Цитология – наука о клетке

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Цитология – наука о клетке»

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 1 курса специальности «Биология»

 

Проверила:

 

 

 

 

Уфа - 2009г.

 

Содержание

 

Введение	3
Глава 1. Цитология – наука о клетке	5
1.1. Цитология - наука о строении, функциях, метаболизме, взаимоотношениях  со средой развития и происхождении  клетки	5
1.1.1. Развитие цитологии до начала ХХ века	6
1.1.2. Развитие цитологии в первой половине ХХ века	9
1.1.3. Развитие современной цитологии	15
1.2. Биология клетки – молекулярные  механизмы функционирования клеток	18
1.3. Место цитологии среди других  биологических дисциплин	21
1.4. Связь цитологии с молекулярной  биологией, генетикой, эмбриологией, физиологией  и биохимией	21
1.5. Значение цитологии в медицине  и сельскохозяйственной науке	22
Заключение	23
Список использованной литературы	25

 

 

Введение

 

Из среды других биологических наук цитология выделилась почти сто лет назад. За это время практическое и теоретическое значение достижений цитологии только возрастает. Появляются новые сферы, в которых используются достижения цитологии.

Цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин, так как клеточные структуры лежат в основе строения, функционирования и индивидуального развития всех живых существ, и, кроме того, она является составной частью гистологии животных, анатомии растений, протистологии и бактериологии.

Клетка как элементарная форма существования жизни на земле является предметом изучения современной биологии, так как самые фундаментальные проблемы биологии оказываются в значительной степени проблемами цитологическими, которые заключаются в следующем:

1. Синтез  белка и других органических  соединений. Этот процесс, который  осуществляется только и исключительно  в клетке, до сих пор является  тайной для человека. По своему  философскому и научно-историческому  значению вопрос о синтезе  белка не имеет себе равных  среди всех вопросов современного  естествознания.

2. Проблема накопления биомассы. Мы знаем, что круговорот органического  вещества на земле является  обязательным условием существования  человека. Изучение механизмов размножения, роста клеточной массы и в  более общей форме – изучение  законов, обеспечивающих репродукцию  органического вещества, является  в настоящее время уже практически  потребностью человека.

3. Проблема резистентности живой материи. Изучение условий и механизмов, обеспечивающих высокую стойкость к таким неблагоприятным воздействиям внешнего мира, как лучистая энергия, температура, химические факторы, механическая энергия и т. д., является также практической потребностью человека.

4. Проблема злокачественного роста. Важность решения этой проблемы  известна всем. Проблема злокачественного  роста является также проблемой  цитологической.

5. Проблема передачи наследственных  свойств. Эта проблема является  узловой проблемой в том смысле, что в случае ее решения  одновременно решаются проблемы  роста и размножения, проблема  биоэнергетики и т. д.

6. Проблема  биоэнергетики. Ни одна из самых совершенных современных машин по коэффициенту полезной утилизации энергии не может идти ни в какое сравнение с живыми системами. Именно клетка обладает уникальной биологической структурой, которая с энергетической точки зрения является столь же уникальной силовой станцией.

Вот такая, далеко не полная характеристика стоящих перед современной цитологией фундаментальных биологических проблем свидетельствует о том, что по своему значению для человеческого общества они находятся в одном ряду с самыми первостепенными проблемами естествознания.

 

 

Глава 1. Цитология – наука о клетке

 

1.1. Цитология - наука о строении, функциях, метаболизме, взаимоотношениях со  средой развития и происхождении  клетки

 

Цитология (греч. κύτος - пузырьковидное образование и λόγος - слово, наука) - раздел биологии, изучающий живые клетки, их органоиды, их строение, функционирование, процессы клеточного размножения, старения и смерти.

Также используются термины клеточная биология, биология клетки (англ. Cell Biology).

Цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин, т.к. клеточные структуры лежат в основе строения, функционирования и индивидуального развития всех живых существ, и, кроме того, она является составной частью гистологии животных, анатомии растений, протистологии и бактериологии.

Впервые название «клетка» в середине XVII в. применил Р. Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.

Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838) . Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.

 

1.1.1. Развитие цитологии до начала ХХ века

 

Прогресс цитологии связан с развитием методов исследования клеток. Клеточное строение впервые было обнаружено английским учёным Р. Гуком в ряде растительных тканей в 1665 благодаря использованию микроскопа. До конца 17 в. появились работы микроскопистов М. Мальпиги (Италия), Н. Грю (Великобритания), А. Левенгука (Нидерланды) и др., показавшие, что ткани многих растительных объектов построены из ячеек, или клеток. Левенгук, кроме того, впервые описал эритроциты (1674), одноклеточные организмы (1675, 1681), сперматозоиды позвоночных животных (1677), бактерии (1683). Исследователи 17 в., положившие начало микроскопическому изучению организмов, в клетке видели лишь оболочку, заключающую в себе полость.

В 18 в. конструкция микроскопа была несколько улучшена, главным образом за счёт усовершенствования механических частей и осветительных приспособлений. Техника исследования оставалась примитивной; изучались в основном сухие препараты.

В первые десятилетия 19 в. представления о роли клеток в строении организмов значительно расширились. Благодаря трудам немецких учёных Г. Линка, Я. Мольденхавера, Ф. Мейена, Х. Моля, французских учёных Ш. Мирбеля, П. Тюрпена и др. в ботанике утвердился взгляд на клетки как на структурные единицы. Было обнаружено превращение клеток в проводящие элементы растений. Стали известны низшие одноклеточные растения. На клетки начали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1835 Моль впервые наблюдал деление растительных клеток. Исследования французских учёных А. Мильн-Эдвардса, А. Дютроше, Ф. Распая, чешского учёного Я. Пуркине и др. к середине 30-х гг. дали большой материал по микроскопическим структурам животных тканей. Многие исследователи наблюдали клеточное строение различных органов животных, а некоторые проводили аналогию между элементарными структурами животных и растительных организмов, подготовляя тем самым почву для создания общебиологической клеточной теории. В 1831—33 гг. английский ботаник Р. Броун описал ядро как составную часть клетки. Это открытие привлекло внимание исследователей к содержимому клетки и дало критерий для сопоставления животных и растительных клеток, что и сделал, в частности, Я. Пуркине (1837). Немецкий учёный Т. Шванн, опираясь на теорию развития клеток немецкого ботаника М. Шлейдена, где особое значение придавалось ядру, сформулировал общую клеточную теорию строения и развития животных и растений (1838—39). Вскоре клеточная теория была распространена и на простейших (немецкий учёный К. Зибольд, 1845—48). Создание клеточной теории явилось сильнейшим стимулом к изучению клетки как основы всего живого. Большое значение имело введение в микроскопию иммерсионных объективов (водная иммерсия, 1850, масляная, 1878), конденсора Э. Аббе (1873) и апохроматов (1886). В середине 19 в. начали применяться различные методы фиксации и окраски тканей. Для изготовления срезов были разработаны методы заливки кусочков ткани. Вначале срезы изготовлялись с помощью ручной бритвы, а в 70-х гг. для этого использовались особые приборы — микротомы. В ходе развития клеточной теории постепенно выяснилась ведущая роль содержимого клетки, а не её оболочки. Представление об общности содержимого различных клеток нашло своё выражение в распространении примененного к нему Молем (1844, 1846) термина «протоплазма», введённого Пуркине (1839). Вопреки взглядам Шлейдена и Шванна на возникновение клеток из бесструктурного неклеточного вещества — цитобластемы, с 40-х гг. 19 в. начинает укрепляться убеждение, что умножение числа клеток происходит путём их деления (немецкие учёные К. Негели, Р. Келликер и Р. Ремак). Дальнейшим толчком к развитию цитологии послужило учение немецкого патолога Р. Вирхова о «целлюлярной патологии» (1858). Вирхов рассматривал животный организм как совокупность клеток, каждая из которых обладает всеми свойствами жизни; он выдвинул принцип «omnis cellula е cellula» [каждая клетка (происходит только) из клетки]. Выступая против гуморальной теории патологии, которая сводила болезни организмов к порче организменных соков (крови и тканевой жидкости), Вирхов доказывал, что в основе всякого заболевания лежит нарушение жизнедеятельности тех или иных клеток организма. Учение Вирхова заставило патологов заняться изучением клеток. К середине 19 в. «оболочечный» период в изучении клетки заканчивается, и в 1861 работой немецкого учёного М. Шульце утверждается взгляд на клетку как на «комок протоплазмы с лежащим внутри него ядром». В том же году австрийский физиолог Э. Брюкке, считавший клетку элементарным организмом, показал сложность строения протоплазмы. В последней четверти 19 в. был обнаружен ряд постоянных составных частей протоплазмы — органоидов: центросомы (1876, бельгийский учёный Э. ван Бенеден), митохондрии (1897—98, немецкий учёный К. Бенда, у животных; 1904, немецкий учёный Ф. Мевес, у растений), сетчатый аппарат, или комплекс Гольджи (1898, итальянский учёный К. Гольджи). Швейцарский учёный Ф. Мишер (1868) установил в ядрах клеток наличие нуклеиновой кислоты. Открыто кариокинетическое деление клеток у растений (1875, Э. Страсбургер), затем у животных (1878, русский учёный П. И. Перемежко; 1882, немецкий учёный В. Флемминг). Создана теория индивидуальности хромосом и установлено правило постоянства их числа (1885, австрийский учёный К. Рабль; 1887, немецкий учёный Т. Бовери). Открыто явление редукции числа хромосом при развитии половых клеток; установлено, что оплодотворение состоит в слиянии ядра яйцевой клетки с ядром сперматозоида (1875, немецкий зоолог О. Гертвиг, у животных; 1880—83, русский ботаник И. Н. Горожанкин, у растений). В 1898 русский цитолог С. Г. Навашин обнаружил у покрытосеменных растений двойное оплодотворение, заключающееся в том, что, помимо соединения ядра спермия с ядром яйцеклетки, ядро второго спермия соединяется с ядром клетки, дающей эндосперм. При размножении растений обнаружено чередование диплоидных (бесполых) и гаплоидных (половых) поколений.

