Цитологията е наука за структурата и функцията на клетките. Учени по клетъчна биология и цитология

Цитологията е наука, която изучава клетъчните взаимодействия и клетъчната структура, която от своя страна е основен компонент на всеки жив организъм. Самият термин идва от древногръцките понятия „kitos” и „logos”, означаващи съответно клетка и учение.

Поява и ранно развитиенауки

Цитологията е една от цяла плеяда науки, отделили се от биологията в съвременността. Предвестник на появата му е изобретяването на микроскопа през 17 век. Наблюдавайки живота чрез такава примитивна конструкция, англичанинът за първи път открива, че всичко е направено от клетки, и по този начин той поставя основите на това, което цитологията изучава днес. Десет години по-късно друг учен, Антъни Льовенхук, открива, че клетките имат строго подредена структура и модели на функциониране. Той също така открива съществуването на ядра. По същото време за дълго времеразбирането на клетката и нейното функциониране е възпрепятствано от незадоволителното качество на микроскопите от онова време. Следващия важни стъпкиса направени в средата на 19 век. Тогава технологията беше значително подобрена, което направи възможно създаването на нови концепции, на които цитологията дължи своето интензивно развитие. Това е преди всичко откриването на протоплазмата и появата

Въз основа на емпиричните знания, натрупани по това време, биолозите М. Шлейден и Т. Шван почти едновременно предложиха на научния свят идеята, че всички животински и растителни клетки са подобни една на друга и че всяка такава клетка има всички свойства и функции на живия организъм. Това разбиране за сложните форми на живот на планетата оказа значително влияние върху пътя, който следва цитологията. Това важи и за съвременното му развитие.

Откриване на протоплазмата

Следващото важно постижение в споменатата област на знанието е откриването и описанието на свойствата на протоплазмата. Това е вещество, което изпълва клетъчните организми и също така осигурява среда за клетъчните органи. По-късно знанията на учените за това вещество се развиват. Днес тя се нарича цитоплазма.

По-нататъшно развитие и откриване на генетичното наследство

През втората половина на 19 век са открити отделни тела, които се съдържат в тях. Те са наречени хромозоми. Тяхното изследване разкрива на човечеството законите на генетичната приемственост. Основен приносАвстриецът Грегор Мендел навлиза в тази област в края на 19 век.

Текущо състояние на науката

За съвременната научна общност цитологията е един от най-важните клонове на биологичното познание. Това, което го направи така, беше развитието на научна методология и технически възможности. Методите на съвременната цитология се използват широко в научни изследвания, полезни за хората, например при изучаване на рака, отглеждане на изкуствени органи, както и в селекцията, генетиката, отглеждането на нови видове животни и растения и т.н.

Една от новите изключително перспективни дисциплини е цитологията, науката за клетките. Съвременната цитология е сложна наука. Той има най-тесни връзки с други биологични науки, например с ботаниката, зоологията, физиологията, изучаването на еволюцията на органичния свят, както и с молекулярната биология, химията, физиката и математиката. Цитологията е една от сравнително младите биологични науки, нейната възраст е около 100 години, въпреки че самата концепция за клетка е въведена в употреба от учените много по-рано.

Мощен стимул за развитието на цитологията беше развитието и усъвършенстването на инсталации, инструменти и инструменти за изследване. Електронната микроскопия и възможностите на съвременните компютри заедно с химични методидай всичко последните годининови материали за изследване.

Цитологията като наука, нейното формиране и задачи

Цитологията (от гръцки κύτος - образувание, подобно на мехур и λόγος - дума, наука) е клон на биологията, науката за клетките, структурните единици на всички живи организми, която си поставя за задача да изучава структурата, свойствата и функциониране на жива клетка.

Изследването на най-малките структури на живите организми става възможно едва след изобретяването на микроскопа - през 17 век. Терминът „клетка“ е предложен за първи път през 1665 г. от английския натуралист Робърт Хук (1635–1703), за да опише клетъчната структура на коркова секция, наблюдавана под микроскоп. Изследвайки тънки срезове изсушен корк, той открил, че те „се състоят от много кутии“. Хук нарече всяка от тези кутии клетка („камера“).“ През 1674 г. холандският учен Антони ван Льовенхук открива, че веществото вътре в клетката е организирано по определен начин.

Бързото развитие на цитологията обаче започва едва през втората половина на 19 век. тъй като микроскопите се развиват и подобряват. През 1831 г. Р. Браун установява наличието на ядро ​​в клетката, но не успява да оцени пълното значение на своето откритие. Скоро след откритието на Браун няколко учени се убедиха, че ядрото е потопено в полутечната протоплазма, изпълваща клетката. Първоначално основната единица на биологичната структура се считаше за фибри. Но още в началото на 19в. Почти всеки започна да разпознава структура, наречена везикула, глобула или клетка, като незаменим елемент от растителните и животинските тъкани. През 1838–1839г Германските учени М. Шлейден (1804–1881) и Т. Шван (1810–1882) почти едновременно излагат идеята за клетъчната структура. Твърдението, че всички тъкани на животни и растения са съставени от клетки, представлява същността клетъчна теория.Шван въвежда термина „клетъчна теория“ и представя тази теория на научната общност.

Според клетъчната теория всички растения и животни се състоят от подобни единици - клетки, всяка от които притежава всички свойства на живо същество. Тази теория се превърна в крайъгълен камък на цялото съвременно биологично мислене. В края на 19в. Основното внимание на цитолозите беше насочено към подробно изследване на структурата на клетките, процеса на тяхното делене и изясняване на тяхната роля. Отначало, когато изучавахме детайлите на клетъчната структура, трябваше да разчитаме главно на визуално изследване на мъртъв, а не на жив материал. Бяха необходими методи, които биха позволили да се запази протоплазмата, без да се уврежда, да се направят достатъчно тънки участъци от тъкан, които преминават през клетъчните компоненти, а също и да се оцветят участъци, за да се разкрият подробности от клетъчната структура. Такива методи са създадени и усъвършенствани през втората половина на 19 век.

