Развитие цитологии в 20 веке реферат

Обновлено: 05.07.2024

ЦИТОЛОГИЯ (от цито. и . логия), наука о клетке. Ц. изучает клетки многоклеточных животных, растений, ядерно-цитоплазматич. комплексы, не расчленённые на клетки (симпласты, синцитии и плазмодии), одноклеточные животные и растит, организмы, а также бактерии. Ц. занимает центральное положение в ряду биологич. дисциплин, т. к. клеточные структуры лежат в основе строения, функционирования и индивидуального развития всех живых существ, и, кроме того, она является составной частью гистологии животных, анатомии растений, протистологии и бактериологии.

Развитие цитологии до начала 20 в. Прогресс Ц. связан с развитием методов исследования клеток. Клеточное строение впервые было обнаружено англ. учёным Р. Гуком в ряде растит, тканей в 1665 благодаря использованию микроскопа. До кон. 17 в. появились работы микропистов М. Мальпиш (Италия), Грю (Великобритания), А. Левенгука (Нидерланды) и др., показавшие, что ткани мн. растит, объектов построены из ячеек, или клеток. Левепгук, кроме того, впервые описал эритроциты (1674), одноклеточные организмы (1675, 1681), сперматозоиды позвоночных животных (1677), бактерии (1683). Исследователи 17 в., положившие начало микроскопич. изучению организмов, в клетке видели лишь оболочку, заключающую в себе полость.

В 18 в. конструкция микроскопа была несколько улучшена, гл. обр. за счёт усовершенствования механич. частей и осветит, приспособлений. Техника исследования оставалась примитивной; изучались в основном сухие препараты.

В первые десятилетия 19 в. представления о роли клеток в строении организмов значительно расширились. Благодаря трудам нем. учёных Г. Линка, Я. Мольдсйхавера, Ф. Мейена, X. Моля, франц. учёных П. Мирбеля, П. Тюрпена и др. в ботанике утвердился взгляд на клетки как на структурные единицы. Было обнаружено превращение клеток в проводящие элементы растений. Стали известны низшие одноклеточные растения. На клетки начали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1835 Моль впервые наблюдал деление растит, клеток. Исследования франц. учёных А. Мильн-Эдвардса, А. Дютроше, Ф. Распая, чеш. учёного Я. Пуркине и др. к сер. 30-х гг. дали большой материал по микроскопич. структурам животных тканей. Мн. исследователи наблюдали клеточное строение различных органов животных, а нек-рые проводили аналогию между элементарными структурами животных и растит. организмов, подготовляя тем самым почву для создания общебиологич. клеточной теории. В 1831—33 англ. ботаник Р. Броун описал ядро как составную часть клетки. Это открытие привлекло внимание исследователей к содержимому клетки и дало критерий для сопоставления животных и растит, клеток, что и сделал, в частности, Я. Пуркине (1837). Нем. учёный Т. Шванн, опираясь на теорию развития клеток нем. ботаника М. Шлейдена, где особое значение придавалось ядру, сформулировал общую клеточную теорию строения и развития животных и растений (1838—39). Вскоре клеточная теория была распространена и на простейших (нем. учёный К. Зибольд, 1845—48). Создание клеточной теории явилось сильнейшим стимулом к изучению клетки как основы всего живого. Большое значение имело введение в микроскопию иммерсионных объективов (водная иммерсия, 1850. масляная. 1878), конденсора Э. Аббе (1873) и апохроматов (1886). В сер. 19 в. начали применяться различные методы фиксации и окраски тканей. Для изготовления срезов были разработаны /методы заливки кусочков ткани. Вначале срезы изготовлялись с помощью ручной бритвы, а в 70-х гг. для этого использовались особые приборы — микротомы. В ходе развития клеточной теории постепенно выяснилась ведущая роль содержимого клетки, а не её оболочки. Представление об общности

Цитология – наука о клетке. Цитология изучает клетки многоклеточных животных, растений, ядерно-цитоплазматические комплексы, не расчленённые на клетки (симпласты, синцитии и плазмодии), одноклеточные животные и растительные организмы, а также бактерии. Ц. занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин, т.к. клеточные структуры лежат в основе строения, функционирования и индивидуального развития всех живых существ, и, кроме того, она является составной частью гистологии животных, анатомии растений, протистологии и бактериологии.