Достигнуты успехи в изучении физиологии клетки. В 1882 И. И. Мечников открыл явление фагоцитоза. Была обнаружена к подробно исследована избирательная проницаемость растительных и животных клеток (голландский учёный Х. Де Фриз, немецкие учёные В. Пфеффер, Э. Овертон); создана мембранная теория проницаемости; разработаны методы прижизненного окрашивания клеток (русский гистолог Н. А. Хржонщевский, 1864; немецкие учёные П. Эрлих, 1885, Пфеффер, 1886). Исследуются реакции клеток на действие раздражителей. Изучение разнообразных клеток высших и низших организмов, несмотря на все их структурные и функциональные различия, укрепило в сознании исследователей мысль о наличии единого принципа в строении протоплазмы. Многие исследователи не были удовлетворены клеточной теорией и признавали наличие в клетках ещё более мелких элементарных жизненных единиц (биобласты Альтмана, пласомы Визнера, протомеры Гейденгайна и т.д.). Спекулятивные представления о субмикроскопических жизненных единицах разделялись и некоторыми цитологами 20 в., однако развитие цитологии заставило большинство учёных оставить эти гипотезы и признать жизнь свойством протоплазмы как сложной гетерогенной системы. Успехи цитологии в конце 19 в. были подытожены в ряде классических сводок, которые способствовали дальнейшему развитию цитологии

 

1.1.2. Развитие цитологии в первой  половине ХХ века

 

В первые десятилетия 20 в. стали применять темнопольный конденсор, с помощью которого объекты под микроскопом исследовались при боковом освещении. Темнопольный микроскоп позволил изучать степень дисперсности и гидратации клеточных структур и обнаруживать некоторые структуры субмикроскопических размеров. Поляризационный микроскоп дал возможность определять ориентацию частиц в клеточных структурах. С 1903 развивается микроскопирование в ультрафиолетовых лучах, ставшее в дальнейшем важным методом исследования цитохимии клетки, в частности нуклеиновых кислот. Начинает применяться флюоресцентная микроскопия. В 1941 появляется фазово-контрастный микроскоп, позволяющий различать бесцветные структуры, отличающиеся лишь оптической плотностью или толщиной. Последние два метода оказались особенно ценными при изучении живых клеток. Разрабатываются новые методы цитохимического анализа, среди них — метод выявления дезоксирибонуклеиновой кислоты (немецкие учёные Р. Фёльген и Г. Розенбек, 1924). Создаются микроманипуляторы, с помощью которых можно производить над клетками разнообразные операции (инъекции в клетку веществ, извлечение и пересадку ядер, локальное повреждение клеточных структур и т.д.). Большое значение приобрела разработка метода культуры тканей вне организма, начало которому было положено в 1907 американским учёным Р. Гаррисоном. Интересные результаты были получены при сочетании этого метода с замедленной микрокиносъёмкой, что дало возможность видеть на экране медленные изменения в клетках, протекающие незаметно для глаза, ускоренными в десятки и сотни раз. В первые три десятилетия 20 в. усилия учёных направлены были на выяснение функциональной роли клеточных структур, открытых в последней четверти 19 в., в частности было установлено участие комплекса Гольджи в выработке секретов и др. веществ в гранулярной форме (советский учёный Д. Н. Насонов, 1923). Описаны частные органоиды специализированных клеток, опорные элементы в ряде клеток (Н.К. Кольцов, 1903—1911), исследованы структурные изменения при различной клеточной деятельности (секреция, сократительная функция, деление клеток, морфогенез структур и т.д.). В растительных клетках прослежено развитие вакуолярной системы, образование крахмала в пластидах (французский учёный А. Гийермон, 1911). Установлена видовая специфичность числа и формы хромосом, что в дальнейшем было использовано для систематики растений и животных, а также для выяснения филогенетического родства в пределах более низких таксономических единиц (кариосистематика). Обнаружено, что в тканях имеются разные классы клеток, отличающихся кратным отношением размеров ядер (немецкий учёный В. Якоби, 1925). Кратное увеличение размера ядер сопровождается соответствующим увеличением (путём эндомитоза) числа хромосом (австрийский учёный Л. Гейтлер, 1941). Исследования действия агентов, нарушающих механизм деления и хромосомный аппарат клеток (проникающее излучение, колхицин, ацетонафтен, трипофлавин и др.), привели к разработке методов искусственного получения полиплоидных форм, что дало возможность вывести ряд ценных сортов культурных растений. С помощью реакции Фёльгена положительно решился спорный вопрос о наличии гомолога ядра, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту у бактерий (советский учёный М. А. Пешков, 1939—1943, французский учёный В. Делапорт, 1939, английский учёный С. Робиноу, 1942) и сине-зелёных водорослей (советские учёные Ю. И. Полянский и Ю. К. Петрушевский, 1929). Наряду с мембранной теорией проницаемости, выдвигается фазовая теория, придающая большое значение в распределении веществ между клеткой и средой, растворению их и связыванию в протоплазме (советские учёные Д. Н. Насонов, В. Я. Александров, А. С. Трошин). Изучение реакции протоплазмы клеток на воздействие разнообразных физических и химических агентов привело к обнаружению явлений паранекроза и к разработке денатурационной теории повреждения и возбуждения (Д. Н. Насонов и В. Я. Александров, 1940), согласно которой в этих процессах ведущее значение имеют обратимые изменения в структуре белков протоплазмы. С помощью вновь разработанных цитохимических реакций на гистологических препаратах была установлена локализация в клетке ряда ферментов. Начиная с 1934 благодаря работам американских учёных Р. Уэнсли и М. Герр, использовавшим метод гомогенизации (размельчения) клеток и фракционного центрифугирования, началось извлечение из клеток отдельных компонентов — ядер, хлоропластов, митохондрий, микросом и изучение их химического и ферментативного состава. Однако существенные успехи в расшифровке функций клеточных структур достигнуты лишь в современный период развития цитологии — после 50-х гг.

