IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Цель исследования – изучить становление и современное состояние клеточной теории.

Задачи исследовательской работы: 1.Изучить историю зарождения, становления и развития клеточной теории:

2.Определить сущность клеточной теории;3.Выяснить строение клетки.

4. Выявить практическую значимость клеточной теории в медицине.

Методы исследования: обзор литературы, анализ.

Актуальность исследования. Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Пробка разделена на множество крошечных ячеек, он назвал эти ячейки клетками Левенгук с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы. К началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы - одноклеточных.

Однако клеточная теория строения организмов к середине XIX века, после того как появились более мощные микроскопы и были разработаны методы фиксации и окраски клеток. Её основоположником был Рудольф Вирхов, в его идеях ряд ошибок: он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы.

Клеточная теория — основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас Шлейден, Теодор Шванн и Рудольф Вирхов сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Шлейден и Шванн доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерий 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.

Современная клеточная теория включает основные положения:Клетка — элементарная единица живого, основная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов.Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов имеют общее происхождение и сходны по своему строению и химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

Размножение клеток происходит путем их деления. Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу.В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации - молекул нуклеиновых кислот

Основные методы изучения клеток.

А) Использование светового микроскопа.

Б) Использование электронного микроскопа.

В) Использование центрифугирования. .

Для биохимического изучения клеточных компонентов клетки необходимо разрушить - механически, химически или ультразвуком. Высвобожденные компоненты оказываются в жидкости во взвешенном состоянии и могут быть выделены и очищены с помощью центрифугирования.

Г) Хроматография.

Хроматография - метод основан на том, что в неподвижной среде, через которую протекает растворитель, каждый из компонентов смеси движется со своей собственной скоростью, независимо от других; смесь веществ при этом разделяется.

Д) Электрофорез.

Электрофорез применяется для разделения частиц, несущих заряды, широко применяется для выделения и идентификации аминокислот.

Е) Радиоавтография.

Радиоавтография - сравнительно новый метод, обязанный своим возникновением развитию ядерной физики, которое сделало возможным получение радиоактивных изотопов различных элементов. Один из способов обнаружения радиоактивности основан на ее способности действовать на фотопленку подобно свету.

Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

Появлению и формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал довольно длительный период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных. Этот период был связан с развитием применения и усовершенствования различных оптических методов исследований.

Клеточная теория – основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас 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 что клетка является основной единицей любого организма.

В 1665 году английский физик Р. Гук в работе «Микрография» описал строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками». Наличие подобной структуры было известно ему и в некоторых других частях растений.

В 1670-х годах итальянский медик и натуралист М. Мальпиги и английский натуралист Н. Грю описали в разных органах растений «мешочки, или пузырьки» и показали широкое распространение у растений клеточного строения. Клетки изображал на своих рисунках голландский микроскопист А. Левенгук. Он же первым открыл мир одноклеточных организмов – описал бактерий и протистов (инфузорий).

В XVIII веке совершаются первые попытки сопоставления микроструктуры клеток растений и животных. К.Ф. Вольф в работе «Теории зарождения» (1759) пытается сравнить развитие микроскопического строения растений и животных. По Вольфу, зародыш как у растений, так и у животных развивается из бесструктурного вещества, в котором движения создают каналы (сосуды) и пустоты (клетки). Фактические данные, приводившиеся Вольфом, были им ошибочно истолкованы и не прибавили новых знаний к тому, что было известно микроскопистам XVII века. Однако его теоретические представления в значительной мере предвосхитили идеи будущей клеточной теории.

В первую четверть XIX века происходит значительное углубление представлений о клеточном строении растений Пуркинье и его ученики (особенно следует выделить Г. Валентина) выявили в первом и самом общем виде микроскопическое строение тканей и органов млекопитающих (в том числе и человека).

Второй школой, где изучали микроскопическое строение животных тканей, была лаборатория Иоганнеса Мюллера в Берлине. Мюллер изучал микроскопическое строение спинной струны (хорды); его ученик Генле опубликовал исследование о кишечном эпителии, в котором дал описание различных его видов и их клеточного строения.

