Как менялись представления о клетке и сформировалось современное положение клеточной теории. История создания и основные положения клеточной теории Клеточная теория свидетельствует о том что

Параллельно с описательными работами формировалась и клеточная теория. Уже в 1809 г. немецкий натурфилософ Л.Окен выдвинул гипотезу клеточного строения и развития организмов. Эти идеи в России развивал профессор Медико-хирургической академии Петербурга П.Ф.Горянинов. В 1837 г. он писал: "Всё органическое царство представлено телами клеточного строения". Горянинов был первым, кто связал проблему возникновения жизни с происхождением клетки.

Исторически важными, хотя неверными практически, стали представления немецкого ботаника М.Шлейдена о формировании новых клеток. В 1838 г. он сформулировал теорию цитогенеза (от греч. цитос - клетка и генезис - происхождение), согласно которой новые клетки образуются в старых.

Опираясь на работы М.Шлейдена, немецкий биолог Т.Шванн провел сравнительное изучение тканей животных и растений. Это позволило ему создать в 1839 г. клеточную теорию, главные положения которой справедливы до сих пор. Благодаря этому Т.Шванн считается основоположником этой теории, согласно которой все организмы имеют клеточное строение, а клетки животных и растений имеют принципиальное сходство строения и формирования. Третье положение клеточной теории Шванна постулировало, что деятельность многоклеточного организма представляет собой сумму жизнедеятельности его отдельных клеток.

В 1859 г. немецкий патолог Р.Вирхов внес в клеточную теорию существенное изменение, касающееся образования новых клеток. В противоположность взглядам Шлейдена и Шванна, Р.Вирхов утверждал, что клетки возникают только путем размножения (деления). Именно ему принадлежит знаменитая формулировка " omnis cellula е cellula" (" всякая клетка от клетки"). Таким образом, Вирхова можно считать одним из соавторов клеточной теории. Последующее развитие биологии подтвердило справедливость клеточной теории, включив в неё и бактерий. Даже открытие вирусов - неклеточных форм жизни - не привело к пересмотру теории. Оказалось, что вирусы имеют клеточное происхождение и образовывались в ходе эволюции неоднократно из определенных компонентов клеток.

Основные положения.

В настоящее время основные положения клеточной теории можно сформулировать в четырех тезисах.

1. Все живые организмы, исключая вирусы, состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Этот тезис отражает единство клеточного происхождения всех организмов и подчеркивает значение неклеточных компонентов, например плазмы крови, спинномозговой жидкости, внеклеточного матрикса соединительных тканей.

2. Клетки всех живых организмов имеют принципиальное сходство своего строения и основного обмена веществ, т.е. все клетки гомологичны (от греч. гомос - равный, одинаковый и логос - понятие). Данный тезис также отражает единство происхождения всех живых организмов от клеточного предка - протоклетки (см. § 10). Любая клетка состоит из трех универсальных субсистем: поверхностного аппарата, цитоплазмы и ядерного аппарата. Энергетический обмен всех клеток базируется на бескислородном расщеплении углеводов - гликолизе. Жизнедеятельность всех клеток основана на трех универсальных процессах: синтезе ДНК, синтезе РНК и синтезе белка.

3. Каждая клетка образуется только путем деления уже существующей клетки. Это положение постулирует невозможность самозарождения клеток в условиях, сложившихся после их возникновения и эволюции. Так как протобионты и многие протоклетки были гетеротрофами, они использовали органические вещества в своём обмене веществ. Этим самым они свели возможность повторного возникновения протобионтов к нулю. После возникновения фотосинтеза возник озоновый экран в атмосфере, что резко снизило поступление на Землю высокоэнергетических коротковолновых ультрафиолетовых лучей.

4. Активность многоклеточного организма слагается из активности его клеток и результатов их взаимодействия. Этот тезис подчеркивает, что многоклеточный организм - это не сумма клеток, а совокупность взаимодействующих клеток, т.е. система (от греч. система - целое, составленное из частей; соединение). В ней активность каждой клетки зависит от функционирования не только соседних, но и отдаленных от неё клеток. В частности, эритроциты снабжают кислородом все клетки организма, секреторные клетки, выделяют гормоны, нейроны образуют цепи и сети.

История создания.

Параллельно с описательными работами формировалась и клеточная теория. Уже в 1809 г. немецкий натурфилософ Л.Окен выдвинул гипотезу клеточного строения и развития организмов. Эти идеи в России развивал профессор Медико-хирургической академии Петербурга П.Ф.Горянинов. В 1837 г. он писал: "Всё органическое царство представлено телами клеточного строения". Горянинов был первым, кто связал проблему возникновения жизни с происхождением клетки.
Исторически важными, хотя неверными практически, стали представления немецкого ботаника М.Шлейдена о формировании новых клеток. В 1838 г. он сформулировал теорию цитогенеза (от греч. цитос - клетка и генезис - происхождение), согласно которой новые клетки образуются в старых.
Опираясь на работы М.Шлейдена, немецкий биолог Т.Шванн провел сравнительное изучение тканей животных и растений. Это позволило ему создать в 1839 г. клеточную теорию, главные положения которой справедливы до сих пор. Благодаря этому Т.Шванн считается основоположником этой теории, согласно которой все организмы имеют клеточное строение, а клетки животных и растений имеют принципиальное сходство строения и формирования. Третье положение клеточной теории Шванна постулировало, что деятельность многоклеточного организма представляет собой сумму жизнедеятельности его отдельных клеток.
В 1859 г. немецкий патолог Р.Вирхов внес в клеточную теорию существенное изменение, касающееся образования новых клеток. В противоположность взглядам Шлейдена и Шванна, Р.Вирхов утверждал, что клетки возникают только путем размножения (деления). Именно ему принадлежит знаменитая формулировка "omnis cellula е cellula" ("всякая клетка от клетки"). Таким образом, Вирхова можно считать одним из соавторов клеточной теории. Последующее развитие биологии подтвердило справедливость клеточной теории, включив в неё и бактерий. Даже открытие вирусов - неклеточных форм жизни - не привело к пересмотру теории. Оказалось, что вирусы имеют клеточное происхождение и образовывались в ходе эволюции неоднократно из определенных компонентов клеток.

Несмотря на чрезвычайно важные открытия XVII - XVIII вв., вопрос о том, входят ли клетки в состав всех частей растений, а также построены ли из них не только растительные, но и животные организмы, оставался открытым. Лишь в 1838-1839 гг. вопрос этот был окончательно решен немецкими учеными ботаником Маттиасом Шлейденом и физиологом Теодором Шванном . Они создали так называемую клеточную теорию. Сущность ее заключалась в окончательном признании того факта, что все организмы, как растительные, так и животные, начиная с низших и кончая самыми высокоорганизованными, состоят из простейших элементов - клеток ( Рис. 1.)

Дальнейшее разделение растворимых ферментов, ДНК и РНК можно произнести методом электрофореза .

Основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии можно сформулировать следующим образом: Клетка - элементарная живая система, основа строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу. Рост и развитие многоклеточного организма - следствие роста и размножения одной или нескольких исходных клеток. Клеточное строение организмов - свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.

История создания клеточной теории ГУК (Hooke) Роберт (18 июля 1635, Фрешуотер, о. Уайт - 3 марта 1703, Лондон) Первым человеком, увидевшим клетки, был английский ученый Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В 1665 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, похожие на пчелиные соты, построенные из ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «келья, ячейка, клетка»). Фактически Роберт Гук увидел только оболочки растительных клеток. Так выглядели клетки под микроскопом Гука.

История создания клеточной теории Левенгук (Leeuwenhoek), Антони ван (24. 10. 1632, Делфт – 26. 08. 1723, там же), нидерландский натуралист. Пуркине (Purkyne) Ян Эвангелиста (17. 12. 1787, Либоховице – 28. 07. 1869, Прага), чешский физиолог. Броун (Brown), Роберт (21. 12. 1773, Монтроз – 10. 06. 1858, Лондон), шотландский ботаник В 1680 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (1632– 1723) с помощью микроскопа с увеличением в 270 раз впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы - одноклеточные организмы (бактерии). Первые микроскописты вслед за Гуком обращали внимание только на оболочки клеток. Понять их нетрудно. Микроскопы в то время были несовершенны и давали малое увеличение. Длительное время основным структурным компонентом клетки считалась оболочка. Лишь в 1825 году чешский ученый Я. Пуркине (1787 -1869) обратил внимание на полужидкое студенистое содержимое клеток и назвал его протоплазмой (теперь ее называют цитоплазмой). Только в 1833 г. английский ботаник Р. Броун (1773 -1858), первооткрыватель хаотического теплового движения частиц (названного впоследствии в его честь броуновским), открыл в клетках ядра. Броун в те годы интересовался строением и развитием диковинных растений - тропических орхидей. Он делал срезы этих растений и исследовал их с помощью микроскопа. Броун впервые заметил в центре клеток какие-то странные, никем не описанные сферические структуры. Он назвал эту клеточную структуру ядром.

История создания клеточной теории Шлейден (Schleiden) Маттиас Якоб (05. 04. 1804, Гамбург – 23. 06. 1881, Франкфурт-на-Майне), немецкий ботаник. В это же время немецкий ботаник М. Шлейден установил, что растения имеют клеточное строение. Именно открытие Броуна послужило ключом к открытию Шлейдена. Дело в том, что часто оболочки клеток, особенно молодых, видны в микроскоп плохо. Другое дело - ядра. Легче обнаружить ядро, а затем уж оболочку клетки. Этим и воспользовался Шлейден. Он начал методично просматривать срезы за срезами, искать ядра, затем оболочки, повторять все снова и снова на срезах разных органов и частей растений. После почти пяти лет методичных изысканий Шлейден закончил свою работу. Он убедительно доказал, что все органы растений имеют клеточную природу. Шлейден обосновал свою теорию для растений. Но оставались еще животные. Каково их строение, можно ли говорить о едином для всего живого законе клеточного строения? Ведь наряду с исследованиями, доказывавшими клеточное строение животных тканей, были работы, в которых это заключение резко оспаривалось. Делая срезы костей, зубов и ряда других тканей животных, ученые никаких клеток не видели. Состояли ли они раньше из клеток? Как видоизменялись? Ответ на эти вопросы дал другой немецкий ученый - Т. Шванн, создавший клеточную теорию строения животных тканей. Натолкнул Шванна на это открытие Шлейден дал в руки Шванна хороший компас - ядро. Шванн в своей работе применил тот же прием - сначала искать ядра клеток, затем их оболочки. В рекордно короткий срок - всего за год - Шванн закончил свой титанический труд и уже в 1839 г: опубликовал результаты в работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» , где сформулировал основные положения клеточной теории Шванн (Schwann) Теодор (07. 12. 1810, Нёйс - 11. 01. 1882, Кёльн), немецкий физиолог.

История создания клеточной теории Основные положения клеточной теории по М. Шлейдену и Т. Шванну 1. Все организмы состоят из одинаковых частей - клеток; они образуются и растут по одним и тем же законам. 2. Общий принцип развития для элементарных частей организма – клетко образование. 3. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, некое самостоятельное целое. Но эти индивидуумы действуют совместно, так, что возникает гармоничное целое. Все ткани состоят из клеток. 4. Процессы, возникающие в клетках растений, могут быть сведены к следующим: 1) возникновение новых клеток; 2) увеличение клеток в размерах; 3) превращение клеточного содержимого и утолщение клеточной стенки. После этого факт клеточного строения всех живых организмов стал неоспоримым. Дальнейшие исследования показали, что можно найти организмы, которые состоят из громадного числа клеток; организмы, состоящие из ограниченного числа клеток; наконец, такие, все тело которых представлено всего одной клеткой. Бесклеточных организмов в природе не существует. Т. Шванн и М. Шлейден ошибочно считали, что клетки в организме возникают из первичного неклеточного вещества.

История создания клеточной теории Вирхов (Virchow) Рудольф Людвиг Карл (13. 10. 1821, Шифельбейн, Померания – 05. 09. 1902, Берлин) Бэр Карл Максимович (17/28. 2. 1792, имение Пийб – 16/28. 11. 1876, Тарту) Шлейден (Schleiden) Маттиас Якоб (05. 04. 1804, Гамбург – 23. 06. 1881, Франкфурт-на-Майне) Позднее Рудольф Вихров (в 1858 году) сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: «Всякая клетка происходит из другой клетки… Там, где возникает клетка, ей должна предшествовать клетка, подобно тому, как животное происходит только от животного, растение – только от растения» . Клетка может возникнут только из предшествующей клетки в результате ее деления. Академик Российской Академии наук Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки. Это открытие показало, что клетка - не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов. Идея о том, что все организмы построены из клеток стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, поскольку создала единую основу для изучения всех живых существ. Зоолог Шлейден впервые описал в 1873 году непрямое деление животных клеток - “митоз”.

История создания клеточной теории Первые этапы формирования и развития представления о клетки 1. Зарождения понятия о клетки 1665 г. – Р. Гук впервые рассмотрел под микроскопом срез пробки, ввел термин «клетка» 1680 г. – А. Левенгук открыл одноклеточные организмы 2. Возникновение клеточной теории 1838 г. Т. Шван и М. Шлейден обобщили знания о клетке, сформулировали основные положения клеточной теории: Все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению. 3. Развитие клеточной теории 1858 г. – Р. Вихров утверждал, что каждая новая клетка происходит только от клетки в результате ее деления 1658 г. – К. Бэр установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки

КЛЕТКА Клетка – элементарная единица живой системы. Специфические функции в клетке распределены между органоидами – внутриклеточными структурами. Несмотря на многообразие форм, клетки разных типов обладают поразительным сходством в своих главных структурных особенностях. Клетка представляет собой элементарную живую систему, состоящую из трех основных структурных элементов – оболочки, цитоплазмы и ядра. Цитоплазма и ядро образуют протоплазму. Практически все ткани многоклеточных организмов состоят из клеток. С другой стороны, слизевики состоят из неразделённой перегородками клеточной массы со множеством ядер. Слизевики. Верхний ряд, слева направо: Physarium citrinum, Arcyria cinerea, Physarum polycephalum. Нижний ряд, слева направо: Stemonitopsis gracilis, Lamproderma arcyrionema, Diderma effusum Сходным образом устроена и сердечная мышца животных. Ряд структур организма (раковины, жемчужины, минеральная основа костей) образованы не клетками, а продуктами их секреции.

КЛЕТКА Мелкие организмы могут состоять всего лишь из сотен клеток. Организм человека включает в себя 1014 клеток. Самая маленькая из известных сейчас клеток имеет размер 0, 2 мкм, самая большая – неоплодотворенное яйцо эпиорниса– весит около 3, 5 кг. Слева истреблённый несколько веков назад эпиорнис. Справа – его яйцо, найденное на Мадагаскаре Типичные размеры растительных и животных клеток составляют от 5 до 20 мкм. При этом между размерами организмов и размерами их клеток прямой зависимости обычно нет. Для того, чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию веществ, клетка должна быть физически отделена от своего окружения. Вместе с тем, жизнедеятельность организма предполагает интенсивный обмен веществ между клетками. Роль барьера между клетками играет плазматическая мембрана. Внутреннее строение клетки долгое время было загадкой для ученых; считалось, что мембрана ограничивает протоплазму – некую жидкость, в которой и происходят все биохимические процессы. Благодаря электронной микроскопии тайну протоплазмы удалось раскрыть, и сейчас известно, что внутри клетки имеются цитоплазма, в которой присутствуют различные органоиды, и генетический материал в виде ДНК, собранный, в основном, в ядре (у эукариот).

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ Строение клетки является одним из важных принципов классификации организмов. Структура клетки животного Структура клетки растения

ЯДРО Ядро имеется в клетках всех эукариот за исключением эритроцитов млекопитающих. У некоторых простейших имеются два ядра, но как правило, клетка содержит только одно ядро. Ядро обычно принимает форму шара или яйца; по размерам (10– 20 мкм) оно является самой крупной из органелл. Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая состоит из двух мембран: наружной и внутренней, имеющих такое же строение, как и плазматическая мембрана. Между ними находится узкое пространство, заполненное полужидким веществом. Через множество пор в ядерной оболочке осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой (в частности, выход и-РНК в цитоплазму). Внешняя мембрана часто бывает усеяна рибосомами, синтезирующими белок. Ядро клетки Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хроматин – вещество, несущее ДНК, и ядрышки. Ядрышко – это округлая структура внутри ядра, в которой происходит формирование рибосом. Совокупность хромосом, содержащихся в хроматине, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках диплоидное (2 n), в отличие от половых клеток, имеющих гаплоидный набор хромосом (n). Важнейшей функцией ядра является сохранение генетической информации. При делении клетки ядро также делится надвое, а находящаяся в нём ДНК копируется (реплицируется). Благодаря этому у всех дочерних клеток также имеются ядра.

ЦИТОПЛАЗМА И ЕЕ ОРГАНОИДЫ Цитоплазма представляет собой водянистое вещество – цитозоль (90 % воды), в котором располагаются различные органеллы, а также питательные вещества (в виде истинных и коллоидных растворов) и нерастворимые отходы метаболических процессов. В цитозоле протекает гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеотидов и других веществ. Цитоплазма является динамической структурой. Органеллы движутся, а иногда заметен и циклоз – активное движение, в которое вовлекается вся протоплазма. Органеллы, характерные и для клеток животных, и для клеток растений. Митохондрии иногда называют «клеточными электростанциями» . Это спиральные, округлые, вытянутые или разветвлённые органеллы, длина которых изменяется в пределах 1, 5– 10 мкм, а ширина – 0, 25– 1 мкм. Митохондрии могут изменять свою форму и перемещаться в те области клетки, где потребность в них наиболее высока. В клетке содержится до тысячи митохондрий, причём это количество сильно зависит от активности клетки. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами, внутри которых содержатся РНК, белки и митохондриальная ДНК, участвующая в синтезе митохондрий наряду с ядерной ДНК. Внутренняя мембрана сложена в складки, называемые кристами. Возможно, митохондрии некогда были свободнодвижущимися бактериями, которые, случайно проникнув в клетку, вступили с хозяином в симбиоз. Важнейшей функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий за счёт окисления органических веществ. Митохондрии

ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ И РИБОСОМЫ Эндоплазматическая сеть: гладкая и гранулярная структуры. Рядом фотография с увеличением в 10 000 раз Эндоплазматическая сеть – это сеть мембран, пронизывающих цитоплазму эукариотических клеток. Её можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Эндоплазматическая сеть связывает органеллы между собой, по ней происходит транспорт питательных веществ. Гладкая ЭПС имеет вид трубочек, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. В ней осуществляется синтез липидов и углеводов. На мембранах каналов и полостей гранулярной ЭПС расположено множество рибосом; данный тип сети участвует в синтезе белка Рибосомы – мелкие (15– 20 нм в диаметре) органеллы, состоящие из р-РНК и полипептидов. Важнейшая функция рибосом – синтез белка. Их количество в клетке весьма велико: тысячи и десятки тысяч. Рибосомы могут быть связаны с эндоплазматической сетью или находиться в свободном состоянии. В процессе синтеза обычно одновременно участвуют множество рибосом, объединённых в цепи, называемые полирибосомами.

АППАРАТ ГОЛЬДЖИ И ЛИЗОСОМЫ Аппарат Гольджи представляет собой стопку мембранных мешочков (цистерн) и связанную с ними систему пузырьков. На наружной, вогнутой стороне стопки из пузырьков (отпочковывающихся, по-видимому, от гладкой эндоплазматической сети) постоянно образуются новые цистерны, на внутренней стороне цистерны превращаются обратно в пузырьки. Основной функцией аппарата Гольджи является транспорт веществ в цитоплазму и внеклеточную среду, а также синтез жиров и углеводов, в частности, гликопротеина муцина, образующего слизь, а также воска, камеди и растительного клея. Аппарат Гольджи участвует в росте и обновлении плазматической мембраны и в формировании лизосом. Лизосомы представляют собой мембранные мешочки, наполненные пищеварительными ферментами. Особенно много лизосом в животных клетках, здесь их размер составляет десятые доли микрометра. Лизосомы расщепляют питательные вещества, переваривают попавшие в клетку бактерии, выделяют ферменты, удаляют путём переваривания ненужные части клеток. Лизосомы также являются «средствами самоубийства» клетки: в некоторых случаях (например, при отмирании хвоста у головастика) содержимое лизосом выбрасывается в клетку, и она погибает. Лизосомы

Центриоли Цитоскелет клетки. Микрофиламенты окрашены в синий, микротрубочки – в зеленый, промежуточные волокна – в красный цвет В растительных клетках присутствуют все органеллы, обнаруженные в животных клетках (за исключением центриолей). Однако имеются в них и свойственные только для растений структуры.