Содержание

Введение
1. Развитие цитологии до начала 20 в.
2. 2 Развитие цитологии в 1-й половине 20 в.
3. 3 Развитие современной цитологии
4. Виды и направления цитологии
5. Цитологические исследования
Литература
Приложение

Прикрепленные файлы: 1 файл

реферат+ метод пособия.doc

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Научно-исследовательский проект цитологии

Кизина Екатерина Валерьевна

Развитие цитологии до начала 20 в.
2 Развитие цитологии в 1-й половине 20 в.
3 Развитие современной цитологии
Виды и направления цитологии
Цитологические исследования

1. РАЗВИТИЕ ЦИТОЛОГИИ ДО НАЧАЛА 20 В.

Прогресс Цитологии связан с развитием методов исследования клеток. Клеточное строение впервые было обнаружено английским учёным Р. Гуком в ряде растительных тканей в 1665 благодаря использованию микроскопа. До конца 17 в. появились работы микроскопистов М. Мальпиги (Италия), Н. Грю (Великобритания), А. Левенгука (Нидерланды) и др., показавшие, что ткани многих растительных объектов построены из ячеек, или клеток. Левенгук, кроме того, впервые описал эритроциты (1674), одноклеточные организмы (1675, 1681), сперматозоиды позвоночных животных (1677), бактерии (1683). Исследователи 17 в., положившие начало микроскопическому изучению организмов, в клетке видели лишь оболочку, заключающую в себе полость.

В 18 в. конструкция микроскопа была несколько улучшена, главным образом за счёт усовершенствования механических частей и осветительных приспособлений. Техника исследования оставалась примитивной; изучались в основном сухие препараты.

Достигнуты успехи в изучении физиологии клетки. В 1882 И.И. Мечников открыл явление фагоцитоза. Была обнаружена к подробно исследована избирательная проницаемость растительных и животных клеток (голландский учёный Х. Де Фриз, немецкие учёные В. Пфеффер, Э. Овертон); создана мембранная теория проницаемости; разработаны методы прижизненного окрашивания клеток (русский гистолог Н.А. Хржонщевский, 1864; немецкие учёные П. Эрлих, 1885, Пфеффер, 1886). Исследуются реакции клеток на действие раздражителей. Изучение разнообразных клеток высших и низших организмов, несмотря на все их структурные и функциональные различия, укрепило в сознании исследователей мысль о наличии единого принципа в строении протоплазмы. Многие исследователи не были удовлетворены клеточной теорией и признавали наличие в клетках ещё более мелких элементарных жизненных единиц (биобласты Альтмана, пласомы Визнера, протомеры Гейденгайна и т.д.). Спекулятивные представления о субмикроскопических жизненных единицах разделялись и некоторыми цитологами 20 в., однако развитие Ц. заставило большинство учёных оставить эти гипотезы и признать жизнь свойством протоплазмы как сложной гетерогенной системы. Успехи Ц. в конце 19 в. были подытожены в ряде классических сводок, которые способствовали дальнейшему развитию Ц. .

2.РАЗВИТИЕ ЦИТОЛОГИИ В 1-Й ПОЛОВИНЕ 20 В.

В первые десятилетия 20 в. стали применять темнопольный конденсор, с помощью которого объекты под микроскопом исследовались при боковом освещении. Темнопольный микроскоп позволил изучать степень дисперсности и гидратации клеточных структур и обнаруживать некоторые структуры субмикроскопических размеров. Поляризационный микроскоп дал возможность определять ориентацию частиц в клеточных структурах. С 1903 развивается микроскопирование в ультрафиолетовых лучах, ставшее в дальнейшем важным методом исследования цитохимии клетки, в частности нуклеиновых кислот. Начинает применяться флюоресцентная микроскопия. В 1941 появляется фазово-контрастный микроскоп, позволяющий различать бесцветные структуры, отличающиеся лишь оптической плотностью или толщиной. Последние два метода оказались особенно ценными при изучении живых клеток. Разрабатываются новые методы цитохимического анализа, среди них – метод выявления дезоксирибо-нуклеиновой кислоты (немецкие учёные Р. Фёльген и Г. Розенбек, 1924).