Здесь были выполнены классические исследования Теодора Шванна, заложившие основание клеточной теории. Шванн нашёл правильный принцип сравнения клеток растений и элементарных микроскопических структур животных. Шванн смог установить гомологию и доказать соответствие в строении и росте элементарных микроскопических структур растений и животных.

На значение ядра в клетке Шванна натолкнули исследования Матиаса Шлейдена, у которого в 1838 году вышла работа «Материалы по фитогенезу». Поэтому Шлейдена часто называют соавтором клеточной теории. Основная идея клеточной теории – соответствие клеток растений и элементарных структур животных – была чужда Шлейдену. Он сформулировал теорию новообразования клеток из бесструктурного вещества. Однако эта теория опиралась на неверные факты.

В 1838 году Шванн публикует 3 предварительных сообщения, а в 1839 году появляется его классическое сочинение «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений».

С 1840-х века учение о клетке оказывается в центре внимания всей биологии и бурно развивается, превратившись в самостоятельную отрасль науки – цитологию.

В 1861 году Брюкко выдвигает теорию о сложном строении клетки, которую он определяет как «элементарный организм», выясняет далее развитую Шлейденом и Шванном теорию клеткообразования из бесструктурного вещества (цитобластемы). Обнаружено, что способом образования новых клеток является клеточное деление, которое впервые было изучено Молем на нитчатых водорослях. В опровержении теории цитобластемы на ботаническом материале большую роль сыграли исследования Негели и Н.И. Желе.

Деление тканевых клеток у животных было открыто в 1841 г. Ремарком. Выяснилось, что дробление бластомеров есть серия последовательных делений (Биштюф, Н.А. Келликер). Идея о всеобщем распространении клеточного деления как способа образования новых клеток закрепляется Р. Вирховом в виде афоризма: Всякая клетка – из другой клетки

Работы Вирхова оказали неоднозначное влияние на развитие клеточного учения:

• Клеточная теория распространялась им на область патологии, что способствовало признанию универсальности клеточного учения. Труды Вирхова закрепили отказ от теории цитобластемы Шлейдена и Шванна, привлекли внимание к протоплазме и ядру, признанными наиболее существенными частями клетки.

• Вирхов направил развитие клеточной теории по пути чисто механистической трактовки организма.

• Вирхов возводил клетки в степень самостоятельного существа, вследствие чего организм рассматривался не как целое, а просто как сумма клеток.

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

Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и на сегодняшний день. В настоящее время клеточная теория постулирует

• Клетка – элементарная единица живого.

• Вне клетки нет жизни.

• Клетка – единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц – органелл или органоидов.

• Клетки сходны – гомологичны – по строению и по основным свойствам.

• Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала: клетка от клетки.

• Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных.

• Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т.е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – к дифференцировке.

• Вывод:

Клетка - элементарная единица строения и развития всех живых организмов.

Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.

Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.

В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.

Значение клеточной теории для медицины

Клетка - единица патологии. Клетку необходимо знать не только как единицу строения организма, но и как единицу патологических изменений. Практически все болезни связанные с нарушением структуры и функции клеток, из которых образуются все ткани и органы. Нарушение структуры и функции одних клеток является первопричиной возникновения и развития болезни, а нарушение других может быть уже следствием неблагоприятных изменений в организме. Например, при инфаркте миокарда нарушается функционирование, а затем наступает гибель кардиомиоцитов через острую недостаток кислорода. Вследствие того, что часть сердечной мышцы не принимает участия в сокращении, нарушается кровоснабжение в организме, что приводит к гипоксии и изменений функции и структуры клеток, в первую очередь нейронов головного мозга.

Практическая значимость клеточной теории в медицине

Австралийские ученые из Детского исследовательского института Мердока успешно вырастили в лаборатории клетки крови из стволовых клеток.

Это настоящий прорыв, который дает надежду на искусственные трансплантаты крови.

Ученые опробовали уникальную технологию с применением стволовых клеток. В итоге они получили тип кровяных клеток, имитирующий предшественника кровяных клеток, который можно найти у эмбрионов.

Чтобы вырастить эти клетки, ушло три недели. Столько же уходит в процессе эмбрионального развития. А еще секрет успеха работы в анализе генов. Ученые выяснили, что есть генетическая разница крови, полученной в лаборатории, и клеток из пуповинной крови. Именно эта разница позволила понять, как заставить клетки расти в нужном направлении.Конечной целью работы является создание клеток крови, пригодных для трансплантации пациентам с лейкемией и с отсутствием совпадений по трансплантату костного мозга. Технологию можно использовать для получения разных типов клеток вроде тромбоцитов, эритроцитов, клеток иммунной системы.

Достижения Современной Цитологии.

Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение.

Цитологические методы используются в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода.

Самое важное применение цитологических методов в медицине – это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения, распознаваемые опытными патоморфологами

Биология опухолевой клеткиКлетка многоклеточного организма может существовать в двух состояниях: нормальном и трансформированном, т.е. опухолевом.

Наиболее характерным отличительным свойством опухолевой клетки является способность к непрерывному делению, которое не подчиняется регуляторным сигналам организма.

В результате деления из одной клетки образуются две, также способные к бесконтрольному делению, т.е. способность к нерегулируемому делению передается по наследству. Отсюда следует, что из одной опухолевой клетки в организме может возникнуть опухолевой узел.

Два свойства опухолей определяют их опасность для жизни организма: способность к инвазии и метастазированию.Инвазия - явление прорастания опухоли в нормальные ткани, нарушая их питание, функционирование, что приводит их к гибели.

Метастазирование - это способность злокачественной опухоли образовывать опухолевые узлы в отдаленных от первичной опухоли частях организма. Отрываясь от основного узла, одиночные опухолевые клетки током крови или лимфы разносятся по всему организму. В некоторых органах они могут задержаться и начать делиться, что приведет к образованию новых опухолевых узлов, способных к инвазии, таким образом, даже если опухоль поражен не жизненно важный орган, то и в этом случае способность опухоли к метастазированию делает ее опасной для жизни.

Особый интерес представляет вопрос, может ли идти обратный? Дать положительный ответ, разумеется, никто не решится, но в то же время имеются данные, свидетельствующие о теоретической возможности перерождения - нормализации опухолевых клеток.

Было отмечено, что при введении некоторых веществ (масляной кислоты, диметилсульфоксида, витамина А и др.) в клеточную культуру опухоли, клетки по некоторым биохимическим признакам становились похожими на нормальные, однако при удалении этих веществ клетки вновь приобретали опухолевые черты.

Беатриса Минц, одна из исследователей рака, пересаживала клетку тератомы - опухоли семенников черной мыши в полость бластулы (этап развития оплодотворенной яйцеклетки) белой мыши. Через положенный срок рождались мышата, которые отличались от контрольных только тем, что они были пестрыми - на белой шкурке были черные полосы. Следовательно, в окружении нормальных клеток опухолевая клетка включилась в процессы развития организма как нормальная клетка

Каждый из нас слышал о чудесных случаях исчезновения опухолей и выздоровления больных раком. Анализ историй болезней людей, болевших в стадии, когда медицина была бессильна им помочь и никакого лечения не проводилось, показывает, что очень малая доля больных по совершенно непонятным причинам выздоравливала. Погибали ли опухолевые клетки в организме в результате изменений в функционировании всего организма, превращались ли они в нормальные клетки - совершенно неизвестно.

Итак, рак это с одной стороны генетическое заболевание, когда ломается заранее заданная программа клеточного деления и клетка переходит в режим безостановочного самовоспроизводства, а с другой стороны - иммунное заболевание, поскольку происходит нарушение координации в системе надзора за тем, чтобы клетки, нарушившие закон о строгом выполнении программы развития, уничтожались.

Клонирование

Термин "клонирование" стремительно вошел в широкий лексикон около

двух лет назад: тогда специалисты Рослинского института в Шотландии сообщили и существовании овечки Долли, появившейся на свет методом бесполого размножения. Кейт Кемпбелл и его сотрудники брали клетки из грудной железы шестилетней беременной овцы

( в таком случае эти клетки лучше могут делиться), извлекали из полученной культуры ядра и внедряли их в предварительно очищенные от собственных ядер яйцеклетки других овечек. После нескольких сотен опытов одна из подобных манипуляций удалась: таким путем на свет появилась Долли - овечка, генетический код которой тождествен коду овцы-донора.

