Клеточная теория

Содержание

Введение

Все живые существа состоят из клеток - маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным  водным раствором химических веществ. Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. Считается, что все организмы и все составляющие их клетки произошли эволюционным путем от общей преДНКовой клетки. Два основных процесса эволюции - это:

1. случайные изменения генетической информации, передаваемой от организма к его потомкам;
2. отбор генетической информации, способствующей выживанию и размножению своих носителей.

Эволюционная теория является центральным  принципом биологии, позволяющим  нам осмыслить ошеломляющее разнообразие живого мира.

Естественно, в эволюционном подходе  есть свои опасности: большие пробелы  в наших знаниях мы заполняем  рассуждениями, детали которых могут  быть ошибочными.

Но, что еще более важно, каждый современный организм содержит информацию о признаках живых организмов в прошлом. В частности, существующие ныне биологические молекулы позволяют судить об эволюционном пути, демонстрируя фундаментальное сходство между наиболее далекими живыми организмами и выявляя некоторые различия между ними.

Глава 1 Клеточная теория

Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента живых организмов.

Общие сведения

Клеточная теория — основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Матиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её важнейшим положением (всякая клетка из клетки).

Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерии имеют схожее строение. Позднее эти заключения стали основой для доказательства единства организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни.

Основные положения  клеточной теории:

1) Клетка - элементарная единица живого, основная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов.

1.1) О вирусах (1898г.): вне клетки  жизни нет.

2) Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов имеют общее происхождение и сходны по своему строению и химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

3) Размножение клеток происходит путём их деления. Новые клетки всегда возникают из предшествующих клеток.

4) Клетка - это единица развития живого организма.

Дополнительные положения  клеточной теории

Для приведения клеточной теории в  более полное соответствие с данными  современной клеточной биологии список её положений часто дополняют  и расширяют. Во многих источниках эти  дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

1. Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу.
2. В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации - молекул нуклеиновых кислот ("каждая молекула из молекулы"). Положения о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из её более мелких компонентов — к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.
3. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединённых и интегрированных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).
4. Клетки многоклеточных обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной работой различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - к дифференцировке.

1.1 Примерная история клетки

Вначале под действием различных природных  факторов (тепло, ультрафиолетовое излучение, электрические разряды) появились  первые органические соединения, которые  послужили материалом для построения живых клеток.

Ключевым  моментом в истории развития жизни  видимо стало появление первых молекул-репликаторов. Репликатор – это своеобразная молекула, которая является катализатором  для синтеза своих собственных  копий или матриц, что является примитивным аналогом размножения  в животном мире. Из наиболее распространённых в настоящее время молекул, репликаторами являются ДНК и РНК. Например, молекула ДНК, помещённая в стакан с необходимыми компонентами, самопроизвольно начинает создавать свои собственные копии (хотя и значительно медленнее, чем в клетке под действием специальных ферментов).

Появление молекул-репликаторов запустило механизм химической (добиологической) эволюции. Первым субъектом эволюции были скорее всего примитивные, состоящие всего из нескольких нуклеотидов, молекулы РНК. Для этой стадии характерны (хотя и в очень примитивизированном виде) все основные черты биологической эволюции: размножение, мутации, смерть, борьба за выживание и естественный отбор.

Химической  эволюции способствовал тот факт, что РНК является универсальной  молекулой. Кроме того, что она является репликатором (т.е. носителем наследственной информации), она может выполнять функции ферментов (например, ферментов, ускоряющих репликацию, или ферментов, разлагающих конкурирующие молекулы).

В какой-то момент эволюции возникли РНК-ферменты, катализирующие синтез молекул липидов (т.е. жиров). Молекулы липидов обладают одним замечательным свойством: они полярные и имеют линейную структуру, причём толщина одного из концов молекулы больше, чем у другого. Поэтому молекулы липидов во взвеси самопроизвольно собираются в оболочки, близкие по форме к сферическим. Так что РНК, синтезирующие липиды, получили возможность окружать себя липидной оболочкой, значительно улучшившую устойчивость РНК к внешним факторам.

Постепенное увеличение длины РНК приводило  к появлению многофункциональных  РНК, отдельные фрагменты которых  выполняли различные функции.

Первые  деления клеток происходили, видимо, под действием внешних факторов. Синтез липидов внутри клетки приводил к увеличению её размеров и к потере прочности, так что большая аморфная оболочка разделялась на части под действием механических воздействий. В дальнейшем возник фермент, регулирующий этот процесс.