Концепцията беше от фундаментално значение за по-нататъшното развитие на клетъчната теория генетична приемственост на клетките.Първо ботаниците, а след това и зоолозите (след изясняване на противоречията в данните, получени от изследването на определени патологични процеси) признаха, че клетките възникват само в резултат на деленето на вече съществуващи клетки. През 1858 г. Р. Вирхов формулира закона за генетичната приемственост в афоризма „Omnis cellula e cellula“ („Всяка клетка е клетка“). Когато е установена ролята на ядрото в клетъчното делене, W. Flemming (1882) перифразира този афоризъм, провъзгласявайки: „Omnis nucleus e nucleo“ („Всяко ядро ​​е от ядрото“). Едно от първите важни открития в изследването на ядрото е откриването на интензивно оцветени нишки в него, т.нар. хроматин. Последвалите проучвания показват, че по време на клетъчното делене тези нишки се сглобяват в отделни тела - хромозомиче броят на хромозомите е постоянен за всеки вид и в процеса на клетъчно делене или митоза всяка хромозома се разделя на две, така че всяка клетка получава броя на хромозомите, типичен за този вид.

Така още преди края на 19в. се стигна до два важни извода. Единият беше, че наследствеността е резултат от генетичната приемственост на клетките, осигурена от клетъчното делене. Друго нещо е, че има механизъм за предаване на наследствени характеристики, който се намира в ядрото, или по-точно в хромозомите. Установено е, че благодарение на строгата надлъжна сегрегация на хромозомите, дъщерните клетки получават точно същата (както качествено, така и количествено) генетична конституция като оригиналната клетка, от която са произлезли.

Вторият етап в развитието на цитологията започва през 1900 г., когато закони на наследствеността, открит от австрийския учен Г.И. Мендел още през 19 век. По това време от цитологията се появява отделна дисциплина - генетика, наука за наследствеността и изменчивостта, изучаваща механизмите на унаследяване и гените като носители на наследствена информация, съдържаща се в клетките. Основата на генетиката беше хромозомна теория за наследствеността– теорията, според която хромозомите, съдържащи се в клетъчното ядро, са носители на гени и представляват материалната основа на наследствеността, т.е. непрекъснатостта на свойствата на организмите в редица поколения се определя от непрекъснатостта на техните хромозоми.

Новите техники, особено електронната микроскопия, използването на радиоактивни изотопи и високоскоростното центрофугиране, които се появяват след 40-те години на миналия век, позволяват още по-голям напредък в изследването на клетъчната структура. В момента цитологичните методи се използват активно в растениевъдството и в медицината - например при изследване на злокачествени тумори и наследствени заболявания.

Основни принципи на клетъчната теория

През 1838-1839г Теодор Шван и немският ботаник Матиас Шлейден формулират основните принципи на клетъчната теория:

1. Клетката е структурна единица. Всички живи същества се състоят от клетки и техните производни. Клетките на всички организми са хомоложни.

2. Клетката е функционална единица. Функциите на целия организъм са разпределени между неговите клетки. Общата активност на организма е сумата от жизнената активност на отделните клетки.

3. Клетката е единица за растеж и развитие. Растежът и развитието на всички организми се основава на образуването на клетки.

Клетъчната теория на Шван-Шлайден принадлежи към най-големите научни открития на 19 век. В същото време Шван и Шлейден разглеждат клетката само като необходим елемент от тъканите на многоклетъчните организми. Въпросът за произхода на клетките остава неразрешен (Шван и Шлейден смятат, че новите клетки се образуват чрез спонтанно генериране от жива материя). Едва немският лекар Рудолф Вирхов (1858-1859) доказва, че всяка клетка произлиза от клетка. В края на 19в. най-накрая се формират идеи за клетъчното ниво на организация на живота. Немският биолог Ханс Дрийш (1891) доказва, че клетката не е елементарен организъм, а елементарна биологична система. Постепенно се формира специална наука за клетките - цитология.

По-нататъшното развитие на цитологията през 20 век. е тясно свързано с развитието на съвременните методи за изследване на клетките: електронна микроскопия, биохимични и биофизични методи, биотехнологични методи, компютърни технологии и други области на естествените науки. Съвременната цитология изучава структурата и функционирането на клетките, метаболизма в клетките, връзката на клетките с външната среда, произхода на клетките във филогенезата и онтогенезата, моделите на клетъчна диференциация.
Понастоящем се приема следната дефиниция на клетка. Клетката е елементарна биологична система, която притежава всички свойства и признаци на живот. Клетката е единица за структура, функция и развитие на организмите.

Единство и разнообразие на видовете клетки

Има два основни морфологични типа клетки, които се различават по организацията на генетичния апарат: еукариотни и прокариотни. От своя страна, според начина на хранене, се разграничават два основни подтипа еукариотни клетки: животински (хетеротрофни) и растителни (автотрофни). Еукариотната клетка се състои от три основни структурни компоненти: ядро, плазмалема и цитоплазма. Еукариотната клетка се различава от другите видове клетки главно по наличието на ядро. Ядрото е мястото на съхранение, възпроизвеждане и първоначално внедряване на наследствената информация. Ядрото се състои от ядрена обвивка, хроматин, ядро ​​и ядрен матрикс.

Плазмалема (плазмена мембрана) е биологична мембрана, която покрива цялата клетка и ограничава жизненото й съдържание от външната среда. Разнообразие от клетъчни мембрани (клетъчни стени) често са разположени на върха на плазмалемата. В животинските клетки клетъчните стени обикновено отсъстват. Цитоплазмата е част от жива клетка (протопласт) без плазмена мембрана и ядро. Цитоплазмата е пространствено разделена на функционални зони (компартменти), в които протичат различни процеси. Съставът на цитоплазмата включва: цитоплазмената матрица, цитоскелет, органели и включвания (понякога включванията и съдържанието на вакуолите не се считат за живо вещество на цитоплазмата). Всички клетъчни органели се делят на немембранни, едномембранни и двумембранни. Вместо термина „органели“ често се използва остарелият термин „органели“.

Немембранните органели на еукариотната клетка включват органели, които нямат собствена затворена мембрана, а именно: рибозоми и органели, изградени на базата на тубулинови микротубули - клетъчен център (центриоли) и органели за движение (флагели и реснички). В клетките на повечето едноклетъчни организми и по-голямата част от висшите (сухоземни) растения центриолите отсъстват.

