Основные этапы развития цитологии кратко
Обновлено: 08.07.2024
Освещены цитологические основы наследственности и изменчивости в онтогенезе человека. Рассмотрена морфология основных структурных компонентов клетки, вскрыта их взаимосвязь в процессе жизнедеятельности в норме. Описаны типичные нарушения структуры и функций клетки, приводящие к патологии. Представлены кариотип человека, основные типы репродукции клеток, медицинские аспекты клеточной пролиферации, прогенез, эмбриональный и постэмбриональный онтогенез человека.
Данное пособие предназначено для студентов медицинских вузов, интернов, врачей, преподавателей биологии.
Консультант УМО, доктор медицинских наук, профессор кафедры внутренних болезней А.А. Девяткин.
Кандидат медицинских наук, доцент кафедры радиотехники и медицинских диагностических систем СГАУ А.А. Тимирбулатов.
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Введение Глава I. Структурно-функциональная организация клетки в норме и при патологии. 1.1. Основные этапы развития цитологии 1.2. Современное состояние клеточной теории 1.3. Основные структурные компоненты клеток 1.4. Химические компоненты живых систем. Значение их в жизнедеятельности клеток и организма 1.5.Структура и функции биологических мембран в норме и при патологии 1.6. Молекулярные и клеточные аспекты возникновения патологических процессов 1.7. Вопросы для самоконтроля 1.8. Тестовый контроль 1.10.Структурно-функциональная организация наследственного материала 1.11. Роль ядра в передаче наследственной информации 1.12. Патологические изменения ядра 1.13. Вопросы для самоконтроля 1.14. Тестовый контроль Глава II. Репродукция клеток. Проблемы клеточной пролиферации в медицине. 2.1. Жизненный цикл клетки. 2.2. Механизмы регуляции клеточной активности 2.3. Нерегулярные типы репродукции клеток 2.4. Проблемы клеточной пролиферации в медицине 2.5. Патология репродукции клеток 2.6. Вопросы для самоконтроля 2.7. Тестовый контроль 2.8. Мейоз - основа полового размножения и комбинативной изменчивости 2.9. Вопросы для самоконтроля 2.10. Тестовый контроль Глава III. Индивидуальное развитие организмов 3.1. Доэмбриональный онтогенез человека 3.2. Эмбриональный период 3.3. Постэмбриональный онтогенез человека 3.4. Критические периоды онтогенеза 3.5. Биологические и социальные аспекты онтогенеза человека 3.5.1. Рост и конституция 3.5.2. Регенерация – свойство живого к самообновлению и восстановлению 3.5.3. Стресс – адаптивный механизм гомеостаза 3.5.4. Биологические ритмы 3.5.5. Старение и смерть как биологические явления 3.6. Вопросы для самоконтроля 3.7. Тестовый контроль Глава IV. Ситуационные задачи к итоговому занятию. Глава V. Итоговый тестовый контроль. Литература |
Введение
Клетка – это сложная термодинамическая, самовосстанавливающаяся система, в которой имеет место единство материального субстрата жизни, представленного как минеральными так и органическими компонентами.
Профессиональный интерес у студентов вызывают медицинские аспекты нарушений минерального обмена и примеры заболеваний, связанных с недостатком или избытком микроэлементов, с недостаточной активностью ферментов, гормонов. В данном пособии подробно раскрывается роль воды в межклеточных взаимодействиях, осмо- и терморегуляции, транспорте веществ во внутренней среде организма, оплодотворении. Студенты получают информацию об отрицательном влиянии таких тяжелых металлов как ртуть, уран на субклеточную структуру – плазмалемму, которая становиться проницаемой для натрия, калия, хлора, кальция, магния, в результате чего, клетки набухают и их цитоскелет распадается.
Морфофункциональная организация клетки излагается студентам с позиций ультраструктурной патологии. Так нарушение избирательной проницаемости цитоплазматической мембраны приводит к развитию почечной глюкозурии, цистинурии, наследственному рахиту и многих других заболеваний.
Врач, вооруженный современными научными представлениями об ультраструктурной патологии клеточных компонентов, способен определить самые ранние, начальные стадии болезни, когда патологические процессы могут быть обратимыми или компенсированы при своевременном, рациональном и эффективном лечении.
Глава I
Структурно-функциональная организация клетки в норме и при патологии.
Основные этапы развития цитологии.
Клетка - это элементарная частица, как бы атом живой материи, наименьшее образование, которое может быть живым организмом. Существуют организмы одноклеточные (протисты и бактерии) и многоклеточные. Человеческое тело состоит примерно из 1015 клеток. Клетка способна питаться расти и размножаться, и потому ее можно считать организмом, целостным живым существом.
Клетки могут вести в значительной мере самостоятельный образ жизни, так клетки, выделенные из различных тканей животных и растений и помещенные в специальную питательную среду растут и размножаются в ней.
Слово клетка - это перевод с латинского слова - CELLULA - ячейка. Этот термин впервые использовал в 1665 г. Роберт Гук для описания многочисленных ячеек, которые он наблюдал под микроскопом в срезе пробки. Такое же строение Гук отметил в сердцевине бузины и других растениях. Микроскописты итальянец М. Мальпиги, англичанин Н, Грю во второй половине XVII века также обнаружили ячеистое строение многих растительных объектов. В воде впервые обнаружил микроскопические организмы голландец А, Левенгук.
1. Главной структурной единицей всех организмов (растительных и животных) является клетка.
2. Рост, развитие и дифференцировка растительных и животных тканей обусловлена только процессом образования клеток.
Многоклеточный организм развивается из одной клетки – яйца, которое делится, и тело растет в результате размножения составляющих его клеток. В приведенном афоризме Вирхов отразил свои выводы относительно возникновения злокачественных опухолей путем некой трансформации нормальных клеток, существовавших ранее. Это был первый огромный шаг к пониманию природы рака. Оплодотворение, зародышевое развитие и многие другие процессы стали гораздо понятнее в свете предложенной клеточной теории.
Цитология – наука о клетке. Современные методы изучения клетки: электронная микроскопия, биохимические и биофизические методы, биотехнологические методы, использование компьютерных технологий.
Современное определение клетки. Основные типы клеток (эукариотический и прокариотический). Животные и растительные клетки.
Структурные компоненты эукариотической клетки: ядро, плазмалемма и цитоплазма. Ядро – строение и функции; ядерная оболочка, хроматин, ядрышко, ядерный матрикс. Плазмалемма (плазматическая мембрана) – строение и функции. Клеточные оболочки. Цитоплазма; цитоплазматический матрикс, цитоскелет, органоиды и включения. Немембранные органоиды; рибосомы, клеточный центр и органоиды движения. Одномембранные органоиды; эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, сферосомы, вакуоли; вакуолярная система клетки. Двумембранные органоиды; митохондрии и пластиды.
Прокариотическая клетка. Нуклеоид, кольцевая хромосома. Отсутствие постоянных одномембранных и двумембранных органоидов. Мезосомы.
Открытие и дальнейшее изучение клетки стало возможным только после изобретения микроскопа. Это связано с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм). Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.
Примечание . 1 миллиметр ( мм ) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем ( Å ). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.
Первые оптические приборы (простые линзы, очки, лупы) были созданы еще в XII веке. Но сложные оптические трубки, состоящие из двух и более линз, появляются только в конце XVI века. В изобретении светового микроскопа принимали участие Галилео Галилей, отец и сын Янсены и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов.
Однако голландский микроскопист–любитель Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы (инфузории, саркодовые, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды). Позже (в XVIII в.) Л. Спалланцани открыл деление одноклеточных организмов. В дальнейшем на основании исследований отдельных клеток сформировались представления о клетке как элементарном организме.
Академик Российской Академии наук Каспар Фридрих Вольф (1759) установил, что клетка есть единица роста, то есть рост организмов сводится к образованию новых клеток.
2.2 Основные положения клеточной теории
1. Клетка есть единица структуры. Все живое состоит из клеток и их производных. Клетки всех организмов гомологичны.
2. Клетка есть единица функции. Функции целостного организма распределены по его клеткам. Совокупная деятельность организма есть сумма жизнедеятельности отдельных клеток.
3. Клетка есть единица роста и развития. В основе роста и развития всех организмов лежит образование клеток.
Клеточная теория Шванна–Шлейдена принадлежит к величайшим научным открытиям XIX в . В то же время, Шванн и Шлейден рассматривали клетку лишь как необходимый элемент тканей многоклеточных организмов. Вопрос о происхождении клеток остался нерешенным (Шванн и Шлейден считали, что новые клетки образуются путем самозарождения из живого вещества).
В конце XIX в. окончательно формируются представления о клеточном уровне организации жизни. Немецкий биолог Ганс Дриш (1891) доказал, что клетка – это не элементарный организм, а элементарная биологическая система. Постепенно формируется особая наука о клетке – цитология.
Дальнейшее развитие цитологии в XX в. тесно связано с разработкой современных методов изучения клетки: электронной микроскопии, биохимических и биофизических методов, биотехнологических методов, компьютерных технологий и других областей естествознания.
Современная цитология изучает строение и функционирование клеток, обмен веще ств в кл етках, взаимоотношения клеток с внешней средой, происхождение клеток в филогенезе и онтогенезе, закономерности дифференцировки клеток.
В настоящее время принято следующее определение клетки:
Клетка – это элементарная биологическая система, обладающая всеми свойствами и признаками жизни. Клетка есть единица структуры, функции и развития организмов.
2.3 Единство и разнообразие клеточных типов
Существует два основных морфологических типа клеток, различающиеся по организации генетического аппарата: эукариотический и прокариотический. В свою очередь, по способу питания различают два основных подтипа эукариотических клеток: животную (гетеротрофную) и растительную (автотрофную).
Эукариотическая клетка состоит из трех основных структурных компонентов: ядра, плазмалеммы и цитоплазмы.
Эукариотическая клетка отличается от остальных типов клеток, в первую очередь, наличием ядра. Ядро – это место хранения, воспроизведения и начальной реализации наследственной информации. Ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышка и ядерного матрикса.
Плазмалемма (плазматическая мембрана) – это биологическая мембрана, покрывающая всю клетку и отграничивающая её живое содержимое от внешней среды. Поверх плазмалеммы часто располагаются разнообразные клеточные оболочки (клеточные стенки). В животных клетках клеточные оболочки, как правило, отсутствуют.
К немембранным органоидам эукариотической клетки относятся органоиды, не имеющие собственной замкнутой мембраны, а именно: рибосомы и органоиды, построенные на основе тубулиновых микротрубочек – клеточный центр (центриоли) и органоиды движения (жгутики и реснички). В клетках большинства одноклеточных организмов и подавляющего большинства высших (наземных) растений центриоли отсутствуют.
К одномембранным органоидам относятся: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, сферосомы, вакуоли и некоторые другие. Все одномембранные органоиды связаны между собой в единую вакуолярную систему клетки. В растительных клетках настоящие лизосомы не обнаружены. В то же время в животных клетках отсутствуют настоящие вакуоли.
К двумембранным органоидам относятся митохондрии и пластиды. Эти органоиды являются полуавтономными, поскольку обладают собственной ДНК и собственным белоксинтезирующим аппаратом. Митохондрии имеются практически во всех эукариотических клетках. Пластиды имеются только в растительных клетках.
Прокариотическая клетка не имеет оформленного ядра – его функции выполняет нуклеоид, в состав которого входит кольцевая хромосома. В прокариотической клетке отсутствуют центриоли, а также одномембранные и двумембранные органоиды – их функции выполняют мезосомы (впячивания плазмалеммы). Рибосомы, органоиды движения и оболочки прокариотических клеток имеют специфическое строение.
Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона.
Первый микроскоп был сконструирован в 1610 г. Галилеем и представлял собой сочетание линз в свинцовой трубке (рис. 1.1). А до этого открытия в 1590 г. изготовлением стекол занимались голландские мастера Янсены.
Рис. 1.1. Галилео Галилей (1564-1642)
Он сформулировал представление о клетке как о ячейке, полностью замкнутой со всех сторон и установил факт клеточного строения растительных тканей. Эти два основных вывода и определили направление дальнейших исследований в этой области.
Рис. 1.2. Роберт Гук (1635-1703гг)
Рис. 1.3. Клетки пробки, которые изучал Роберт Гук
Рис. 1.4. Микроскоп Роберта Гука
Рис. 1.5. Антонио ван Левенгук (1632—1723)
Рис. 1.6. Микроскоп Антонио ван Левенгука
В 1693 г. во время пребывания Петра I в Дельфе А. Левенгук продемонстрировал ему, как движется кровь в плавнике рыбы. Эти демонстрации произвели на Петра I такое большое впечатление, что вернувшись в Россию, он создал мастерскую оптических приборов. В 1725 году организована Петербургская академия наук.
Талантливые мастера И.Е. Беляев, И.П. Кулибин изготавливали микроскопы (рис. 1.7, 1.8, 1.9), в конструировании которых принимали участие академики Л.Эйлер, Ф. Эпинус.
Рис. 1.7. И.П. Кулибин (1735-1818)
Рис. 1.8. И.Е. Беляев
Рис. 1.9. Микроскопы, изготовленные русскими мастерами
В 1671–1679 гг. итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги дал первое систематическое описание микроструктуры органов растений, положившее начало анатомии растений (рис. 1.10).
Рис. 1.11. Неемия Грю (1641-1712)
В 20-х г. XIX в. наиболее значительные работы в области изучения растительных и животных тканей принадлежат французским ученым Анри Дютроше (1824 г.), Франсуа Распайлю (1827 г.), Пьеру Тюрпену (1829 г.). Они доказывали, что клетки (мешочки, пузырьки) являются элементарными структурами всех растительных и животных тканей. Эти исследования подготовили почву для открытия клеточной теории.
Один из основоположников эмбриологии и сравнительной анатомии, академик Петербургской академии наук Карл Максимович Бэр показал, что клетка – единица не только строения, но и развития организмов (рис. 1.12).
Рис. 1.12. К.М. Бэр (1792-1876гг)
В 1759 г немецкий анатом и физиолог Каспар Фридрих Вольф доказал, что клетка есть единица роста (рис. 1.13).
Рис. 1.13. К.Ф. Вольф (1733–1794)
1830-е гг. чешский физиолог и анатом Я.Э. Пуркине (рис. 1.14), немецкий биолог И.П. Мюллер доказали, что клеточная организация является универсальной для всех видов тканей.
Рис. 1.14. Я.Э. Пуркине (1787-1869)
В 1833 г. британский ботаник Р. Броун (рис. 1.15)описал ядро растительной клетки.
Рис. 1.15. Роберт Броун (1773—1858)
В 1837 году Маттиас Якоб Шлейден (рис. 1.16)предложил новую теорию образования растительных клеток, признавая решающую роль в этом процессе клеточного ядра. В 1842 он впервые обнаружил ядрышки в ядре.
Согласно современным представлениям, конкретные исследования Шлейдена содержали ряд ошибок: в частности, Шлейден считал, что клетки могут зарождаться из бесструктурного вещества, а зародыш растения — развиваться из пыльцевой трубки (гипотеза самозарождения жизни).
Рис. 1.16. Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881гг)
Немецкий цитолог, гистолог и физиолог Теодор Шванн (рис. 1.17)ознакомился с трудами немецкого ботаника М. Шлейдена, которые описывали роль ядра в растительной клетке. Сопоставляя эти работы с собственными наблюдениями, Шванн разработал собственные принципы клеточного строения и развития живых организмов.
Ф. Энгельс утверждал, что создание клеточной теории было одним из трёх величайших открытий в естествознании XIX века, наряду с законом превращения энергии и эволюционной теории.
Рис. 1.17. Теодор Шванн (1810- 1882гг)
В 1834–1847 гг. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге П.Ф. Горянинов (рис. 1.18)сформулировал принцип, согласно которому клетка является универсальной моделью организации живых существ.