Создаются микроманипуляторы, с помощью которых можно производить над клетками разнообразные операции (инъекции в клетку веществ, извлечение и пересадку ядер, локальное повреждение клеточных структур и т.д.). Большое значение приобрела разработка метода культуры тканей вне организма, начало которому было положено в 1907 американским учёным Р. Гаррисоном. Интересные результаты были получены при сочетании этого метода с замедленной микрокиносъёмкой, что дало возможность видеть на экране медленные изменения в клетках, протекающие незаметно для глаза, ускоренными в десятки и сотни раз. В первые три десятилетия 20 в. усилия учёных направлены были на выяснение функциональной роли клеточных структур, открытых в последней четверти 19 в., в частности было установлено участие комплекса Гольджи в выработке секретов и др. веществ в гранулярной форме (советский учёный Д.Н. Насонов, 1923). Описаны частные органоиды специализированных клеток, опорные элементы в ряде клеток (Н.К. Кольцов, 1903-1911), исследованы структурные изменения при различной клеточной деятельности (секреция, сократительная функция, деление клеток, морфогенез структур и т.д.). В растительных клетках прослежено развитие вакуолярной системы, образование крахмала в пластидах (французский учёный А. Гийермон, 1911). Установлена видовая специфичность числа и формы хромосом, что в дальнейшем было использовано для систематики растений и животных, а также для выяснения филогенетического родства в пределах более низких таксономических единиц. Обнаружено, что в тканях имеются разные классы клеток, отличающихся кратным отношением размеров ядер (немецкий учёный В. Якоби, 1925). Кратное увеличение размера ядер сопровождается соответствующим увеличением числа хромосом (австрийский учёный Л. Гейтлер, 1941). Исследования действия агентов, нарушающих механизм деления и хромосомный аппарат клеток (проникающее излучение, колхицин, ацетонафтен, трипофлавин и др.), привели к разработке методов искусственного получения полиплоидных форм, что дало возможность вывести ряд ценных сортов культурных растений. С помощью реакции Фёльгена положительно решился спорный вопрос о наличии гомолога ядра, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту у бактерий (советский учёный М.А. Пешков, 1939-1943, французский учёный В. Делапорт, 1939, английский учёный С. Робиноу, 1942) и сине-зелёных водорослей (советские учёные Ю.И. Полянский и Ю.К. Петрушевский, 1929). Наряду с мембранной теорией проницаемости, выдвигается фазовая теория, придающая большое значение в распределении веществ между клеткой и средой, растворению их и связыванию в протоплазме (советские учёные Д.Н. Насонов, В.Я. Александров, А.С. Трошин). Изучение реакции протоплазмы клеток на воздействие разнообразных физических и химических агентов привело к обнаружению явлений Паранекроза и к разработке денатурационной теории повреждения и возбуждения (Д.Н. Насонов и В.Я. Александров, 1940), согласно которой в этих процессах ведущее значение имеют обратимые изменения в структуре белков протоплазмы. С помощью вновь разработанных цитохимических реакций на гистологических препаратах была установлена локализация в клетке ряда ферментов. Начиная с 1934 благодаря работам американских учёных Р. Уэнсли и М. Герр, использовавшим метод гомогенизации (размельчения) клеток и фракционного центрифугирования, началось извлечение из клеток отдельных компонентов – ядер, хлоропластов, митохондрий, микросом и изучение их химического и ферментативного состава. Однако существенные успехи в расшифровке функций клеточных структур достигнуты лишь в современный период развития Ц. – после 50-х гг.

Огромное влияние на развитие Цитологии в 20 в. оказало переоткрытие в 1900 Менделем процессов, протекающих в ядрах половых и соматически клеток, дало возможность объяснить факты, установленные при изучении наследственной передачи признаков, и построить хромосомную теорию наследственности. Изучение цитологических основ наследственности обособилось в отдельную отрасль Цитологии – цитогенетику.

3. РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННОЙ ЦИТОЛОГИИ

С 50-х гг. 20 в. Цитология вступила в современный этап своего развития. Разработка новых методов исследования и успехи смежных дисциплин дали толчок бурному развитию Цитологии и привели к стиранию чётких границ между Цитологией, биохимией, биофизикой и молекулярной биологией. Использование электронного микроскопа (его разрешающая способность достигает 2-4, предел разрешения светового микроскопа около 2000) привело к созданию субмикроскопической морфологии клетки и приблизило визуальное изучение клеточных структур к макромолекулярному уровню. Были обнаружены неизвестные до этого детали строения ранее открытых клеточных органоидов и ядерных структур; открыты новые ультрамикроскопические компоненты клетки: плазматическая, или клеточная, мембрана, отграничивающая клетку от окружающей среды, эндоплазматический ретикулум(сеть), рибосомы(осуществляющие синтез белка), лизосомы (содержащие гидролитические ферменты), пероксисомы(содержащие ферменты каталазу и перазксилау), микротрубочки и микрофиламенты(играющие роль в поддержании формы и в обеспечении подвижности клеточных структур); в растительных клетках обнаружены диктиосомы – элементы комплекса Гольджи. Наряду с общеклеточными структурами выявляются ультрамикроскопические элементы и особенности, присущие специализированным клеткам. С помощью электронной микроскопии показано особое значение мембранных структур в построении различных компонентов клетки. Субмикроскопические исследования дали возможность все известные клетки (и соответственно все организмы) разделить на 2 группы: эукариоты(тканевые клетки всех многоклеточных организмов и одноклеточные животные и растения) и прокариоты(бактерии, сине-зелёные водоросли, актиномицеты и риккетсии). Прокариоты – примитивные клетки – отличаются от эукариотов отсутствием типичного ядра, лишены ядрышка, ядерной оболочки, типичных хромосом, митохондрий, комплекса Гольджи.

Усовершенствование методов изоляции клеточных компонентов, использование методов аналитической и динамической биохимии применительно к задачам Цитологиии (меченные радиоактивными изотопами предшественники, авторадиография, количественная цитохимия с использованием цитофотометрии, разработка цитохимических методик для электронной микроскопии, применение антител, меченных флуорохромами, для обнаружения под флуоресцентным микроскопом локализации индивидуальных белков; метод гибридизации на срезах и мазках радиоактивных ДНК и РНК для идентификации нуклеиновых кислот клетки и т.д.) привело к уточнению химической топографии клеток и расшифровке функционального значения и биохимической роли многих составных частей клетки. Это потребовало широкого объединения работ в области Цитологии с работами по биохимии, биофизике и молекулярной биологии. Для изучения генетических функций клеток большое значение имело открытие содержания ДНК не только в ядре, но и в цитоплазматических элементах клетки – митохондриях, хлоропластах, а по некоторым данным, и в базальных тельцах. Для оценки роли ядерного и цитоплазматического генного аппарата в определении наследственных свойств клетки используется пересадка ядер и митохондрий. Гибридизация соматических клеток становится перспективным методом изучения генного состава отдельных хромосом. Установлено, что проникновение веществ в клетку и в клеточные органоиды осуществляется с помощью особых транспортных систем, обеспечивающих проницаемость биологических мембран. Электронно-микроскопические, биохимические и генетические исследования увеличили число сторонников гипотезы симбиотического происхождения митохондрий и хлоропластов, выдвинутой в конце 19 в.

Основные задачи современной Цитологии – дальнейшее изучение микроскопических и субмикроскопических структур и химической организации клеток; функций клеточных структур и их взаимодействий; способов проникновения веществ в клетку, выделения их из клетки и роли мембран в этих процессах; реакций клеток на нервные и гуморальные стимулы макроорганизма и на стимулы окружающей среды; восприятия и проведения возбуждения; взаимодействия между клетками; реакций клеток на повреждающие воздействия; репараций повреждения и адаптации к факторам среды и повреждающим агентам; репродукции клеток и клеточных структур; преобразований клеток в процессе морфофизиологической специализации (дифференцировки); ядерного и цитоплазматического генетического аппарата клетки, его изменений при наследственных заболеваниях; взаимоотношений клеток с вирусами; превращений нормальных клеток в раковые (малигнизация); процессов поведения клеток; происхождения и эволюции клеточной системы. Наряду с решением теоретических вопросов цитологии участвует в разрешении ряда важнейших биологических, медицинских и с.-х. проблем. В зависимости от объектов и методов исследования развивается ряд разделов цитологии: цитогенетика, кариосистематика, цитоэкология, радиационная цитология, онкологическая цитология, иммуноцитология и т.д.

4.Виды и направления цитологии.

Различают общую и частную цитологию. Общая цитология или биология клетки изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции,обмен веществ, реакции на повреждения, различные болезненные изменения, восстановительные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных видов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или адаптацией (привыканием) к среде обитания (у простейших и бактерий).

История цитологии и гистологии восходит к изобретению микроскопа в конце XVI – начале XVII вв. По свидетельству Пьера Бореля (1655) этот оптический прибор был изобретен в 1590 г. оптическим мастером Иоганном Янсеном из Миддельбурга (Нидерланды). Изготовленный Иоганном Янсеном и его сыном Захариасом микроскоп стал известен в Лондоне с 1619 г. благодаря Корнелию Дреббелю.

Первые сложные микроскопы, в которых было установлено несколько линз, сильно страдали от сферической и хроматической аберрации, что вынуждало ученых использовать вместо них простые микроскопы, или лупы. Пожалуй, самым известным ученым конца XVII – начала XVIII вв., который пользовался лупами собственного изготовления, был житель голландского города Дельфт Антон ван Лёвенгук (рис. 2). Свои наблюдения и зарисовки с подробным описанием применяемых методов он посылал в период 1673-1723 гг. в Лондонское Королевское общество, членом которого был избран в 1680 г.

Наиболее крупным достижением Лёвенгука стало открытие мира простейших, которые он именовал мельчайшими животными. Он также впервые описал бактерии, дрожжи, эритроциты, сперматозоиды и многие другие микрообъекты, но истинное значение многих из них стало известно гораздо позднее.

