Цитология

Цитологія (від цито ... і ... логія), наука про клітину. Цитологія вивчає клітини багатоклітинних  тварин, рослин, ядерно-цитоплазматичні  комплекси, не розчленовані на клітини (симпласти, синцитії і плазмодії), одноклітинні тварини і рослинні організми, а  також бактерії.Вона займає центральне положення у ряді біологічних дисциплін, т.к. клітинні структури лежать в основі будови, функціонування та індивідуального розвитку всіх живих істот, і, крім того, вона є складовою частиною гістології тварин, анатомії рослин, протістологиі і бактеріології.

Розвиток  цитології до початку 20 ст.

 Прогрес цитологія пов'язаний з розвитком методів дослідження клітин.

Першим побачив  клітину англійський натураліст Р. Гук при вивченні покривної  тканини бузини-пробки.Він удосконалив мікроскоп, винайдений Г. Галілеєм в 1609 році і використовував його для дослідження тонких зрізів органів рослин.Свої спостереження Р.Гук виклав у творі "Микрография", виданому в 1665 році, де він вперше застосував термін "клітина". Оскільки пробка складається з мертвих клітин, що мають тільки стінки, виникло хибне уявлення про те, що зі стінками пов'язані основні життєві властивості клітини.

 До кінця 17 ст. з'явилися роботи мікроскопістів М. Мальпігі, Н. Грю, А. Левенгука та ін, показали, що тканини багатьох рослинних об'єктів побудовані з осередків, або клітин. Левенгук, крім того, вперше описав еритроцити (1674), одноклітинні організми (1675, 1681), сперматозоїди хребетних тварин (1677), бактерії (1683). Дослідники ХVII ст., що поклали початок мікроскопічному вивченню організмів, в клітці бачили лише оболонку, що містить в собі порожнину. 

  У 18 в. конструкція  мікроскопа була дещо покращена, головним чином за рахунок удосконалення механічних частин і освітлювальних пристосувань. Техніка дослідження залишалася примітивною; вивчалися в основному сухі препарати. 

  У перші десятиліття 19 ст. уявлення про роль клітин в будові організмів значно розширилися. Завдяки працям німецьких вчених Г. Лінка, Я. Мольденхавера, Ф. Мейена, Х. Моля, французьких учених Ш. Мірбеля, П. Тюрпен та ін. в ботаніці затвердився погляд на клітини,як на структурні одиниці. Було виявлено перетворення клітин у провідні елементи рослин. Стали відомі нижчі одноклітинні рослини. На клітини почали дивитися як на індивідуумів, що володіють життєвими властивостями.

У 1835 Моль вперше спостерігав поділ рослинних клітин. Дослідження французьких вчених А. Мільн-Едвардса, А. Дютроше, Ф. Распе, чеського вченого Я. Пуркине і ін. до середини 30-х рр.. дали великий матеріал по мікроскопічним структурам тваринних тканин. Багато дослідників спостерігали клітинну будову різних органів тварин, а деякі проводили аналогію між елементарними структурами тваринних і рослинних організмів, підготовляючи тим самим грунт для створення загальбіологічної клітинної теорії.

 В 1831-1833 роках англійський ботанік Р. Броун описав ядро ​​як складову частину клітини. Це відкриття привернуло увагу дослідників до вмісту клітки і дало критерій для зіставлення тваринних і рослинних клітин, що і зробив, зокрема, Я. Пуркине (1837). Німецький вчений Т. Шванн, спираючись на теорію розвитку кліток німецького ботаніка М. Шлейдена, де особливе значення надавалося ядру, сформулював загальну клітинну теорію будови і розвитку тварин і рослин (1838-39). Незабаром клітинна теорія була поширена і на простих (німецький вчений К. Зібольда(1845-48).

Створення клітинної  теорії з'явилося сильним стимулом до вивчення клітини як основи всього живого. Велике значення мало введення в мікроскопію іммерсійних об'єктивів.

