Тема 6. Введение в биологию клетки

ПЛАН:

1.КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ. ЕЕ

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ.

2. МЕТОДЫ КЛЕТОЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ.

4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

ПОЛОВОГО ПРОЦЕССА.

1. Клеточная теория. Ее современное состояние

Клетка - элементарная биосистема, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Современные миры животных и растений чрезвычайно многообразны, но в основе их строения лежат животные и растительные клетки.

В процессе эволюции органического мира клетки развивались от прокариотов к эукариотам и изначально существовали одноклеточные формы. У многоклеточных клетки образуют ткани, входящие в состав органов. Жизнедеятельность клеток в многоклеточном организме координируется нервной системой, гуморальными факторами. Гуморальные факторы - жидкости, циркулирующие в организме.

Клеточное учение возникло и развивалось с появлением микроскопической техники. В 1665 году английский физик Г.Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что она состоит из ячеек, напоминающих соты. Он назвал их клетками. Во второй половине 17 века микроскописты итальянец М.Мальпиги и англичанин Н.Грю подтвердили ячеистое строение растений. Голландец А.Ливенгук впервые обнаружил в воде микроорганизмы. В этот период исследователи основное внимание уделяли изучению клеточной оболочки.

Только во втором десятилетии 19 века чешский ученый Я.Пуркинье обратил внимание на внутриклеточное содержимое и назвал его протоплазмой.

В итоге, к тридцатым годам 19 века в науке существовало представление о клетке, как об элементарной микроскопической структуре растений.

В 1831 году английский ботаник Б.Броун обнаружил ядро. В это же время немецкий ботаник Шлейден первый сделал заключение, что любая растительная клетка содержит ядро. В 1839 году немецкий зоолог Шванн опубликовал труд "Микроскопические исследования" о соответствии в структуре и росте животных и растений. В этой работе были изложены основы клеточной теории. Основные положения клеточной теории: 1) клетка является главной структурной единицей всех организмов (растительных и животных); 2) процесс образования клеток обусловливает развитие и дифференцировку растительных и животных тканей.

В настоящее время общеизвестно, что новые клетки появляются путем деления существующих.

Клеточная теория стала крупнейшим обобщением естествознания 19 века. Закон сохранения энергии, эволюционная теория Ч.Дарвина, клеточная теория - три основных научных достижения прошлого века. Клеточная теория дала новый толчок развитию эволюционного учения и явилась утверждением материалистических представлений во всех областях биологии и медицины.

Дальнейшее развитие клеточной теории было отражено в трудах немецкого патолога Р.Вирхова. В 1858 году вышла его книга "Целлюлярная патология". Патологический процесс в организме Р.Вирхов связывал с морфологическими структурами и с изменениями в строении клеток. До Вирхова основы всех болезней связывали с изменением состава жидкостей и борьбой нематериальных сил организма - доброго и злого начал. Положение Вирхова - "каждая клетка из клетки" - подтвердилось всем дальнейшим развитием биологии. У Вирхова и Шванна были ошибки. Они полагали, что организм - это сумма составляющих его клеток. Это заблуждение развил Э.Геккель.

По Геккелю, многоклеточный организм - это "государство клеток, в котором каждая живет своей собственной жизнью". В науке того периода существовало ошибочное мнение, что патологический процесс в организме это локальный (местный) процесс. Русские ученые И.М.Сеченов, С.П.Боткин и И.П.Павлов критиковали концепцию Вирхова и утверждали, что организм единое целое, в котором объединяющая роль принадлежит нервной системе.

Концепция Вирхова, за исключением указанных ошибок, легла в основу современных представлений о клетке. В конце 19 века благодаря развитию микроскопической техники было обнаружено сложное строение клетки, описаны клеточные структуры и их функции.

В начале 20 века была расшифрована роль клеточных структур в передаче наследственных свойств.

Клеточное строение биосистем - это единство дискретного и целого. Благодаря клеточному строению организм, являясь дискретным, сохраняет целостность. Для осуществления обмена веществ очень важно, что организм состоит из клеток, обладающих большими поверхностями. В условиях организма без нарушения жизнедеятельности происходит постепенная замена отмирающих клеток на новые. Только клеточная структура обеспечивает наилучшим образом репродукцию и передачу наследственной информации, разделение функций между клетками в многоклеточном организме обеспечило широкие возможности приспособления биосистем к среде обитания и явилось предпосылкой усложнения организации.

2. Методы клеточных исследований

В конце 19 века был накоплен обширный фактический материал о строении и функциях клеток, были разработаны специальные методы исследований. Это способствовало появлению самостоятельной ветви биологии - цитологии. В конце 19, начале 20 века при изучении микроскопического строения клеток стали применяться фиксаторы (растворы, быстро убивающие ткани и не вызывающие в них значительных посмертных изменений). Из фиксированных тканей делали тонкие срезы и окрашивали их различными красителями. Позже стали применять витальные красители. Благодаря ним удалось изучить строение живых, а не убитых клеток.

В начале 20 века был разработан и получил широкое развитие метод культивирования тканей. Метод широко используется в современной биотехнологии.

Развитие микроманипуляторов, приборов для хирургического вмешательства в клеточные структуры, сделало возможным широкое распространение операций на живой клетке (микрохирургии). Метод авторадиографии, использующий меченые радиоактивные атомы, используют для изучения жизненного цикла клетки. Метод лиофилизации (быстрое замораживание жидким азотом с последующим обезвоживанием в вакууме при низкой температуре) используется для изучения состояния клеток. Метод дифференциального центрифугирования используется для изучения органелл клетки.

Рентгеноструктурный анализ используется для изучения физических свойств молекул, входящих в состав клеточных структур.

Применение электронного микроскопа явилось новой вехой в изучении субмикроскопических структур, позволяющих описать строение органоидов.

На всех этапах развития цитологии широко использовались методы цитохимического анализа, основанного на избирательном окрашивании различных химических веществ, входящих в состав клетки.

3. Жизненный цикл клетки

Размножение клеток - пролиферация - обеспечивает рост и обновление многоклеточного организма. Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов размножаются путем деления. При размножении клеток работают механизмы, обеспечивающие наследование свойств и признаков в поколениях.

Молодые клетки после деления переходят в фазу нового деления не сразу, а после увеличения объема, восстановления структур ядра и цитоплазмы, синтеза белка и нуклеиновых кислот.

Жизненный цикл клетки это совокупность процессов, происходящих в ней от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток новой генерации. Жизненный цикл состоит из 4-х периодов: пресинтетического, синтетического, постсинтетического и митотического.

Пресинтетический период G1 следует сразу за делением. Эта фаза составляет приблизительно от 10 часов до нескольких суток. В это время накапливается РНК и белок, но синтез ДНК отсутствует.

Второй период - синтетический S. Здесь происходит синтез ДНК и редупликация хромосомных структур. К его концу содержание ДНК удваивается. Происходит синтез РНК и белка. Продолжительность фазы 10 часов.

Постсинтетический период G2 длится 3-4 часа. Происходит синтез РНК и белка преимущественно ядерных, ДНК не синтезируется.

Наконец наступает деление ядра. Митоз и кариогенез - синонимы.

Периоды G1, S, G2 называются интерфазой: жизненный цикл клетки также называют митотическим циклом.

В пресинтетический период G1 - неизменным сохраняется определенное количество ДНК, а в синтетический период S количество ДНК удваивается, тогда клетка переходит в постсинтетическому периоду G2 и диплоидный набор хромосом содержит уже двойное количество удвоенной ДНК. В это время каждая из хромосом редуплицирована и состоит из двух нитей, получивших название хроматид. В постсинтетический период и период митоза клетка имеют удвоенный двойной набор хромосом. В результате митоза каждая клетка получает по одному двойному набору хромосом.

Жизненный цикл клетки совпадает с периодом ее существования. Когда клетка начинает дифференцироваться, пресинтетический период удлиняется. Для каждого типа тканей продолжительность G1 индивидуальна. В высокоспециализированных клетках, например нервных, период G1 продолжается в течение всей жизни организма, они никогда не делятся.

4. Биологическая сущность полового процесса

Самовоспроизведение биологических систем происходит путем полуконсервативной репликации, причем у всех организмов один и тот же носитель генетической информации - ДНК, а наследственная изменчивость возникает при неправильном копировании последовательности азотистых оснований в процессе репликации этих молекул. Эволюция многоклеточных существ требует полуконсервативного воспроизведения не просто клеток, а организма в целом, т.е. процесса, называемого размножением. У подавляющего большинства форм он сопровождается генетической рекомбинацией. В этом случае говорят о половом размножении. Существуют его различные системы, но их общей чертой остается обмен генетическим материалом между особями с различными генотипами.

Генетический обмен у вирусов, наиболее примитивных биосистем, возможен при смешанном заражении одной клетки хозяина вирусами разных штаммов. У бактерий, как биосистем более высокого уровня, часть молекулы ДНК одного из партнеров передается другому в ходе коньюгации, после чего между гомологичными нитями ДНК может происходить обмен.

У животных обычно образуются два сильно различающихся типа гамет - сперматозоид и яйцеклетка. Часто они происходят из специализированных клеток, обособляющихся на ранних стадиях эмбриогенеза, но в некоторых группах могут возникнуть в результате дифференциации соматических клеток.

Жизненные циклы многоклеточных разнообразны. Например, у животных встречается четкое чередование диплоидных фаз, размножающихся половым и бесполым путями. Отличительные признаки полового процесса в каждой группе животных называют "репродуктивной стратегией".

М ногие организмы размножаются бесполым путем, т.е. без генетической рекомбинации. Генотип потомства при этом идентичен родительскому. Бесполое размножение может идти путем разделения тела животного на многоклеточные части (почкование и фрагментации) или с образованием неоплодотворенных яиц (партеногенез).

Почкование и фрагментация особенно распространены у мягкотелых форм - губок, плоских червей, немертин, аннелид и некоторых иглокожих. Эти способы размножения редко встречаются у животных с твердыми покровами и не обнаружены у моллюсков и членистоногих. Фрагментация это простое разделение организма на две части, каждая из которых регенерирует недостающую, либо распад на множество пропагул, развивающихся впоследствии в целые организмы.

Она обычно сочетается с половым размножением в сложных жизненных циклах с чередованием половых и бесполых поколений. Партеногенез у беспозвоночных встречается часто и представляет собой либо модифицированный мейоз с образованием диплоидного яйца, для развития которого не требуется слияние с мужской гаметой; либо развитие из неоплодотворенных гаплоидных яиц - самцов, из оплодотворенных диплоидных - самок.

Романова 1999