Сообщение цитология и молекулярная биология

Обновлено: 05.07.2024

Неотъемлемым компонентом любых живых организмов — как одноклеточных, так и многоклеточных — является клетка (одна или несколько соответственно).

Что изучает цитология?

Цитология — это наука о строении, химическом составе, размножении и процессах жизнедеятельности клеток.

Поэтому логично, что предмет цитологии — клетка многоклеточных грибов, растений, животных и одноклеточных организмов вроде одноклеточных грибов, бактерий, простейших и водорослей. То есть, цитология — наука, изучающая клетку.

В задачи цитологии входит изучить:

строение и функции клеток, их химический состав;
функции внутриклеточных структур;
как размножаются и развиваются клетки;
как клетки приспосабливаются к условиям окружающей среды.

Исходя из этого можно сказать, что цитология, изучающая строение и функции клетки, является комплексной наукой, поскольку решение этих задач невозможно без связи с другими биологическими науками: ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции и др.

Общая и частная цитология

Общая цитология — это наука, которая изучает общие почти для всех клеток элементы, такие как строение и функции клеток, структура, процессы метаболизма, реакции на повреждения и патологические изменения, адаптация к условиям окружающей среды.

Частная цитология — это наука, изучающая особенности каждого типа клеток с учетом их специализации (характерно для многоклеточных организмов), эволюционной адаптации к внешней среде (характерно для бактерий).

Сегодня практически нет границ между цитологией как наукой о клетки и другими биологическими науками: биохимией, биологией развития, молекулярной биофизикой и биологией. Это стало возможным благодаря:

новым методам, с помощью которых изучаются компоненты клетки;
развитию и совершенствованию исследований цитохимии, в частности — ферментов;
использованию радиоактивных изотопов в ходе изучения синтеза макромолекул клетки;
внедрению методов электронной цитохимии;
применению анализа меченых флюорохромами антител для изучения локализации индивидуальных белков клетки;
использованию методов препаративного и аналитического центрифугирования.

Цитология как наука экспериментальная

Что изучает наука цитология сегодня?

Из суто морфологической дисциплины цитология сегодня превратилась в дисциплину экспериментальную. Поскольку это наука, изучающая строение и функции клеток, то есть, основные принципы деятельности клетки, то, таким образом, изучает основы жизни организмов в целом.

Огромное значение цитологические исследования имеют в случаях диагностики заболеваний человека и животных.

Изучение закономерностей реактивации генов, определение местонахождения многих генов в хромосомах человека стало возможным, когда различные ученые представили свои разработки: Б. Гердон — метод пересадки ядер в клетки, Х. Харрис, Дж. Барски и Б. Эфрусси — метод соматической гибридизации клеток.

Появилась возможность стать ближе в решении различных практических задач в области медицины и народного хозяйства, в частности, вопрос создания новых сельскохозяйственных культур.

С помощью метода гибридизации клеток была создана технология получения стационарных антител гибридных клеток, которые вырабатывают специфические антитела (их еще называют моноклональными). Такие антитела используют для определения ряда теоретических вопросов в области микробиологии, иммунологии и вирусологии.

Такие клоны антител используются с целью усовершенствовать диагностику и лечение заболеваний человека.

В диагностировании отдельных наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, гликогеноз) и изучении их происхождения важен цитологический анализ клеток больных, особенно в результате их культивирования вне организма.

Цитологические достижения в будущем могут применяться в лечении генетических заболеваний человека, профилактике наследственной патологии, создании новых штаммов бактерий с высокой продуктивностью, повышении урожайности различных растений.

Основные направления цитологии

Для большинства ответ на вопрос какая наука изучает строение и функции клеток ясен. Но в силу того, что проблемы исследования клетки многогранны, а также специфики и разнообразия методов изучения клетки, в цитологии выделилось целых шесть направлений.