В воздухе запахло сенсацией: если таким методом удается создать млекопитающую овечку, то почему нельзя тем же путем произвести и не менее млекопитающего человека?Возможно, что споры юристов и политиков вокруг допустимости клонирования человека получат неожиданное завершение. Видные биологи недавно высказали серьезные сомнения в чистоте эксперимента с овцой Долли. Заявления скептиков стали темой горячих дебатов среди генетиков.

Критике подвергнут научный отчет, опубликованный Яном Уилмутом и его коллегами из Рослинского института в Шотландии, где появилась на свет Долли.Оппоненты утверждают, что авторы отчета не сумели доказать, что Долли и ее "мать" обладают одинаковой генетической структурой. А без этого невозможно установить, действительно ли Долли является клоном взрослого животного. В стане скептиков оказался и нобелевский лауреат профессор Уолтер Гилберт из Гарвардского университета США. Его сомнения основываются на том, что клетки, которые использовались для создания Долли, были взяты у овцы, умершей за 3 года до ее рождения. Клетки были заморожены для других целей, поэтому невозможно напрямую сравнить наследственный материал Долли с ее живым клоном.

Профессор Нортон Зиндер, специалист в области молекулярной генетики из университета Рокфеллера в Нью-Йорке, не исключает, что родительницей знаменитой овцы стала "заблудившаяся" клетка зародыша. Известны случаи, когда эмбриональные клетки попадали в кровь беременных животных. "Клонирование Долли было единственной удачей из 400 попыток. Это анекдот, а не результат. Во время эксперимента могли произойти любые вообразимые и невообразимые ошибки", - утверждает Зиндер.

Высказывают сомнения и более основательные. Хотя каждая отдельная клетка несет в себе полную наследственную информацию о нем, большинство генов быстро "отключается". Клетки специализируются, так что, например, из клетки печени не сможет получиться клетка мозга.Доказательство происхождения Долли, считают, профессор Клаус Раевски, директор Института генетики Кельнского университета, и его коллега Вернер Мюллер, не обладает стопроцентной генетической достоверностью. Нельзя исключить и путаницу с исходными клетками. В целом, шотландские создатели Долли в течение нескольких месяцев проделали 834 опыта по клонированию, используя три различных типа клеток, размеры которых составляют всего несколько тысячных долей миллиметра. Возможно и "загрязнение" клеток вымени. В чашке Петри, очевидно, могли плавать и другие вещества, что признает даже сам "автор" Долли Ян Уилмут. Сомнения могла бы устранить только вторая Долли, то есть успешное повторение шотландского эксперимента.

Клонирование - ключ к вечной молодости?

Немало спекуляций и домыслов появилось в последнее время относительно нового способа "изготовления" людей путем клонирования

За всю историю человечество сотворило немало глупостей, но возможный запрет клонирования рискует побить все рекорды. Клонирование, не просто гуманно по своей сути, но способно кардинально решить такие проблемы, как трансплантация органов, возможность иметь детей при самых тяжелых случаях бесплодия и одиноким людям, а также шанс потерявшим ребенка родителям хоть немного смягчить свое горе, воспитывая двойника.

Трансплантация клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему свету из-за дефицита органов, который создается из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти.Вторым важным следствием трансплантации клонируемых частей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т.д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми.

Вывод

Создание клеточной теории явилось крупнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы.

Клеточная теория считается и поныне одним из важнейших открытий естествознания, равным по значению открытию закона сохранения энергии и дарвиновской теории естественного отбора. Открытие клетки и создание клеточной теории способствовали объяснению основных закономерностей живой природы.

Создание клеточной теории стало одним из решающих доказательств единства живой природы и дало мощный толчок для развития живой природы на клеточном уровне. В связи с этим клеточная теория сыграла огромную роль в развитии биологии как науки, а также послужила фундаментом для развития таких дисциплин как эмбриология, гистология, анатомия и физиология. Клеточная теория стала важной вехой в развитии не только биологии, но и медицины.

Код для цитирования: Скопировать