Клітинна теорія
Клітини - це структурні одиниці організмів. Вперше цей термін вжив Роберт Гук у 1665 році. До XIX століття зусиллями багатьох вчених (особливо Маттіаса Шлейдена і Теодора Шванна) склалася клітинна теорія. Її основними положеннями були наступні твердження:
- Клітина - основна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;
- Клітини всіх організмів подібні за своєю будовою, хімічним складом, основним проявам життєдіяльності;
- Кожна нова клітина утворюється в результаті розподілу вихідної (материнської) клітини;
в багатоклітинних організмах клітини спеціалізовані за виконуваної ними функції і утворюють тканини. З тканин складаються органи, які тісно пов'язані між собою і підпорядковані систем регуляції.
Практично всі тканини багатоклітинних організмів складаються з клітин. З іншого боку, слизовики складаються з нерозділеного перегородками клітинної маси з безліччю ядер. Подібним чином влаштована і серцевий м'яз тварин. Ряд структур організму (раковини, перлини, мінеральна основа кісток) утворені не клітинами, а продуктами їх секреції.
Дрібні організми можуть складатися всього лише з сотень клітин. Організм людини включає в себе 10 14 клітин. Найменша з відомих зараз клітин має розмір 0,2 мкм, найбільша - незаплідненої яйце епіорніса - важить близько 3,5 кг. Типові розміри рослинних і тваринних клітин становлять від 5 до 20 мкм. При цьому між розмірами організмів і розмірами їх клітин прямої залежності зазвичай немає.
70-80% маси клітини - це вода.
Для того, щоб підтримувати в собі необхідну концентрацію речовин, клітина повинна бути фізично відокремлена від свого оточення. Разом з тим, життєдіяльність організму передбачає інтенсивний обмін речовин між клітинами. Роль бар'єру між клітинами грає плазматична мембрана.
Внутрішня будова клітини довгий час було загадкою для вчених; вважалося, що мембрана обмежує протоплазму - якусь рідину, в якій і відбуваються всі біохімічні процеси. Завдяки електронній мікроскопії таємницю протоплазми вдалося розкрити, і зараз відомо, що всередині клітини є цитоплазма, в якій присутні різні органели, і генетичний матеріал у вигляді ДНК, зібраний, в основному, в ядрі (в еукаріот).
Будова клітини є одним з важливих принципів класифікації організмів. У наступних параграфах ми спочатку розглянемо структури, загальні для рослинних і тваринних клітин, потім характерні особливості клітин рослин і доядерние організмів. Закінчиться цей розділ розглядом принципів поділу клітини.
Вивченням клітин займається цитологія.
1 |
Структура клітини тварини |
2 |
Структура клітини рослини |
Антоні ван Левенгук встановив, що речовина, яка була всередині клітини, належним чином організовано. Він першим виявив клітинні ядра. На цьому рівні уявлення про клітину проіснувала ще більше 100 років.
Вивчення клітини прискорилося в 1830-х роках, коли з'явилися вдосконалені мікроскопи. У 1838-1839 ботанік Маттіас Шлейден і анатом Теодор Шванн практично одночасно висунули ідею клітинної будови організму. Т. Шванн запропонував термін «клітинна теорія» та представив цю теорію наукової спільноти. Виникнення цитології тісно пов'язане зі створенням клітинної теорії - самого широкого і фундаментального з усіх біологічних узагальнень. Згідно клітинної теорії, всі рослини і тварини складаються з подібних одиниць - клітин, кожна з яких має всі властивості живого.
Найважливішим додаток клітинної теорії стало твердження знаменитого німецького натураліста Рудольфа Вірхова, що кожна клітина утворюється в результаті поділу іншої клітки.
У 1870-х роках були відкриті два способи поділу клітини еукаріотів, згодом названі мітоз і мейоз. Вже через 10 років після цього вдалося встановити головні для генетики особливості цих типів поділу. Було встановлено, що перед митозом відбувається подвоєння хромосом і їх рівномірний розподіл між дочірніми клітинами, так що в дочірніх клітинах зберігається колишнє число хромосом. Перед мейозом хромосом також подвоюється, але в першому (редукціону) розподілі до полюсів клітини розходяться двухроматідние хромосоми, так що формуються клітини з гаплоїдним набором, число хромосом у них в два рази менше, ніж у материнській клітині. Було встановлено, що число, форма і розміри хромосом - каріотип - однаково у всіх соматичних клітинах тварин даного виду, а число хромосом у гаметах в два рази менше. Згодом ці цитологічні відкриття лягли в основу хромосомної теорії спадковості.
Цитологія наука про клітини - структурних і функціональних одиницях майже всіх живих організмів
У багатоклітинному організмі всі складні прояви життя виникають в результаті координованої активності складових його клітин. Завдання цитолога - встановити, як побудована жива клітина і як вона виконує свої нормальні функції. Вивченням клітин займаються також патоморфології, але їх цікавлять зміни, що відбуваються в клітинах під час хвороби або після смерті. Незважаючи на те, що вченими давно вже було накопичено чимало даних про розвиток і будову тварин і рослин, тільки в 1839 були сформульовані основні концепції клітинної теорії і почався розвиток сучасної цитології.
Клітини - це дрібні одиниці живого, про що наочно свідчить здатність тканин розпадатися на клітини, які потім можуть продовжувати жити в «тканинної» або клітинної культури і розмножуватися подібно крихітним організмам. Згідно клітинної теорії, всі організми складаються з однієї або багатьох клітин. З цього правила є кілька виключень. Наприклад, в тілі слизовиків (міксоміцетів) і деяких дуже дрібних плоских хробаків клітини не відокремлені один від одного, а утворюють більш-менш злиту структуру - т.зв. синцитій. Проте можна вважати, що така будова виникло вдруге в результаті руйнування ділянок клітинних мембран, що були у еволюційних предків цих організмів. Багато гриби ростуть, утворюючи довгі ниткоподібні трубки, або гіфи. Ці гіфи, часто розділені перегородками - септах - на сегменти, теж можна розглядати як своєрідні витягнуті клітини. З однієї клітини складаються тіла протистов і бактерій.
Між бактеріальними клітинами і клітинами всіх інших організмів існує одна важлива відмінність: ядра і органели («маленькі органи») бактеріальних клітин не оточені мембранами, і тому ці клітини називають прокариотическими («доядерние»); всі інші клітини називають еукаріотичних (зі «справжніми ядрами »): їхні ядра й органели укладені в мембрани. У цій статті розглядаються тільки еукаріотичні клітини.
Відкриття клітини
Вивчення найдрібніших структур живих організмів стало можливим лише після винаходу мікроскопа, тобто після 1600. Перший опис і зображення клітин дав у 1665 англійський ботанік Р. Гук: розглядаючи тонкі зрізи висушеної пробки, він виявив, що вони «складаються з безлічі коробочок». Кожну з цих коробочок Гук назвав клітиною («камерою»). Італійський дослідник М. Мальпігі (1674), голландський вчений А. ван Левенгук, а також англієць Н. Грю (1682) незабаром привели безліч даних, що демонструють клітинну будову рослин. Проте жоден з цих спостерігачів не зрозумів, що дійсно важливою речовиною був виповняє клітини драглистий матеріал (згодом названий протоплазмою), а здавалися їм настільки важливими «клітки» були просто млявими целюлозними коробочками, в яких містилося це речовина. До середини 19 ст. в працях ряду вчених вже проглядалися зачатки якоїсь «клітинної теорії» як загального структурного принципу. У 1831 Р. Броун встановив існування в клітці ядра, але не зумів оцінити всю важливість свого відкриття. Незабаром після відкриття Броуна кілька вчених переконалися в тому, що ядро заглиблені в напіврідку протоплазму, що заповнює клітку. Спочатку основною одиницею біологічної структури вважали волокно. Проте вже на початку 19 ст. майже всі стали визнавати неодмінним елементом рослинних і тваринних тканин структуру, яку називали бульбашкою, глобул або клітиною.
Створення клітинної теорії. Кількість прямих відомостей про клітині і її вміст надзвичайно зросла після 1830, коли з'явилися вдосконалені мікроскопи. Потім у 1838-1839 сталося те, що називають «завершальним мазком майстра». Ботанік М. Шлейден і анатом Т. Шванн практично одночасно висунули ідею клітинної будови. Шванн запропонував термін «клітинна теорія» та представив цю теорію наукової спільноти. Згідно клітинної теорії, всі рослини і тварини складаються з подібних одиниць - клітин, кожна з яких має всі властивості живого. Ця теорія стала наріжним каменем всього сучасного біологічного мислення.
Відкриття протоплазми. Спочатку незаслужено велика увага приділяли стінок клітини. Проте ще Ф. Дюжарден (1835) описав живої холодець в одноклітинних організмів і черв'яків, назвавши його «саркодой» (тобто «схожим на м'ясо»).
Ця в'язка субстанція була, на його думку, наділена всіма властивостями живого. Шлейден теж виявив в рослинних клітинах дрібнозернистий речовина і назвав його «рослинної слизом» (1838). Через 8 років Г.фон Моль скористався терміном «протоплазма» (застосованим в 1840 Я. Пуркіньє для позначення субстанції, з якої формуються зародки тварин на ранніх стадіях розвитку) і замінив ним термін «рослинна слиз». У 1861 М. Шультц виявив, що саркода міститься також у тканинах вищих тварин і що ця речовина ідентично як структурно, так і функціонально т.зв. протоплазмі рослин. Для цієї «фізичної основи життя», як визначив її згодом Т. Гекслі, був прийнятий загальний термін «протоплазма». Концепція протоплазми свого часу відіграла важливу роль, а проте вже давно стало ясно, що протоплазма не однорідна ні за своїм хімічним складом, ні за структурою, і цей термін поступово вийшов з ужитку. В даний час головними компонентами клітини зазвичай вважають ядро, цитоплазму і клітинні органели. Поєднання цитоплазми та органел практично відповідає тому, що мали на увазі перші цитологи, кажучи про протоплазмі.
Основні властивості живих клітин
Вивчення живих клітин пролило світло на їх життєво важливі функції. Було встановлено, що останні можна розбити на чотири категорії: рухливість, подразливість, метаболізм і розмноження.
Рухливість проявляється в різних формах: 1) внутрішньоклітинна циркуляція вмісту клітини; 2) перетікання, що забезпечує переміщення клітин (наприклад, клітин крові), 3) биття крихітних протоплазматичними виростів - війок і джгутиків; 4) скоротність, найбільш розвинена в м'язових клітин.
Подразливість виражається у здатності клітин сприймати стимул і реагувати на нього імпульсом, або хвилею збудження. Ця активність виражена у найвищій мірі у нервових клітин.
Метаболізм включає всі перетворення речовини та енергії, які відбуваються в клітинах.
Розмноження забезпечується здатністю клітини до поділу і утворення дочірніх клітин. Саме здатність відтворювати самих себе і дозволяє вважати клітини дрібними одиницями живого. Однак багато високодиференційовані клітини цю здатність втратили.
В кінці 19 ст. головну увагу цитологів було направлено на докладне вивчення будови клітин, процесу їх ділення та з'ясування їх ролі як найважливіших одиниць, що забезпечують фізичну основу спадковості і процесу розвитку.
Розвиток нових методів. Спочатку при вивченні деталей будови клітин доводилося покладатися головним чином на візуальне дослідження мертвого, а не живого матеріалу. Необхідні були методи, які дозволяли б зберігати протоплазму, не ушкоджуючи її, виготовляти досить тонкі зрізи тканини, що проходять і через клітинні компоненти, а також фарбувати зрізи, щоб виявляти деталі клітинної будови. Такі методи створювалися і вдосконалювалися протягом всієї другої половини 19 ст. Удосконалювався і сам мікроскоп. До числа важливих досягнень в його будові слід віднести: освітлювач, розташований під столиком, для фокусування пучка світла; апохроматичних об'єктив для коригування недоліків фарбування, що спотворюють зображення; Імерсійний об'єктив, що дає більш чітке зображення і збільшення в 1000 разів і більше.
Було також виявлено, що основні барвники, наприклад гематоксилін, володіють спорідненістю до вмісту ядра, а кислотні барвники, наприклад еозин, забарвлюють цитоплазму; це спостереження послужило основою для створення різноманітних методів контрастного або диференціального фарбування. Завдяки цим методам і вдосконаленим мікроскопам поступово накопичувалися найважливіші відомості про будову клітини, її спеціалізованих «органах» і різних неживих включеннях, які клітина або сама синтезує, або поглинає ззовні і накопичує.
Закон генетичної безперервності. Фундаментальне значення для подальшого розвитку клітинної теорії мала концепція генетичної безперервності клітин. Свого часу Шлейден вважав, що клітини утворюються в результаті свого роду кристалізації з клітинної рідини, а Шванн в цьому хибному напрямі пішов ще далі: на його думку, клітини виникали з якоїсь «бластемной» рідини, що знаходиться поза клітинами.
Спочатку ботаніки, а потім і зоологи (після того як роз'яснили суперечності у даних, отриманих при вивченні деяких патологічних процесів) визнали, що клітини виникають тільки в результаті поділу вже існуючих клітин. У 1858 Р. Вірхов сформулював закон генетичної безперервності в афоризмі «Omnis cellula e cellula» («Кожна клітина з клітини»). Коли було встановлено роль ядра в клітинному поділі, В. Флеммінг (1882) перефразував цей афоризм, проголосивши: «Omnis nucleus e nucleo» («Кожне ядро з ядра»). Одним з перших важливих відкриттів у вивченні ядра було виявлення в ньому інтенсивно забарвлюються ниток, названих хроматином. Подальші дослідження показали, що при поділі клітини ці нитки збираються в дискретні тільця - хромосоми, що число хромосом постійно для кожного виду, а в процесі клітинного ділення, або мітозу, кожна хромосома розщеплюється на дві, так що кожна клітина отримує типове для даного виду число хромосом. Отже, афоризм Вірхова можна поширити і на хромосоми (носії спадкових ознак), оскільки кожна з них походить від предсуществующей.
У 1865 було встановлено, що чоловіча статева клітина (сперматозоїд, або спермій) являє собою повноцінну, хоча і високоспеціалізовану клітку, а через 10 років Гертвиг простежив шлях сперматозоїда в процесі запліднення яйцеклітини. І нарешті, в 1884 Е. ван Бенедем показав, що в процесі утворення як сперматозоїда, так і яйцеклітини відбувається модифіковане клітинний розподіл (мейоз), в результаті якого вони отримують по одному набору хромосом замість двох. Таким чином, кожен зрілий сперматозоїд і кожна зріла яйцеклітина містять лише половинне число хромосом у порівнянні з іншими клітинами даного організму, і при заплідненні відбувається просто відновлення нормального числа хромосом. У результаті запліднена яйцеклітина містить по одному набору хромосом від кожного з батьків, який є основою для наслідування ознак і по батьківській, і по материнській лінії. Крім того, запліднення стимулює початок дроблення яйцеклітини і розвиток нового індивіда.
Уявлення про те, що хромосоми зберігають свою ідентичність і підтримують генетичну безперервність від одного покоління клітин до іншого, остаточно сформувалося в 1885 (Рабле). Незабаром було встановлено, що хромосоми якісно відрізняються один від одного за своїм впливом на розвиток (Т. Бовері, 1888). Почали з'являтися також експериментальні дані на користь висловленої раніше гіпотези В. Ру (1883), згідно з якою навіть окремі частини хромосом впливають на розвиток, структуру та функціонування організму.
Таким чином, ще до кінця 19 ст. було зроблено два важливих висновки. Одне полягало в тому, що спадковість є результат генетичної безперервності клітин, забезпечувана клітинним поділом. Інша - що існує механізм передачі спадкових ознак, який знаходиться в ядрі, а точніше - в хромосомах. Було встановлено, що завдяки суворому подовжньому розщепленню хромосом дочірні клітини отримують цілком таку ж (як якісно, так і кількісно) генетичну конституцію, як початкова клітина, від якої вони відбулися.
Закони спадковості
Другий етап у розвитку цитології як науки охоплює 1900-1935. Він наступив після того, як в 1900 були вдруге відкриті основні закони спадковості, сформульовані Г. Менделем у 1865, але не привернули до себе уваги і надовго віддані забуттю. Цитологи, хоча і продовжували займатися вивченням фізіології клітини і такими її органелами, як центросома, мітохондрії і апарат Гольджі, основну увагу зосередили на будові хромосом і їх поведінці. Проводилися в цей же час експерименти зі схрещування швидко збільшували обсяг знань про способи спадкування, що призвело до становлення сучасної генетики як науки. У результаті виник «гібридний» розділ генетики - цитогенетика.
Досягнення сучасної цитології
Нові методи, особливо електронна мікроскопія, застосування радіоактивних ізотопів і високошвидкісного центрифугування, що з'явилися після 1940-х років, дозволили досягти величезних успіхів у вивченні будови клітини. У розробці єдиної концепції фізико-хімічних аспектів життя цитологія все більше зближується з іншими біологічними дисциплінами. При цьому її класичні методи, засновані на фіксації, фарбуванні та вивченні клітин під мікроскопом, як і раніше зберігають практичне значення.
Цитологічні методи використовуються, зокрема, в селекції рослин для визначення хромосомного складу рослинних клітин. Такі дослідження надають велику допомогу в плануванні експериментальних схрещувань та оцінці отриманих результатів. Аналогічний цитологічний аналіз проводиться і на клітинах людини: він дозволяє виявити деякі спадкові захворювання, пов'язані із зміною числа і форми хромосом. Такий аналіз в поєднанні з біохімічними тестами використовують, наприклад, при амниоцентезе для діагностики спадкових дефектів плоду.
Однак найважливіше застосування цитологічних методів у медицині - це діагностика злоякісних новоутворень. У ракових клітинах, особливо в їх ядрах, виникають специфічні зміни, які розпізнаються досвідченими патоморфології.
Цитологія є досить простим і високоінформативним методом скринінгової діагностики різних проявів папіломавірусу. Це дослідження проводиться як у чоловіків, так і у жінок. Однак у більшій мірі цей вид діагностики виконується у жінок з різними захворюваннями шийки матки.
Результат дослідження безпосередньо залежить від техніки забору матеріалу для дослідження. У жінок рекомендується проводити забір матеріалу з поверхні вульви, піхви, шийки матки за допомогою шпателя, ложечки Фолькмана або універсального пластикового зонда. Щоб отримати зішкріб епітелію з цервікального каналу, існує безліч цервікальних щіток. Також існують зонди, за допомогою яких можна одночасно отримати зішкріб як з ендоцервіксу, так і з екзоцервікса. Не буде зайвим сказати, що дослідження варто проводити після виключення будь-яких запальних процесів. Спочатку марлевим тампоном видаляється слиз, вагінальні виділення, після чого відбувається забір матеріалу. Дослідження можна виконувати в будь-який день циклу за винятком періовуляторние періоду і менструації. Крім того, цитологічне дослідження потрібно проводити не раніше ніж через другу діб після останнього статевого акту, під час лікування інфекційно-запальних захворювань (особливо якщо використовуються різні антисептики, вагінальні свічки і креми, сперміциди), а також не раніше 48 годин після проведення кольпоскопії, під час якої застосовувалися розчини укусу і Люголя.
Матеріал наноситься на предметне скло рівним шаром, після чого відбувається їх фіксація, наприклад, сумішшю Нікіфорова. Забарвлення виконується по Папаніколау. Дослідження цитологічних мазків, забарвлених таким чином, вважається еталонним і отримало назву Pap-smear test.
Правильно виконаний забір матеріалу призводить до того, що в досліджуваному зразку повинен бути не менше 8000 - 15000 клітин.
Діагностика різних станів шийки матки, оцінених під час проведення цитологічного дослідження, грунтується на класифікації Папаніколау. У ній розрізняють:
1. 1-ий клас - це нормальні епітеліальні клітини.
2. 2-ий клас являє собою епітеліальні клітини практично з нормальною будовою, проте спостерігається незначне збільшення ядер і поява метаплазованого епітелію.
3. 3-й клас характеризується вираженими змінами клітин у вигляді укрупнених ядер. Такий стан називається діскаріоз.
4. 4-ий клас - візуалізація клітин, яким можна привласнити значення атипія.
5. 5-ий клас - це типові ракові клітини.
Однак у класифікації Папаніколау немає абсолютно точних критеріїв для діагностики папіломавірусу, тому останнім часом трактування результатів грунтується на класифікації Бетесда. На підставі даних цитологічного дослідження багато в чому визначається тактика лікаря з ведення жінок.
На сучасному етапі впроваджується так звана рідинна цитологія, яка представляє собою забір матеріалу в рідкий консервант. Далі з однієї проби виконується типування ВПЛ методом ПЛР та цитологія.
Специфічним ознакою наявності папіломавірусної інфекції при проведенні цитологічного дослідження є визначення койлоцітов. Койлоціти - це гинуть епітеліальні клітини, що мають характерні зміни, викликані знаходженням в них вірусу папіломи людини. Цитологічно це клітка з оксифільних окрашиваемость. Навколо ядра є зона просвітлення, в цитоплазмі - безліч вакуоль, що містять вірусні частинки. По периферії койлоцітов можуть бути цитоплазматичні фібрили.
Література
1. Ченцов Ю.С. Загальна цитологія, 3-е вид. М., 1995 Грін М., Стаут У., Тейлор Д. Біологія, т. 1. М., 1996
Посилання (links):
http://www.papillomavirus.ru/klass-betesda.php http://www.papillomavirus.ru/taktika-vracha.php http://www.papillomavirus.ru/citologia.php