Клетка как биосистема

Клетка как биосистема
Кле́тка — 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 ткани живых организмов 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. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии (англ. Cell biology).
Клетка является элементарной живой системой. На уровне клетки проявляются большинство основных свойств живой материи - обмен веществ и энергии, рост, развитие, раздражение, самовоспроизведение. Мы можем выделить из клетки отдельные ее компоненты или даже молекулы и убедиться, что многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Так, например, выделенные актин-миозиновые фибриллы могут сокращаться в ответ на добавление АТФ; вне клетки активно «работают» многие ферменты, участвующие в синтезе или распаде сложных биологически молекул; выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок; в настоящее время разработаны неклеточные системы ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и т. д. Можно ли считать все эти отдельно взятые, внутриклеточные компоненты живыми? Вероятно, нет, потому что они обладают только определенным свойством живого, а не всем комплексом таких характеристик. Только клетка является наименьшей единицей, обладающей всеми, вместе взятыми, свойствами, отвечающими определению «живое».
Клетка является открытой системой, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.
Клетка не только единица строения, но и единица функционирования. Все ее системы взаимосвязаны и функциони¬руют как единое целое.
Гетеротрофные клетки получают углеводы извне, а автотрофные клетки сами создают их путем фотосинтеза (из СО2 и Н2О, которые поступают из окружающей среды) или хемосин-теза. Большая часть углеводов расщепляется с целью высво¬бождения энергии. Получаемая энергия связывается в форме АТФ. Энергию АТФ клетка использует на различные жизнен-ные процессы - синтез, выделение веществ, движение и т. д. Глюкоза и другие углеводы используются также для биосин¬теза полисахаридов, которые в форме гликолипидов и гликопротеинов включаются в гликокаликс (у животных), в форме гемицеллюлозы и пектиновых веществ - в клеточную стенку растений, в форме хитина - в клеточную стенку грибов. Целлюлоза оболочек растительных клеток синтезируется на плазмалемме или в самой клеточной стенке. Автотрофные зеленые клетки передают большую часть синтезируемых ими углеводов незеленым гетеротрофным клеткам, в основном, в виде сахарозы.
Растительные клетки сами синтезируют большую часть аминокислот, входящих в состав белков. Синтез некоторых аминокислот может осуществляться ими в хлоропластах, в митохондриях и цитоплазме. Животные клетки синтезируют лишь некоторые аминокислоты (заменимые), часть аминокислот (незаменимые), животные клетки получают из окружающей среды; для этого они поглощают белки, в основном путем эндоцитоза и расщепляют их затем с помощью ферментов лизосом до аминокислот.
Белки, в том числе и ферменты, синтезируются на рибосомах с участием иРНК и тРНК. Этот синтез идет, главным образом, в цитоплазме, а также в хлоропластах и митохондриях. Из цитоплазмы белки переходят в клеточное ядро (гистоновые и негистоновые белки хромосом, белки субъединиц рибосом и др.), в митохондрии и хлоропласты.
На рибосомах, связанных с ЭПС, синтезируются резервные и экспортные белки, которые при участии комплекса Гольджи путем экзоцитоза покидают клетку.
Все эти и другие процессы осуществляются путем реализации генетической информации, которая сосредоточена в молекулах ДНК ядра, пластид и митохондрий. В названных органеллах происходит репликация ДНК - необходимая предпосылка их идентичного деления и клетки в целом, а также транскрипция, обеспечивающая появление различных видов РНК. На рибосомах при участии всех типов РНК осуществляется трансляция - конечный этап реализации генетической информации или синтез белков. Посредством белков регулируются синтез и расщепление веществ в клетке, синтез АТФ, клеточный рост, подготовка и осуществление деления клетки, и другие процессы
Таким образом, клетка является открытой биологической системой, наименьшей единицей жизни - единицей строения функционирования, размножения организмов и их взаи¬мосвязи с окружающей средой

История учения о клетке
Первые наблюдения и исследования клетки
Каким бы многообразным не представлялось строение организмов, в ос¬нове его лежат сходные структуры. Такими структурами являются клетки.
Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа и ис¬пользование его для исследования биологически': объектов.
В 1665 г. английский физик Роберт Гук (1635-1703), рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что она состоит из ячеек, на¬поминающих пчелиные соты (рис. 1). Эти образования Гук назвал клетками (от лат. cellu'a - ячейка, клетка). Такое же строение Гук отметил в сердцевине бузины, камыша и некоторых других растений. Во второй половине XVII века появились работы ряда микроскопистов; итальянца МИТОЗ Мальпиги (1628-1694), англичанина Н. Грю (1641-1712), также об¬наруживших ячеистое строение многих растительных объектов. Голлан¬дец А. Лесенгук (1632-1723) впервые обнаружил в воде одноклеточные организмы.
Внимание микроскопистов привлекала в первую очередь клеточная оболочка. Лишь во втором десятилетии XIX века исследователи обрати¬ли внимание на полужидкое студенистое содержимое, заполняющее клетку. Чешский ученый Ян Пуркинье назвал это вещество прото¬плазмой (от греч. protos-первый, plasma - образование). Однако еще продолжало существовать убеждение, что оболочка, а не протоплаз¬ма является основной, главнейшей частью клетки. В 1831 г. английский' ботаник Роберт Броун (1773-1858) обнаружил ядро. Это открытие было-важной предпосылкой для установления сходства между клетками рас-тений и животных.
К 30-м годам XIX века накопилось немало работ о клеточном строении организмов. Общепризнанным стало представление о клетке как элемен¬тарной микроскопической структуре растений. Немецкий ботаник Матти-ас Шлейден (1804--1881) первым пришел к заключению, что в любой растительной клетке имеется ядро.
Клеточная теория Шванна
Немецкий зоолог Теодор Шванн (1810-1882) в 1839 г. опубликовал труд, под названием «Микроскопические исследования о соответствии в струк¬туре и росте животных и растений». В этой классической работе были заложены основы клеточной теории. Шванн нашел верный принцип со¬поставления клеток растительных и животных организмов. Он устано¬вил, что клетки животных значительно отличаются от клеток растений и в то же время существенно отличаются друг от друга. Ядра во всех клетках, по мнению Шпанна, обладают большим сходством, поэтому если в каком-либо, видимом под микроскопом, образовании присутству¬ет ядро, это образование можно считать клеткой. Основываясь на таком критерии, Шванн выдвинул основные положения клеточной теории: 1) клетка является главной структурной единицей всех организмов (рас¬тительных и животных); 2) процесс образования клеток обусловливает. рост, развитие и дифференцировку растительных и животных тканей,
Оценка клеточной теории Ф. Энгельсом
Клеточная теория - одно из крупнейших обобщений естествознания XIX века. Именно так характеризует ее Ф. Энгельс, упоминая о клеточ¬ной теории в числе трех главнейших достижений прошлого века. Двумя другими он считал закон сохранения энергии и эволюционную теорию Дарвина.
О клеточной теории Ф. Энгельс писал; «Это открытие не только убедило нас, что развитие и рост всех высших организмов совершаются по одному общему закону, но, показав способность клеток к изменению, оно наметило также путь, ведущий к видовым изменениям организмов, изменениям, вследствие которых организмы могут совершать процесс развития, представляющий собой нечто большее, чем развитие только индивидуальное».
Клеточное учение имело большое значение не только для создания и успешного развития эволюционного учения, но и для утверждения мате¬риалистических представлений во всех областях биологии и медицины.
«Только со времени этого открытия стало на твердую почву исследова¬ние органических, живых продуктов природы...» 2.
Развитие клеточной теории Вирховом
В 1858 г. немецкий патолог Р. Вирхов (1821-1902) опубликовал свой основной труд «Целлюлярная патология». Это произведение, ставшее классическим, оказало влияние на все дальнейшее развитие учения о клетке и для своего времени имело большое прогрессивное значение. До Вирхова основу всех болезненных (патологических) процессов виделн в изменении состава жидкостей и борьбе нематериальных сил организма. Вирхов подошел к объяснению патологического процесса материалисти¬чески, показав связь его в организме с морфологическими структурами, с определенными изменениями в строении клеток. Это исследование по¬ложило начало новой науке - патологии, которая является основой тео-ретической и клинической медицины. Вирхов ввел в науку ряд новых представлений о роли клеточных структур в организме.
Положение Вирхова «Omnis cellula e cellula» - каждая клетка из клетки - блестяще подтвердилось дальнейшим развитием биологии. В настоящее время нам не известны иные способы появления новых кле¬ток, помимо деления уже существующих. Однако этот тезис не отрицает того факта, что на заре развития жизни клетки развились из образова¬ний, еще не имевших клеточной структуры.
Положение Вирхова, что вне клеток нет жизни, тоже не потеряло сво¬его значения. В многоклеточном организме имеются неклеточные струк¬туры, но они - производные клеток. Примитивные организмы - виру¬сы- приобретают способность к активным процессам жизнедеятельно¬сти и размножению лишь после проникновения в клетку.
Однако представления Вирхова не были лишены ошибок. Уже у Шван-на проявилась тенденция рассматривать организмы как своеобразную сумму составляющих их клеток. Вирхов и особенно его последователи не только не отказались от этого положения, но и развили его дальше, Так, известный немецкий зоолог-дарвинист Э. Геккель рассматривал ВСЯКИЙ многоклеточный организм как некое «государство» клеток, в ко¬тором каждая клетка «живет» своей самостоятельной жизнью. Отсюда вытекало ошибочное мнение, что патологический процесс в организме представляет собой сумму нарушений жизнедеятельности отдельных кле¬ток, что это - локальный местный процесс.
Вирхов и его последователи не виделн также качественного отличия между частью и целым, рассматривая организм вне его исторического развития и условий существования.
Вирховскую концепцию критиковали русские естествоиспытатели и клиницисты И. МИТОЗ Сеченов, С. П. Боткин и И. П. Павлов. И. МИТОЗ Сеченов уже п 1860 г. отметил, что Вирхов изучает организм оторвано от среды, а органы- от организма. Русские клиницисты и физиологи своими иссле¬дованиями показали, что организм - это единое целое и что интеграция его частей осуществляется в первую очередь нервной системой. И. П. Пав-лов установил ведущую координирующую роль центральной нервной системы в организме. Оказалось, что обмен веществ, питание органов и клеток находятся также под контролем нервной системы.
В настоящее время наука располагает большим фактическим материа¬лом, убеждающим нас в том, что не только процессы жизнедеятельности, но и форма и величина клеток, так же как и другие морфологические осо¬бенности каждой клетки, стоят в связи с теми процессами, которые, про¬текают в организме как целомитоз Единство частей целого обусловлено нерв-ной и гуморальной регуляцией.
Оценивая «Целлюлярную патологию» Вирхова в целом, следует отме¬тить, что она явилась важной вехой в истории биологии и медицины, и, будучи освобожденной от механистических ошибок, н дополненной позд¬нейшими открытиями, легла в основу современных представлений о кле¬точном строении организма.
Клетка - основная структурная и функциональная единица живого
Со времени создания клеточной теории учение о клетке как элементар¬ной микроскопической структуре организмов непрерывно пополнялось и уточнялось. Еще для Шванна и его современников клетка оставалась преимущественно пространством, ограниченным оболочкой. Постепенно эти представления заменило понимание того, что основным жизненным субстратом является протоплазма. К концу прошлого века благодаря ус¬пехам микроскопической техники в клетке обнаруживается сложное строение, описываются Органоиды - части клетки, выполняющие раз¬личные функции, и исследуются пути образования новых клеток (митоз). Уже к началу XX века становится ясным первостепенное значение кле¬точных структур в передаче наследственных свойств.
В настоящее время можно считать общепризнанным, что клетка яв¬ляется основной структурной и функциональной е д и¬ницей организации живого.
На определенной ступени эволюции органического мира возникли кле¬точные структуры. В этом проявляется одна из основных закономерно¬стей, характеризующих живое: единство дискретного и целостного. Имен¬но благодаря клеточному строению организм, являясь дискретным, со¬храняет целостность. Расчленение целого организма на мелкие морфоло-гические единицы- клетки, обладающие большими поверхностями, весьма благоприятно для осуществления обмена веществ. Клеточная структура, не нарушая жизнедеятельности целого организма, способству¬ет постепенной замене изношенных или патологически измененных ча¬стей тела новыми. Сохранение клеточной структуры во всем органиче¬ском мире обусловлено еще и тем, что, но-видимому, только с такой организацией связаны наилучшее обеспечение репродукции и реализа¬ции наследственной информации.
Наконец, разделение функций между клетками в многоклеточном орга¬низме обеспечило широкие возможности приспособления организмов к среде обитания н явилось предпосылкой усложнения организации.
Уже к концу прошлого века накопился обширный научный материал о строении и жизнедеятельности клетки и были разработаны новые специ¬альные методы исследования. Все это способствовало выделению само¬стоятельной ветви биологии - цитологии (от греч. cytos-клетка» logos - учение).
Современные методы цитологических исследований
В живых или убитых биологических объектах, не подвергнутых специ¬альной обработке, трудно различить микроскопические детали строения из-за их прозрачности и отсутствия видимых оптических границ между ними, поэтому первые микроскопы давали возможность получить весьма скудные представления о внутренней структуре клетки и описать лишь клеточные стенки в тканях растений.
Стремление познать тонкую структуру клетки привело к развитию ми-кроскопической техники. Для изучения микроскопического стро¬ения клеток стали применять фиксаторы, т. е. растворы, быстро убиваю¬щие ткани и не вызывающие в них значительных посмертных изменений. Из фиксированных тканей делали тонкие срезы и окрашивали их различ¬ными красителями. Были обнаружены такие красители, которые избира¬тельно окрашивали отдельные части клетки.
Несколько позже нашли применение витальные прижизненные краси¬тели, благодаря чему удалось увидеть детали строения живых, неубитых клеток.
В начале XX века был разработан способ культивирования тканей (смитоз главу X), а затем и отдельных клеток. Этот метод позволил наблюдать размножение клеток, их рост, дифференцировку, влияние среды на про¬цессы жизнедеятельности.
Изобретение специального прибора для хирургического вмешательст¬ва в клеточные структуры - микроманипулятора - дало возмож¬ность производить операции на живой клетке: удалять из клетки или сносить в нее органоиды, вводить различные вещества, измерять элек-трическую активность и т. д.
В последние десятилетия были обнаружены новые возможности све¬тового микроскопа: метод фазового контраста дал возможность изучить детали строения живой клетки, выявить артефакты (от лат. arte - искусственный, facius- сделанный), т. е. изменения, возникаю¬щие в клетке под действием фиксаторов. Этот метод используется для изучения действия химических н физических факторов на живую клетку.
В цитологии нашла применение люминесцентная н ультрафи¬олетовая микроскопия, позволяющая увидеть более тонкие структуры клетки, чем в обычном световом микроскопе.
Применение замедленной киносъемки позволило наглядно представить многие процессы жизнедеятельности, в частности деление клетки.
Использование авторадиографии, при которой меченые радиоактивные атомы вводятся в клетку, а затем обнаруживаются на фотоэмульсии, об¬условило возможность проследить жизненный цикл клетки.
Метод лиофилизации, также используемый в цитологии, состоит в быстром замораживании (жидким азотом или жидким гелием) кусочков ткани с последующим обезвоживанием в вакууме при низкой температу¬ре. Этим методом фиксация достигается настолько быстро, что клеточ¬ные структуры остаются почти ненарушенными и удается наблюдать их различное функциональное состояние, например выделение клетками по¬чек введенного предварительно в организм окрашенного вещества.
В XX веке появился метод цитохимического анализа, основанный на том, что определенные реактивы избирательно окрашивают различные химические вещества, входящие в состав протоплазмы. Этим методом удается установить как наличие тех или иных соединений в клетке, так н их распределение.
Для более детального исследования химического состава органоидов клетки разработан метод дифференцирова иного центрифу¬гирования раздробленных тканей. Обнаружено, что при изменении числа оборотов центрифуги в единицу времени удается отделить друг от друга отдельные органоиды клетки. После центрифугирования прово¬дят детальный химический анализ полученных фракций. Этим методом удалось выяснить химический состав ядра, ядрышка, хромосом, митохон¬дрий и других органоидов.
Для изучения физических свойств молекул, входящих в состав клеточ¬ных структур, применяют рентгеноструктурный анализ. Этот ме¬тод позволяет определить пространственное расположение молекул ве¬щества, расстояние между молекулами, их объем, протяженность, форму и внутреннюю организацию. С этой целью в молекулу белка вводят ка¬кие-либо атомы, видимые на рентгенограмме, например атомы металла, после чего делают «рентгеновские снимки и анализируют их.
Новую эпоху в изучении клетки открыло применение электронно¬го микроскопа, в котором объект рассматривается в потоке электро¬нов, проходящих через электромагнитные линзы. Электронный микро¬скоп позволил гораздо глубже проникнуть в тонкие субмикроскопнческие структуры, увидеть даже некоторые крупные молекулы и их агре¬гаты, открыть новые органоиды, описать детали строения тех из них, которые при исследовании в световом микроскопе представлялись одно¬родными.

Продолжение работы в архиве!