Рис. 1.18. П.Ф. Горянинов (1796-1865)
В истории развития клеточной теории можно выделить два этапа:
1) период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных (около 300 лет);
2) период обобщения имеющихся данных в 1838 году и формулирование постулатов клеточной теории;
ЦИТОЛОГИЯ, наука о клетках – структурных и функциональных единицах почти всех живых организмов. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате координированной активности составляющих его клеток. Задача цитолога – установить, как построена живая клетка и как она выполняет свои нормальные функции. Изучением клеток занимаются также патоморфологи, но их интересуют изменения, происходящие в клетках во время болезни или после смерти. Несмотря на то что учеными давно уже было накоплено немало данных о развитии и строении животных и растений, только в 1839 были сформулированы основные концепции клеточной теории и началось развитие современной цитологии.
Открытие клетки.
Создание клеточной теории.
Открытие протоплазмы.
Основные свойства живых клеток.
Изучение живых клеток пролило свет на их жизненно важные функции. Было установлено, что последние можно разбить на четыре категории: подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение.
Подвижность проявляется в различных формах: 1) внутриклеточная циркуляция содержимого клетки; 2) перетекание, обеспечивающее перемещение клеток (например, клеток крови); 3) биение крошечных протоплазматических выростов – ресничек и жгутиков; 4) сократимость, наиболее развитая у мышечных клеток.
Раздражимость выражается в способности клеток воспринимать стимул и реагировать на него импульсом, или волной возбуждения. Эта активность выражена в наивысшей степени у нервных клеток.
Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, протекающие в клетках.
Размножение обеспечивается способностью клетки к делению и образованию дочерних клеток. Именно способность воспроизводить самих себя и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого. Однако многие высокодифференцированные клетки эту способность утратили.
ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА
В конце 19 в. главное внимание цитологов было направлено на подробное изучение строения клеток, процесса их деления и выяснение их роли как важнейших единиц, обеспечивающих физическую основу наследственности и процесса развития.
Развитие новых методов.
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. Совершенствовался и сам микроскоп. К числу важных достижений в его устройстве следует отнести: осветитель, расположенный под столиком, для фокусировки пучка света; апохроматический объектив для корректировки недостатков окрашивания, искажающих изображение; иммерсионный объектив, дающий более четкое изображение и увеличение в 1000 раз и более.
Закон генетической непрерывности.
В 1865 было установлено, что мужская половая клетка (сперматозоид, или спермий) представляет собой полноценную, хотя и высокоспециализированную клетку, а спустя 10 лет О.Гертвиг проследил путь сперматозоида в процессе оплодотворения яйцеклетки. И наконец, в 1884 Э. ван Бенеден показал, что в процессе образования как сперматозоида, так и яйцеклетки происходит модифицированное клеточное деление (мейоз), в результате которого они получают по одному набору хромосом вместо двух. Таким образом, каждый зрелый сперматозоид и каждая зрелая яйцеклетка содержат лишь половинное число хромосом по сравнению с остальными клетками данного организма, и при оплодотворении происходит просто восстановление нормального числа хромосом. В итоге оплодотворенная яйцеклетка содержит по одному набору хромосом от каждого из родителей, что является основой для наследования признаков и по отцовской, и по материнской линии. Кроме того, оплодотворение стимулирует начало дробления яйцеклетки и развитие нового индивида.
Представление о том, что хромосомы сохраняют свою идентичность и поддерживают генетическую непрерывность от одного поколения клеток к другому, окончательно сформировалось в 1885 (Рабль). Вскоре было установлено, что хромосомы качественно отличаются друг от друга по своему влиянию на развитие (Т.Бовери, 1888). Начали появляться также экспериментальные данные в пользу высказанной ранее гипотезы В.Ру (1883), согласно которой даже отдельные части хромосом влияют на развитие, структуру и функционирование организма.
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.
Законы наследственности.
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЦИТОЛОГИИ
Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение.
Цитологические методы используются, в частности, в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода. См. также ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ; НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ.
Однако самое важное применение цитологических методов в медицине – это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения, распознаваемые опытными патоморфологами. См. также РАК.
Читайте также: