§ 10. Клеточная теория. Общий план строения клетки

Открытие клеток. Изучение клеток стало возможным благодаря изобретению микроскопа — прибора, предназначенного для получения увеличенных изображений. *Первый микроскоп появился в Европе в конце XVI в.*

Человеком, впервые увидевшим клетки при помощи микроскопа (рис. 10.1, а), был английский ученый Р. Гук. В 1665 г. при рассмотрении тонкого среза пробкового слоя древесной коры он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек (рис. 10.1, б). Эти ячейки, похожие на пчелиные соты, Гук назвал клетками. Тот же план строения он наблюдал и при изучении других тканей растений. Со временем термин «клетка» утвердился в биологии.

Через несколько лет голландский натуралист А. ван Левенгук изготовил микроскоп, который обладал гораздо бóльшим увеличением. С его помощью исследователь обнаружил движущиеся микроскопические организмы — инфузории, амебы, подвижные бактерии. Также Левенгук впервые наблюдал клетки животных — эритроциты и сперматозоиды.

*В XVIII в. было опубликовано много новых рисунков и описаний различных клеток, причем преимущественно растительных. Дело в том, что ткани животных легко повредить, вследствие чего ученым было трудно изготавливать препараты для исследования. Однако микроскоп в то время рассматривался главным образом как игрушка, поэтому большинство естествоиспытателей не придавало своим наблюдениям серьезного значения.*

Клеточная теория. В первой половине XIX в. происходило углубление представлений о строении клетки, что связано с существенными улучшениями конструкции микроскопов. В клетках были обнаружены ядро и некоторые другие структуры. До этого считалось, что живыми являются клеточные стенки, а внутри клетки или пусты, или заполнены «питательным соком». В 1840-х гг. ученые пришли к пониманию того, что важнейшие процессы жизнедеятельности протекают именно внутри клеток, а не в клеточных стенках.

*В 1825 г. чешский анатом и физиолог Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке курицы. Позже он пришел к выводу, что именно внутреннее содержимое клеток, а не их оболочки, представляет собой живое вещество. Пуркине и его ученики исследовали микроскопическое строение ряда тканей и органов млекопитающих и человека. Однако, сравнивая клетки животных с клетками растений, Пуркине все же не пришел к выводу об их сопоставимости и единстве происхождения.

Британский ботаник Р. Броун в 1831 г. ввел термин «ядро» и описал его как сферическое плотное внутриклеточное тельце. Он же высказал предположение о том, что ядро является постоянным компонентом растительной клетки.*

В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден доказал, что различные органы растений состоят из клеток. Кроме того, ученый указал на значимость ядра для жизнедеятельности клетки.

Создателем клеточной теории стал немецкий зоолог Т. Шванн. Он установил, что ткани животных состоят из клеток, каждая из которых имеет ядро. Сопоставляя собственные наблюдения с трудами Шлейдена, Шванн пришел к выводу о том, что на микроскопическом уровне животные и растения устроены по единому плану. В 1839 г. была опубликована его книга «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В этой книге были выражены основные идеи клеточной теории: все организмы состоят из клеток, при этом клетки растений и животных сходны по строению и процессам жизнедеятельности. Создание клеточной теории было одним из величайших открытий в естествознании XIX в., наряду с эволюционной теорией и законом сохранения и превращения энергии.

В 1855 г. немецкий врач Р. Вирхов дополнил клеточную теорию. Он сформулировал принцип «Каждая клетка — от клетки», т. е. клетки образуются из других клеток в результате деления. *Вирхов также предположил, что в основе всех заболеваний лежит изменение структуры и функций клеток. Клеточная теория в толковании Вирхова стала общепринятой основой как биологии, так и медицины.*

В дальнейшем учение о клетке оказалось в центре внимания всей биологической науки и бурно развивалось. Для изучения клеток и их компонентов стали использовать разнообразные физические и биохимические методы. Это позволило понять сложность строения клеток и многообразие протекающих в них процессов.

Клеточная теория, главные положения которой были сформулированы в середине XIX в., является одной из основополагающих идей современной биологии. Она утверждает единство принципа строения и развития всех организмов, имеющих клеточное строение. Клеточная теория стала одной из предпосылок возникновения эволюционного учения, фундаментом для развития таких дисциплин, как гистология (наука о тканях), эмбриология (наука о зародышевом развитии организмов), физиология и др.

Современная клеточная теория включает следующие основные положения.

1. Клетка — элементарная структурно-функциональная единица живых организмов, обладающая всеми признаками и свойствами живого.

2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и процессам жизнедеятельности.

3. Все клетки образуются только в результате деления исходных (материнских) клеток.

4. Клетки большинства многоклеточных организмов специализируются по функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы и системы органов.

Общий план строения клеток. Все клетки имеют единый принцип организации. Содержимое каждой из них отделено от внеклеточной среды цитоплазматической мембраной (плазмалеммой), а внутри находится цитоплазма с различными органоидами и генетический материал в виде ДНК. Однако в связи с особенностями строения клеток все клеточные формы жизни делятся на две группы — прокариоты, или доядерные, и эукариоты, или ядерные.

Как вы знаете, к прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам — протисты, грибы, растения и животные. Клетки прокариот устроены сравнительно просто. Такие клетки не имеют ядра, их генетический материал (ДНК) находится непосредственно в цитоплазме. В эукариотических клетках есть ядро, отделенное от цитоплазмы двойной мембраной. Именно в нем содержатся молекулы ДНК.

Основными структурными компонентами клеток являются поверхностный аппарат, цитоплазма, а у эукариот также ядро (рис. 10.3, 10.4).

Поверхностный аппарат клетки является барьером, отделяющим ее содержимое от внеклеточной среды. Он обеспечивает обмен веществ, взаимодействие клетки с внешней средой и окружающими клетками. Поверхностный аппарат состоит из цитоплазматической мембраны и надмембранного комплекса.

Цитоплазматическая мембрана — основная часть поверхностного аппарата, характерная для всех клеток. Надмембранный комплекс клеток бактерий, грибов, растений и многих водорослей представлен прочной клеточной стенкой. Она обеспечивает защиту от внешних воздействий, придает клетке определенную форму. Надмембранным комплексом клеток животных является гликокаликс — тонкий слой, который состоит из молекул олиго- и полисахаридов, связанных с белками и липидами цитоплазматической мембраны.

Цитоплазма — это все внутреннее содержимое клетки, за исключением ядра, ограниченное цитоплазматической мембраной. Цитоплазма состоит из жидкой части — гиалоплазмы и погруженных в нее цитоскелета и органоидов. Гиалоплазма представляет собой раствор, содержащий различные органические и неорганические вещества. Она объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие.

Цитоскелет эукариот является механическим каркасом цитоплазмы, обеспечивающим поддержание и изменение формы клеток, внутриклеточные движения и т. п. Долгое время считалось, что цитоскелетом обладают только эукариотические клетки, однако на сегодняшний день установлено, что он имеется и в прокариотических.

Органоиды (органеллы) — постоянные специализированные структуры цитоплазмы, которые осуществляют определенные функции, жизненно необходимые для клетки. В зависимости от строения выделяют немембранные, одномембранные и двумембранные органоиды. Мембранные органоиды характерны только для клеток эукариот.

Немембранными органоидами являются рибосомы, клеточный центр, миофибриллы, *жгутики и реснички*. К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли, к двумембранным — митохондрии и пластиды.

Ядро — важнейшая структура эукариотической клетки, ее информационный центр. В ядре содержатся молекулы ДНК, обеспечивающие хранение и реализацию наследственной информации, а также ее передачу дочерним клеткам при делении.

*Необязательными компонентами клетки являются включения. Они могут появляться и исчезать в зависимости от внешних условий и характера обмена веществ. Включения могут находиться непосредственно в гиалоплазме или внутри органоидов, например вакуолей. Выделяют несколько типов включений. Трофические включения представляют собой запасные питательные вещества — капли липидов, крахмальные зерна, гранулы гликогена и т. д. Секреторными включениями называют биологически активные вещества, которые синтезируются клеткой и подлежат выведению из нее (гормоны, некоторые ферменты, слизь и др.). Пигментные включения придают клеткам определенную окраску, как, например, гранулы меланина. К экскреторным включениям относят такие конечные продукты клеточного метаболизма, как кристаллы мочевой кислоты, оксалата кальция и т. п.*

Многообразие клеток. Как уже отмечалось, клетки живых организмов имеют общий план строения. Однако они могут отличаться друг от друга размерами, формой, некоторыми особенностями строения (рис. 10.5).

Самыми маленькими являются прокариотические клетки, их диаметр обычно составляет 0,5—10 мкм. Большинство клеток эукариот имеет размер 10—100 мкм. Реже встречаются клетки еще бóльших размеров. Например, мышечные волокна животных и ситовидные трубки растений в длину могут достигать 1—10 мм. Диаметр яйцеклеток крупных птиц и акул составляет несколько сантиметров, а отростки нейронов бывают длиной более 1 м.

В многоклеточном организме отличия между клетками обусловлены тем, что разные клетки выполняют различные функции. Однако даже самым высокоспециализированным клеткам свойственно наличие тех же органоидов и веществ, которые характерны и для других клеток.

Повторение открытия Гука

1. Возьмите обычную корковую пробку от бутылки (только убедитесь, что она не пластиковая). Положите ее на бумажное полотенце или на лист бумаги.
2. Держите пробку крепко и с помощью лезвия бритвы или острого канцелярского ножа аккуратно сделайте очень тонкий полупрозрачный срез. Соблюдайте осторожность при работе с лезвием!
3. Поместите срез на предметное стекло микроскопа в небольшую каплю воды. Покровное стекло использовать необязательно, поскольку вырезанный образец не получится идеально ровным.
4. Изучите подготовленный препарат с помощью микроскопа. Лучшее место для рассматривания «ячеек» — самый тонкий край среза.
5. Наблюдения можно повторить при разных увеличениях.
6. Для изучения среза в отраженном свете осветите препарат сверху с помощью фонарика.

● Сравните ваши наблюдения с изображением Гука, сделанным более трех с половиной веков назад (см. рис. 10.1, б).

● Вспомните из курса биологии 7-го класса, какими клетками (живыми или мертвыми) образована пробка. Как вы думаете, почему пробка не тонет в воде?