сходство химического состава состоит в том, что все белки всех живых организмов построены из одних и тех же мономеров — двадцати аминокислот (хотя мыслимых аминокислот существуют многие сотни), а ДНК всех организмов состоит из одних и тех же четырех нуклеотидов.
Кроме того, процессы функционирования (и некоторые белки, которые за них отвечают) в разных клетках настолько похожи, что с генов человека, встроенных в клетку бактерии, нормально считывается записанная в них генетическая информация и синтезируются человеческие белки!
Кто доказал, что клетки могут делиться: история открытия
История открытия того, что клетки способны делиться, начинается с работ немецкого биолога Рудольфа Вирхова в середине XIX века. Он предположил, что новые клетки формируются путем деления уже существующих клеток.
Однако, научное доказательство возможности деления клеток было получено только в 1879 году благодаря работам немецкого биолога Отто Бютцингера. Он исследовал процесс деления бактерий и описал способы их размножения, включая деление на две дочерних клетки. Это был первый экспериментальный доказательство деления клеток.
В 1882 году американский биолог Вальтер Флемминг опубликовал свои исследования, в которых он использовал специальную окраску для изучения клеточных делений. Он описал процессы митоза и мейоза, ставшие основой для изучения процессов размножения и генетики.
Таким образом, благодаря научным исследованиям ученых из разных стран мира, было доказано, что клетки способны делиться и размножаться, что является важным открытием в биологии и медицине.