Едномембранните органели включват: ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи, лизозоми, пероксизоми, сферозоми, вакуоли и някои други. Всички едномембранни органели са свързани помежду си в една вакуолна система на клетката. Истинските лизозоми не се срещат в растителните клетки. В същото време животинските клетки нямат истински вакуоли.

Органелите с двойна мембрана включват митохондрии и пластиди. Тези органели са полуавтономни, защото имат собствена ДНК и собствен апарат за синтез на протеини. Митохондриите се намират в почти всички еукариотни клетки. Пластидите се намират само в растителните клетки.
Прокариотната клетка няма оформено ядро ​​- нейните функции се изпълняват от нуклеоид, който включва пръстенна хромозома. В прокариотната клетка няма центриоли, както и едномембранни и двумембранни органели - техните функции се изпълняват от мезозоми (инвагинации на плазмалемата). Рибозомите, органелите на движението и мембраните на прокариотните клетки имат специфична структура.

Историята на цитологията е тясно свързана с изобретяването, използването и усъвършенстването на микроскопа. Това е така, защото човешкото око не е в състояние да различи обекти с размери по-малки от 0,1 mm, което е 100 микрометра (съкратено микрони или микрони). Размерите на клетките (и още повече на вътреклетъчните структури) са значително по-малки. Например, диаметърът на животинска клетка обикновено не надвишава 20 микрона, растителна клетка - 50 микрона, а дължината на хлоропласта на цъфтящо растение - не повече от 10 микрона. С помощта на светлинен микроскоп можете да различите обекти с диаметър десети от микрона. Следователно светлинната микроскопия е основният, специфичен метод за изследване на клетките.

Забележка. 1 милиметър (mm) = 1000 микрометра (µm) = 1 000 000 нанометра (nm). 1 нанометър = 10 ангстрьома (Å). Един ангстрьом е приблизително диаметърът на водороден атом.

Първите оптични инструменти (прости лещи, очила, лупи) са създадени още през 12 век. Но сложните оптични тръби, състоящи се от две или повече лещи, се появяват едва в края на 16 век. В изобретяването на светлинния микроскоп участват Галилео Галилей, баща и син Янсенс, физикът Друбел и други учени. Първите микроскопи са използвани за изследване на голямо разнообразие от обекти.

· 1665: Р. Хук, наблюдавайки за първи път под микроскоп тънък участък от балсово дърво, открива празни клетки, които той нарича целули , или клетки; всъщност Р. Хук наблюдава само мембраните на растителните клетки; Впоследствие Р. Хук изучава участъци от живи стъбла и открива подобни клетки в тях, които, за разлика от мъртвите коркови клетки, са пълни с „хранителен сок“. Р. Хук очертава своите наблюдения в работата си „Микрография или някои физиологични описания на най-малките тела с помощта на лупи“ (1665 г.);

· 1671: Марчело Малпиги (Италия) и Нехемия Грю (Англия), изучавайки анатомичната структура на растенията, стигат до извода, че всички растителни тъкани се състоят от везикулни клетки. Терминът "тъкан" ("дантела") е използван за първи път от Н. Грю. В трудовете на Р. Хук, М. Малпиги и Н. Грю клетката се разглежда като елемент, като неразделна част от тъканта. Клетките са отделени една от друга чрез общи прегради и следователно не могат да бъдат мислени извън тъканта, извън тялото;

· 1674: Холандски любител микроскопист Антонио ван Льовенхук (1680) наблюдава едноклетъчни организми – „animalcules” (ресничести, саркоиди, бактерии) и други форми на единични клетки (кръвни клетки, сперматозоиди);

През този период основната част на клетката се смяташе за нейната стена и едва двеста години по-късно стана ясно, че основното в клетката не е стената, а вътрешното съдържание. През 18 век Фундаменталните наблюдения на протозоите са извършени от немския любител натуралист Мартин Ледермюлер. Но през този период новата информация за клетката се натрупва бавно, а в областта на зоологията по-бавно, отколкото в ботаниката, тъй като истинските клетъчни стени, които са основният обект на изследване, са характерни само за растителните клетки. По отношение на животинските клетки учените не се осмелиха да приложат този термин и да ги идентифицират с растителни клетки.

Впоследствие, с усъвършенстването на микроскопа и микроскопската технология, се натрупа и информация за животински и растителни клетки. Постепенно се формират идеи за клетката като елементарен организъм: по-късно немският физиолог Ернст фон Брюке (1861) нарича клетката елементарен организъм. До 30-те години на 19 век се натрупа много информация за клетъчната морфология и беше установено, че цитоплазмата и ядрото са нейните задължителни компоненти.

· 1802, 1808: C. Brissot-Mirbet установява факта, че всички растителни организми са образувани от тъкани, които се състоят от клетки.

· 1809: Дж. Б. Ламарк разшири идеята на Брисо-Мирбет за клетъчната структура към животните.

· 1825: J. Purkinė открива ядрото в яйцата на птиците.

· 1831: Р. Браун първи описва ядрото в растителните клетки.

· 1833: Р. Браун стига до заключението, че ядрото е съществена част от растителната клетка.

· 1839: J. Purkinė открита протоплазма(гр. протос- първо и плазмаоформен, оформен) - полутечно желатиново съдържание на клетки.

· 1839: Т. Шван обобщава всички натрупани до този момент данни и формулира клетъчната теория.

· 1858: Р. Вирхов доказва, че всички клетки се образуват от други клетки чрез делене.

· 1866: Хекел установява, че запазването и предаването на наследствените характеристики се извършва от ядрото.

· 1866-1898: Описани са основните компоненти на клетката, които могат да се видят под оптичен микроскоп. Цитологията придобива характера на експериментална наука.

· 1872: професор от Дерптския (Тартуски) университет Е. Русов,

· 1874: руският ботаник И.Д. Чистяков е първият, който наблюдава деленето на клетките.

· 1878: W. Fleming въвежда термина "митоза" и описва етапите на клетъчното делене.

· 1884: V. Roux, O. Hertwig, E. Strassburger излагат ядрената теория за наследствеността, според която информацията за наследствените характеристики на клетката се съдържа в ядрото.

· 1888: E. Strasburger установява феномена на намаляване на броя на хромозомите по време на мейозата.

· 1900: Появата на генетиката е последвана от развитието на цитогенетиката, която изучава поведението на хромозомите по време на делене и оплождане.

