Клетка: история открытия и изучение

Клетка: История открытия и изучение.

Клетка (от лат. cellula - ячейка) - структурно-функциональная единица всех живых организмов, для которой характерен свой ​​метаболизм и способность к воспроизводству. От среды, которая его окружает, клетка отграничена плазматической мембраной (плазмалемме). Различают два основных типа клеток: прокариотических, что не сформировавшегося ядра, характерные для бактерий и архей, и эукариотические, в которых имеется ядро, свойственные для всех других клеточных форм жизни, включая растений, грибов и животных. К неклеточных форм жизни принадлежат только вирусы, но они не имеют собственного метаболизма и не могут размножаться вне клеток-живитей.

 
Все организмы делятся на одноклеточные, колониальные и многоклеточные. В одноклеточных относятся бактерии, археи, некоторые водоросли и грибы, а также простейшие. Колониальные и многоклеточные организмы состоят из большого количества клеток. Разница между ними заключается в том, что колониальные организмы состоят из недифференцированных или слабо дифференцированных клеток, которые могут выживать друг без друга. Клетки многоклеточных организмов более-менее специализированные на выполнении определенных функций и зависящие друг от друга в процессах жизнедеятельности. В многоклеточных организмов принадлежит числе и человек, тело которого состоит примерно из 10 клеток.

 

История открытия и исследования клеток

 

Большинство эукариотических клеток имеют размеры до 100 мкм, а прокариотических еще на порядок меньше, поэтому человек не может видеть их невооруженным глазом. Открытие и исследование клеток стало возможным только после изобретения Янсеном оптического микроскопа (1590 года). К важнейшим событиям, связанным с ранним развитием клеточной биологии относятся

1665 - Роберт Гук впервые увидел  мертвые клетки, изучая строение  пробки под микроскопом. Гук  считал, что клетки пустые, а живым  веществом являются клеточные  стенки.

1650-1700 - Антони ван Левенгук впервые наблюдал под микроскопом живые клетки, в частности простейшие, а также эритроциты.

1831-1839 - Роберт Браун описал ядро, как сферическое тельце, имеющееся  в растительных клетках.

1838-1839 - ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн, объединив идеи разных ученых, создали клеточную теорию, согласно которой клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов.

1840 - Пуркинье предложил название протоплазма для обозначения клеточного содержимого, убедившись в том, что именно содержание, а не клеточные стенки, является живым веществом.

1855 - Вирхов доказал, что все  клетки образуются из других  клеток путем деления.

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

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

1900 - за появлением генетики начинает  развиваться цитогенетика, изучающая  поведение хромосом во время  деления и оплодотворения, ее  влияние на наследственные признаки  организмов.

1946 - в биологии началось использование  электронного микроскопа, что позволило  изучать ультраструктуры клеток.

 

Клеточная теория

 

Клеточную теорию сформулированы в 1838-1839 годах ботаником Матиасом Шлейденом и зоологом Теодор Шванн. Эти ученые доказали принципиальную сходство между собой животных и растительных клеток, и на основе всех накопленных к тому времени знаний постулировали, что клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов. 1855 Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию утверждению лат. «Omnis cellula eх cellula» - «Каждая клетка - из клетки».

Клеточная теория является одной из основополагающих идей современной  биологии, она стала неоспоримым  доказательством единства всего  живого и фундаментом для развития таких дисциплин как эмбриология, гистология и физиология. Основные положения клеточной теории не потеряли своей актуальности, однако после  создания она была дополнена, и теперь она включает следующие утверждения:

Клетка - элементарная единица строения, функционирования, размножения и  развития всех живых организмов, вне  клетки нет жизни.

Клетка - целостная система, содержащая большое количество связанных друг с другом элементов - органелл.

Клетки разных организмов похожи (гомологичные) по строению и основными свойствами и имеют общее происхождение.

Увеличение количества клеток происходит путем их деления, после репликации ее ДНК: клетка - от клетки.

Многоклеточный организм - это новая  система, сложный ансамбль из множества  клеток, объединенных и интегрированных  в системы тканей и органов, связанных  между собой с помощью химических факторов: гуморальных и нервных.