У середині 19 ст. почали застосовуватися різні методи фіксації і забарвлення тканин. Для виготовлення зрізів були розроблені методи заливки шматочків тканини. Спочатку зрізи виготовлялися за допомогою ручної бритви, а в 70-х рр.. для цього використовувалися особливі прилади - мікротоми. В ході розвитку клітинної теорії поступово з'ясувалася провідна роль вмісту клітки, а не її оболонки. Подання про спільність вмісту різних клітин знайшло своє вираження в поширенні застосованого до нього Молем терміну «протоплазма», введеного Пуркине. Всупереч поглядам Шлейдена і Шванна на виникнення клітин з неклітинної речовини - цітобластеми, з 40-х рр.. 19 ст. починає зміцнюватися переконання, що множення числа клітин відбувається шляхом їх розподілу.Подальшим поштовхом до розвитку цитології послужило вчення німецького патолога Р. Вірхова про «целлюлярной патології». Вірхов розглядав тваринний організм як сукупність клітин, кожна з яких володіє всіма властивостями життя; він висунув принцип «omnis cellula е cellula» [кожна клітина (відбувається тільки) з клітки]. Виступаючи проти гуморальної теорії патології, яка зводила хвороби організмів до псування організменних соків (крові і тканинної рідини),     Вірхов доводив, що в основі всякого захворювання лежить порушення життєдіяльності тих чи інших клітин організму. Вчення Вірхова змусило патологів зайнятися вивченням клітин.

 До середини 19 ст. «Оболончатий» період у вивченні  клітини закінчується, і в 1861 роботою  німецького вченого М. Шульце  затверджується погляд на клітину як на «грудку протоплазми з лежачим усередині нього ядром». У тому ж році австрійський фізіолог Е. Брюкке, який вважав клітину елементарним організмом, показав складність будови протоплазми. В останній чверті 19 ст. був виявлений ряд постійних складових частин протоплазми - органоїдів: центросом, мітохондрій, сітчастий апарат, або комплекс Гольджі. Швейцарський учений Ф. Мішер встановив в ядрах клітин наявність нуклеїнової кислоти. Відкрито каріокінетичний поділ клітин  рослин,потім у тварин.Створена теорія індивідуальності хромосом і встановлено правило постійності їх числа.Відкрито явище редукції числа хромосом при розвитку статевих клітин; встановлено, що запліднення полягає в злитті ядра яєчної клітини з ядром сперматозоїда.

 У 1898 російський  цитолог С. Г. Навашин виявив  у покритонасінних рослин подвійне  запліднення, що полягає в тому, що, крім з'єднання ядра спермію  з ядром яйцеклітини, ядро ​​другого спермію з'єднується з ядром клітини, що дає ендосперм. При розмноженні рослин виявлено чергування диплоїдних (безстатевих) і гаплоїдних (статевих) поколінь. 

  Досягнуті успіхи  у вивченні фізіології клітини.

 У 1882 І. І.  Мечников відкрив явище фагоцитозу. Була виявлена ​​до детально досліджена виборча проникність рослинних і тваринних клітин; створена мембранна теорія проникності; розроблені методи прижиттєвого фарбування клітин. Досліджуються реакції клітин на дію подразників. Вивчення різноманітних клітин вищих і нижчих організмів, незважаючи на всі їхні структурні та функціональні відмінності, укріпило в свідомості дослідників думку про наявність єдиного принципу в будові протоплазми. Багато дослідників не були задоволені клітинної теорією і визнавали наявність в клітках ще дрібніших елементарних життєвих одиниць . Спекулятивні уявлення про субмікроскопічних життєвих одиницях розділялися і деякими цитологами 20 ст., Однак розвиток цитології змусив більшість учених залишити ці гіпотези і визнати життя властивістю протоплазми,як складної гетерогенної системи. Успіхи цитологія в кінці 19 ст. були підсумовані у ряді класичних ведень, які сприяли подальшому розвитку цитології. 
 
 
 

  Розвиток цитології  в 1-ій половині 20 ст. У перші  десятиліття 20 ст. стали застосовувати  темнопольний конденсор, за допомогою  якого об'єкти під мікроскопом досліджувалися при бічному освітленні. Темнопольний мікроскоп дозволив вивчати ступінь дисперсності і гідратації клітинних структур і виявляти деякі структури субмікроскопічних розмірів. Поляризаційний мікроскоп дав можливість визначати орієнтацію частинок в клітинних структурах. З 1903 розвивається мікроскопування в ультрафіолетових променях, що стало надалі важливим методом дослідження цитохімії клітини, зокрема нуклеїнових кислот. Починає застосовуватися флюоресцентна мікроскопія. У 1941 з'являється фазово-контрастний мікроскоп, що дозволяє розрізняти безбарвні структури, що відрізняються лише оптичною щільністю або товщиною. Останні два методи виявилися особливо цінними при вивченні живих клітин. Розробляються нові методи цитохімічного аналізу, серед них - метод виявлення дезоксирибо-нуклеїнової кислоти. Створюються мікроманіпулятори, за допомогою яких можна робити над клітинами різноманітні операції (ін'єкції в клітку речовин, вилучення та пересадку ядер, локальне пошкодження клітинних структур і т.д.). Велике значення набула розробка методу культури тканин поза організмом, початок якому було покладено в 1907 американським ученим Р. Гаррісоном. Цікаві результати були отримані при поєднанні цього методу із сповільненою мікрокіносйомкой, що дало можливість бачити на екрані повільні зміни в клітинах, що протікають непомітно для ока, прискореними в десятки і сотні разів. У перші три десятиліття 20 ст. зусилля вчених спрямовані були на з'ясування функціональної ролі клітинних структур, відкритих в останній чверті 19 ст., зокрема було встановлено участь комплексу Гольджі у виробленні секретів і інших речовин в гранулярній формі.Описано приватні органоїди спеціалізованих клітин, опорні елементи у ряді клітини, досліджені структурні зміни при різній клітиннії діяльності (секреція, скоротлива функція, ділення клітин, морфогенез структур і т.д.). У рослинних клітинах простежено розвиток вакуолярної системи, утворення крохмалю в пластидах (французький учений А. Гійермон, 1911).  

Встановлено видова специфічність числа і форми  хромосом, що в подальшому було використано  для систематики рослин і тварин, а також для з'ясування філогенетичного  споріднення в межах нижчих таксономічних  одиниць (каріосистематика). Виявлено, що в тканинах є різні класи  клітин, що відрізняються кратним відношенням розмірів ядер.Кратне збільшення розміру ядера супроводжується відповідним збільшенням числа хромосом. Дослідження дії агентів, що порушують механізм розподілу і хромосомний апарат клітин (проникаюче випромінювання, колхіцин, ацетонафтен, тріпофлавін тощо), привели до розробки методів штучного одержання поліплоїдних форм, що дало можливість вивести ряд цінних сортів культурних рослин. За допомогою реакції Фельгена позитивно вирішилося спірне питання про наявність гомолога ядра, що містить дезоксирибонуклеїнову кислоту у бактерій і синьо- зелених водоростей.Поряд з мембранною теорією проникності, висувається фазова теорія, що надає велике значення в розподілі речовин між клітиною і середовищем, розчиненню їх і скріпленню в протоплазм. Вивчення реакції протоплазми клітин на вплив різноманітних фізичних та хімічних агентів привело до виявлення явищ паранекроза і до розробки денатураціонной теорії пошкодження і збудження,згідно якої в цих процесах провідне значення мають оборотні зміни в структурі білків протоплазми. За допомогою розроблених цитохімічних реакцій на гістологічних препаратах була встановлена ​​локалізація в клітині ряду ферментів. Починаючи з 1934 завдяки роботам американських вчених Р. Уенслі і М. Гер, що використовували метод гомогенізації (роздрібнення) клітин і фракційного центрифугування, почалося вилучення з клітин окремих компонентів - ядер, хлоропластів, мітохондрій, мікросом і вивчення їх хімічного і ферментативного складу. Проте істотні успіхи в розшифровці функцій клітинних структур досягнуті лише в сучасний період розвитку

Цитологія - після 50-х рр.. 

  Величезний вплив  на розвиток Цитологія в 20 в.  справила перевідкриття в 1900 році Менделя законів. Вивчення процесів, що протікають в ядрах статевих і соматично клітин, дало можливість пояснити факти, встановлені при вивченні спадкової передачі ознак, і побудувати хромосомну теорію спадковості.  

  Розвиток сучасної  цитології. 

З 50-х рр.. 20 в. цитологія вступила в сучасний етап свого розвитку. Розробка нових методів дослідження і успіхи суміжних дисциплін дали поштовх бурхливому розвитку цитології і привели до стирання чітких меж між цитологією, біохімією, біофізикою і молекулярною біологією. Використання електронного мікроскопу привело до створення субмікроскопічної морфології клітини і наблизило візуальне вивчення клітинних структур до макромолекулярного рівня. Були виявлені невідомі до цього деталі будови раніше відкритих клітинних органоїдів і ядерних структур; відкриті нові ультрамікроскопічні компоненти клітини: плазматична, або клітинна, мембрана, що відмежовує клітку від навколишнього середовища, ендоплазматичний ретикулум, рибосоми (що здійснюють синтез білка), лізосоми (що містять гідролітичні ферменти), пероксисоми (що містять ферменти каталазу і уриказа), мікротрубочки і мікрофіламенти (що грають роль в підтримці форми і в забезпеченні рухливості клітинних структур); в рослинних клітинах виявлені діктіосоми - елементи комплексу Гольджі. Поряд з загальноклітинні структурами виявляються ультрамікроскопічні елементи і особливості, властиві спеціалізованим клітинам. За допомогою електронної мікроскопії показано особливе значення мембранних структур в побудові різних компонентів клітини. Субмікроскопічні дослідження дали можливість всі відомі клітини розділити на 2 групи: еукаріоти (тканинні клітини всіх багатоклітинних організмів і одноклітинні тварини і рослини) і прокаріоти (бактерії, синьо-зелені водорості, актиноміцети і рикетсії).

 Прокаріоти - примітивні  клітини - відрізняються від еукаріотів  відсутністю типового ядра, позбавлені  ядерця, ядерної оболонки, типових  хромосом, мітохондрій, комплексу  Гольджі. 

  Удосконалення  методів ізоляції клітинних компонентів,  використання методів аналітичної  і динамічної біохімії стосовно задач цитології привело до уточнення хімічної топографії клітин і розшифровці функціонального значення і біохімічної ролі багатьох складових частин клітини. Це зажадало широкого об'єднання робіт в області цитології з роботами по біохімії, біофізиці та молекулярній біології. Для вивчення генетичних функцій клітин велике значення мало відкриття змісту ДНК не тільки в ядрі, а й в цитоплазматичних елементах клітини - мітохондріях, хлоропластах, а за деякими даними, і в базальних тільцях. Для оцінки ролі ядерного і цитоплазматичного генного апарату у визначенні спадкових властивостей клітини використовується пересадка ядер і мітохондрій. Гібридизація соматичних клітин стає перспективним методом вивчення генного складу окремих хромосом.Встановлено, що проникнення речовин в клітину і в клітинні органели здійснюється за допомогою особливих транспортних систем, що забезпечують проникність біологічних мембран. Електронно-мікроскопічні, біохімічні і генетичні дослідження збільшили число прихильників гіпотези симбіотичного походження мітохондрій і хлоропластів, висунутої в кінці ХIV cт. 

  Основні завдання  сучасної цитології

- подальше вивчення  мікроскопічних і субмікроскопічних  структур і хімічної організації  клітин;

функцій клітинних  структур і їх взаємодій;

способів проникнення  речовин в клітку, виділення їх з клітки і ролі мембран в цих  процесах;

реакцій клітин на нервові  і гуморальні стимули макроорганізму і на стимули навколишнього середовища;

 сприйняття і  проведення збудження;

 взаємодії між  клітинами; 

реакцій клітин на ушкоджувальні  дії;

 репарацій пошкодження  і адаптації до чинників середовища  і ушкоджувальним агентам;

 репродукції клітин  і клітинних структур;

 перетворень клітин  в процесі морфофізіологічної  спеціалізації (диференціювання);

ядерного і цитоплазматичного  генетичного апарату клітини, його змін при спадкових захворюваннях;

взаємин клітин з  вірусами;

перетворень нормальних клітин в ракові (малігнізація);

 процесів поведінки  клітин;

походження та еволюції клітинної системи.

 Поряд з рішенням теоретичних питань цитологія бере участь у вирішенні ряду найважливіших біологічних, медичних і с.-г. проблем. Залежно від об'єктів і методів дослідження розвивається ряд розділів цитології: цитогенетика, каріосистематика, цітоекологія, радіаційна цитологія, онкологічна цитологія, іммуноцітологія і т.д. 

  В СРСР є  спеціальні цитологічні дослідні установи: інститут цитології АН СРСР, інститут цитології і генетики Сибірського відділення АН СРСР, інститут генетики і цитології АН БРСР. У багатьох інших біологічних, медичних і с.-г. наукових установах є спеціальні цитологічні лабораторії. Роботи по цитології координуються в СРСР Науковою радою з проблем цитологія при АН СРСР. Видаються журнали «Цитологія» (АН СРСР), «Цитологія і генетика» (АН УРСР). Цитологічні роботи публікуються в журналах по суміжних дисциплін. В світі видається більше 40 цитологічних журналів. Періодично виходять книги багатотомних інтернаціональних видань: протоплазматологія («Protoplasmatologia») (Відень) та міжнародне огляд по цитології («International Review of Cytology») (Нью-Йорк). Є Міжнародне товариство біології клітини (International Society of Cell Biology), регулярно скликає цитологічні конгреси. Міжнародна організація з дослідження клітини (International Cell Research Organization) і Європейська організація з біології клітини (European Cell Biology Organization) створюють робочі групи з окремих проблем цитології, організовують курси по вузлових питань,цитологія і для вивчення методик, забезпечують обмін інформацією. В університетах СРСР на біологічних та біолого-грунтових факультетах викладається курс загальної цитології. У багатьох університетах проводяться спеціалізовані курси з різних проблем цитології.

 У вигляді розділу  Цитологія входить також до  складу курсів гістології тварин, анатомії рослин, ембріології, протістологиі,  бактеріології, фізіології, патологічної  анатомії, які читаються в с.-г., педагогічних і медичних навчальних закладах.

Літ.: Кацнельсон З. С., Клітинна теорія в її історичному  розвитку, Л., 1963; Керівництво по цитології, т. 1-2, М. - Л., 1965-66; Де Робертіс Е., Новінський В., Саес Ф., Біологія клітки, пер. з англ., М., 1973; Brown W. V., Bertke E. M., Textbook of cytology, Saint Louis, 1969; Hirsch G. С., Ruska H., Sitte P., Grundlagen der Cytologie, Jena, 1973. 

  В. Я. Александров. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виникнення і розвиток цитології

 Термін «клітка»  вперше вжив Роберт Гук в  1665 році, при описі своїх «досліджень будови пробки за допомогою збільшувальних лінз». У 1674 році Антоні ван Левенгук встановив, що речовина, що знаходиться всередині клітини, певним чином організовано. Він першим виявив клітинні ядра. На цьому рівні уявлення про клітину проіснувало ще понад 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 доповненням  клітинної теорії з'явилося твердження знаменитого німецького натураліста  Рудольфа Вірхова, що кожна клітина утворюється в результаті поділу іншої клітини.

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 число хромосом також подвоюється, але в першому (редукціону) розподілі до полюсів клітини розходяться двухроматідние хромосоми, так що формуються клітини з гаплоїдним набором, число хромосом в 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 в гаметах в два рази менше. Згодом ці цітолоогіческіе відкриття лягли в основу хромосомної теорії спадковості.