· 1946: Използването на електронния микроскоп започва в биологията, което прави възможно изследването на ултраструктурите на клетките.

Цитология - науката, която изучава структурата химичен състави функции на клетките, тяхното размножаване, развитие и взаимодействие в многоклетъчен организъм.

Предмет на цитологията- клетки на едно- и многоклетъчни прокариотни и еукариотни организми.

Цели на цитологията:

1. Изследване на структурата и функциите на клетките и техните компоненти (мембрани, органели, включвания, ядро).

2. Изследване на химичния състав на клетките, биохимичните реакции, протичащи в тях.

3. Изучаване на взаимоотношенията между клетките на многоклетъчния организъм.

4. Изследване на клетъчното делене.

5. Проучване на възможността клетките да се адаптират към промените заобикаляща среда.

За решаване на проблеми в цитологията се използват различни методи.

Микроскопски методи: ви позволяват да изучавате структурата на клетката и нейните компоненти с помощта на микроскопи (светлина, фазово-контрастен, флуоресцентен, ултравиолетов, електронен); светлинната микроскопия се основава на светлинен поток; изучава клетките и техните големи структури; електронна микроскопия - изследване на малки структури (мембрани, рибозоми и др.) в сноп от електрони с дължина на вълната, по-къса от тази на видимата светлина. Фазово-контрастната микроскопия е метод за получаване на изображения в оптични микроскопи, при който фазовото изместване на електромагнитната вълна се трансформира в контраст на интензитета. Фазово-контрастната микроскопия е изобретена от Фриц Зернике, за което той получава Нобелова награда през 1953 г. Предназначен за изучаване на живи, неоцветени обекти.

цито-И хистохимични методи- въз основа на селективното действие на реактиви и багрила върху определени вещества от цитоплазмата; използва се за установяване на химичния състав и локализацията на различни компоненти (протеини, ДНК, РНК, липиди и др.) в клетките.

Хистологичен методе метод за приготвяне на микропрепарати от нативни и фиксирани тъкани и органи. Самородният материал се замразява, а фиксираният обект преминава през етапите на уплътняване и вграждане в парафин. След това се приготвят срезове от материала, който се изследва, оцветяват се и се поставят в канадски балсам.

Биохимични методидават възможност да се изследва химичният състав на клетките и протичащите в тях биохимични реакции.

Метод на диференциално центрофугиране (фракциониране): въз основа на различни скорости на утаяване на клетъчните компоненти първо клетките се разрушават до еднородна (хомогенна) маса, която се прехвърля в епруветка с разтвор на захароза или цезиев хлорид и се подлага на центрофугиране; изолира отделни компоненти на клетката (митохондрии, рибозоми и др.) за последващо изследване с други методи.

Метод за рентгенов дифракционен анализ:след въвеждане на метални атоми в клетката, пространствената конфигурация (пространствено разположение на атоми и групи от атоми) и някои физични свойствамакромолекули (протеин, ДНК).

Авторадиографски метод- въвеждане на радиоактивни (белязани) изотопи в клетката - най-често изотопи на водород (3 Н), въглерод (14 С) и фосфор (32 Р); Изследваните молекули се откриват чрез радиоактивни етикети с помощта на брояч на радиоактивни частици или чрез способността им да експонират фотографски филм и след това се изследва включването им във вещества, синтезирани от клетката; ви позволява да изучавате процесите на матричен синтез и клетъчно делене.

Метод за заснемане и фотография с интервалви позволява да проследявате и записвате процесите на клетъчно делене чрез мощни светлинни микроскопи.

Микрохирургични методи- хирургично въздействие върху клетката: отстраняване или имплантиране на клетъчни компоненти (органели, ядра) от една клетка в друга с цел изследване на функциите им, микроинжектиране на различни вещества и др.

Метод на клетъчна култура- отглеждане на отделни клетки от многоклетъчни организми върху хранителни среди при стерилни условия; дава възможност да се изучава деленето, диференциацията и специализацията на клетките, да се получават клонинги на растителни организми.

Познаването на основите на химическата и структурна организация, принципите на функциониране и механизмите на развитие на клетките е изключително важно за разбирането на сходните характеристики, присъщи на сложните организми на растения, животни и хора. Развитието на метода IVF е пример за практическото приложение на цитологичните знания.

Голяма медицинска енциклопедия

Цитологията е наука за структурата, функциите и развитието на животинските и растителните клетки, както и на едноклетъчните организми и бактериите.

Етимология на терминацитология: (гръцки език) kytos - контейнер, клетка + преподаване на логос.

Цитологичните изследвания са от съществено значение за диагностицирането на заболявания при хора и животни.

Има обща и специфична цитология.

Обща цитология(клетъчна биология) изучава структурите, общи за повечето видове клетки, техните функции, метаболизъм, реакции на увреждане, патологични промени, репаративни процеси и адаптиране към условията на околната среда.

Частна цитологияизследва характеристиките на отделните типове клетки във връзка с тяхната специализация (при многоклетъчни организми) или еволюционна адаптация към околната среда (при протисти и бактерии).

Развитието на цитологията е исторически свързано със създаването и усъвършенстването на микроскопа и хистологичните методи на изследване. Терминът "клетка" е използван за първи път от Б. Хук (1665), който описва клетъчната структура (по-точно целулозните клетъчни стени) на редица растителни тъкани. През 17 век наблюденията на Хук са потвърдени и развити от М. Малпиги и Н. Грю, (1671), А. Льовенхук. През 1781 г. Ф. Фонтана публикува рисунки на животински клетки с ядра.

През първата половина на 19 век започва да се оформя идеята за клетката като една от структурните единици на тялото. През 1831 г. Р. Браун открива ядро ​​в растителните клетки, дава му името "ядро" и приема наличието на тази структура във всички растителни и животински клетки. През 1832 г. V. S. Dumortier, а през 1835 г. H. Mohl наблюдават деленето на растителните клетки. През 1838 г. М. Шлейден описва ядрото в ядрата на растителните клетки.

Разпространението на клетъчната структура в животинското царство е показано от изследванията на R. J. N. Dutrochet (1824), F. V. Raspail (1827) и школите на J. Purkinje и I. Müller. J. Purkinje е първият, който описва ядрото на животинска клетка през 1825 г., разработва методи за оцветяване и изчистване на клетъчни препарати, използва термина "протоплазма" и е един от първите, които се опитват да сравнят структурните елементи на животните и растенията организми (1837).

През 1838-1839г Т. Шван формулира клетъчната теория, в която клетката се разглежда като основа на структурата, жизнената активност и развитието на всички животни и растения. Концепцията на Т. Шван за клетката като първи етап на организация, притежаващ целия комплекс от свойства на живите същества, запази своето значение в миналото.

Превръщането на клетъчната теория в универсална биологична доктрина беше улеснено от откриването на природата на протозоите. През 1841-1845г. С. Тх. Зиболд формулира концепцията за едноклетъчните животни и разширява клетъчната теория към тях.

Важен етап в развитието на цитологията е създаването от Р. Вирхов на учението за клетъчната патология. Той разглежда клетките като материален субстрат на болестите, което привлича не само анатоми и физиолози, но и патолози към тяхното изследване. R. Virchow също постулира произхода на нови клетки само от вече съществуващи. До голяма степен под влиянието на трудовете на Р. Вирхов и неговата школа започва преразглеждане на възгледите за природата на клетките. Ако преди това най-важният структурен елемент на клетката се смяташе за нейната обвивка, то през 1861 г. М. Шулце даде нова дефиниция на клетката като „бучка протоплазма, вътре в която се намира ядрото“; това означава, че ядрото най-накрая беше признато за основен компонент на клетката. През същата 1861 г. E. W. Brucke показа сложността на структурата на протоплазмата.

Откриването на клетъчните органели - клетъчния център, митохондриите, комплекса на Голджи, както и откриването на нуклеинови киселини в клетъчните ядра допринесоха за утвърждаването на представите за клетката като сложна многокомпонентна система. Изследване на процесите на митоза [E. Strasburger (1875); П. И. Неремежко (1878); V. Flemming (1878)] доведе до откриването на хромозомите, установяването на правилото за видовото постоянство на техния брой (K. Rabl, 1885] и създаването на теорията за индивидуалността на хромозомите (Th. Boveri, 1887). Тези открития, заедно с изучаването на процесите на оплождане, чиято биологична същност открива О. Хертвиг ​​(1875), фагоцитозата, клетъчните реакции към стимули допринесоха за факта, че в края на 19 век цитологията се превърна в независима клон на биологията J. B. Carnoy (1884) за първи път въвежда понятието „клетъчна биология“ и формулира идеята за цитологията като наука, която изучава формата, структурата, функцията и еволюцията на клетките.

Установяването на законите за наследяване на характеристиките от Г. Мендел и тяхното последващо тълкуване, дадено в началото на 20 век, оказа голямо влияние върху развитието на цитологията. Тези открития доведоха до създаването на хромозомната теория за наследствеността и формирането на нова посока в цитологията - цитогенетика, както и кариология.

Голямо събитие в клетъчната наука беше развитието на метода на тъканните култури и неговите модификации - методът на еднослойните клетъчни култури, методът на органните култури на тъканни фрагменти на границата на хранителната среда и газовата фаза, методът на култура на органи или техни фрагменти върху мембрани на пилешки ембриони, в животински тъкани или в хранителна среда. Те позволиха дълго време да се наблюдава жизнената активност на клетките извън тялото, да се изследват в детайли тяхното движение, делене, диференциация и др. Методът на еднослойните клетъчни култури, който изигра голяма роля в развитието на не само цитология, но и вирусология, както и получаване на редица антивирусни ваксини. Интравиталното изследване на клетките се улеснява значително чрез микрофилмиране, фазово-контрастна микроскопия, флуоресцентна микроскопия, микрохирургия и витално оцветяване. Тези методи позволиха да се получи много нова информация за функционалното значение на редица клетъчни компоненти.

Въведение в цитологията количествени методиизследванията доведоха до установяването на закона за видовото постоянство на размерите на клетките, по-късно усъвършенстван от E. M. Vermeule и известен като закон за постоянството на минималните размери на клетките. W. Jacobi (1925) открива феномена на последователно удвояване на обема на клетъчните ядра, което в много случаи съответства на удвояване на броя на хромозомите в клетките. Промени в размера на ядрото, свързани с функционално състояниеклетки като в нормални условия, и в патологията (Я. Е. Хесип, 1967).

Raspail започва да използва методи за химичен анализ в цитологията през 1825 г. Но трудовете на Л. Лисън (1936), Д. Глик (1949) и А. Г. Е. Перс (1953) са решаващи за развитието на цитохимията. Б. В. Кедровски (1942, 1951), А. Л. Шабадаш (1949), Г. И. Роскин и Л. Б. Левинсон (1957) също имат голям принос в развитието на цитохимията.

Разработването на методи за цитохимично откриване на нуклеинови киселини, по-специално реакцията на Feilgen и метода на Einarsop, в комбинация с цитофотометрия направи възможно значително изясняване на разбирането за клетъчния трофизъм, механизмите и биологично значениеполиплоидизация (V. Ya. Brodsky, I. V. Uryvaeva, 1981).

През първата половина на 20в. Функционалната роля на вътреклетъчните структури започва да се изяснява. По-специално, работата на Д. Н. Насонов (1923) установява участието на комплекса Голджи в образуването на секреторни гранули. G. Hogeboom доказва през 1948 г., че митохондриите са центрове на клетъчното дишане. Н. К. Колцов е първият, който формулира идеята за хромозомите като носители на молекули на наследствеността, а също така въвежда понятието "цитоскелет" в цитологията.

Научно-техническата революция от средата на 20-ти век доведе до бързо развитие на цитологията и преразглеждане на редица нейни концепции. С помощта на електронна микроскопия беше изследвана структурата и до голяма степен бяха разкрити функциите на известни преди това клетъчни органели и беше открит цял ​​свят от субмикроскопични структури. Тези открития са свързани с имената на К. Р. Портър, Н. Рис, У. Бернхард и други изключителни учени. Изследването на клетъчната ултраструктура направи възможно разделянето на целия жив органичен свят на еукариоти и прокариоти.

Развитието на молекулярната биология показа фундаменталната общност на генетичния код и механизмите на протеиновия синтез върху матриците на нуклеиновите киселини за целия органичен свят, включително царството на вирусите. Нови методи за изолиране и изследване на клетъчни компоненти, развитие и усъвършенстване на цитохимичните изследвания, особено цитохимията на ензимите, използването на радиоактивни изотопи за изследване на процесите на синтез на клетъчни макромолекули, въвеждането на методи на електронната цитохимия, използването на белязани с флуорохром антитела за изследване на локализацията на отделни клетъчни протеини с помощта на луминесцентен анализ, препаративни методи и аналитично центрофугиране значително разшириха границите на цитологията и доведоха до размиване на ясните граници между цитологията, биологията на развитието, биохимията, молекулярната биофизика и молекулярната биология.

От чисто морфологична наука от близкото минало съвременната цитология се превърна в експериментална дисциплина, която разбира основните принципи на клетъчната дейност и чрез нея основите на живота на организмите. Разработването на методи за трансплантация на ядра в енуклеирани клетки от J. B. Gurdon (1974), соматична хибридизация на клетки от G. Barsk (1960), N. Harris (1970), B. Ephrussi (1972) направи възможно изследването на моделите на реактивиране на гени и определяне на локализацията на много гени в човешките хромозоми и се доближават до решаването на редица практически проблеми в медицината (например анализиране на природата на клетъчното злокачествено заболяване), както и Национална икономика(например получаване на нови култури и др.). Въз основа на методите на клетъчна хибридизация е създадена технология за производство на стационарни антитела от хибридни клетки, които произвеждат антитела с определена специфичност (моноклонални антитела). Те вече се използват за решаване на редица теоретични въпроси в имунологията, микробиологията и вирусологията. Използването на тези клонове започва да подобрява диагностиката и лечението на редица човешки заболявания, изучава епидемиологията на инфекциозните заболявания и т.н. Цитологичният анализ на клетки, взети от пациенти (често след култивирането им извън тялото), е важен за диагностицирането на някои наследствени заболявания (например пигментна ксеродерма, гликогеноза) и изучаване на тяхната природа. Има и перспективи за използване на постиженията на цитологията за лечение на генетични заболявания на човека, профилактика на наследствени патологии, създаване на нови високопродуктивни щамове бактерии и повишаване на продуктивността на растенията.

Универсалността на проблемите на изследването на клетките, спецификата и разнообразието от методи за изучаването им в момента са довели до формирането на шест основни направления в цитологията:

1. Цитоморфология, който изучава характеристиките на структурната организация на клетката, чиито основни методи за изследване са различни методи на микроскопия, както фиксирани (светлинно-оптична, електронна, поляризационна микроскопия), така и живи клетки (кондензатор на тъмно поле, фазово-контрастен и флуоресцентна микроскопия).
2. Цитофизиология, който изучава жизнената дейност на клетката като единна жива система, както и функционирането и взаимодействието на нейните вътреклетъчни структури; За решаването на тези проблеми се използват различни експериментални техники в комбинация с методите на клетъчна и тъканна култура, микрофилмиране и микрохирургия.
3. Цитохимия, който изучава молекулярната организация на клетката и нейните отделни компоненти, както и химичните промени, свързани с метаболитните процеси и клетъчните функции; Цитохимичните изследвания се извършват с помощта на светлинен микроскоп и електронен микроскоп, цитофотометрия, ултравиолетова и интерферентна микроскопия, авторадиография и фракционно центрофугиране, последвано от химичен анализ на различни фракции.
4. Цитогенетика, изучавайки моделите на структурна и функционална организация на хромозомите на еукариотните организми.
5. Цитоекология, изучаващи реакциите на клетките към влиянието на факторите на околната среда и механизмите на адаптация към тях.
6. Цитопатология, чийто предмет е изследване на патологичните процеси в клетките.

Наред с традиционните у нас се развиват и нови области на цитологията като ултраструктурна клетъчна патология, вирусна цитопатология, цитофармакология - оценка на действието. лекарствацитологични методи върху клетъчни култури, онкологична цитология, космическа цитология, която изучава характеристиките на поведението на клетките в условията на космически полет.

Голяма медицинска енциклопедия 1979 г

Клетъчна биология(клетъчна биология, цитология) - наука за клетката.

Клетъчната биология е клон на биологията, чийто предмет е клетката, елементарната единица на живите същества. Клетката се разглежда като система, която включва отделни клетъчни структури, тяхното участие в общите клетъчни физиологични процеси и начините за регулиране на тези процеси. Разглеждат се възпроизвеждането на клетките и техните компоненти, адаптирането на клетките към условията на околната среда, реакциите към действието на различни фактори и патологичните промени в клетките. и механизмите на тяхната смърт.

Цитология и клетъчна биология

Терминът „клетъчна биология“ или „клетъчна биология“ през втората половина на 20-ти век замени оригиналния оригинален термин „цитология“, който определя науката за клетката. Цитологията принадлежи към редица „щастливи” биологични дисциплини, като биохимия, биофизика и генетика, чието развитие през последните 60 години беше особено бързо („биологична революция”) и направи фундаментални промени в биологията в разбирането на организацията и същността на жизнените явления. Класическата цитология, която в началото беше основно. описателната морфологична наука, погълнала идеите, фактите и методите на биохимията, биофизиката и молекулярната биология, се превърна в обща биологична дисциплина, която изучава не само структурата, морфологията, но и функционалните и молекулярните аспекти на поведението на клетките като елементарни единици на живата природа.

Въпреки че първите описания и идеи за клетката се появяват преди повече от 300 години, подробното изследване на клетките е свързано с развитието на микроскопията през 19 век. По това време са направени основните описания на вътреклетъчната организация и т.нар клетъчна теория (T. Schwann. R. Virchow), чиито основни постулати са: клетка - елементарна единица на живите същества; няма живот извън клетката (според Р. Вирхов „животът е дейността на клетката, характеристиките на първата са характеристики на последната“); клетките са подобни (хомоложни) по своята структура и по своите основни свойства; клетките се увеличават на брой и се размножават само чрез делене на първоначалните клетки. Клетъчната теория не само оказа значително влияние върху развитието на такива общи биологични дисциплини като хистология, ембриология и физиология, но също така направи истинска революция в медицината, показвайки, че в основата на всякакви заболявания на тялото е клетъчната патология, т.е. промяна във функционирането отделни групиклетки в органи и тъкани.

Основна роля във формирането и развитието на вътрешната биология и впоследствие на клетъчната биология изиграха научните школи на изследователи като I.I. Мечников, Н.К. Колцов, Д.Н. Насонов и др.

ДА СЕ края на 19 веквек са описани много вътреклетъчни компоненти (ядро, хромозоми, митохондрии и др.), митозата е характеризирана като единственият начин за възпроизвеждане на клетките и е създадена хромозомната теория за наследствеността (цитогенетика). По същото време и в началото на 20 век интересите на цитологията са насочени към изясняване на функционалното значение на вътреклетъчните компоненти (цитофизиология). Решаването на тези проблеми беше подпомогнато от развитието на области като цитохимия, култивиране на клетки, свързани с въвеждането на нови методологични техники (флуоресцентна микроскопия, количествена цитохимия, авторадиография, диференциално центрофугиране и др.).

Качествена повратна точка в анализа на клетъчните компоненти и тяхното функционално значение беше въвеждането на електронната микроскопия през 50-те години на 20 век, което направи възможно изследването на клетките на субмикроскопично ниво. Комбинацията от електронномикроскопски и молекулярно-биологични методи позволи тясно да се свърже изследването на морфологията на клетъчните компоненти с идентифицирането на техните биохимични характеристики и да се установи тяхното функционално значение. В средата на 20-ти век терминът „клетъчна биология” започва да се използва като определение на наука, която изучава не само структурата на клетките, но и функционалните и биохимичните характеристики на техните структури и отделните етапи на клетката. живота като цяло. В същото време е открит клетъчният цикъл (молекулярната последователност от събития по време на възпроизвеждане на клетката), неговата регулация на молекулярно ниво и са дадени функционалните и биохимични характеристики на много стари и новооткрити вътреклетъчни структури.

Учението за клетката

Понастоящем, от гледна точка на съвременната молекулярна биология, можем да направим следното определение за това какво е клетка: клетката е подредена система от биополимери (протеини, нуклеинови киселини, липиди) и техните макромолекулни комплекси, ограничени от активна липопротеинова мембрана, участващи в един набор от метаболитни (метаболитни) и енергийни процеси, които поддържат и възпроизвеждат цялата система като цяло.

Вътреклетъчните структурни елементи представляват функционални подсистеми или системи от втори ред. По този начин клетъчното ядро ​​е система за съхраняване, възпроизвеждане и прилагане на генетична информация, съдържаща се в ДНК на хромозомите; хиалоплазма (основна плазма) - системата на главния междинен метаболизъм и синтеза на мономери, както и синтеза на протеини върху рибозомите; цитоскелет - мускулно-скелетна системаклетки; вакуолна система - система за синтез, модификация и транспорт на някои протеинови полимери и образуване на много клетъчни липопротеинови мембрани; митохондриите са органелите, които доставят енергия на всички клетъчни функции чрез синтеза на АТФ; пластиди на растителни клетки - система за фотосинтеза на АТФ и синтез на въглехидрати; Плазмената мембрана е бариерно-рецепторно-транспортната система на клетката.

Важно е да се подчертае, че всички тези клетъчни подсистеми образуват един вид спрегнато единство, което е взаимно зависимо. По този начин нарушаването на ядрената функция незабавно засяга протеиновия синтез, нарушаването на структурата и функцията на митохондриите спира всички синтетични и метаболитни процеси, нарушаването на цитоскелетните елементи спира вътреклетъчния транспорт и т.н.

Съвременната биохимия и молекулярната биология, които изучават химичните процеси, лежащи в основата на живота на клетките, не могат без информация за структурите, върху които протичат тези процеси; точно както в клетъчната биология, когато се изучават структурите и тяхното функционално значение, е невъзможно да се направи без познаване на молекулярните процеси, протичащи в тези структури. Ето защо терминът „молекулярна клетъчна биология“ все по-често се използва в заглавията на различни ръководства и учебници.

Изследването на клетъчната биология е от голямо практическо значение: това е изучаването на физиологията на организмите, използването на клетките в биотехнологичните разработки и използването на данни от клетъчната биология в практическата медицина. Например информация от областта на клетъчната биология е необходима при изследване на злокачествен клетъчен растеж, за цитодиагностика на заболяването, за използване на стволови клетки и др. Освен това, нито едно човешко заболяване не може да бъде разбрано без използването на данни от клетъчната биология.

Изключителни руски цитолози

И. И. Мечников (1845-1916) - известен руски биолог и патолог, един от основателите на експерименталната цитология и имунология, основател на научна школа, почетен член на Санкт Петербургската академия на науките, един от основателите на института Пастьор в Париж. През 1883 г. И. И. Мечников открива явлението фагоцитоза, предложено фагоцитна теорияимунитет (1901); за работата си върху изследването на имунитета заедно с П. Ерлих е удостоен с Нобелова награда през 1908 г.

Научната школа на Н. К. Колцов (1872-1940) има огромно влияние върху развитието на биологията, генетиката и цитологията у нас. Той беше изследовател, чиито идеи изпревариха с десетилетия много открития, превърнали се в основата на съвременните концепции в генетиката и клетъчната биология. През 1903 г. Н. К. Колцов открива вътрешната фибриларна система, която той определя като скелетна цитоплазмена структура, която определя формата и движението на клетките. Понастоящем тази система се нарича цитоскелет; тя се състои от протеинови полимери, от които се образуват микротубули и нишковидни структури (микрофиламенти, междинни нишки). Друго важно постижение на Н. К. Колцов е предвиждането на матричния принцип на удвояване на наследствените структури. Според неговите идеи малките молекули на ядрото се събират върху вече съществуващ шаблон и след това се „сливат“ в полимерна молекула, копие на шаблона. По това време (1927 г.) макромолекулите на ДНК все още не са били известни, но идеята, че постоянната, запазена наследствена матрица не се унищожава или пресъздава, а се предава от родителите на потомството, е страхотно предсказание. Може да се счита, че това твърдение на Н. К. Колцов е началото на развитието на молекулярната биология. Дългогодишните изследвания на формата и поведението на клетките (цитоскелета) и матричната хипотеза са най-голямата заслуга на Н. К. Колцов като „пророк в отечеството” в развитието на биологията. Освен това голямата заслуга на Н. К. Колцов се състои в това, че той е подготвил цяла плеяда от своите ученици-последователи: генетици, физиолози, ембриолози и цитолози. Те включват V.V. Сахаров, Б.Л. Астауров, С.С. Четвериков, Д.П. , КАТО. Серебровски, Г.И. Роскин и др. Сега е обичайно да се говори за биологични Руско училищеН. К. Колцова. Институтът по биология на развитието на Руската академия на науките сега носи неговото име.

D.N. играе важна роля в създаването на вътрешната цитология. Насонов (1895-1957). Трудовете на Дмитрий Николаевич, посветени на изследването на апарата на Голджи, бяха високо оценени от специалистите и станаха класически. При изучаване на работата на апарата на Голджи Д.Н. Насонов излага хипотеза за водещата роля на този органел в клетъчния секреторен процес. Много по-късно, с помощта на електронномикроскопска авторадиография, тази хипотеза е напълно потвърдена (Leblon, 1966) и се превръща в аксиома за функционалното значение на тази структура. През 1956 г. по инициатива на Дмитрий Николаевич е организиран Институтът по цитология на Академията на науките на СССР.

Един от учениците на Н. К. Колцов е Г. И. Роскин (1882-1964), който работи с него от 1912 г. Той изучава скелетни и контрактилни структури в различни клетки, от едноклетъчни организми до гладки и набраздени мускули на многоклетъчни организми. Той заключи, че контрактилните и поддържащите елементи образуват много сложни системи, които осигуряват двигателни и поддържащи функции - тези системи се наричат ​​статокинетични. Тази поредица от работи е продължение на изследванията на цитоскелета, започнати от Н.К.

От 1930 г. до 1964 г. G.I. Roskin ръководи катедрата по хистология в Москва държавен университет. Продължавайки да изучава контрактилните елементи на клетката, G.I. Роскин обърна голямо внимание на изследването на цитологията на раковите клетки, което доведе до откриването на противораковото лекарство круцин, което известно време се използва в клиниката. Специално внимание на G.I. Роскин обърна внимание на въвеждането на цитохимични методи в хистологията и цитологията, които позволяват локализирането на определени полимери или отделни аминокиселини в клетките. По това време Катедрата по хистология става пропагандатор на цитохимичните методи, които намират широко приложение не само в биологичните изследвания, но и в медицината. По-късно В.Я. Бродски, ученик на G.I. Роскина, започват да разработват количествени хистохимични изследвания с помощта на специално цитофотометрично оборудване. Това доведе до появата на нови биохимични и био физични методи, които се използват широко в клетъчната биология.

Голям принос в изследването на структурата и поведението на туморните клетки направиха трудовете на Ю.М. Василиев (р. 1928) и неговите ученици. В продължение на много години неговата школа изучава механизмите на движение на нормални и туморни клетки. Той беше първият, който идентифицира ролята на микротубулната система и други цитоскелетни елементи при определяне на посоката на миграция както на нормалните, така и на туморните клетки. Ръководи онкологичната лаборатория по механизми на канцерогенезата научен център RAMS.

Ю.С. Ченцов (р. 1930 г.) ръководи катедрата по клетъчна биология и хистология от 1970 г. до 2010 г. Той е един от основателите на Московската школа на електронните микроскописти. Той и неговите ученици са първите, които създават триизмерна реконструкция на центриола и описват поведението му в клетъчния цикъл. Yu.S.Chentsov е един от авторите на откритието на ядрената протеинова рамка (матрица); той показа, че ядрената матрица е неразделна част от интерфазните и митотичните хромозоми. Yu.S.Chentsov играе важна роля в изследването на ултраструктурата на клетъчното ядро ​​и митотичната хромозома. В работата си по изследване на митохондриите в мускулната тъкан Ю. С. Ченцов става един от авторите на откриването на митохондриалния ретикулум и специална структура - междумитохондриални контакти. (Даниел Мазия, 1912-1996), американски цитолог, изиграл основна роля в изследването на процесите на клетъчно делене и възпроизводство, в изследването на структурата на митотичното вретено и възпроизвеждането на центрозомите. Той смята клетката за надмолекулна система, състояща се от много взаимосвързани молекулни системи.

Кийт Портър (Keith Robert Porter, 1912-1997) - канадски биолог, един от основателите на електронномикроскопичния подход в биологията. Той разработи методи за производство на ултратънки срезове, методи за използване на решетки с покритие в електронната микроскопия, а също така предложи използването на осмиев тетроксид за работа с електронни микроскопични препарати. К. Портър е отговорен за откриването на цитоскелетни микротубули и ендоплазмен ретикулум, автолизозоми и оградени вакуоли. Благодарение на него е основано първото водещо списание по клетъчна биология, което сега се нарича Journal of Cell Biology.

Джордж Палейд (George Emil Palade, 1912-2008) - американски биолог от румънски произход. Той открива рибонуклеинови частици, наречени Palade гранули на повърхността на резервоарите на ендоплазмения ретикулум. Впоследствие беше открито, че гранулите Palade са рибозоми, свързани с ендоплазмения ретикулум. Палейд работи интензивно върху изследването на вакуоларната система и везикуларния транспорт в клетката. През 1974 г. е удостоен с Нобелова награда.

Кристиан Рене дьо Дюв (1917-2002) - белгийски цитолог и биохимик, открил съществуването на храносмилателни органели в клетките - лизозоми. Носител на Нобелова награда (1974).

Алберт Клод (1899-1983) - белгийски биохимик, благодарение на когото цитологията от описателна наука се превръща във функционална наука. Той показа пряка връзка между вътреклетъчните структури и биохимичните процеси, протичащи в клетката, и участва във въвеждането на биохимични и физични методи в цитологията. А. Клод пише, че клетката е „независима и самоподдържаща се единица жива материя, способна да натрупва, преобразува и използва енергия“. Носител на Нобелова награда (1974).

Препоръчителна литература

Ю.С. Ченцов. Въведение в клетъчната биология

Ю.С. Ченцов. Цитология: урокза университети и медицински училища.

Албъртс Б., Брей Д., Луис Дж., Раф М., Робъртс К., Уотсън Дж. Молекулярна биология на клетката

Молекулярна биология на клетките. Превод от английски / Под редакцията на Б. Албертс

Lodish H., Besk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Balximore D., Darnell J. Молекулярна клетъчна биология.