Клетки многоклеточных организмов имеют одинаковый набор генетической информации, но отличаются по уровню экспрессии (работы) отдельных генов, что приводит к их морфологической и функциональной разнообразия - дифференциации.

 

Следует отметить, что в разных источниках количество и формулировки отдельных положений современной  клеточной теории могут отличаться.

 

Методы исследования клеток

 

Впервые клетки удалось увидеть  только после создания световых микроскопов, с того времени и до сих пор  микроскопия остается одним из важнейших  методов исследования клеток. Используется световая (оптическая) микроскопия, несмотря на свою сравнительно небольшую разрешение имеет то преимущество, что позволяет наблюдать за живыми клетками. В ХХ веке была изобретена электронная микроскопия, которая дала возможность изучить ультраструктуру клеток.

Для изучения функций клеток и их частей используют различные биохимические  методы как препаративные, например фракционирования методом дифференциального центрифугирования, так и аналитические. Для экспериментальных и практических целей используют методы клеточной инженерии. Все упомянутые методические подходы могут использоваться в сочетании с методами культуры клеток.

 

Оптическая микроскопия

 

В оптическом микроскопе увеличение объекта достигается благодаря  серии линз, через которые проходит свет. Максимальное увеличение, которое  можно достичь благодаря оптическому  микроскопу составляет около 1000. Еще  одной важной характеристикой является разрешение - расстояние между двумя  точками, которые еще распознаются отдельно, другими словами разрешение характеризует четкость изображения. Эта величина ограничивается длиной световой волны, даже при использовании  наиболее коротковолнового света - ультрафиолетового - можно достичь только разрешения около 200 нм, такое разрешение было получено еще в конце XIX века. Таким образом маленькие структуры, которые можно наблюдать под оптическим микроскопом это митохондрии и небольшие бактерии, линейный размер которых составляет примерно 500 нм. Однако объекты, меньше 200 нм, видны в световом микроскопе, если они сами излучают свет. Эта особенность используется в флуоресцентной микроскопии, при которой клеточные структуры или отдельные белки связываются со специальными флуоресцентными белками или антителами с флуоресцентными метками. На качество изображения, полученного с помощью оптического микроскопа, влияет также контрастность, ее можно увеличить используя различные методы окраски клеток. Для изучения живых клеток используют фазовоконтрастной и дифференциальную интерференционно-кантрастну и темнопольная микроскопию. Конфокальные микроскопы позволяют улучшить качество флуоресцентных изображений.

 

Электронная микроскопия

 

В 30-ых годах XX века был сконструирован электронный микроскоп , в котором вместо света через объект пропускается пучок электронов . Теоретический предел разрешения для современных электронных микроскопов составляет около 0,002 нм, однако из практических причин для биологических объектов достигается разрешение только около 2 нм. С помощью электронного микроскопа можно изучать ультраструктуры клеток. Различают два основных типа электронной микроскопии: сканирующую и трансмиссионные. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) используется для изучения поверхности объекта. Образцы чаще покрывают тонкой пленкой золота . СЭМ позволяет получать объемные изображения. Трансмиссионное электронная микроскопия (ТЭМ) - используется для изучения внутреннего строения клетки. Пучок электронов пропускается через объект, предварительно обрабатывается тяжелыми металлами , которые накапливаются в определенных структурах увеличивая их электронную плотность. Электроны рассеиваются на участках клетки с большей электронной плотностью, в результате чего на изображениях эти области выглядят темными.

 

Фракционирование  клеток

Для установки функций отдельных  компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, чаще всего это  делается с помощью метода дифференциального  центрифугирования . Разработаны методики, позволяющие получить чистые фракции любых клеточных органелл. Получение фракций начинается с разрушения плазмалеммы и образования гомогената клеток. Гомогенат последовательно центрифугируется при различных скоростях, на первом этапе можно получить четыре фракции: (1) ядер и крупных обломков клеток, (2) митохондрий, пластид, лизосом и пероксисом, (3) миркосом - пузырьков аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума, (4) рибосом, в супернатанте останутся белки и мелкие молекулы. Дальнейшее дифференциальное центрифугирование каждой из смешанных фракций позволяет получить чистые препараты органелл, в которых можно применять разнообразные биохимические и микроскопические методы .