Рис. 2. Антон ван Лёвенгук (1632-1723) и один из его микроскопов

Простым микроскопом активно пользовался и другой голландский ученый XVII в. Ян Сваммердам, который первым начал систематические исследования анатомии насекомых – муравьев, пчел, ос, стрекоз, бабочек, улиток и червей.

Продолжалось и усовершенствование конструкции микроскопа. Прибор Карла Гертеля из Галле (1716) уже имел подвижный столик, микрометрический винт и зеркало. Штатив в микроскопах XVIII в. стал более устойчивым и удобным в работе. Центр их изготовления перемещается в Англию, где известность получают мастера Кёльпепер, Кёфф и Мартин. Микроскопы Адамса достигали увеличения 1000 крат, однако из-за высокого уровня аберраций они оставались не востребованными наукой и служили больше в качестве украшений.

Создание клеточной теории

Первая научная школа в гистологии была создана выдающимся чешским ученым Яном Эвангелиста Пуркинье. Одним из первых он стал применять фиксацию тканей уксусной кислотой и этиловым спиртом, просветление их скипидаром и оливковым маслом, окрашивание и заключение в канадский бальзам. Ученик Пуркинье Адольф Ошатц разработал устройство для получения тонких срезов ткани – микротом. В 1832 г., будучи профессором физиологии в Бреславле (современный Вроцлав), Пуркинье приобрел микроскоп и стал привлекать студентов к научным исследованиям. Пуркинье и его ученики изучали микроскопическое строение нервной системы, желудка, сердца, сосудов, хряща, костей и других органов. С 1850 г. Пуркинье работает в Праге, где специально для него учредили физиологический институт.

Систематическое изучение микроскопического строения тканей человека и животных проводилось с 1833 г. на кафедре анатомии и физиологии Берлинского университета. Ее руководителю, профессору Иоганнесу Мюллеру, удалось создать крупнейшую научную школу, из которой вышли такие выдающиеся ученые как анатомы и гистологи Теодор Шванн, Якоб Генле, Роберт Ремак и Альберт Кёлликер, физиологи Эмиль Дюбуа-Реймон, Герман Гельмгольц и Эрнст Брюкке, патолог Рудольф Вирхов, зоологи Эрнст Геккель и Фриц Мюллер.

Рис.3. Ян Пуркинье (1787-1869), Иоганнес Мюллер (1801-1858)

и Теодор Шванн (1810-1882)

· Как растения, так и животные состоят из сходных элементов – клеток, что свидетельствует о единстве всей живой природы.

· Сходство клеток растений и животных вытекает из общего для них способа образования

· Известное в ботанике представление о клетке как автономной элементарной единице растительного организма надо распространить и на животных.

Создание клеточной теории и развитие гистологии стимулировали улучшение механики и оптики микроскопа. Первый ахроматический объектив был изготовлен в 1757 г. английским мастером Джоном Доллондом из сортов стекла с различными показателями преломления – кроном и флинтом. Используя этот принцип, Йозеф Фраунгофер в 1811 г. разработал ахроматический микроскоп с увеличением 120 крат и разрешением 3 мкм. К тому времени, когда возникли научные школы Пуркинье и Мюллера, лучшие ахроматические микроскопы, которые выпускали Шевалье (Париж), Плессль (Вена) и Шик (Берлин), достигли разрешения 0.5 мкм, а их увеличение превысило 2000 крат.

Возникновение цитологии

· исследование общей структурно-функциональной организации клетки;

· изучение специализации клеток в зависимости от выполняемых ими функций (т.е. особенностей клеток различных тканей)

· сравнительный анализ клеток (т.е. особенностей клеток одной ткани у различных организмов).

В 1890 г. Рихард Альтман выдвинул предположение, что в каждой клетке в виде нитей и зерен обитают особые микроорганизмы - биобласты, способные к самостоятельному размножению. Более поздние работы Карла Бенда и Фридриха Мевеса показали, что биобласты Альтмана являются универсальными клеточными органоидами – митохондриями. В 1897 г. Камилло Гольджи обнаружил в клетках нервной ткани еще один универсальный органоид – пластинчатый комплекс. Благодаря исследованиям Мартина Гейденгайна и других ученых в эти же годы был изучен клеточный центр.