Огромное влияние на развитие цитологии в 20 в. оказало переоткрытие в 1900 г. законов Менделя. Изучение процессов, протекающих в ядрах половых и соматически клеток, дало возможность объяснить факты, установленные при изучении наследственной передачи признаков, и построить хромосомную теорию наследственности. Изучение цитологических основ наследственности обособилось в отдельную отрасль цитологии — цитогенетику. Развитие новых методов. Вначале при изучении деталей строения клеток приходилось полагаться главным образом на визуальное исследование мертвого, а не живого материала. Необходимы были методы, которые позволяли бы сохранять протоплазму, не повреждая ее, изготавливать достаточно тонкие срезы ткани, проходящие и через клеточные компоненты, а также окрашивать срезы, чтобы выявлять детали клеточного строения. Такие методы создавались и совершенствовались в течение всей второй половины 19 в. Совершенствовался и сам микроскоп. К числу важных достижений в его устройстве следует отнести: осветитель, расположенный под столиком, для фокусировки пучка света; апохроматический объектив для корректировки недостатков окрашивания, искажающих изображение; иммерсионный объектив, дающий более четкое изображение и увеличение в 1000 раз и более.

Было также обнаружено, что основные красители, например гематоксилин, обладают сродством к содержимому ядра, а кислотные красители, например эозин, окрашивают цитоплазму; это наблюдение послужило основой для создания разнообразных методов контрастного или дифференциального окрашивания. Благодаря этим методам и усовершенствованным микроскопам постепенно накапливались важнейшие сведения о строении клетки, ее специализированных "органах" и различных неживых включениях, которые клетка либо сама синтезирует, либо поглощает извне и накапливает.

Закон генетической непрерывности. Фундаментальное значение для дальнейшего развития клеточной теории имела концепция генетической непрерывности клеток. В свое время Шлейден считал, что клетки образуются в результате своего рода кристаллизации из клеточной жидкости, а Шванн в этом ошибочном направлении пошел еще дальше: по его мнению, клетки возникали из некой "бластемной" жидкости, находящейся вне клеток.

Сначала ботаники, а затем и зоологи (после того как разъяснились противоречия в данных, полученных при изучении некоторых патологических процессов) признали, что клетки возникают только в результате деления уже существующих клеток. В 1858 г. Р. Вирхов сформулировал закон генетической непрерывности в афоризме "Omnis cellula e cellula" ("Каждая клетка из клетки"). Когда была установлена роль ядра в клеточном делении, В.Флемминг (1882) перефразировал этот афоризм, провозгласив: "Omnis nucleus e nucleo" ("Каждое ядро из ядра"). Одним из первых важных открытий в изучении ядра было обнаружение в нем интенсивно окрашивающихся нитей, названных хроматином. Последующие исследования показали, что при делении клетки эти нити собираются в дискретные тельца — хромосомы, что число хромосом постоянно для каждого вида, а в процессе клеточного деления, или митоза, каждая хромосома расщепляется на две, так что каждая клетка получает типичное для данного вида число хромосом. Следовательно, афоризм Вирхова можно распространить и на хромосомы (носители наследственных признаков), поскольку каждая из них происходит от предсуществующей.