Контрольная работа: Основные проблемы цитологии и роль клетки в развитии живого
Введение
В современной науке важную роль занимают новые, молодые дисциплины, сформировавшиеся в самостоятельные разделы в последнее столетие и даже позже. То, что не было доступно для исследований раньше, теперь становится доступным благодаря техническим новшествам и современным научным методам, что позволяет регулярно получать новые результаты. Постоянно в средствах массовой информации мы слышим сообщения о новых открытиях в области биологии, а конкретно генетики и цитологии, эти смежные дисциплины переживают сейчас настоящий расцвет, а множество амбициозных научных проектов постоянно дают новые данные для анализа.
Одной из новых дисциплин чрезвычайно перспективных, является цитология, наука о клетках. Современная цитология – наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология – одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет, хотя само понятие клетки было введено в обиход учёными гораздо раньше.
Мощным стимулом к развитию цитологии послужили разработка и совершенствование установок, приборов и инструментов для исследований. Электронная микроскопия и возможности современных компьютеров наряду с химическими методами дают все последние годы новые материалы для исследований.
1. Цитология как наука, её становление и задачи
Цитология (от греч. κύτος– пузырьковидное образование и λόγος– слово, наука) – раздел биологии, наука о клетках, структурных единицах всех живых организмов, ставит перед собой задачи изучения строения, свойств, и функционирования живой клетки.
Изучение мельчайших структур живых организмов стало возможным лишь после изобретения микроскопа – в 17 веке. Термин «клетка» впервые предложил 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703) для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Рассматривая тонкие срезы высушенной пробки, он обнаружил, что они «состоят из множества коробочек». Каждую из этих коробочек Гук назвал клеткой («камерой»)». В 1674 году голландский учёный Антони ван Левенгук установил, что вещество, находящееся внутри клетки, определенным образом организовано.
Рисунок Роберта Гука, изображающий срез пробковой ткани под микроскопом (из книги «Микрография», 1664 год)
Однако бурное развитие цитологии началось только во второй половине 19 в. по мере развития и усовершенствования микроскопов. В 1831 Р. Броун установил существование в клетке ядра, но не сумел оценить всю важность своего открытия. Вскоре после открытия Броуна несколько ученых убедились в том, что ядро погружено в полужидкую протоплазму, заполняющую клетку. Первоначально основной единицей биологической структуры считали волокно. Однако уже в начале 19 в. почти все стали признавать непременным элементом растительных и животных тканей структуру, которую называли пузырьком, глобулой или клеткой. В 1838–1839 гг. немецкие учёные М. Шлейден (1804–1881) и Т. Шванн (1810–1882) практически одновременно выдвинули идею клеточного строения. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. Шванн предложил термин «клеточная теория» и представил эту теорию научному сообществу. Согласно клеточной теории, все растения и животные состоят из сходных единиц – клеток, каждая из которых обладает всеми свойствами живого. Эта теория стала краеугольным камнем всего современного биологического мышления. В конце 19 в. главное внимание цитологов было направлено на подробное изучение строения клеток, процесса их деления и выяснение их роли. 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.
Фундаментальное значение для дальнейшего развития клеточной теории имела концепция генетической непрерывности 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 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.
Таким образом, еще до конца 19 в. было сделано два важных заключения. Одно состояло в том, что наследственность есть результат генетической непрерывности клеток, обеспечиваемой клеточным делением. Другое – что существует механизм передачи наследственных признаков, который находится в ядре, а точнее – в хромосомах. Было установлено, что благодаря строгому продольному расщеплению хромосом дочерние клетки получают совершенно такую же (как качественно, так и количественно) генетическую конституцию, как исходная клетка, от которой они произошли.
Второй этап в развитии цитологии начинается с 1900 гг., когда были ясно сформулированы законы наследственности , открытые австрийским учёным Г.И. Менделем еще в 19 в. В это время из цитологии выделяется отдельная дисциплина – генетика , наука о наследственности и изменчивости, изучающая механизмы наследования и гены, как носители наследственной информации, заключённые в клетках. Основой генетики явилась хромосомная теория наследственности – теория, согласно которой хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, т.е. преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом.
Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь еще больших успехов в изучении строения клетки. На данный момент цитологические методы активно используются в селекции растений, в медицине – например, в изучении злокачественных образований и наследственных заболеваний.
2. Клетка – элементарная единица живого организма
Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток, поэтому клетка считается мельчайшей единицей всего живого. Клетка обладает всеми признаками живого, ей свойственны раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Клетка – это сложное, самоорганизующееся образование органоидов, являющееся микроносителем жизни, так как в каждой клетке заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Все организмы состоят из одной или многих клеток. Размеры клеток варьируются от 0,1 мкм до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).
Жизнь каждой клетки подчинена деятельности всего организма в целом. Клетки многоклеточных организмов неспособны к существованию в открытой среде, за исключением одноклеточных организмов – бактерий, простейших водорослей, грибов. Составляющие клетку части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.
Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации – ДНК (см. рис. 7.7). Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды – цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.
Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки – обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.
Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма , содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65–85% массы клетки составляет вода.
Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро , а в нем – хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка.
В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате согласованной активности составляющих его клеток.
Жизненно важными функциями клетки являются подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение. Подвижность клетки выражается во внутриклеточной циркуляции содержимого клетки, перетекании, биении крошечных протоплазматических выростов, сократимости. Раздражимость определяется способностью клетки воспринимать стимул и реагировать на него импульсом или волной возбуждения. Это наиболее свойственно нервным клеткам организмов. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, происходящие в клетках.
Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления и образования дочерних клеток. По мере роста клетки ухудшается питание её отдельных элементов, способность управления внутренними процессами клетки снижается, клетка приходит в неустойчивое состояние. Далее происходит деление клетки на две дочерние, как выход из неустойчивого состояния, новообразованные клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. В любом организме на протяжении всей его жизни идёт процесс замены старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизни клеток человека – один-два дня, а общее количество клеток – примерно 1015 . Именно способность воспроизводить самих себя, а не только способность расти и питаться и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого.
Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца – центриоли , расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования – пластиды, которых нет у животных. И в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы – прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 4–3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.
3. Роль клетки в эволюции живого
Появление первой примитивной клетки стало началом биологической эволюции жизни на планете. Что послужило причиной возникновения именно живой клетки из неживого, до сих пор неизвестно, существует несколько гипотез, однако большинство из них говорит о том, что имел место некий доклеточный предок – протобионт , из которого впоследствии сформировалась древнейшая клетка. Механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции, предложенная ученым А.И. Опариным в 20-х гг., предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки – основной структурной единицы жизни, способной к росту и размножению. Очевидно, археклетка была отграничена от внешней среды двухслойной оболочкой (мембраной), обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и маленькие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединениях. Для строения археклетки характерно наличие клеточного скелета, отвечавшего за целостность клетки, а также обеспечивавшего возможность ее деления.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--