Рис. 4. Эрнст Брюкке (1819-1902), Эдуард Страсбургер (1844-1912))

и Вальтер Флемминг (1843-1905)

К этому времени возросло и качество цитологических препаратов. Если раньше ученые исследовали живые неокрашенные клетки, то теперь они стали использовать фиксирующие смеси сложного состава для сохранения структуры ядра и протоплазмы. Например, Флемминг разработал фиксатор в виде смеси хромовой, осмиевой и уксусной кислот, который долгое время считался лучшим в цитологии. Совершенствовались также методы окрашивания препаратов, где наряду с природными пигментами кармином и гематоксилином стали использовать синтетические анилиновые красители индигокармин, эозин, кислый и основной фуксины, метиленовый синий и другие. Одним из лучших в цитологии стал предложенный Гейденгайном метод окраски железным гематоксилином, позволяющий выявлять тончайшие детали строения клеток.

О становлении цитологии как самостоятельной науки свидетельствовало появление фундаментальных обзоров Оскара Гертвига “Клетка и ткани” (1892) и Эдмунда Вильсона “Клетка в развитии и наследственности” (1896).

Развитие цитологии и гистологии в XX веке

Начало XX в. ознаменовалось появлением цитогенетики – науки, посвященной изучению хромосом. Благодаря работам Т. Бовери (1902) и У. Сэттона (1903), стало очевидным, что их поведение в мейозе соответствует тому, которое было предсказано ранее Г.Менделем. Принципы классификации хромосом были разработаны русским цитологом С.Г. Навашиным, который в 1898 г. открыл двойное оплодотворение у растений.

В 1903 г. австрийские ученые Р. Зигмонди и Р. Зидентопф разработали ультрамикроскоп (теперь этот метод называется темным полем), который позволял подсчитывать взвешенные частицы минимальным размером 20-30 нм. В таком микроскопе частицы освещались через узкую горизонтальную щель сильным источником света, а объектив устанавливался перпендикулярно оптической оси, что позволяло наблюдать их в виде светящихся точек на темном фоне. Поскольку эти изображения не могли быть меньше дифракционного предела в 250 нм, они не давали никакого представления об истинных размерах и форме частиц.

В 1904 г. Августом Кёлером и Морицем фон Рёром был сконструирован первый ультрафиолетовый микроскоп, который имел приблизительно в два раза большую разрешающую способность по сравнению с обычным микроскопом. Хотя ультрафиолетовая микроскопия не получила большого распространения, она явилась основой для создания таких широко распространенных в современной клеточной биологии методов как флуоресцентная микроскопия и цитометрия.

Кардинального увеличения разрешающей способности микроскопа удалось добиться создателям электронной микроскопии. Появление нового типа микроскопии было обусловлено открытием волновых свойств электрона (Л. де Бройль, 1924) и разработке методов расчета их отклонения в магнитном поле (Г. Буш, 1926). Первый просвечивающий электронный микроскоп был построен Эрнстом Руской и Максом Кнолем в 1931 г., а первый сканирующий электронный микроскоп –Манфредом фон Арденне в 1937 г.

Уже первые модели электронного микроскопа имели разрешающую способность в несколько нм, что дало возможность исследовать тонкую структуру клетки и ее органоидов. В дальнейшем электронная микроскопия достигла разрешения на биологических объектах около 0,1 нм, позволяя получать изображения субклеточных структур вплоть до молекулярного уровня. За изобретение электронного микроскопа Эрнст Руска был удостоен Нобелевской премии по физике за 1986 г.

Не менее важным для дальнейшего развития клеточной биологии было изобретение шведским химиком Теодором Сведбергом ультрацентрифуги (Нобелевская премия по химии 1926 г.). Разделение надмолекулярных компонентов клетки с помощью ультрацентрифуги и их исследование в электронном микроскопе позволили в период 40 – 80 гг. XX в. исследовать структурно-функциональную организацию клеточного ядра, биологических мембран, митохондрий и хлоропластов, центриолей, ресничек и жгутиков, миофибрилл, аппарата Гольджи и других органоидов. С помощью электронной микроскопии были открыты такие клеточные органоиды как рибосомы, лизосомы, клатриновые везикулы, нуклеосомы и т.д. Электронный микроскоп позволил также увидеть вирусы, молекулы ДНК и работающие гены, что наполнило клеточную биологию принципиально новым содержанием. Особенно эффективным оказалось сочетание световой микроскопии, которая обеспечивает первоначальную ориентацию в микропрепарате, с детальным описанием обнаруженных изменений с помощью электронной микроскопии. В качестве примера можно привести открытие физиологической гибели клеток – апоптоза и доказательство принципиального отличия его от некроза методами световой и электронной микроскопии (Дж. Керр, А. Керри и Э. Уайли, 1972).

К концу XX в. в клеточной биологии проявилась тенденция комплексных исследований клетки и происходящих в ней процессов с привлечением методов световой и электронной микроскопии, биохимии, молекулярной генетики и компьютерного моделирования. При этом возрастает роль многочисленных вариантов флуоресцентной микроскопии, которые позволяют работать с живыми клетками, используя специфические молекулярные зонды.

