Вспомните из разделов 6 и 7 классов, когда начались первые исследования растительных и животных клеток. Какие приборы используются для изучения клеточного строения организмов?
Рис. 36. Микроскоп Роберта Гука и срез пробки, увиденный им
Большинство организмов Земли имеют клеточное строение. Клетка - это структурно-функциональная единица живого, способная к самовоспроизведению, для которой характерны все признаки живого.
История открытия клеточного строения организмов. Открытие клетки произошло в середине XVII в. Тогда английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635- 1703) с помощью микроскопа впервые увидел и описал клеточное строение растений.
Рассматривая тонкий срез пробки при сильном увеличении микроскопа, Гук был поражен ее сложной структурой. Он писал: «Взяв кусочек чистой светлой пробки, я отрезал от него острым, как бритва, перочинным ножом очень тонкую пластинку. Когда затем я стал разглядывать его под микроскопом, ...я ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами... Эти поры, были неглубокими, а состояли из очень многих маленьких ячеек, вычлененных из непрерывной поры особыми перегородками. Такое строение свойственно не одной только пробке» (рис. 36).
Этими словами в 1665 г. Роберт Гук впервые сообщил о существовании клетки. Он же первым применил и термин «клетка» (cellula) для обозначения увиденной им клеточной стенки. Этот термин прочно вошел в биологию, а его открытие положило начало исследованию клеточного строения организмов.
Дальнейшее изучение клеточного строения организмов связано с именем голландского исследователя А. Левенгука. Линзы, изготовленные ученым, давали увеличение в 300 раз, что позволило сделать ряд больших открытий: описать бактерий, простейших (инфузорий), эритроциты, сперматозоиды. После публикации своих исследований Левенгук получил широкую известность как крупнейший ученый своего времени (рис. 37).
Рис. 37. Антон ван Левенгук (1632-1723)
Создание первой клеточной теории. Особенно интенсивно клетки стали изучать в XIX в., что было связано с усовершенствованием микроскопов. В 1939 г., обобщив многочисленные микроскопические исследования клеток, немецкие ученые зоолог Теодор Шванн и ботаник Маттиас Шлейден (рис. 38) сформулировали основные положения клеточной теории: 1) все организмы состоят из клеток; 2) клетки представляют собой мельчайшие структурные единицы жизни; 3) клетки в организме возникают путем новообразований из неклеточного вещества.
В некоторых выводах ученые ошиблись. В частности, положение о возникновении новых клеток оказалось неверным. Но основная идея клеточного строения организмов была правильной.
После создания клеточной теории исследования клетки стали ведущими в биологии. Благодаря работам многих ученых было детально изучено строение клеточного ядра, проведен анализ важнейших биологических процессов, происходящих с клетками. Особенно значимыми оказались исследования немецкого врача и ученого Рудольфа Вирхова (рис. 38), который исправил и дополнил клеточную теорию. В 1858 г. он обосновал принцип преемственности клеток: «каждая клетка происходит из клетки путем деления исходной клетки».
Рис. 38. Основоположники клеточной теории (слева направо): Маттиас Шлейден (1804-1881), Теодор Шванн (1810-1882) и Рудольф Вирхов (1821 - 1902)
Клеточная теория в основном была сформулирована. Однако методы исследования клетки были несовершенны, и наука о клетке еще не оформилась в самостоятельную научную дисциплину.
Цитология - наука о клетке. На рубеже XIX-XX вв. возник и сформировался новый раздел биологии - цитология (от греч. китос - сосуд, здесь - клетка и логос - учение) - наука, изучающая строение и функции клеток. Дальнейшее развитие этой науки было непосредственно связано с открытиями в физике, химии и совершенствованием микроскопической техники.
Рис. 39. Микроскопы: 1 - световой; 2 - электронный. Изображения клеток, полученные с различных микроскопов: 3 - светового; 4 - электронного
В настоящее время для изучения клеток ученые пользуются различными методами. Метод микроскопии дает возможность детально изучать внешний облик клеток, их микроструктуру (рис. 39). В световой микроскоп можно увидеть довольно крупные органоиды, например ядро, митохондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи. Электронный микроскоп дает увеличение в 1000 раз больше, чем световой, что позволяет детально рассмотреть структуру отдельных органоидов.
С помощью физико-химических и биохимических методов изучены органические и неорганические вещества живого, их функции и пути превращений в клетке. Применение методов культуры клеток и тканей позволило наблюдать за ростом и размножением клеток вне организма, выделять факторы роста, определять влияние различных веществ на клетки, получать клеточные гибриды путем слияния клеток.
Основные положения современной клеточной теории:
- клетка является структурно-функциональной единицей живого, представляющая собой элементарную живую систему, для которой характерны все основные признаки живого;
- клетки всех организмов имеют сходный химический состав и общий план строения;
- новая клетка возникает в результате деления исходной клетки;
- многоклеточные организмы развиваются из одной исходной клетки;
- сходство клеточного строения организмов свидетельствует о единстве их происхождения.
Световой микроскоп был существенно усовершенствован в период с 1887-1900 гг. Развитие химии и биохимии привело к разработке новых методов фиксации и окрашивания микропрепаратов. С этого мо мента цитология как наука приобрела экспериментальный характер. В 1930 г. был сконструирован электронный микроскоп, который позволил исследовать ультраструктуру клетки.
Упражнения по пройденному материалу
- Кем и когда впервые было открыто клеточное строение организмов?
- Назовите авторов первой клеточной теории и сформулируйте ее основные положения.
- Почему от момента открытия клеток до становления клеточной теории прошло около 200 лет?
- Что изучает ци тология?
- Какими методами пользуются современные ученые-цитологи?
- В чем преимущества электронного микроскопа по сравнению со световым?
Роберт Гук () В 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук рассматривал под микроскопом срез коры пробкового дуба и заметил, что он напоминает пчелиные соты. Описывая увиденное, Гук использовал слово «cell», что по-английски означает «ячейка», «камера», «келья». На русский язык термин был переведён как «клетка». История изучения клетки
Голландский купец Антони ван Левенгук завоевал славу учёного и подарил науке величайшие открытия. Он усовершенствовал микроскоп Гука и создал линзы, дающие увеличение в раз! Так открыли мир одноклеточных организмов. Антони ван Левенгук () История изучения клетки
В 1831 г. Роберт Броун, шотландский ботаник, впервые описал ядро в растительной клетке. Роберт Броун () Ядро растительной клетки История изучения клетки
Маттиас Шлейден () В 1838 г. немецкий ботаник Маттиас Шлейден пришёл к выводу, что ткани растений состоят из клеток. История изучения клетки
Теодор Шванн () В 1839 г. немецкий физиолог Теодор Шванн издал книгу « Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений », в которой сформулировал вывод о том, что клетка является структурной и функциональной единицей живых организмов. Это представление и получило название теории Шванна- Шлейдена. История изучения клетки
Карл Бэр, – академик Российской академии, - открыл яйцеклетку млекопитающих. Бэр установил, что все организмы начинают своё развитие из одной клетки – зиготы. Это открытие доказывает, что клетка является ещё и единицей развития всех живых организмов. Карл Бэр () История изучения клетки
Ян Пуркине () В 1840 г. Ян Пуркине предложил термин «протоплазма» для обозначения живого содержимого клетки. В 1844 г. учёный Гуго Моль () подробно описал содержимое клетки, применяя для него термин «протоплазма». История изучения клетки
В 1855 г. немецкий врач Рудольф Вирхов убедительно доказал, что клетки возникают только из клеток, путём размножения «клетки из клетки», опровергнув ошибочное представление клеткообразования Шлейдена и Шванна. Ошибка Вирхова: считал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая сама по себе. Позднее удалось доказать целостность клеточной системы. Рудольф Вирхов () История изучения клетки
В 1876 г. Александр Флемминг открыл клеточный центр. Александр Флемминг () Клеточный центр История изучения клетки
На рубеже 19 и 20-х веков сформировалась новая биологическая наука цитология (от греч. китос – клетка, логос - учение). Цитология изучает: 1. Строение клеток 4. Химический состав клеток 2. Строение органоидов клеток 5. Размножение и развитие клеток 3. Функции органоидов и других внутриклеточных структур История изучения клетки
1. Микроскопирование Электронный микроскоп Изобретён в 30-х годах 20-го века. Современные электронные микроскопы позволяют увеличить изображение до раз, а значит и более детально рассматривать структуру органоидов клетки. Методы изучения клетки
3. Флуоресцентная микроскопия Живые клетки наблюдают в ультрафиолетовом свете. При этом одни компоненты начинают сразу светиться, другие светятся при добавлении специальных красителей. Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть места расположения нуклеиновых кислот, витаминов, жиров. 4. Метод культуры клеток и тканей Позволяет увидеть рост клеток, наблюдать за размножением, определять влияния различных веществ на клетки, получать клеточные гибриды. Методы изучения клетки
1.В медицине – для исследования причин заболеваний человека и других живых организмов и изобретения их лечения 2. Для классификации живых организмов 3. В генетике (наследственные заболевания, мутации) 4. В сельском хозяйстве (генная, клеточная инженерии, селекция) 5. Для раскрытия тайн эволюции Значение изучения клетки
Закрепление знаний 1. Впервые увидел и описал клетки растений… 1) Р. Вирхов 3) К. Бэр 2) Р. Гук 4) А. Левенгук 2.Усовершенствовал микроскоп и впервые увидел одноклеточные организмы… 1) М.Шлейден 3) Р. Вирхов 2) А. Левенгук 4) Р. Гук 3. Создателями клеточной теории являются: 1) Ч.Дарвин и А.Уоллес 3) Г.Мендель и Т. Морган 2)Т.Шванн и М.Шлейден 4) Р.Гук и Н.Грю 4. Клеточная теория не приемлема для.. 1) грибов и бактерий 3) животных и растений 2)вирусов и бактерий 4) бактерий и растений 5. Клеточное строение всех организмов свидетельствует о… 1) единстве хим. состава 3) единстве происхождения всего живого 2) многообразии живых 4) единстве живой и неживой природы организмов
Тема лекции: Основы цитологии. Прокариоты.
План лекции:
1. История изучения клетки
2. Основные положения клеточной теории
3. Империи и царства живых организмов
4. Строение прокариотической клетки
1. История изучения клетки
Англичанин Роберт Гук (1635-1703), физик и ботаник, рассматривая под микроскопом срезы пробки, сердцевины бузины, обнаружил ячеистое строение. Назвал эти ячейки (сходство с пчелиными сотами)cellula (лат. ячейка, клетка). Опубликовал свои наблюдения в 1665 году.
Голландец Антони ван Левенгук (1632-1723) впервые обнаружил под микроскопом бактерии. Достиг увеличения в 230 раз. Торговец сукном. Почетная обязанность – привратник ратуши голландского города Делфта. 170 писем в Лондонское королевское общество с рисунками "зверьков" (animalcula , лат.). В 1695 году изданы в виде книги "Arcana naturae " (Тайна природы).
В 1825 году чех Ян Пýркине (1787-1869) наблюдал студенистое содержимое клетки, которое назвалпротоплазмой (греч.protos – первый,plasma- образование); открыл ядро у яйцеклетки. Часто его называют на французский лад – Пуркинье (что неверно!).
Ядро растительной клетки наблюдал также английский ботаник Роберт Броун (1773-1858) в 1831 г. Он же открыл "броуновское движение". Ядро –nucleus (лат.),karyon (греч. – ядро ореха).
Эти работы послужили основой для создания клеточной теории . Ее сформулировали в 1838-1839 гг. немецкие ученые ботаникМатиас Шлейден (1804-1881) и физиолог, гистологТеодор Шванн (1810-1882).
Основные положения ее:
1. Все организмы - и растительные, и животные – состоят из клеток; клетка – главная структурная единица живых организмов.
2. В основе роста живых организмов лежат размножение и рост клеток.
Шлейден и Шванн считали, что клетки возникают из первичного неструктурированного внеклеточного вещества . Это положение опроверг в 1859 г. немецкий врачРудольф Вирхов (1821-1902). Он существенно дополнил клеточную теорию положением о том, что клетка происходит только из предсуществующей клетки путём деления ("cellula ex cellula "). Клеточная теория обеспечила прорыв в познании структуры и функции живого. Основные ее положения сохраняют свое значение и сегодня.
2. Основные положения клеточной теории (в современной трактовке)
1. Клетка – элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и развития. Вне клетки жизни нет.
2. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.
3. Клетки всех организмов сходны по строению; в их состав входят мембраны, цитоплазма и ядро или нуклеоид.
4. Рост и развитие многоклеточного организма – следствие роста и размножения одной или нескольких исходных клеток.
5. Клеточное строение организмов – свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.
3. Империи и царства живых организмов
Различают клетки двух типов:- прокариотические (доядерные, или предъядерные, греч.pro - перед);
- эукариотические (ядерные, греч.eu – хорошо!).
Надцарство (или империя) прокариот включает царства эубактерий (грамположительные, грамотрицательные, bakterion – палочка – греч.) и сине-зеленых водорослей, или цианобактерий, и царство архебактерий.
Это наиболее просто устроенные организмы, которые появились в глубокой древности, и дожили до наших дней.
Вопрос 1. Расскажите об истории открытия клетки.
Открытие клеточного строения живых организмов стало возможно благодаря появлению микроскопа. Его прототип в 1590 г. изобрел голландский шлифовальщик стекол Захарий Янсен. О первом микроскопе известно, что он состоял из трубы, прикрепленной к подставке, и имел два увеличительных стекла.
Значение микроскопа для исследования строения срезов растительных и животных объектов впервые оценил английский физик и ботаник Роберт Гук. В 1665 г. на срезах пробки он обнаружил структуры, напоминающие пчелиные соты, и назвал их ячейками или клетками. Однако Гук ошибался, считая, что клетки пустые, а живое вещество - это клеточные стенки.
Голландский натуралист Антони ван Левенгук во второй половине XVII в. усовершенствовал микроскоп и первым увидел живые клетки. Он наблюдал и зарисовал ряд простейших, сперматозоиды, бактерии, эритроциты и даже их движение в капиллярах.
Вопрос 2. Кем и когда впервые была сформулирована клеточная теория?
Изучение клеток растений и животных позволило обобщить все особенности их строения. В 1838 г. М. Шлейден создал теорию цитогенеза (клеткообразования). Его основная заслуга - постановка вопроса о возникновении клеток в организме. В 1839 г. Т. Шванн, основываясь на работах М. Шлейдена, создал клеточную теорию. Основные положения клеточной теории (М. Шлейден и Т Шванн):
1) все ткани состоят из клеток;
2) клетки растений и животных имеют обшие принципы строения, т.к. возникают одинаковыми путями;
3) каждая отдельная клетка самостоятельна, а деятельность организма представляет собой сумму жизнедеятельности отдельных клеток.
Большое внимание на дальнейшее развитие клеточной теории оказал в 1858 и Р. Вирхов. Он не только свел воедино все многочисленные разрозненные факты, но и убедительно показал, что клетки являются постоянной структурой и возникают только путем размножения себе подобных - «всякая клетка происходит из другой клетки в результате деления, точно так же как от растения образуется растение, а от животных животные», т.е. открыл деление клеток.
Вопрос 3. Перечислите современные положения клеточной теории
.
В наше время цитология, используя достижения генетики, молекулярной и физико-химической биологии, очень быстро развивается. И хотя основные положения теории Т. Шванна и М. Шлейдена остаются актуальными, полученные данные позволили сформировать более глубокие представления о структуре и функциях клетки. На их основе сформулирована современная клеточная теория. Перечислим ее основные положения:
1) клетка единица строения, функционирования, размножения и развития живых организмов;
2) клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу;
3) размножение клеток происходит путем деления материнской клетки;
4) клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани.
Вопрос 4. Охарактеризуйте значение клеточной теории для развития биологии.
По определению философов, изучавших историю науки (например, Фридриха Энгельса), клеточная теория является одним из величайших открытий XIX в. Она сыграла огромную роль в развитии не только биологии, но и естествознания в целом. Простейшие, бактерии, многие грибы и водоросли представляют собой отдельно существующие друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных организмов - растений, грибов и животных - построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются элементарными структурами, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему или ее часть, она имеет набор признаков и свойств, общих для всех клеток.
Клеточная теория впервые однозначно указала на единство живого мира. С ее появлением исчезла пропасть между царством животных и царством растений. На основе клеточной теории в середине XIX в. возникла цитология - наука, изучающая структуру и функции клетки.
Подумайте, для каких представителей органического мира понятия «клетка» и «организм» совпадают.
Клетка - основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм.
Понятия «клетка» и «организм» совпадают в том случае, если речь идет об одноклеточных организмах. К ним относятся прокариоты, или безъядерные (в частности, бактерии), а из эукариот, или ядерных, - простейшие (такие, как инфузория туфелька, хламидомонада, эвглена зеленая). Их тело состоит из одной клетки, которая реализует все функции организма - обмен веществ, раздражимость, размножение, движение. Выполнению этих функций способствуют разнообразные органоиды, в том числе специального назначения (например, жгутики и реснички обеспечивают движение). Одноклеточные организмы часто способны образовывать скопления - колонии. Однако к колонии еще неприменимо понятие «многоклеточный организм», поскольку входящие в ее состав клетки имеют однотипное строение (не подразделяются на ткани), слабо взаимодействуют друг с другом и, будучи изолированы от колонии, без особых проблем продолжают самостоятельно существовать и размножаться.