Цитология как наука, её становление и задачи. Цитология - это одна из перспективнейших отраслей человеческих знаний Что такое цитология и что она изучает

ЦИТОЛОГИЯ (греческий kytos вместилище, здесь - клетка + logos учение) - наука о строении, функциях и развитии клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий. Цитологические исследования (см.) имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека и животных.

Различают общую и частную цитологии. Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, метаболизм, реакции на повреждение, патологические изменения, репаративные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или эволюционной адаптацией к среде обитания (у протистов и бактерий).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа (см.) и гистологических методов исследования (см.). Термин «клетка» впервые был применен Гуком (R. Нооке, 1665), описавшим клеточное строение (точнее - целлюлозные оболочки клеток) ряда растительных тканей. В 17 веке наблюдения Гука были подтверждены и развиты М. Мальпиги, Грю (N. Grew, 1671),

А. Левенгуком. В 1781 году Фонтана (F. Fontana) опубликовал рисунки животных клеток с ядрами.

В первой половине 19 века начало формироваться представление о клетке как об одной из структурных единиц организма. В 1831 году Броун (R. Brown) обнаружил в клетках растений ядро, дал ему наименование «nucleus» и предположил о наличии этой структуры у всех растительных и животных клеток. В 1832 году Дюмортье (В. С. Dumortier), а в 1835 году Моль (H. Mohl) наблюдали деление растительных клеток. В 1838 году М. Шлейден описал ядрышко в ядрах растительных клеток.

Распространенность клеточного строения в животном царстве была показана исследованиями Дютроше (R. J. H. Dutrochet, 1824), Распая (F. V. Raspail, 1827), школ Я. Пуркинье и И. Мюллера. Я. Пуркинье первым описал ядро животной клетки (1825), разработал способы окраски и просветления клеточных препаратов, применил термин «протоплазма», был одним из первых, кто попытался сопоставить структурные элементы животных и растительных организмов (1837).

В 1838-1839 годы Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (см.), в которой клетка рассматривалась как основа строения, жизнедеятельности и развития всех животных и растений. Концепция Т. Шванна о клетке как о первой ступени организации, обладающей всем комплексом свойств живого, сохранила свое значение и в настоящее время.

Превращению клеточной теории в универсальное биол. учение способствовало раскрытие природы простейших. В 1841 -1845 год Зибольд (С. Th. Siebold) сформулировал понятие об одноклеточных животных и распространил на них клеточную теорию.

Важным этапом в развитии цитологии было создание Р. Вирховом учения о целлюлярной патологии (см.). Он рассматривал клетки как материальный субстрат болезней, что привлекло к их изучению не только анатомов и физиологов, но и патологов (см. Патологическая анатомия). Р. Вирхов также постулировал происхождение новых клеток только из пред-существующих. В значительной мере под влиянием трудов Р. Вирхова и его школы начался пересмотр взглядов на природу клеток. Если ранее важнейшим структурным элементом клетки считалась ее оболочка, то в 1861 году Шультце (М. Schultze) дал новое определение клетки как «комочка протоплазмы, внутри которого лежит ядро»; то есть ядро окончательно было признано обязательной составной частью клетки. В том же 1861 году Брюкке (E. W. Brucke) показал сложность строения протоплазмы.

Обнаружение органоидов (см.) клетки - клеточного центра (см. Клетка), митохондрий (см.), комплекса Гольджи (см. Гольджи комплекс), а также открытие в клеточных ядрах нуклеиновых кислот (см.) способствовали установлению представлений о клетке как о сложной многокомпонентной системе. Изучение процессов митоза [Страсбургер (E. Stras-burger, 1875); П. И. Перемежко, 1878; В. Флемминг (1878)] привело к открытию хромосом (см.), установлению правила видового постоянства их числа [Рабль (К. Rabi, 1885)] и созданию теории индивидуальности хромосом [Бовери (Th. Boveri, 1887)]. Эти открытия наряду с изучением процессов оплодотворения (см.), биологическая сущность которого выяснил О. Гертвиг (1875), фагоцитоза (см.), реакций клеток на раздражители способствовали тому, что в конце 19 века цитология становится самостоятельным разделом биологии. Карнуа (J. В. Сагпоу, 4884) впервые ввел понятие «биология клетки» и сформулировал представление о цитологии как науке, изучающей форму, структуру, функцию и эволюцию клеток.

Большое влияние на развитие цитологии оказало установление Г. Менделем законов наследования признаков (см. Менделя законы) и последующая трактовка их, данная в начале 20 века. Эти открытия привели к созданию хромосомной теории наследственности (см.) и формированию в цитологии нового направления - цитогенетики (см.), а также кариологии (см.).

Крупным событием в науке о клетке стала разработка метода культуры тканей (см. Культуры клеток и тканей) и его модификаций - метода однослойных культур клеток, метода органных культур фрагментов ткани на границе питательной среды и газовой фазы, метода культуры органов или их фрагментов на оболочках куриных эмбрионов, в тканях животных или в питательной среде. Они дали возможность в течение длительного времени наблюдать за жизнедеятельностью клеток вне организма, детально изучать их движение, деление, дифференцировку и др. Особенно широкое распространение получил метод однослойных клеточных культур [Янгиер (D. Youngner), 1954], сыгравший большую роль в развитии не только цитологии, но и вирусологии, а также в получении ряда противовирусных вакцин. Прижизненному изучению клеток в большой степени способствует микрокиносъемка (см.), фазово-контрастная микроскопия (см.), люминесцентная микроскопия (см.), микрургия (см.), витальная окраска (см.). Эти методы позволили получить много новых сведений о функциональном значении ряда клеточных компонентов.

Введение в цитологию количественных методов исследования привело к установлению закона видового постоянства размеров клеток [Дриш (H. Driesch), 1899], уточненного впоследствии E. М. Вермелем и известного как закон постоянства минимальных клеточных размеров. Якоби (W. Jacobi, 1925) обнаружил феномен последовательного удвоения объема ядер клеток, что во многих случаях соответствует удвоению числа хромосом в клетках. Были выявлены также изменения размеров ядер, связанные с функциональным состоянием клеток как в нормальных условиях [Беннингхофф (A. Benning-hoff), 1950], так и при патологии (Я. Е. Хесин, 1967).

Методы химического анализа в цитологии начал применять еще в 1825 году Распай. Однако решающее значение для развития цитохимии имели работы Лизона (L. Lison, 1936), Глика (D. Glick, 1949), Пирса (A. G. Е. Реаг-se, 1953). Большой вклад в развитие цитохимии внесли также Б. В. Кедровский (1942, 1951), А. Л. Шабадаш (1949), Г. И. Роскин и Л. Б. Левинсон (1957).

Разработка методов цитохимического выявления нуклеиновых кислот, в частности реакции Фейльгена (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты) и метода Эйнарсона, в сочетании с цитофотометрией (см.) позволили в значительной мере уточнить представления о трофике клеток, о механизмах и биол. значении полиплоидизации (В. Я. Бродский, И. В. Урываева, 1981).

В первой половине 20 века начинает выясняться функциональная роль внутриклеточных структур. В частности, работами Д. Н. Насонова (1923) было установлено участие комплекса Гольджи в формировании секреторных гранул. Ходжбу (G. Н. Ноgeboom, 1948) доказал, что митохондрии являются центрами клеточного дыхания. Н. К. Кольцов впервые сформулировал представление о хромосомах как носителях молекул наследственности, а также ввел в цитологию понятие «цитоскелет» (см. Цитоплазма).

Научно-техническая революция середины 20 века привела к бурному развитию цитологии и пересмотру ряда ее представлений. С помощью электронной микроскопии (см.) было изучено строение и во многом раскрыты функции ранее известных органоидов клеток, открыт целый мир субмикроскопических структур (см. Мембраны биологические, Эндоплаз-матический ретикулум, Лизосомы, Рибосомы). Эти открытия связаны с именами Портера (К. R. Porter), Дж. Пелейда, Риса (H. Ris), Бернхарда (W. Bernhard), К. де Дюва и других выдающихся ученых. Изучение ультраструктуры клеток позволило разделить весь живой органический мир на эукариот (см. Эукариотные организмы) и прокариот (см. Прокариотные организмы).

Развитие молекулярной биологии (см.) показало принципиальную общность генетического кода (см.) и механизмов синтеза белка на матрицах нуклеиновых кислот для всего органического мира, включая царство вирусов. Новые методы выделения и изучения клеточных компонентов, развитие и усовершенствование цитохимических исследований, особенно цитохимии ферментов, применение радиоактивных изотопов для изучения процессов синтеза клеточных макромолекул, внедрение методов электронной цитохимии, применение меченных флюорохромами антител для изучения с помощью люминесцентного анализа локализации индивидуальных клеточных белков, методы препаративного и аналитического центрифугирования значительно расширили границы цитологии и привели к стиранию четких граней между цитологией, биологией развития, биохимией, молекулярной биофизикой и молекулярной биологией.

Из чисто морфологической науки недавнего прошлого современная цитология развилась в экспериментальную дисциплину, постигающую основные принципы деятельности клетки и через нее - основы жизни организмов. Разработка методов пересадки ядер в энуклеированные клетки Гердоном (J. В. Gurdon, 1974), соматической гибридизации клеток Барски (G. Barski, 1960), Харрисом (Н. Harris, 1970), Эфрусси (В. Eph-russi, 1972) дала возможность изучить закономерности реактивации генов, определить локализацию многих генов в хромосомах человека и приблизиться к решению ряда практических задач медицины (например, к анализу природы малигнизации клеток), а также народного хозяйства (например, получение новых сельско-хозяйственных культур и др.). На базе методов гибридизации клеток была создана технология получения стационарных антител гибридных клеток, продуцирующих антитела заданной специфичности (моноклональные антитела). Их уже используют для решения ряда теоретических вопросов иммунологии, микробиологии и вирусологии. Начинается применение этих клонов для усовершенствования диагностики и лечения ряда болезней человека, изучения эпидемиологии инфекционных болезней и др. Цитологический анализ взятых у больных клеток (нередко после их культивирования вне организма) имеет значение для диагностики некоторых наследственных болезней (напр., пигментной ксеродермы, гликогенозов) и изучения их природы. Намечаются также перспективы применения достижений цитологии для лечения генетических болезней человека, профилактики наследственной патологии, создания новых высокопродуктивных штаммов бактерий, повышения урожайности растений.

Многогранность проблем исследования клетки, специфика и разнообразие методов ее изучения обусловили в настоящее время формирование в цитологии шести основных направлений: 1) цитоморфологии, изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования к-рой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (темнопольный конденсор, фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия); 2) цитофизиологии, изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие ее внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приемы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии; 3) цитохимии (см.), исследующей молекулярную организацию клетки и ее отдельных компонентов, а также хим. изменения, связанные с процессами обмена веществ и функциями клетки; цитохимические исследования проводят светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами цитофотометрии (см.), ультрафиолетовой и интерференционной микроскопии, авторадиографии (см.) и фракционного центрифугирования (см.) с последующим химическим анализом различных фракций; 4) цитогенетики (см.), изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов; 5) цитоэкологии (см.), исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним; 6) цитопатологии, предметом к-рой является изучение патологических процессов в клетке (см.).

В СССР различные направления современной цитологии представлены исследованиями И. А. Алова, В. Я. Бродского, Ю. М. Васильева, О. И. Епифановой, JI. Н. Жинкина, A. А. Заварзина, А. В. Зеленина, И. Б. Райкова, П. П. Румянцева, Н. Г. Хрущова, Ю. С. Ченцова, B. А. Шахломова, В. Н. Ярыгина и др. Проблемы цитогенетики и тонкой структуры хромосом разрабатываются в лабораториях А. А. Прокофьевой-Белъговской, А. Ф. Захарова (т. 15, доп. материалы), И. И. Кикнадзе.

Наряду с традиционными в нашей стране развиваются и такие новые направления цитологии как ультраструктурная патология клетки, вирусная цитопатология, цитофармакология- оценка действия лекарственных препаратов методами цитологии на культурах клеток, онкологическая цитология, космическая цитология, изучающая особенности поведения клеток в условиях космических полетов.

Исследования в области цитологии ведутся в Институте цитологии АН СССР, Институте цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, Институте генетики и цитологии АН БССР, на кафедрах цитологии и гистологии университетов и медицинских институтов, в цитологических лабораториях Института молекулярной биологии АН СССР, Института биологии развития им. Н. К. Кольцова АН СССР, Института эволюционной морфологии и экологии животных им.А. Н. Северцова АН СССР, Института морфологии человека АМН СССР, Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи АМН СССР, Института медицинской генетики АМН СССР, во Всесоюзном онкологическом научном центре АМН СССР. Исследования по цитологии координируются Научным советом по проблемам цитологии при АН СССР.

Цитология преподается в качестве самостоятельного раздела в курсе гистологии на кафедрах гистологии и эмбриологии медицинских институтов и на кафедрах цитологии и гистологии университетов.

Специалисты, работающие в области цитологии, в нашей стране объединены во Всесоюзное общество анатомов, гистологов и эмбриологов, в Московское общество цитологов, в секции цитологии Московского общества испытателей природы. Имеются и международные общества цитологов: Международное общество по биологии клеток (International Society of Cell Biology), Международная организация по исследованию клеток (International Cell Research Organization), Европейская организация по биологии клетки (European Cell Biology Organization).

Работы по цитологии публикуются в журналах «Цитология», «Цитология и генетика», а также во многих зарубежных журналах. Периодически издаются международные многотомные издания по цитологии: Advances in Cell and Molecular Biology (Англия, США), International Review of Cytology (США), Protoplasmologia (Австрия).

Библиогр.: История - Вермель Е.М. История учения о клетке, М., 1970, библиогр.; Г е р т в и г О, Клетка и ткани, Основы общей анатомии и физиологии, пер. с нем., т. 1-2, Спб., 1894; К а ц н е л ь-с о н 3. С. Основные этапы развития цитологии, в кн.: Руководство по цитол., под ред. А. С. Трошина, т. 1, с. 16, М. - JI., 1965; О г н е в И. Ф. Курс нормальной гистологии, ч. 1, М., 1908; П e р е м е ж-к о П. И. Учение о клетке, в кн.: Основания к изучению микроскопической анатомии человека и животных, под ред. М. Д. Лавдовского и Ф. В. Овсянникова, т. 1, с. 49, Спб., 1887; ПетленкоВ. П. и К л и ш о в А. А. Клеточная теория и теория клеток (К 100-летию со дня смерти Т. Шванна), Арх. анат., гистол. и эмбриол., т. 83, в. 11, с. 17, 1982, библиогр.; Ш в а н н Т. Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений, пер. с нем. М. - JI., 1939; С a r n о у J. В. La biologie cellulaire, P., 1884; W i 1 s o n E. B. The cell in development and inheritance, N. Y., 1896. Руководства, основные труди, справочные издания - А в ц ы н А. П. и III а х-л а м о в В. А. Ультраструктурные основы патологии клетки, М., 1979; Александров В. Я. Реактивность клеток и белки, Л., 1985; Восток К. и Самнер Э. Хромосома эукариотической клетки, пер. с англ., М., 1981; Бродский В. Я. и Урываева И. В., Клеточная полиплоидия, Пролиферация и дифференцировка, М., 1981; ВельшУ. и ШторхФ. Введение в цитологию и гистологию животных, пер. с нем., М., 1976; Заварзин А. А. Основы частной цитологии и сравнительной гистологии многоклеточных животных, JI., 1976; Заварзин А. А. и Харазо-в а А. Д. Основы общей цитологии, Л., 1982, библиогр.; Захаров А. Ф. Хромосомы человека, М., 1977; о н ж е, Хромосомы человека, Атлас, М., 1982; Зеленин А, В., Кущ А. А. и Прудов-с к и й И. А. Реконструированная клетка, М., 1982; ЗенгбушП. Молекулярная и клеточная биология, пер. с нем., т. 1-3, М., 1982; К а р м ы ш е в а В. Я. Поражение клеток при вирусных инфекциях, М., 1981; НейфахА. А. и Тимофеева М. Я. Проблемы регуляции в молекулярной биологии развития, М., 1978; Р а й-к о в И. Б. Ядро простейших, Л., 1978; РингерцН. и Сэвидж Р. Гибридные клетки, пер. с англ., М., 1979; Ролан Ж.-К., СелошиА. иСелоши Д. Атлас по биологии клетки, пер. с франц., М., 1978; С о л о в ь е в В. Д., Хесин Я, Е. и Быковский А,. Ф, Очерки по вирусной цитопатологии, М., 1979; Хэм А. и Кормак Д. Гистология, пер. с англ., т. 1, ч. 2, М., 1982; Ч е н ц о в Ю. С. Общая цитология, М., 1984; Э ф р у с с и Б. Гибридизация соматических клеток, пер. с англ., М., 1976; Grundlagen der Cytolo-gie, hrsg. v. G. C. Hirch u. a., Jena, 1973. Периодические издания - Цитология, Д., с 1959; Цитология и генетика, Киев, с 1965; Acta Cytologica, St Louis, с 1957; Acta Histochemica and Cytochemica, Kyoto, с 1960; Advances in Cell and Molecular Biology, N. Y., с 1971; Analytical and Quantitative Cytology, St Louis, с 1979; Canadian Journal of Genetics and Cytology, Austin, с 1916; Caryologia, Firenze, с 1948; Cell, Cambridge, с 1974; Cellule, Bruxelle, с 1884; Cytogenetics and Cell Genetics, Basel, с 1962; Folia Histochemica et, Cytochemica, Warszawa, с 1963; International Review of Cytology, N. Y., с 1952; Journal of Histochemistry and Cytochemistry, N. Y., с 1953. См. также библиогр. к ст. Клетка.

Клеточная биология (биология клетки, цитология) - наука о клетке.

Клеточная биология — раздел биологии, предметом которого является клетка, элементарная единица живого. Клетка рассматривается как система, включающая в себя отдельные клеточные структуры, их участие в общеклеточных физиологических процессах, пути регуляции этих процессов. Рассматривается воспроизведение клеток и их компонентов, приспособление клеток к условиям среды, реакции на действие различных факторов, патологические изменения клеток. и механизмы их гибели.

Цитология и клеточная биология

Термин «Клеточная биология» или «Биология клетки» во второй половине XX века вытеснил исходный первоначальный термин «Цитология», который определял науку о клетке. Цитология принадлежит к ряду «счастливых» биологических дисциплин, таких как биохимия , биофизика , и генетика , развитие которых за последние 60 лет было особенно бурным («биологическая революция») и произвело в биологии кардинальные изменения в понимании организации и сути жизненных явлений. Классическая цитология, которая в начале была, главным образом. описательной морфологической наукой, впитав в себя идеи, факты и методы биохимии, биофизики и молекулярной биологии, стала общебиологической дисциплиной, изучающей не только строение, морфологию, но и функциональные и молекулярные аспекты поведения клеток, как элементарных единиц живой природы.

Хотя первые описания и представления о клетке появились более 300 лет тому назад, детальное изучение клеток было связано с развитием микроскопии в XIX веке. В это время были сделаны главные описания внутриклеточной организации и была сформулирована т.н. клеточная теория (Т. Шванн . Р. Вирхов), главными постулатами которой являются: клетка - элементарная единица живого; вне клетки нет жизни (по Р. Вирхову «жизнь есть деятельность клетки, особенности первой есть особенности и последней»); клетки сходны (гомологичны) по своему строению и по своим основным свойствам; клетки увеличиваются в числе, размножаются только путем деления исходных клеток. Клеточная теория не только оказала значительное влияние на развитие таких общебиологических дисциплин, как гистология , эмбриология и физиология, но и произвела настоящий переворот в медицине, показав, что в основе любых заболеваний организма лежит клеточная патология, т.е. изменение функционирования отдельных групп клеток в составе органов и тканей.

Большую роль в становлении и развитии отечественной биологии и в дальнейшем - клеточной биологии сыграли научные школы таких исследователей, как И.И. Мечников , Н.К. Кольцов , Д.Н. Насонов и другие.

К концу XIX века были описаны многие внутриклеточные компоненты (ядро, хромосомы , митохондрии и др.), был охарактеризован митоз как единственный способ размножения клеток, была создана хромосомная теория наследственности (цитогенетика). В это же время и в начале XX века интересы цитологии были направлены на выяснение функционального значения внутриклеточных компонентов (цитофизиология). Решению этих задач помогло развитие таких направлений как цитохимия, культивирование клеток, связанных с внедрением новых методических приемов (флуоресцентная микроскопия, количественная цитохимия, авторадиография, дифференциальное центрифугирование и др.).

Качественным переломом в анализе клеточных компонентов и их функционального значения было внедрение в 50-ых годах XX века электронной микроскопии, что позволило исследовать клетки на субмикроскопическом уровне. Совокупность электронно-микроскопических и молекулярно-биологических методов дала возможность тесно связать изучение морфологии компонентов клеток с выявлением их биохимических особенностей и установить их функциональное значение. Именно в середине XX века стал употребляться термин «клеточная биология» как определение науки, которая изучает не только строение клеток, но и функционально-биохимические характеристики их структур и отдельных этапов жизни клеток вообще. В это же время был открыт клеточный цикл (молекулярная последовательность событий при размножении клеток), его регуляция на молекулярном уровне, дана функционально-биохимическая характеристика многих старых и вновь обнаруженных внутриклеточных структур.

Учение о клетке

В настоящее время с позиций современной молекулярной биологии можно сделать следующее определение, что такое клетка: клетка - это ограниченная активной липопротеидной мембраной упорядоченная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических (обменных) и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Внутриклеточные структурные элементы представляют собой функциональные подсистемы, или системы второго порядка. Так, клеточное ядро является системой хранения, воспроизведения и реализации генетической информации, заключенной в ДНК хромосом; гиалоплазма (основная плазма) - система основного промежуточного обмена и синтеза мономеров, а также синтеза белков на рибосомах; цитоскелет - опорно-двигательная система клетки; вакуолярная система - система синтеза, модификации и транспорта некоторых белковых полимеров и образования многих клеточных липопротеидных мембран; митохондрии - органеллы энергообеспечения всех функций клетки за счет синтеза АТФ; пластиды растительных клеток - система фотосинтеза АТФ и синтеза углеводов; плазматическая мембрана - барьерно-рецепторно-транспортная система клетки.

Важно подчеркнуть, что все эти подсистемы клетки образуют некое сопряженное единство, находящееся во взаимной зависимости. Так, нарушение функции ядра сразу сказывается на синтезе белков, нарушение структуры и функции митохондрий прекращает все синтетические и обменные процессы, нарушение элементов цитоскелета останавливает внутриклеточный транспорт и т.д.

Современная биохимия и молекулярная биология, изучающие химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток, не могут обходиться без информации о структурах, на которых эти процессы происходят; так же как и в клеточной биологии при изучении структур и их функционального значения невозможно обходиться без знания молекулярных процессов, происходящих на этих структурах. Поэтому все чаще в названиях различных руководств и учебников применяется термин «молекулярная биология клетки».

Изучение биологии клетки имеет огромное практическое значение: это изучение физиологии организмов, использование клеток в биотехнологических разработках, использование данных клеточной биологии в практической медицине. Так, например, сведения из области клеточной биологии необходимы при изучении злокачественного роста клеток, для цитодиагностики заболевания, для применения стволовых клеток и т.д. Более того, любые заболевания человека нельзя понять без привлечения данных из клеточной биологии.

Выдающиеся отечественные ученые-цитологи

И.И.Мечников (1845-1916) - знаменитый русский биолог и патолог, один из основоположников экспериментальной цитологии и иммунологии, создатель научной школы, почетный член Петербургской АН, один из основателей Пастеровского института в Париже. В 1883 году И.И.Мечников открыл явление фагоцитоза, выдвинул фагоцитарную теорию иммунитета (1901); за работы по изучению иммунитета совместно с П.Эрлихом был удостоен Нобелевской премии в 1908 году.

Огромное влияние на развитие биологии, генетики и цитологии в нашей стране оказала научная школа Н.К.Кольцова (1872-1940). Это был исследователь, идеи которого на десятилетия опередили многие открытия, ставшие основами современных представлений в генетике и биологии клетки. Н.К.Кольцовым в 1903 году была обнаружена внутренняя фибриллярная система, которая была им определена как скелетная цитоплазматическая структура, определяющая форму и движение клеток. В настоящее время эта система получила название цитоскелет, в его состав входят белковые полимеры, из которых образуются микротрубочки и нитчатые структуры (микрофиламенты, промежуточные филаменты). Другим важнейшим достижением Н.К.Кольцова было предвидение матричного принципа удвоения наследственных структур. По его представлениям, малые молекулы ядра собираются на уже существующем шаблоне, а затем «сливаются» в полимерную молекулу, в копию шаблона. В то время (1927) еще не было известно о макромолекулах ДНК, но идея о том, что постоянная консервативная наследственная матрица не уничтожается и не возникает заново, но переходит от родителей к потомкам, было великим предсказанием. Можно считать, что это утверждение Н.К.Кольцова и явилось началом развития молекулярной биологии. Многолетние исследования о форме и поведении клеток (цитоскелет) и матричная гипотеза - величайшая заслуга Н.К.Кольцова как «пророка в своем отечестве» в развитии биологии. Огромная заслуга Н.К.Кольцова, кроме того, состоит в том, что он воспитал целую плеяду своих учеников-последователей: генетиков, физиологов, эмбриологов и цитологов. К ним относятся В.В. Сахаров, Б.Л.Астауров, С.С. Четвериков , Д.П. , А.С. Серебровский, Г.И. Роскин и другие. Теперь принято говорить о биологической российской школе Н.К.Кольцова. Его имя теперь носит институт биологии развития РАН.

Большую роль в создании отечественной цитологии сыграл Д.Н. Насонов (1895-1957). Работы Дмитрия Николаевича, посвященные изучению аппарата Гольджи, были высоко оценены специалистами и стали классическими. При изучении работы аппарата Гольджи Д.Н. Насонов выдвинул гипотезу о ведущей роли этого органоида в клеточном секреторном процессе. Намного позднее с помощью электронномикроскопической авторадиографии эта гипотеза получила полное подтверждение (Леблон, 1966) и стала аксиомой функционального значения этой структуры. В 1956 году по инициативе Дмитрия Николаевича был организован Институт цитологии АН СССР.

Одним из учеников Н.К.Кольцова был Г.И.Роскин (1882-1964), работавший с ним с 1912 года. Он исследовал скелетные и сократимые структуры в различных клетках, начиная с одноклеточных и кончая гладкими и поперечно-полосатыми мышцами многоклеточных организмов. Им было сделано заключение, что сократимые и опорные элементы образуют весьма сложные системы, обеспечивающие двигательные и опорные функции - эти системы были названы статокинетическими. Этот цикл работ является продолжением исследований цитоскелета, начатых Н.К.Кольцовым.

С 1930 по 1964 г. Г.И.Роскин заведовал кафедрой гистологии при Московском государственном университете. Продолжая изучать сократимые элементы клетки, Г.И. Роскин уделял большое внимание изучению цитологии раковых клеток, что привело к открытию противоракового препарата круцина, некоторое время использовавшегося в клинике. Особое внимание Г.И. Роскин уделял внедрению в гистологию и цитологию методов цитохимии, позволяющих локализовать в клетках те или иные полимеры или отдельные аминокислоты. В это время кафедра гистологии стала пропагандистом цитохимических методов, которые нашли широкое применение не только в биологических исследованиях, но и в медицине. Позднее В.Я. Бродский, ученик Г.И. Роскина, стал развивать количественные гистохимические исследования, используя специальную цитофотометрическую аппаратуру. Это привело к появлению новых биохимических и биофизических методов, которые широко используются в клеточной биологии.

Большой вклад в изучение строения и поведения опухолевых клеток внесен работами Ю.М. Васильева (р.1928) и его учеников. В течение многих лет его школа изучает механизмы движения нормальных и опухолевых клеток. Им впервые выявлена роль системы микротрубочек и других элементов цитоскелета в определении направления миграции как нормальных, так и опухолевых клеток. Он руководит лабораторией механизмов канцерогенеза Онкологического научного центра РАМН.

Ю.С. Ченцов (1930г.р.) заведовал кафедрой клеточной биологии и гистологии с 1970 по 2010. Он является одним из основателей московской школы электронных микроскопистов. Им и его учениками впервые создана трехмерная реконструкция центриоли и описано ее поведение в клеточном цикле. Ю.С.Ченцов - один из авторов открытия ядерного белкового остова (матрикса), он показал, что ядерный матрикс представляет собой неотъемлемую часть интерфазных и митотических хромосом. Ю.С.Ченцов сыграл большую роль в изучении ультраструктуры клеточного ядра и митотической хромосомы. В работах по изучению митохондрий в мышечной ткани, Ю.С.Ченцов стал одним из авторов открытия митохондриального ретикулума и особой структуры - межмитохондриальных контактов. (Daniel Mazia, 1912-1996), американский цитолог, сыгравший большую роль в изучении процессов деления и воспроизводства клеток, в исследовании структуры митотического веретена и репродукции центросом. Считал клетку супрамолекулярной системой, состоящей из множества взаимосвязанных молекулярных систем.

Кейт Портер (Keith Robert Porter, 1912-1997) - канадский биолог, один из основателей электронно-микроскопического подхода в биологии. Разработал методы изготовления ультратонких срезов, методы использования сеток с покрытием в электронной микроскопии, а также предложил использовать тетраокись осмия для работы с электронно-микроскопическими препаратами. К. Портеру принадлежит открытие цитоскелетных микротрубочек и эндоплазматического ретикулума, аутолизосом и окаймленных вакуолей. Благодаря ему был основан первый ведущий журнал по клеточной биологии, который носит сейчас название “Journal of Cell Biology”.

Джордж Паладе (George Emil Palade, 1912-2008) - американский биолог румынского происхождения. Обнаружил на поверхности цистерн эндоплазматического ретикулума рибонуклеиновые частицы, названные гранулы Паладе. Впоследствии выяснилось, что гранулы Паладе представляют собой ассоциированные с эндоплазматическим ретикулумом рибосомы. Паладе много работал над исследованием вакуолярной системы и везикулярного транспорта в клетке. В 1974 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Кристиан Рене де Дюв (Christian Rene de Duve, 1917-2002) - бельгийский цитолог и биохимик, открывший существование в клетке пищеварительных органелл - лизосом. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Альбер Клод (Albert Claude, 1899-1983) - бельгийский биохимик, благодаря которому цитология из науки описательной стала наукой функциональной. Показал непосредственную связь между внутриклеточными структурами и происходящими в клетке биохимическими процессами, участвовал во внедрении в цитологию биохимических и физических методов. А.Клод писал, что клетка - “самостоятельная и самообеспечивающаяся единица живой материи, способная накапливать, преобразовать и использовать энергию”. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Рекомендуемая литература

Ю.С. Ченцов. Введение в клеточную биологию

Ю.С. Ченцов. Цитология: учебное пособие для университетов и медицинских вузов.

Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D. Molecular biology of the cell

Молекулярная биология клетки. Пер с англ. / Под редакцией Б. Альбертса

Lodish H., Besk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Balximore D., Darnell J. Molecular cell biology.

История цитологии тесно связана с изобретением, использованием и усовершенствованием микроскопа. Это обусловлено 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, физик Дрюбель и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов.

· 1665 г.: Р. Гук, наблюдая впервые под микроскопом тонкий срез пробкового дерева, обнаружил пустые ячейки, которые назвал целлюли , или клетки; фактически Р. Гук наблюдал только оболочки растительных клеток; в дальнейшем Р. Гук изучал срезы живых стеблей и обнаружил в них аналогичные ячейки, которые, в отличие от мертвых клеток пробки, были заполнены «питательным соком». Свои наблюдения Р. Гук изложил в своем труде «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших телец при помощи увеличительных стекол» (1665);

· 1671 г.: Марчелло Мальпиги (Италия) и Неемия Грю (Англия), изучая анатомическое строение растений, пришли к выводу, что все растительные ткани состоят из пузырьков-клеток. Термин «ткань» («кружево») впервые употребил Н. Грю. В работах Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю клетка рассматривается как элемент, как составная часть ткани. Клетки разделены между собой общими перегородками и поэтому не могут быть мыслимы вне ткани, вне организма;

· 1674 г.: голландский микроскопист-любитель Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы - «анималькули» (инфузории, саркодовые, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды);

В этот период главной частью клетки считалась ее стенка, и лишь спустя двести лет стало ясно, что главное в клетке не стенка, а внутреннее содержимое. В XVIII в. фундаментальные наблюдения простейших провел немецкий натуралист-любитель Мартин Ледермюллер. Однако в этот период новые сведения о клетке накапливались медленно, причем в области зоологии медленнее, чем в ботанике, поскольку настоящие клеточные стенки, которые служили главным предметом исследования, свойственны только растительным клеткам. По отношению к животным клеткам ученые не решались применить этот термин и отождествить их с растительными клетками.

В дальнейшем по мере усовершенствования микроскопа и техники микроскопирования накапливались и сведения о клетках животных и растений. Постепенно формировались представления о клетке как элементарном организме: в дальнейшем немецкий физиолог Эрнст фон Брюкке (1861) называл клетку элементарным организмом. К 30-м годам 19 века накопилось много сведений по морфологии клетки, и было установлено, что цитоплазма и ядро являются ее обязательными компонентами.

· 1802, 1808 гг.: Ш. Бриссо-Мирбе установил факт, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток.

· 1809 г.: Ж. Б. Ламарк распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животных.

· 1825 г.: Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетках птиц.

· 1831 г.: Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений.

· 1833 г.: Р. Броун пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки.

· 1839 г.: Я. Пуркине обнаружил протоплазму (гр. протос - первый и плазма вылепленный, оформленный) - полужидкое студенистое содержимое клеток.

· 1839 г.: Т. Шванн обобщил все накопленные к этому времени данные и сформулировал клеточную теорию.

· 1858 г.: Р. Вирхов доказал, что все клетки образуются из других клеток путем деления.

· 1866 г.: Геккель установил, что сохранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро.

· 1866-1898 гг.: описаны основные компоненты клетки, которые можно увидеть под оптическим микроскопом. Цитология приобретает характер экспериментальной науки.

· 1872 г.: профессор Дерптского (Тартусского) университета Э. Руссов,

· 1874 г.: русский ботаник И.Д. Чистяков впервые наблюдали деление клетки.

· 1878 г.: В. Флеминг ввел термин «митоз» и описал стадии деления клетки.

· 1884г.: В. Ру, О. Гертвиг, Э. Страсбургер выдвинули ядерную теорию наследственности, согласно которой информация о наследственных признаках клетки заключена в ядре.

· 1888г.: Э. Страсбургер установил явление редукции числа хромосом при мейозе.

· 1900 г.: за появлением генетики начинает развиваться цитогенетика, изучающая поведение хромосом во время деления и оплодотворения.

· 1946 г.: в биологии началось использование электронного микроскопа, что позволило изучить ультраструктуры клеток.

Цитология - наука, изучающая строение, химический состав и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Предмет цитологии - клетки одно- и многоклеточных прокариотических и эукариотических организмов.

Задачи цитологии :

1. Изучение строения и функций клеток и их компонентов (мембран, органоидов, включений, ядра).

2. Изучение химического состава клеток, биохимических реакций, протекающих в них.

3. Изучение взаимоотношения клеток многоклеточного организма.

4. Изучение деления клеток.

5. Изучение возможности приспособления клеток к изменениям окружающей среды.

Для решения поставленных задач в цитологии используются различные методы.

Микроскопические методы : позволяют изучить структуру клетки и ее компонентов с помощью микроскопов (светового, фазово-контрастного, люминесцентного, ультрафиолетового, электронного); световое микроскопирование основано на потоке света; изучает клетки и их крупные структуры; электронное микроскопирование - изучение мелких структур (мембраны, рибосомы и др.) в пучке электронов с длиной волны меньше, чем у видимого света. Фазово-контрастная микроскопия — метод получения изображений в оптических микроскопах, при котором сдвиг фазэлектромагнитной волны трансформируется в контраст интенсивности. Фазово-контрастную микроскопию изобрёл Фриц Цернике, за что получил Нобелевскую премию за 1953 год. Предназначена для изучения живых, не окрашенных объектов.

Цито- и гистохимические методы - основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определенные вещества цитоплазмы; используется для установления химического состава и локализации различных компонентов (белков, ДНК, РНК, липидов и т.п.) в клетках.

Гистологический метод - это метод приготовления микропрепаратов из нативных и фиксированных тканей и органов. Нативный материал замораживается, а фиксированный объект проходит этапы уплотнения, заливки в парафин. Затем из исследуемого материала изготавливают срезы, окрашивают и заключают в канадский бальзам.

Биохимические методы позволяют изучить химический состав клеток и протекающие в них биохимические реакции.

Метод дифференциального центрифугирования (фракционирования) : основан на разной скорости оседания компонентов клетки;сначала клетки разрушают до однородной (гомогенной) массы, которую переносят в пробирку с раствором сахарозы или хлорида цезия и подвергают центрифугированию; выделяет отдельные компоненты клетки (митохондрии, рибосомы и др.) для последующего изучения другими методами.

Метод рентгеноструктурного анализа: после введения в клетку атомов металла исследуется пространственная конфигурация (пространственнаое расположение атомов и группировок атомов) и некоторые физические свойства макромолекул (белок, ДНК).

Метод авторадиографии - введение в клетку радиоактивных (меченых) изотопов - чаще всего изотопы водорода (3 Н), углерода (14 С) и фосфора (32 Р); изучаемые молекулы по радиоактивным меткам обнаруживают с помощью счетчика радиоактивных частиц или по способности засвечивать фотопленку, а затем изучают их включения в вещества, синтезируемые клеткой; позволяет изучить процессы матричного синтеза и деления клеток.

Метод замедленной киносъемки и фотосъемки позволяет проследить и зафиксировать процессы деления клеток через мощные световые микроскопы.

Микрохирургические методы - оперативное воздействие на клетку: удаление или имплантирование компонентов клеток (органоиды, ядро) из одной клетки в другую с целью изучения их функций, микроинъекции различных веществ и др.

Метод культуры клеток - выращивание отдельных клеток многоклеточных организмов на питательных средах в стерильных условиях; дает возможность изучать деление, дифференцировку и специализацию клеток, получать клоны растительных организмов.

Знание основ химической и структурной организации, принципов функционирования и механизмов развития клетки исключительно важно для понимания сходных черт, присущих сложно устроенным организмам растений, животных и человека. Разработка метода ЭКО - пример практического применения цитологических знаний.

Лекция № 2: Химический состав клетки.

Цитология - наука о клетке (греч. "цитос"-клетка, "логос"-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название "клетка" в середине XVII века применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.

Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шванн внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.

Современная клеточная - теория включает следующие положения:

клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;

клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Изучение клеток разнообразных одноклеточных и многоклеточных организмов с помощью светооптического и электронного микроскопов показало, что по своему строению они разделяются на две группы. Одну группу составляют бактерии и сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболее простое строение клеток. Их называют доядерными (прокариотами ), так как у них нет оформленного ядра (греч. "картон"-ядро) и нет многих структур, которые называют органоидами. Другую группу составляют все остальные организмы: от одноклеточных зеленых водорослей и простейших до высших цветковых растений, млекопитающих, в том числе и человека. Они имеют сложно устроенные клетки, которые называют ядерными (эукариотическими ). Эти клетки имеют ядро и органоиды, выполняющие специфические функции.

Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы, изучением которых занимается вирусология.