В 1961 г. японский химик О. Шимомура выделил из медузы Aequorea victoria белок, который флуоресцирует зеленым светом – Green Fluorescent Protein, или GFP. Когда через 33 года нейробиологу из Колумбийского университета в США М. Чалфи удалось ввести ген этого белка в клетки, появилась возможность пометить им любые другие гены или молекулярные векторы. В настоящее время ген gfp и его мутанты с различными спектрами флуоресценции широко используются для визуализации экспрессии генов.

В последнее время значение электронной микроскопии в клеточной биологии несколько снизилось, поскольку она позволяет исследовать только фиксированный материал ограниченным набором методик. Альтернативой электронной микроскопии может стать световая микроскопия высокого разрешения,разработка методов которой идет быстрыми темпами.

В 1994 г. немецкий физик Стефан Хель опубликовал статью с изложением принципа нового метода микроскопии, который основан на стимулированном истощении флуоресценции – STED. В этом методе один лазер возбуждает флуоресценцию молекул внутри дифракционной точки диаметром 250 нм, тогда как синхронизированный с ним другой лазер принудительно вызывает флуоресценцию кольца с наружным диаметром 250 нм внутри этой же точки. В результате флуоресценция молекул разделяется по времени на две вспышки, причем более поздняя из них исходит от молекул из внутренней зоны кольца, диаметр которой меньше дифракционного предела. В настоящее время разрешение метода STED в три раза превышает разрешение обычного светового микроскопа.

Третий метод световой микроскопии высокого разрешения восходит к принципу ультрамикроскопии, разработанной более 100 лет назад. Как уже отмечалось, она позволяла подсчитывать взвешенные частицы, размеры которых не превышали 20-30 нм, что на порядок меньше дифракционного предела микроскопа. В 1997 г. американский ученый Уильям Мернер открыл управляемое мерцание молекул зеленого флуоресцирующего белка GFP, что давало возможность определять их координаты путем анализа формы дифракционной точки. Похожий метод был разработан другим американским физиком Эриком Бетцигом, который показал, что определение координат молекул ниже дифракционного предела возможно для любых флуоресцирующих молекул, если возбуждать только небольшую часть из них (

В зависимости от объектов и методов цитология включает в себя: кариосистематику, цитоэкологию, радиоцитологию, онкологию, иммуноцитологию, цитогенетику.

В развитии цитологии выделяют три этапа:

1) XVII – конец XIX в. Период накопления фактов клеточного строения.

1672 год. Грю, Мальпиги на различных объектах повторяют опыты Гука.

В конце XVII века цитология начала становиться. Антон ван Левенгук сконструировал примитивный микроскоп, дававший увеличение в 40 раз. Открыл в 1674 году эритроциты в клетках крови земноводных. 1675 год – одноклеточные растительные организмы. 1683 год – описал бактерии.

Во второй половине XVII века Левенгук подарил Петру I два микроскопа. Тот заинтересовался и в 1698 году собрал русских мастеров для конструирования своего микроскопа. Род Беляевых создавал стекла для микроскопа.

В результате исследований в начале XIX века ряда ученых (Линк, Мондельхавер, Ламарк, Нербель, Курпена, Расспая, Пуркинье) утвердился взгляд на клетки как структурные единицы живого организма.

В 1838 году ботаник Шлейден и зоолог Шванн в 1839 году сформулировали первую клеточную теорию. Благодаря этой теории сформулировалось представление, что функции организма в целом слагаются из активностей и взаимодействия отдельных клеточных единиц.

В 1855 - 1858 году немец Вихров, патологоанатом, применил клеточную теорию на своих объектах и доказал, что каждая клетка образуется в результате деления исходной клетки, а организмы образуются в результате слияния двух клеток, мужской и женской.

1831 Блоуд открыл ядро, описал его как важнейший и обязательный органоид клетки.

Была изучена протоплазма клетки, и первоначальное понятие о клетке превратилось в представление о массе протоплазмы, ограниченной в пространстве клеточной оболочкой и содержащей ядро.

1850 – масляный имерсионный объектив (позже водный).

Конденсор – многолинзовая система, которая улавливает и направляет лучи света на объект.

1873 год – линза-конденсор, собирающая и направляющая линза микроскопа.

Были открыты органоиды:

1876 год – клеточный центр (Эдуард ванн Бенеден, Бовери);

1898 – митохондрии (Бенда и Альтман в животной клетке, Мевес – в растительной клетке);

1898 – аппарат Гольджи, открыл Камилло Гольджи.

Были открыты явления:

Прямое деление бактерий;

Амитоз, прямое деление клетки (Ремак);

Митоз, непрямое деление (Флеминг; Страсбургер);

Описаны главные особенности митоза – формирования хромосом (1890, Вальдейер).

Создана теория индивидуальности хромосом.

2) Конец XIX века – 20-е годы XX века.

Дальнейшее совершенствование техники. Кроме светлопольного конденсора был предложен темнопольный конденсор. С помощью этого прибора можно было исследовать объекты при боковом освещении. Эффект Тиндаля – видим пылинки в луче света.

Был также сконструирован поляризационный микроскоп, который позволял определять ориентацию частиц в клетке.

1903 год – сконструирован ультрафиолетовый микроскоп.

1932 год – фазово-контрастный микроскоп (позволил преобразовать фазовые сдвиги в амплитудные, что позволило смотреть бесцветные структуры) и интерференционный микроскоп.

Метод выявления ДНК. Фельгин, Россенбек 1924 год

Создаются микроманипуляторы, с помощью которых можно было производить разнообразные операции.

В 1909 году Гаррисон положил начало создания метода культуры ткани.

3) В первые два десятилетия 20-го века все усилия были направлены на выяснения функций клеточных структур. Но это стало возможным только тогда, когда в 20-х годах сконструировали электронный микроскоп и появились методы рентгеноскопного анализа. Создания этого микроскопа открыло третий этап в развитии цитологии – современный.

Использование электронного микроскопа привело к созданию субмикроскопической морфологии клетки.

Разрешающая способность микроскопа – наименьший диаметр видимых частиц.

Разрешение микроскопов:

Световой микроскоп – не менее 0,2мкм.

Электронный – 0,2 нм

Были обнаружены неизвестные детали строений клетки. Изучено строение плазматической мембраны. Изучено строение сети мембран – ЭПР.Были изучены лизосомы (гидролитические ферменты), пероксисомы, содержащие фермент каталазу и уринокиназу. Изучено строение рибосом. Открыт цитоскелет (микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты).

Сформулировались первые задачи цитологии:

1) изучить ультромикро структуры клетки

2) изучить функции клеточных структур и их взаимодействие;

3) изучить способы проникновения веществ в клетку, выведения их из клетки, роли мембран;

4) реакция клеток на нервные и гуморальные стимулы как окружающей среды, так и внутри;

5) Изучить взаимодействие клеток;

6) Изучить реакцию на повреждения, репродукцию клеток и клеточных структур и апоптоз (запрограммированная гибель клеток).

Развитие современной цитологии. Выявление ультрамикроскопических особенностей, присущих специализированным клеткам.

В первые два десятилетия 20-го века все усилия были направлены на выяснения функций клеточных структур. Но это стало возможным только тогда, когда в 20-х годах сконструировали электронный микроскоп и появились методы рентгеноскопного анализа. Создания этого микроскопа открыло третий этап в развитии цитологии – современный.

В середине 20 в. цитология вступила в современный этап своего развития. Разработка новых методов исследования и успехи смежных дисциплин дали толчок бурному развитию науки. Использование электронного микроскопа привело к созданию субмикроскопической морфологии клетки и приблизило визуальное изучение клеточных структур к макромолекулярному уровню. Были обнаружены неизвестные до этого детали строения ранее открытых клеточных органоидов и ядерных структур; открыты новые ультрамикроскопические компоненты клетки: плазматическая, или клеточная, мембрана, отграничивающая клетку от окружающей среды, эндоплазматический ретикулум (сеть), рибосомы (осуществляющие синтез белка), лизосомы (содержащие гидролитические ферменты), пероксисомы (содержащие ферменты каталазу и уриказу), микротрубочки и микрофиламенты (играющие роль в поддержании формы и в обеспечении подвижности клеточных структур); в растительных клетках обнаружены диктиосомы — элементы комплекса Гольджи. Наряду с общеклеточными структурами выявляются ультрамикроскопические элементы и особенности, присущие специализированным клеткам. С помощью электронной микроскопии показано особое значение мембранных структур в построении различных компонентов клетки. Субмикроскопические исследования дали возможность все известные клетки (и соответственно все организмы) разделить на 2 группы: эукариоты (тканевые клетки всех многоклеточных организмов и одноклеточные животные и растения) и прокариоты (бактерии, сине-зелёные водоросли, актиномицеты и риккетсии). Прокариоты — примитивные клетки — отличаются от эукариотов отсутствием типичного ядра, лишены ядрышка, ядерной оболочки, типичных хромосом, митохондрий, комплекса Гольджи.

Читайте также: