Клетка – элементарная биологическая система
Клеточная биология изучает клетки многоклеточных животных и растений, одноклеточные организмы, а также бактерии. Эта наука исследует строение, основы жизнедеятельности и воспроизведение клеток, являющихся элементарными живыми системами, роль и место клеток в многоклеточных организмах, строение и функции отдельных клеточных компонентов, изучает как общие свойства большинства клеток, так и работу специфических клеточных структур в норме и при патологических изменениях. Именно в клетке начинают развитие патологические процессы, поэтому не только в биологии, но и в медицине цитологии принадлежит центральное место.
Клетки очень малы по размеру и сложно устроены. Трудно рассмотреть их строение, установить молекулярный состав, узнать, как работают их отдельные элементы. Поэтому развитие цитологии тесно сопряжено с созданием новейших методов микроскопии, молекулярной биологии, биохимии, биофизики, и генетики. Используя их и подробно изучая клетки самых разных организмов, цитология объединяет данные из разных областей биологии. Из хаоса фактов рождается объяснение ранее загадочных явлений, обнаруживается изящество и экономичность, простота и в то же время космическая сложность клеточных процессов, замечательное единство принципов их действия. Ключ к решению любой биологической проблемы следует искать в клетке.
Такого понятия, как какая-то типичная отдельная живая клетка, нет. Есть только бесчисленное множество разновидностей клеток. Если начать рассматривать даже наиболее очевидные характеристики клеток – размеры, форму, характер движения, другие внешние проявления – мы обнаружим колоссальное их разнообразие. При этом основные черты сходства всех клеток могут ускользнуть от нашего взгляда, как это произошло с первыми учеными, работавшими с микроскопом. Но если не ограничиваться внешним описанием клеток, а внимательно изучить их внутреннее строение, то сходство между разными типами клеток выявится. Если же спуститься на уровень субмикроскопических структур, молекулярный, то различия между клетками в значительной степени сотрутся.
В 1665 году английский ученый Роберт Гук опубликовал прекрасный альбом рисунков под названием «Микрография или некоторые описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол», изображающих его наблюдения под микроскопом, где он дал описания правильно расположенных замкнутых пустот в срезах пробки и сердцевины бузины, камыша, укропа, репейника и стеблей других растений. Структура тонкого среза пробковой ткани дерева напоминала соты четким и правильным расположением «микроскопических пор» или «клеток».
С этого времени ведет отсчет своей истории клеточная биология, но только через 150 лет была
сформулирована общая теория, согласно которой все живые организмы состоят из клеток.
Эта теория была предложена для растений в 1837–1838 гг. Маттиасом Шлейденом, немецким ботаником, когда он сформулировал вывод о том, что клетка является основной структурой растительных организмов.
Через год, в 1839, немецкий физиолог Теодор Шванн, опубликовал сочинение «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», тем самым сформулировав суть клеточной теории. Так было положено начало клеточной биологии как науки.
Клетка – элементарная единица живого.
Первый постулат Клеточной теории, первоначально сформулированный как «все живое состоит из клеток», в настоящее время включает положение о клетке не только как о структурной, но и функциональной единице живого.
Характеристика клетки как элементарной единицы живого раскрывается через определение жизни. Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ, способностью к росту и размножению, они обладают способностью активно регулировать свой состав и функции, различными формами движения, раздражимостью и приспособляемостью к среде. Эти свойства жизни реализуются только на клеточном уровне. Отдельные компоненты клетки могут обладать только отдельными свойствами жизни.
Например, известно, что молекула ДНК способна к самовоспроизведению – репликации не только в клетке, но и за ее пределами, выделенные рибосомы в присутствии необходимых веществ могут синтезировать белок in vitro, в пробирке. Вне клетки могут работать многие ферменты, участвующие в процессах синтеза и распада сложных биомолекул. Однако, в совокупности, в полном объеме законы жизни работают только в клетке, и только клетка отвечает определению «живое».
Несмотря на «элементарность» клетки как единицы жизни они разнообразны. Существует два типа клеток – клетки эукариотические и прокариотические. Прокариотические организмы, по всей вероятности, близки с первичными клетками. Несмотря на сравнительную простоту строения, они очень разнообразны в биохимическом отношении.
У бактерий, например, обнаруживаются все основные метаболические пути, включая процесс получения энергии. Многие из них способны синтезировать все необходимые вещества из нескольких простых соединений. Они успешно адаптировались к разнообразным условиям среды. Около 1,5 млрд лет назад произошел переход от прокариот к большим по размеру и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам, которые сумели обеспечить развитие многоклеточности и эволюцию многоклеточных организмов.
Несмотря на многочисленные и четкие отличия, прокариотические и эукариотические клетки имеют много общего. Это позволяет отнести их к единой, клеточной организации живого и подтвердить первый постулат клеточной теории.
Гомологичность клеток
Гомология – соответствие, сходство органов по основным, коренным свойствам, когда они имеют единый план строения и развиваются из одинаковых зачатков, но при этом могут иметь как морфологические, так и функциональные различия.
Так, гомологичными являются рука человека, крыло птицы и ласт кита.
При всем разнообразии подобны друг другу и едины по происхождению и клетки разных тканей и организмов, как животных, так и грибных и растительных.
Живая клетка состоит из ограниченного набора химических элементов. Шесть из них – углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера – составляют 90 % ее общей массы. Соединение, которое в наибольшем количестве содержат все живые клетки – это вода, на ее долю приходится около 70% массы клетки, большинство внутриклеточных реакций протекает в водной среде.
Все клетки используют всего лишь четыре основных типа молекул – это простые сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. Из малых молекул строятся макромолекулы – полисахариды, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Все клетки используют в качестве наследственного материала ДНК и имеют единый генетический код.
В прокариотических и эукариотических клетках протекают сходные процессы, обеспечивающие транспорт веществ в клетку и из нее, синтез белка и ДНК, энергетику клетки. При всем разнообразии прокариотических и эукариотических клеток они обнаруживают единый генетический код и удивительное сходство в строении, объясняемое сходством общеклеточных функций.
Гомологичностью клеток объясняется и явление тотипотентности или способность клетки путём деления дать начало целому организму. На этом свойстве основывается вегетативное размножение, строятся биотехнологические схемы клонирования растений и животных, когда из соматической клетки можно вырастить полноценный живой организм со всеми органами.
Клетка от клетки
Это положение клеточной теории было сформулировано Рудольфом Вирховым и стало биологическим законом. Р. Вирхов – основатель современной патологической анатомии и теории целлюлярной патологии.
Путей образования несколько. Деление прокариотических клеток является бинарным. Это означает, что клетка делится надвое перегородкой, без участия какого-либо специального аппарата.
Эукариотические клетки обычно формируют особый аппарат деления клетки – клеточное веретено, с помощью которого происходит точное распределение ранее удвоившихся хромосом по двум дочерним клеткам во время митоза или образуются половые клетки во время мейоза.
Возможно деление эукариотических клеток и без участия аппарата деления. Это так называемое прямое деление или амитоз. Амитоз встречается в клетках, образующих кратковременно функционирующие, а затем дегенерирующие ткани (эпителий), запасающие ткани (крахмалоносные клетки клубня картофеля, эндосперм, перисперм), в патологически измененных клетках.
Клетка и многоклеточный организм
Вопрос о связях и отношениях клеток внутри организма возник с момента создания клеточной теории. Т. Шванн считал, что организм представляет собой сумму жизнедеятельности клеток. Это утверждение не выдерживало никакой критики, и уже Вирхов расширил представления Шванна, предложив теорию организма как клеточного государства. Он распространил свои представления о социальном устройстве общества на биологическую систему. Лишь в середине 20 в. сложилось представление о взаимоотношениях клеток в многоклеточном организме.
Было показано, что такие организмы представляют собой сложные системы клеток, объединенные в ткани и органы, связь между тканями и органами осуществляется в различных формах. В процессе индивидуального и исторического развития возникновение многоклеточности неизбежно приводит к интеграции клеток.
Интеграция клеток – это образование клеточных комплексов, в пределах которых клетки специализируются на выполнении узко ограниченной работы и действуют как единое целое, как единая система.
В этой системе (первого порядка) сильны межклеточные контакты. На этом этапе интеграции они играют первостепенную роль. В такой системе появляются новые свойства, как эффект взаимодействия клеток. Эти новые свойства, отсутствующие у отдельных клеток и возникающие в их системе, называются эмерджентными (от лат. emergo – возникаю, появляюсь).
Таким образом, клетка в многоклеточном организме всегда должна рассматриваться с двух сторон – как морфологическая и физиологическая единица с одной стороны, и как интегрированная часть целого – с другой.