2. Строение клеток

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два  надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм, организация  клеток всех живых организмов подчинена  единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Строение  типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех) — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты - прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.

Глава 2 Значение работ М. Шлейден и Т. Шванн

В 1838 г. М. Шлейден и Т. Шванн разработали клеточную теорию (заложили основы науки «Цитологии»).

Матиас Шлейден – немецкий ботаник. Основное направление научных исследований – цитология и физиология растений. В 1837 М. Шлейден предложил новую теорию образования растительных клеток, основанную на представлении о решающей роли в этом процессе клеточного ядра. Шлейден М. полагал, что новая клетка как бы выдувается из ядра и затем покрывается клеточной стенкой. Исследования М. Шлейдена способствовали созданию   Т. Шванном клеточной теории. Известны работы М. Шлейдена о развитии и дифференцировке клеточных структур высших растений. В 1842 он впервые обнаружил ядрышки в ядре. Среди наиболее известных трудов ученого – «Основы ботаники»

Теодор Шванн – немецкий зоолог, гистолог ознакомился с трудами  ботаника М. Шлейдена, которые описывали роль ядра в растительной клетке. Сопоставляя эти работы с собственными наблюдениями, Т. Шванн разработал собственные принципы клеточного строения и развития живых организмов. Клеточная теория Т. Шванна содержит три главных обобщения: теорию образования клеток, доказательства клеточного строения всех органов и частей организма и распространение этих двух принципов на рост и развитие животных и растений.

В 1839 году Т. Шванн опубликовал  работу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и  росте животных и растений», в  которой были изложены основные положения  клеточной теории.

1.   Все ткани животных  и растений состоят из клеток.

2.   Клетка является  элементарной биологической единицей.

3.   Деятельность организма  – это сумма жизнедеятельности  отдельных клеток.

4.   Образование новых  клеток – это принцип органического  роста и развития растений  и животных.

Ф. Энгельс в работе «Диалектика  природы» утверждал, что «Вторым  – хотя по времени и более ранним – открытием является открытие Шванном  и Шлейденом органической клетки, как той единицы, из размножения и дифференцирования которой возникают и вырастают все организмы, за исключением, низших. Только вместе с этим открытием стало твердо на ноги исследование органических, живых продуктов природы». Таким образом, создание клеточной теории Т. Шванном и М. Шлейденом было одним из трех величайших открытий в естествознании XIX века, наряду с законом превращения энергии и эволюционной теорией.

В момент возникновения клеточной теории вопрос о том, как образуются клетки в организме, не был окончательно выяснен. М. Шлейден и Т. Шванн считали, что клетки в организме возникают путем новообразования из первичного неклеточного вещества. Это представление было опровергнуто к середине XIXв., что нашло отражение в знаменитом афоризме Р. Вирхова (1858): «всякая клетка происходит только от клетки». Дальнейшее развитие цитологии полностью подтвердило, что и клетки животных, и клетки растений возникают только в результате деления предшествующих клеток и никогда не возникают de novo – из "неживого" или "живого" вещества.

Клеточная теория получила дальнейшее развитие в работах немецкого  ученого Р. Вирхова (1858), который предположил, что клетки образуются из предшествующих материнских клеток. В 1874 г. русским  ботаником И. Д. Чистяковым, а в 1875 г. польским ботаником Э. Страсбургером было открыто деление клетки — митоз, и, таким образом, подтвердилось предположение Р. Вирхова.

Во второй половине XIX и в начале XXвв. Были выяснены основные детали тонкого строения клетки, что стало возможным благодаря крупным усовершенствованиям микроскопа и техники микроскопирования биологических объектов.

Коренное  улучшение всей техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток. В 1876г. был открыт клеточный центр, в 1894г. – митохондрии, в 1898г. – аппарат Гольджи.

Создание клеточной теории стало  важнейшим событием в биологии, одним  из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила  фундаментом для развития таких  дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать  основы для понимания жизни, индивидуального  развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили  свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки.

Глава 3 Становление клеточной теории

Сегодня наукой установлено  точно, что минимальной живой  системой является клетка. Наука, изучающая  живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции  отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды  и др. Также цитология изучает  особенности специализированных клеток, становление их особых функций и  развитие специфических клеточных  структур. Таким образом, современная  цитология может быть названа  физиологией клетки.

В основе цитологии лежит  утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят  из клеток и продуктов их жизнедеятельности, так как элементарной единицей живого и основной единицей строения и развития всех живых существ является клетка. Новые клетки образуются путем деления  существовавших ранее клеток. Все  клетки сходны по химическому составу  и обмену веществ. Активность организма  как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Перечисленные нами положения  современной цитологии почти  не отличаются от основных положений  клеточной теории, созданной немецкими  учеными Т. Шванном и М. Шлейденом.

Но они не являются единственными  авторами этой теории, они лишь смогли ясно и убедительно сформулировать ее положения. А открытие существования  клеток и их исследование начинаются в конце XVII в. с изобретением первого микроскопа. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком, когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток, он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии.

Значительное продвижение  в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда их стали рассматривать как индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е годы было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно она дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

3.1 Современная клеточная теория

Современная клеточная теория исходит из того, что клеточная  структура является главнейшей формой существования жизни, присущей как  растениям, так и животным. Совершенствование  клеточной структуры явилось  главным направлением эволюционного  развития как у растений, так и у животных, и клеточное строение прочно удержалось у большинства современных организмов.

Вместе с тем должны быть подвергнуты переоценке догматические  и методологически неправильные положения клеточной теории:

Клеточная структура является главной, но не единственной формой существования  жизни. В развитии органического  мира был период, когда не существовало обособления кариоплазмы в виде морфологически выраженного ядра; различные формы доклеточного строения встречаются у некоторых организмов (бактериофаги, вирусы, спирохеты, различные группы бактерий и синезелёные).

Клеточная теория рассматривала  организм как сумму клеток, а жизнепроявления организма растворяла в сумме жизнепроявлений составляющих его клеток. Этим игнорировалась целостность организма, закономерности целого подменялись суммой частей.

Считая клетку всеобщим структурным  элементом, клеточная теория рассматривала  как вполне гомологичные структуры  тканевые клетки и гаметы, протисты и бластомеры. Применимость понятия  клетки к протистам является дискуссионным  вопросом клеточного учения. В тканевых клетках, половых клетках, протистах  проявляется общая клеточная  организация, выражающаяся в морфологическом  выделении кариоплазмы в виде ядра, однако эти структуры нельзя считать качественно равноценными, вынося за пределы понятия «клетка» все их специфические особенности.

Догматическая клеточная  теория игнорировала специфичность  неклеточных структур в организме  или даже признавала их, как это  делал Вирхов, неживыми. В действительности, в организме кроме клеток есть неклеточные ядерные структуры (синцитии, симпласты) и безъядерное межклеточное вещество, обладающее способностью к метаболизму и потому живое. Установить специфичность их жизнепроявлений и значение для организма является задачей современной цитологии.

Проблема части и целого разрешалась ортодоксальной клеточной  теорией метафизически: всё внимание переносилось на части организма  — клетки или «элементарные организмы».

Целостность организма есть результат естественных, материальных взаимосвязей, вполне доступных исследованию и раскрытию. Клетки многоклеточного  организма не являются индивидуумами, способными существовать самостоятельно. Так называемые культуры клеток вне  организма представляют собой искусственно создаваемые биологические системы, а не культуры индивидуализированных  клеток. Клетка не может быть оторвана от окружающей среды. Современные данные по клонированию животных клеток в  Республике Корея (1998) подтверждают это. Сосредоточение всего внимания на отдельных  клетках неизбежно приводит к унификации и механистическому пониманию организма как суммы частей.

Заключение

Целостность организма есть результат  естественных, материальных взаимосвязей, вполне доступных исследованию и  раскрытию. Клетки многоклеточного  организма не являются индивидуумами, способными существовать самостоятельно (так называемые культуры клеток вне  организма представляют собой искусственно создаваемые биологические системы). К самостоятельному существованию  способны, как правило, лишь те клетки многоклеточных, которые дают начало новым особям (гаметы, зиготы или споры) и могут рассматриваться как отдельные организмы. Клетка не может быть оторвана от окружающей среды (как, впрочем, и любые живые системы). Сосредоточение всего внимания на отдельных клетках неизбежно приводит к унификации и механистическому пониманию организма как суммы частей.

Очищенная от механицизма и дополненная  новыми данными клеточная теория остается одним из важнейших биологических  обобщений.

Список используемой литературы

1. Ченцов Ю.С. Общая цитология, 3-е изд. М., 1995 Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология, т. 1. М., 1996 стр. 85
2. Клеточная теория http://www/ .lyceum95.ru/biolog/klet_teoria
3. Биологический энциклопедический словарь. /Под ред. Гилярова М.С. – М.: Советская энциклопедия, 1986.
4. Электронный журнал «Химия и жизнь»

http://www/ sc.karelia.ru/catalog/rubr/da9175fd.../47527/

5. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. Карпенков С.Х. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.