Вот эти направления:

Цитоморфология. Наука, изучающая клетки: она занимается изучением особенностей структурной организации клетки. Цитоморфология основывается на определенных методах: разнообразные способы микроскопии фиксированной (электронная, светооптическая, поляризационная) и живой клетки (темнопольный конденсор, микроскопия фазово-контрастная и люминисцентная).
Цитофизиология. Так называется наука, изучающая клетку, жизнедеятельность клетки как единой живой системы, функционирование и взаимодействие ее внутренних структур. В рамках цитофизиологии используются экспериментальные приемы в связке с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки.
Цитохимия. Занимается изучением молекулярной организации клетки и химических изменений в ходе обмена веществ и функционирования клеток. В рамках цитохимии применяются светомикроскопические и электронно-микроскопические методы, фракционное центрифугирование, цитофотометрия, а также методы ультрафиолетовой и интерференционной микроскопии.
Цитогенетика. Ее задача — изучить функциональную и структурную организацию хромосом эукариотов.
Цитоэкология. Занимается изучением реакций клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмов адаптаций к этим факторам.
Цитопатология. Ее интересуют патологические процессы, происходящие в клетке.

Кроме традиционных направлений цитологии, кратко обозначенных выше, сегодня можно выделить и новые, такие как цитопатология вирусов, цитофармокология, ультраструктурная патология клеток, онкологическая цитология и др.

Как самостоятельный раздел цитология присутствует в курсах гистологии и биологии медицинских и прочих высших учебных заведений.

Как развивалось учение о клетке

История изучения клетки связана с именами как минимум 4 ученых:

Клеточной теорией активно занимались ученые 2-ой половины 19 века. В этот период произошло открытие деления клетки, сформулировано положение об образовании каждой новой клетки от такой же начальной клетки в результате ее деления (это сделал Р. Вирхов в 1858 году).

Академику Российской Академии наук Карлу Беру принадлежит открытие яйцеклетки млекопитающих. Он же сделал вывод о том, что различные организмы начинают развиваться из одной клетки, которой является зигота. Благодаря этому открытию стало понятно, что клетка является не только единицей строения, но и единицей развития всех живых организмов.

Благодаря Р. Гуку, микроскоп прочно вошел в исследовательскую среду и научные исследования в области биологии.

Развитие цитологии напрямую связано с разработкой микроскопа, его усовершенствованием, а также с развитием гистологических методов исследования.

Все, чем занимался Р. Гук, было подтверждено и развито в 17 веке такими учеными как М. Мальпиги, Н. Грю, А. Левенгуком.

Середина 20 века с ее научно-технической революцией стала точкой бурного развития цитологии — в это время многие положения науки были пересмотрены.

Благодаря электронной микроскопии и ученым, теперь эта наука изучает строение и функции органоидов клетки, ранее известных. В связи с этим важно упомянуть некоторых ученых — К. Портера, Х. Риса, К. де Дюва, Дж. Пелейда, В. Бернхарда и др.

Изучение ультраструктуры клетки позволило поделить весь органический мир на две категории: прокариоты и эукариоты. Исследования в области молекулярной биологии показали, что у всех организмов (вирусов, в том числе) один и тот же механизм синтеза белка и генетического кода.

В ходе изучения химической организации клетки выяснилось, что ее жизнь основана на химических процессах, что у всех организмов клетки схожи своим химическим составом, что у всех клеток — однотипные основные процессы обмена веществ. Единство всего органического мира подкрепились данными о том, что химический состав клеток один и тот же.

Обзор

Молекулярный биолог Пробирочка

Автор

Редакторы

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Молекулярная биология изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) — и белки, а также их макромолекулярные комплексы — хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь — уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей — бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год — формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв — нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией. В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК), или матричной (мРНК). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, — обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro. В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин—лейцин—серин—лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции — иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro. Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами — наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP) выделили из медузы Aqeuorea victoria, после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными.

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны, инсулин, некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы. За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия — совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование — это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a, а не фермент Cas9, применяемый в большинстве методов CRISPR/Cas.

Цитология — это наука о клетке, наука о клеточном уровне организации живой материи.

Развитие цитологии

Клеточная теория

Возникновение цитологии как науки относится к моменту формирования одного из крупнейших обобщений биологии — клеточной теории. Центральная идея последней о единстве строения и развития живой материи на основе ее клеточной организации полностью сохранила свое значение и до сих пор. Однако в связи с внедрением в биологию в середине XX в. принципиально новых методов исследований, приведших к существенной детализации наших знаний о закономерностях организации живого, к настоящему времени оформились и вошли в науку представления о различных уровнях организации живой материи, обладающих своей спецификой и своими закономерностями.

Уровни организации клетки

В организации любой клетки можно выделить следующие уровни: молекулярный, надмолекулярный, органоидный, субсистемный и системный. При этом низшие уровни клеточной организации, так же как и неклеточные формы жизни, находятся в центре внимания таких наук, как органическая химия, биохимия, молекулярная биология. На органоидном, системном и субсистемном уровнях доминирующее значение имеют уже цитологические исследования.

Объект изучения цитологии

Объектом общецитологических исследований являются конкретные разновидности клеток (клетки про- и эукариот, клетки животных и растительных одноклеточных и многоклеточных организмов, а в пределах последних— клетки различных направлений специализации).

Те же объекты находятся и в центре внимания других биологических наук — гистологии, эмбриологии, микробиологии, протозоологии и т. д. Однако в этих науках основное внимание уделяется специфическим особенностям данного типа клеток.

Цель цитологии

В цитологии при исследовании конкретных разновидностей клеток ставится цель выяснить общие закономерности организации клеточных структур и внутриклеточных процессов, универсальных для всех клеток, а также общие закономерности организации регуляторных интегративных механизмов целостной клетки.

Таким образом, в цитологии органически сочетаются два основных направления исследований: дискретный анализ отдельных клеточных компонентов и анализ клетки как целостной элементарной системы живой материи.

Исследования в цитологии

В настоящее время в общей цитологии можно выделить два главных направления исследований, два различных аспекта изучения закономерностей организации клетки, каждый из которых имеет свою специфику (и методическую, и качественную, определяемую логикой исследования). Это:

изучение функционального значения морфологических структур
сравнительно-цитологическое исследование общих закономерностей клеточной организации.

В изучении функционального значения клеточных структур и клетки как интегрированной целостной системы, в свою очередь, можно выделить два подхода к проблеме, два способа ее анализа, условно названные нами морфофункциональным и экспериментальным.

Цитология (греч. cytos — клетка + logos — наука) - наука о строении и жизнедеятельности клетки. На данный момент нам кажется очевидным, что растения, грибы и животные состоят из клеток, однако раньше об этом и не догадывались.

Цитология начала свой путь развития относительно недавно, в этой статье мы обсудим клеточную теорию и методы, которые используются в цитологии для изучения клеток (методологию).

Клеточная теория

Создание и развитие клеточной теории стало возможным после изобретения микроскопа в 1590 году голландским мастером по изготовлению очков - Захарием Янсеном. Первый микроскоп мог увеличивать изучаемый объект до 3-9 раз.

В 1665 году Роберт Гук, используя микроскоп собственного изобретения, смог различить ячеистые структуры пробки ветки бузины. Эти ячеистые структуры напомнили Роберту Гуку монашеские кельи, он ввел термин клетка (от лат. сеllа — комната, келья).

На самом деле Роберт Гук увидел не живые клетки, как он предполагал, а оставшиеся от них плотные клеточные стенки, которые и представляли собой ячеистую структуру.

В 70-х годах XVII века нидерландский натуралист Антони ван Левенгук открыл целый мир, невидимый невооруженным глазом. Он увидел в микроскопе простейшие организмы: инфузорий, сперматозоидов, а также дрожжи, бактерии, эпидермис кожи.

В течение 50 лет он отсылал результаты своих наблюдений в Лондонское королевское общество. Поначалу они были встречены со скептицизмом, но когда комиссия ученых лично во всем убедилась и подтвердила подлинность его исследований, Антони ван Левенгук был избран действительным членом Лондонского королевского общества.

В последующее время было много описаний самых разных клеток, однако обобщить накопленный материал оказалось не легкой задачей. С ней в 1839-1840 годах справились немецкий ботаник Маттиас Шлейден и немецкий зоолог Теодор Шванн.

Все организмы состоят из клеток
Клетка - мельчайшая структурная единица жизни
Образование новых клеток - основополагающий способ роста и развития растений и животных
Организм представляет собой сумму образующих его клеток

Допустили ли Шлейден и Шванн ошибки? Да, они были. Ошибочно предположение о том, что клетка может образоваться из неклеточного вещества.

Важное дополнение в 1855 в клеточную теорию внес Рудольф Вирхов, который утверждал, что любая клетка может образоваться только путем деления материнской клетки.

Клетка является структурной, функциональной и генетической единицей живого
Клетки растений и животных сходны между собой по строению и химическому составу
Клетка образуется только путем деления материнской клетки
Клетки у всех организмов окружены мембраной (имеют мембранное строение)
Ядро клетки - ее главный регуляторный органоид
Клеточное строение растений, животных и грибов свидетельствует о едином происхождении всего живого
В многоклеточном организме клетки подразделяются (дифференцируются) по строению и функции. Они объединяются в ткани, органы и системы органов.
Клетка - элементарная, открытая и живая система, способная к самообновлению, воспроизведению и саморегуляции

XX век несомненно стал веком биологических наук: цитологии, генетики. Это произошло во многом благодаря клеточной теории.

Я хочу поделиться с вами моим искренним восхищением новой жизни. Вдумайтесь - мы ведь когда-то с вами были всего одной единственной клеткой, зиготой! Как в одной клетке природе удалось уместить столько всего: кожу, мышцы, нервную систему, пищеварительный тракт? Мы приоткроем завесу этой тайну в статьях по генетике и эмбриологии, и, тем не менее, мое восхищение этим безгранично.

Наши клетки рождаются и умирают: эпителий кишечника обновляется каждые 5 дней полностью, при удалении 70% печени оставшиеся клетки способны восстановить всю структуру этого органа, каждые 30 дней мы получаем новую кожу. При этом наше сознание и память остаются с нами. Мы - чудо, настоящее чудо природы, созданное из одной единственной клетки.

Микроскопия

Микроскопия - важнейший метод цитологии, в ходе которого объекты рассматриваются при помощи микроскопа. Его оптическая система состоит из двух основных элементов: объектива и окуляра, закрепленных в тубусе. Микропрепарат (срез тканей) располагается на предметном столике, расстояние от которого до объектива регулируется с помощью винта (винтов).

Чтобы посчитать увеличительную способность микроскопа следует умножить увеличение окуляра на увеличение объектива. К примеру, если окуляр увеличивает объект в 20 раз, а объектив - в 10, то суммарное увеличение будет в 200 раз.

Некоторое внимание уделим направлениям в биологии, которые необходимо знать на современном этапе технического прогресса.

Биоинженерия

Биоинженерия - направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине. В рамках биоинженерии происходят попытки (и довольно успешные) выращивания тканей и создание искусственных органов, протезов.

То есть биоинженерия занимается преимущественно технической частью. Медицинское направление в биоинженерии ищет замену органам и тканям человека, которые утратили свою функциональную активность и требуют "замены".

Биотехнология

Биотехнология - направление биологии, изучающее возможность применения живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач. В биотехнологии путем генной инженерии создают организмы с заданным набором свойств.

В рамках биотехнологии происходит получение антибиотиков - продуктов жизнедеятельности бактерий, очищение водоемов с помощью моллюсков, увеличение плодородия почвы с помощью дождевых червей, клонирование организмов.

Это разительно отличается от задач биоинженерии, хотя безусловно, эти дисциплины смежные. Все-таки в биотехнологии происходит большее вторжение в живой мир, по сути человек выступает эксплуататором, достигая с помощью животных, растений и грибов своих целей. Человек проводит искусственный отбор, отделяя особей, которые продолжат род, от других, "менее перспективных".

Представляет собой совокупность методов и технологий, которые приводят к получению рекомбинантных РНК и ДНК, выделению генов из клеток и внедрения их в другие организмы.

Изменив молекулу ДНК или РНК, человек добивается своей цели: клетка начинает синтезировать с нее белок. Он то и нужен человеку, такие продукты жизнедеятельности активно используются в медицине, к примеру, при изготовлении антибиотиков.

Сорт кукурузы, устойчивый к действию насекомых-вредителей
Бактерии, продуктом жизнедеятельности которых является человеческий инсулин, используемый в дальнейшем как лекарство
Культура клеток, вырабатывающих гормон человека - эритропоэтин, также используемый в лечебных целях

Представляет собой совокупность методов и технологий, используемых для конструирования новых клеток. В основе лежит идея культивирования клеток тканей вне организма.

С помощью клеточной инженерии возможно бесполое размножение ценных форм растений. Часто получаются, так называемые, гибридные клетки, которые сочетают свойства, к примеру, раковых клеток и лимфоцитов, в результате становится возможно быстрое получение антител.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: