Реферат: Клеточная теория и тайны жизни
Матиас Якоб Шлейден, выдающийся немецкий ботаник, родился 5 апреля 1804 г. в Гамбурге. Здесь же он и учился в гимназии. В 1824 г. поступил на юридический факультет Гейдельбергского университета, закончил его с отличием, но адвокатом не стал. Заинтересовался биологией, медициной, философией и изучал их в Геттингенском университете. Больше всего увлекался физиологией и ботаникой — и опубликовал много трудов по этим наукам. Был мрачным, раздражительным человеком, склонным к спорам, но вместе с тем очень трудолюбивым, творческим деятелем. Как человек прогрессивный, опубликовал множество научно-популярных работ. В одной из книг он представил свою теорию возникновения клеток из материнской клетки.
Работа Матиаса Шлейдена послужила толчком для Теодора Шванна к занятию длительными и тщательными микроскопическими исследованиями, которые, в конечном итоге, доказали единство клеточного строения всего органического мира. Основной труд Матиаса Шлейдена «Основы научной ботаники» (Лейпциг, 2 тома) был опубликован в 1842—1843 гг. и оказал огромное влияние на изменение взглядов на морфологию растений с точки зрения их онтогенеза, т. е. индивидуального развития. В конце своей жизни Шлейден увлекся антропологией, желая познать тайны происхождения человека. Как мы видим, деятельность и имя Матиаса Шлейдена неразрывно связаны с именем другого немецкого ученого — Теодора Шванна, с которым он примерно с 1837 г. вел совместные микроскопические исследования.
Теодор Шванн родился 7 декабря 1810 г. в Нейсе. Учился в Боннском университете, затем в Кельне, Вюрцбурге, Берлинском анатомическом институте. Спектр его научных изысканий очень широк. Например, в 1836 г. он открыл пепсин и установил его ферментативную активность при переваривании белков. Или другая сторона его деятельности: он заинтересовался вопросом о возможности самозарождения жизни — и изучал процессы гниения и брожения, деятельность низших грибков. Проделал огромное количество микроскопических исследований. Установил клеточное строение хорды, мышц, хряща, стенок кровеносных сосудов, описал тонкую оболочку, окружавшую нервные волокна (она получила название шванновской оболочки).
Познакомившись с работами М. Шлейдена о развитии растительных клеток, Шванн, как зоолог, пришел к выводу, что животные клетки развиваются подобным образом и имеют сходное строение. В 1839 г. Шванн, обобщив свои идеи, идеи ботаника М. Шлейдена и других ученых, публикует свою основную работу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой он окончательно доказал клеточную теорию строения организмов, потрясшую ученый мир и ставшую одной из основополагающих теорий XIX в. В дальнейшем Т. Шванн возглавлял кафедру физиологии в Льеже и вел исследования в разных отраслях биологии. Умер Теодор Шванн 14 января 1882 г. в Кельне.
Идея строения организмов из клеток занимает умы многих ученых. Одним из исследователей клеток был К. М. Бэр.
Карл Максимович Бэр (1792—1876) очень заинтересовался проблемой развития оплодотворенной яйцеклетки в зародыше. Начал он свои поиски с исследования яйцеклеток млекопитающих. В 1827 г. он опубликовал работу об открытии яйцеклетки в яичнике собаки. Затем он эти опыты перенес на самок кроликов, овец, кошек, мышей. Он же первый обнаружил женские яйцеклетки. К. М. Бэр изучил развитие огромного количества зародышей, что позднее дало ему возможность создать основы новой научной отрасли — сравнительной эмбриологии. Он установил, что все живые организмы начинают свое развитие с одной клетки, представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка не только единица строения, но и единица развития все живых организмов. Так К. М. Бэр сделал существенное дополнение к основному положению клеточной теории.
Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах немецкого ученого Рудольфа Вирхова (1821—1902). В 1858 г. Р. Вирхов опубликовал свою теорию клеточной патологии, в основу которой была положена физиологическая самостоятельность каждой клетки в отдельности. Как ни странно, несмотря на ошибочность такого положения, работа Вирхова значительно продвинула вперед клеточную теорию и положила начало многочисленным исследованиям в медицине. Ведь ученый был прав, доказывая, что клетка, хоть больная, хоть здоровая, образуется исключительно делением существовавших до нее клеток, т. е. клетка может возникнуть только из предшествующей клетки в результате ее деления! Это привело к осознанию того факта, что рост и развитие организмов связаны с делением клеток и их дальнейшей дифференцировкой, приводящей к образованию тканей и организмов.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
Кропотливая работа цитологов XX в. дала возможность сформулировать основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии следующим образом:
1. Клетка — элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет.
2. Новые клетки возникают только путем деления ранее существующих клеток.
3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу, происхождению, т. е. гомологичны.
4. Рост и развитие многоклеточного организма — следствие роста и размножения одной или нескольких клеток.
5. Клеточное строение организмов — свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.
Клеточная тория внесла огромный вклад в понимание научной картины окружающего нас мира. Стало ясно, что все организмы, начиная с низших и заканчивая самыми высокоразвитыми, состоят из отдельных компонентов — клеток. Идея о том, что все организмы построены из клеток, стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, создав единую основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами. Ведь на клеточном уровне даже наиболее отдаленные виды очень сходны по строению и биохимическим свойствам, что указывает на общность их происхождения и эволюционного развития. Иными словами, клеточная теория и теория эволюции, созданная Ч. Дарвином, тесно связаны между собой. Клетка выполняет функцию связи между индивидуалом и видом, в ней сосредоточена наследственная информация, обеспечивающая сохранение как всего вида, так и отдельных его особей.
Изучая клетку, человек познает природу самой жизни. Клетка — это же самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками живого организма. На уровне клетки проявляются такие свойства живого, как обмен веществ и превращение энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, реагирование на раздражение и т. п. В меньших единицах материи эти свойства не проявляются. Если выделить из клетки митохондрии, рибосомы, ядро, хлоропласты, то они будут способны некоторое время выполнять свои функции, но эти функции сами по себе не составляют жизнь. Только целостная клетка способна поддерживать жизнь во всех ее проявлениях.
Исследования клетки имеют большое значение для профилактики и лечения заболеваний как самого человека, так и растений, животных. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к заболеваниям. Чтобы это было понятно, приведем несколько примеров. Если в клетке окажется всего одна лишняя хромосома, т. е. в диплоидном наборе их будет не 46, как обычно, а 47, это приведет к очень тяжелым последствиям: у ребенка развивается болезнь Дауна, для которой характерна непропорционально маленькая голова, узкие глазные щели, плоское лицо, резко выраженная умственная отсталость.
Или другой пример. Все здоровые люди имеют белок гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой, а эритроциты у них похожи на диски. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием — серповидноклеточной анемией, — эритроциты похожи не на диски, а на серпы, потому что из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, у них из-за нарушений биосинтеза белка в клетках заменены всего две аминокислоты, и это приводит к существенному изменению формы и нарушению функции эритроцита — он плохо справляется со своей задачей — переносом кислорода, и человек тяжело дышит.
Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают тоже на уровне клетки. Поэтому у медиков часто возникает потребность в очень подробном изучении клеток больного человека, их строения, формы, химического состава, обмена веществ. В ветеринарии это также часто необходимо, особенно на сельскохозяйственных предприятиях. Без изучения клеток невозможно обнаружить возбудителей многочисленных болезней животных, например кокцидиоза. Возбудители кокцидиоза — паразитические простейшие — кокцидии проникают в клетки кишечного эпителия, разрушают их — и животные без соответствующего лечения погибают сотнями и тысячами. Порой знания клеточной теории помогают криминалистам обнаружить преступника, установить отцовство, разоблачить претендента на царский престол и выявить еще многое другое — волнующее, таинственное, неизвестное, о применении которого сейчас говорят только фантасты.
4. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТОК
Состояние дел в изучении клеток всегда очень зависело от состояния науки вообще на данный отрезок времени. Поэтому, по мере развития науки, число методов изучения клетки постепенно возрастало. На сегодняшний день методов изучения клеток очень много. Вот основные из них.
1. Световая микроскопия. Световой микроскоп дает увеличение до 300 раз. Один из видов — флуоресцентная микроскопия. Этот метод позволяет наблюдать живые клетки в ультрафиолетовом свете. При этом одни клеточные структуры начинают сразу светиться — флуоресцировать, другие светятся лишь при добавлении специальных красителей. Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть места расположения нуклеиновых кислот, витаминов, жиров и т. п. Но, используя световой микроскоп, исследователи ограничены его разрешающей способностью. Максимально возможное разрешение, т. е. способность увидеть две отстоящие друг от друга точки, равно половине длины волны используемого света. Получить изображение объекта размером меньше этой величины невозможно. Средняя длина волны видимого света составляет примерно 550 нм, поэтому в конце XIX в. смогли получить разрешение примерно в 200 нм. Применив ультрафиолетовый свет, длина волны которого составляет 250 нм, получили разрешение примерно на 100 нм. Но многие клеточные структуры имеют меньший размер. Поэтому исследование таких структур из-за недостаточного увеличения светового микроскопа затормозилось.
2. Электронная микроскопия. Этот метод помог решить проблему изучения самых мелких клеточных структур, начиная с 1930—1940 гг. Сейчас используют несколько типов электронных микроскопов. Один из них — трансмиссионный (просвечивающий). Электроны в нем проходят через образец, поэтому для изучения можно использовать только очень тонкие срезы, полученные на ультратоме и специально подготовленные (окрашенные тяжелыми металлами или путем негативного контрастирования, напылением, замораживанием — скалыванием и т. п.). Сравнительно недавно был введен в употребление сканирующий электронный микроскоп. В нем очень точно сфокусированный пучок электронов двигается взад и вперед по поверхности образца, а отраженные от поверхности образца электроны собираются и формируют изображение наподобие того, что возникает на экране телевизора.
Преимущество этого метода заключается в том, что детали строения поверхности видны с большой глубиной резкости, что создает эффект трехмерности. Но разрешающая способность сканирующего электронного микроскопа ниже, чем у трансмиссионного (5-20 мм), но при этом можно работать с образцами большого размера. Совсем недавно в биологии стали использовать электронный микроскоп высокого напряжения — 500000 — 1000000 В. Большое ускорение электронов позволяет им проходить через сравнительно толстые срезы в 1-5 мм, при этом получают трехмерное изображение структур при высоком разрешении, что облегчает изучение объекта. Сейчас внедряются методы, позволяющие быстро исследовать живые образцы, что в будущем должно дать очень важную информацию.
3. Хроматография — метод основан на том, что в неподвижной среде, через которую протекает растворитель, каждый из компонентов смеси движется со своей собственной скоростью, независимо от других; смесь веществ при этом разделяется.
4. Электрофорез применяется для разделения частиц, несущих заряды, широко применяется для выделения и идентификации аминокислот.
5. Аминокислотный анализатор — он помогает определить последовательность аминокислот в белке.
6. Метод дифференциального центрифугирования. Он основан на том, что различные клеточные органоиды и включения имеют различную плотность. Поэтому при очень быстром вращении в специальном приборе — ультрацентрифуге — органоиды тонко измельченных клеток выпадают в осадок из раствора послойно, располагаясь по слоям в соответствии со своей плотностью. Более плотные компоненты осаждаются при более низких скоростях центрифугирования, а менее плотные — при более высоких скоростях. Затем слои разделяют и изучают отдельно.
7. Метод меченых атомов. Применяется для изучения процессов, происходящих в живых клетках. Чтобы проследить за изменениями какого-либо вещества, в него вводят один из радиоактивных изотопов — 3Н, 32Р, 14С. По химическим свойствам изотопы одного и того же элемента не отличаются друг от друга, но зато радиоактивный изотоп сигнализирует о своем местонахождении радиоактивным излучением. Это позволяет проследить за исследуемым химическим веществом, установить последовательность этапов его химического превращения, продолжительность, зависимость от условий.
8. Секвенирование позволяет определить последовательность нуклеотидов в ДНК.
9. Компьютерный анализ расшифрованных полинуклеотидных последовательностей с целью поиска функциональных сайтов в молекулах ДНК и РНК, т. е. определенных участков ДНК и РНК, участвующих в регуляции функций генов и клеток.