Клеточная теория

человека Раковые клетки с ядрами (в частности, ДНК), окрашенными в синий цвет. Центральная и самая правая клетка находятся в интерфазе , поэтому помечены все ядра. Клетка слева находится в стадии митоза , и ее ДНК конденсировалась.

В биологии , клеточная теория — это научная теория впервые сформулированная в середине девятнадцатого века, согласно которой живые организмы состоят из клеток , что они являются основной структурной/организационной единицей всех организмов и что все клетки происходят из ранее существовавших клеток. . Клетки являются основной структурной единицей всех живых организмов, а также основной единицей размножения .

Клеточная теория традиционно считалась основной теорией всей жизни . но некоторые биологи считают неклеточные объекты, такие как вирусы, живыми организмами. и поэтому не согласны с универсальным применением клеточной теории ко всем формам жизни.

История

Благодаря постоянным усовершенствованиям микроскопов , технология увеличения стала достаточно продвинутой, чтобы обнаруживать клетки. Это открытие во многом приписывается Роберту Гуку и положило начало научному изучению клеток, известному как клеточная биология . Рассматривая кусок пробки под прицелом, он смог увидеть поры. В то время это было шоком, поскольку считалось, что никто больше этого не видел. Для дальнейшего подтверждения своей теории Матиас Шлейден и Теодор Шванн также изучали клетки животных и растений. Они обнаружили значительные различия между двумя типами клеток. Это выдвинуло идею о том, что клетки имеют фундаментальное значение не только для растений, но и для животных.

Микроскопы

Дополнительная информация: Микроскоп § Возникновение современных световых микроскопов.

Открытие клетки стало возможным благодаря изобретению микроскопа. В первом веке до нашей эры римляне умели изготавливать стекло. кажутся больше Они обнаружили, что предметы под стеклом . Расширенное использование линз в очках в 13 веке, вероятно, привело к более широкому использованию простых микроскопов ( луп ) с ограниченным увеличением. Сложные микроскопы сочетается , в которых объектив с окуляром для просмотра реального изображения с гораздо большим увеличением, впервые появились в Европе около 1620 года. В 1665 году Роберт Гук использовал микроскоп длиной около шести дюймов с двумя выпуклыми линзами внутри и исследовал образцы в отраженном свете. свет за наблюдения в своей книге «Микрография» . Гук также использовал более простой микроскоп с одной линзой для исследования образцов прямым проходящим светом, поскольку это позволяло получить более четкое изображение.

Обширное микроскопическое исследование провел Антон ван Левенгук , торговец тканями, который заинтересовался микроскопами после того, как увидел один из них во время ученичества в Амстердаме в 1648 году. В какой-то момент своей жизни до 1668 года он смог научиться шлифовать линзы. В конечном итоге это привело к тому, что Левенгук создал свой собственный уникальный микроскоп. Он сделал один с одной линзой. Он смог использовать одну линзу, которая представляла собой небольшую стеклянную сферу, но обеспечивала увеличение в 270 раз. Это был большой прогресс, поскольку раньше увеличение составляло максимум 50 раз. После Левенгука в технологии микроскопов не было большого прогресса до 1850-х годов, то есть двести лет спустя. Карл Цейсс , немецкий инженер, производивший микроскопы, начал вносить изменения в используемые линзы. Но оптическое качество не улучшилось до 1880-х годов, когда он нанял Отто Шотта и, в конечном итоге, Эрнста Аббе .

Оптические микроскопы могут фокусироваться на объектах размером с длину волны или больше, что по-прежнему ограничивает продвижение открытий с объектами, меньшими, чем длины волн видимого света . Развитие электронного микроскопа в 1920-х годах позволило рассматривать объекты размером меньше оптических длин волн, что снова открыло новые возможности в науке.

• 
  Репродукция микроскопа Антона ван Левенгука 17 века с увеличением до 300 раз.
• 
  Установка микроскопа Роберта Гука, изображенная в Micrographia

Открытие клеток

структуры пробки Рисунок Роберта Гука , появившийся в Micrographia.

Клетка была впервые обнаружена Робертом Гуком в 1665 году, описание которой можно найти в его книге «Микрография» . В этой книге он дал 60 подробных наблюдений различных объектов под грубым сложным микроскопом. Одно наблюдение было сделано на очень тонких ломтиках бутылочной пробки . Гук обнаружил множество крошечных пор, которые он назвал «клетками». Оно произошло от латинского слова Cella , что означает «маленькая комната», в которой жили монахи, а также Cellulae , что означало шестигранную ячейку сот. Однако Гук не знал их реальной структуры и функции. То, что Гук считал клетками, на самом деле было пустыми клеточными стенками растительных тканей. Поскольку в то время микроскопы имели небольшое увеличение, Гук не смог увидеть другие внутренние компоненты клеток, которые он наблюдал. Поэтому он не думал, что «клетки» живы. Его наблюдения за клетками не дали никаких указаний на ядро ​​и другие органеллы, обнаруженные в большинстве живых клеток. В «Микрографии» Гук также наблюдал плесень голубоватого цвета, обнаруженную на коже. Изучив ее под микроскопом, он не смог наблюдать «семена», которые указывали бы на то, как плесень размножалась в количестве. Это привело Гука к предположению, что причиной было самопроизвольное зарождение от естественного или искусственного тепла. Поскольку это был старый Теория Аристотеля в то время все еще была принята, другие не отвергали ее и не опровергались до тех пор, пока Левенгук позже не обнаружил, что зарождение достигается иначе.

Антон ван Левенгук — еще один ученый, который увидел эти клетки вскоре после Гука. Он использовал микроскоп с улучшенными линзами, которые могли увеличивать объекты в 270 раз. Под этими микроскопами Левенгук обнаружил подвижные объекты. В письме Королевскому обществу от 9 октября 1676 года он заявляет, что подвижность — это качество жизни, следовательно, это были живые организмы. Со временем он написал еще много статей, в которых описывались многие конкретные формы микроорганизмов . Левенгук назвал эти животные « животными », которые включали простейших и другие одноклеточные организмы, такие как бактерии . Хотя у него не было большого формального образования, он смог дать первое точное описание эритроцитов и открыть бактерии после того, как заинтересовался чувством вкуса, в результате чего Левенгук наблюдал язык быка, а затем побудил его изучить «перцовую воду» в 1676 году. Он также впервые обнаружил сперматозоиды животных и человека. Открыв эти типы клеток, Левенгук увидел, что процесс оплодотворения требует, чтобы сперматозоид попал в яйцеклетка . Это положило конец прежней теории самозарождения . Прочитав письма Левенгука, Гук первым подтвердил свои наблюдения, которые другие современники считали маловероятными.

Клетки в тканях животных наблюдались позже, чем в растениях, поскольку их ткани хрупкие и трудно поддающиеся изучению. Биологи считали, что существует фундаментальная единица жизни, но до Анри Дютроше было неясно, что это такое. Помимо утверждения, что «клетка является фундаментальным элементом организации», Дютроше утверждал, что клетки также являются физиологической единицей.

В 1804 году Карл Рудольфи и JHF Link за «решение проблемы природы клеток», то есть они были первыми, кто доказал, что клетки имеют независимые клеточные стенки были награждены премией Königliche Societät der Wissenschaft (Королевское общество науки) . Геттинген. Раньше считалось, что клетки имеют общие стенки и таким образом жидкость проходит между ними.

Клеточная теория

Матиас Якоб Шлейден (1804–1881)

Теодор Шванн (1810–1882)

Заслугу в разработке клеточной теории обычно отдают двум ученым: Теодору Шванну и Матиасу Якобу Шлейдену . Хотя Рудольф Вирхов внес свой вклад в разработку этой теории, его вклад в эту теорию не получил такого признания. В 1839 году Шлейден предположил, что каждая структурная часть растения состоит из клеток или является результатом клеток. Он также предположил, что клетки образуются в результате процесса кристаллизации либо внутри других клеток, либо снаружи. Однако это не была оригинальная идея Шлейдена. Он утверждал, что эта теория является его собственной, хотя Бартелеми Дюмортье высказал ее за много лет до него. Этот процесс кристаллизации больше не принимается современной клеточной теорией . В 1839 году Теодор Шванн утверждает, что животные, наряду с растениями, состоят из клеток или продуктов клеток в их структурах. Это был крупный прогресс в области биологии, поскольку до этого момента о строении животных было мало что известно по сравнению с растениями. На основе этих выводов о растениях и животных были постулированы два из трех принципов клеточной теории.

1. Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток.

2. Клетка — основная единица жизни.

Теория Шлейдена об образовании свободных клеток посредством кристаллизации была опровергнута в 1850-х годах Робертом Ремаком , Рудольфом Вирховым и Альбертом Колликером . В 1855 году Рудольф Вирхов добавил к клеточной теории третий принцип. На латыни этот принцип гласит: Omnis cellula e cellula . Это переводится как:

3. Все клетки возникают только из уже существующих клеток.

Однако идея о том, что все клетки происходят из уже существующих клеток, уже была предложена Робертом Ремаком; Было высказано предположение, что Вирхов заимствовал Ремак. В 1852 году Ремак опубликовал наблюдения за делением клеток, заявив, что Шлейден и Шонн ошибались в отношении схем генерации. Вместо этого он сказал, что бинарное деление , которое впервые было предложено Дюмортье, было способом воспроизводства новых клеток животных. Как только этот принцип был добавлен, классическая клеточная теория была завершена.

Современная интерпретация

Общепринятые части современной клеточной теории включают:

1. Все известные живые существа состоят из одной или нескольких клеток.
2. Все живые клетки возникают из ранее существовавших клеток путем деления.
3. Клетка является фундаментальной единицей структуры и функции всех живых организмов.
4. Деятельность организма зависит от совокупной активности независимых клеток.
5. Поток энергии ( метаболизм и биохимия ) происходит внутри клеток.
6. Клетки содержат ДНК , которая находится конкретно в хромосоме, и РНК, обнаруженную в ядре и цитоплазме клетки.
7. Все клетки в основном одинаковы по химическому составу у организмов схожих видов.

Противоположные концепции

Клетка была впервые обнаружена Робертом Гуком в 1665 году с помощью микроскопа. Первая клеточная теория принадлежит работам Теодора Шванна и Матиаса Якоба Шлейдена в 1830-х годах. В этой теории внутреннее содержимое клеток называлось протоплазмой и описывалось как желеобразное вещество, иногда называемое живым желе. Примерно в то же время начала свое развитие коллоидная химия и возникли представления о связанной воде . Коллоид предотвратить представляет собой нечто среднее между раствором и суспензией , в котором броуновского движения достаточно, чтобы седиментацию . идея полупроницаемой мембраны — барьера, проницаемого для растворителя , но непроницаемого для молекул Примерно в то же время была разработана растворенных веществ. Термин «осмос» возник в 1827 году, и его значение для физиологических явлений было осознано, но только в 1877 году ботаник Пфеффер предложил мембранную теорию физиологии клеток . С этой точки зрения считалось, что клетка окружена тонкой поверхностью, плазматической мембраной , а клеточная вода и растворенные вещества, такие как калия, ион существуют в физическом состоянии, подобном состоянию разбавленного раствора . В 1889 году Гамбургер использовал гемолиз эритроцитов . для определения проницаемости различных растворенных веществ Измеряя время, необходимое клеткам для того, чтобы набухнуть и превысить предел эластичности, можно было оценить скорость, с которой растворенные вещества проникли в клетки, по сопутствующему изменению объема клеток. Он также обнаружил, что кажущийся объем нерастворителя в эритроцитах составляет около 50%, а позже показал, что сюда входит гидратная вода в дополнение к белку и другим компонентам клеток, не являющимся растворителем.

Теории мембранной и объемной фазы

Две противоположные концепции возникли в контексте исследований осмоса , проницаемости и электрических свойств клеток. Первый считал, что все эти свойства принадлежат плазматической мембране, тогда как другая преобладающая точка зрения заключалась в том, что протоплазма за эти свойства ответственна . Мембранная теория развивалась как последовательность специальных дополнений и изменений в теории для преодоления экспериментальных препятствий. Овертон (дальний родственник Чарльза Дарвина ) впервые предложил концепцию липидной (масляной) плазматической мембраны в 1899 году. Основным недостатком липидной мембраны было отсутствие объяснения высокой проницаемости для воды, поэтому Натансон (1904) предложил теория мозаики. С этой точки зрения мембрана представляет собой не чистый липидный слой, а мозаику участков с липидом и участков с полупроницаемым гелем. Руланд усовершенствовал теорию мозаики, включив в нее поры, обеспечивающие дополнительный проход небольшим молекулам. как правило, менее проницаемы для анионов , Леонор Михаэлис пришла к выводу, что ионы адсорбируются Поскольку мембраны , на стенках пор, изменяя проницаемость пор для ионов за счет электростатического отталкивания . Михаэлис продемонстрировал мембранный потенциал (1926) и предположил, что он связан с распределением ионов по мембране.

Харви и Даниэлли (1939) предложили липидную двухслойную мембрану, покрытую с каждой стороны слоем белка для измерения поверхностного натяжения. В 1941 году Бойль и Конвей показали, что мембрана мышц лягушки проницаема как для К, так и для К. ⁺
и Cl ⁻
, но видимо не На ⁺
, поэтому идея электрических зарядов в порах была ненужной, поскольку единственный критический размер пор мог бы объяснить проницаемость для K ⁺
, Ч ⁺
и Cl ⁻
а также непроницаемость для Na ⁺
, Как ⁺
и мг ²⁺
.В тот же период было показано (Проктер и Уилсон, 1916), что гели, не имеющие полупроницаемой мембраны, набухают в разбавленных растворах.

Жак Леб (1920) также тщательно изучал желатин с мембраной и без нее, показав, что большинство свойств, приписываемых плазматической мембране, можно воспроизвести в гелях без мембраны. В частности, он обнаружил, что можно создать разность электрических потенциалов между желатином и внешней средой на основе H ⁺
концентрация. Некоторая критика мембранной теории возникла в 1930-х годах и основывалась на таких наблюдениях, как способность некоторых клеток набухать и увеличивать площадь своей поверхности в 1000 раз. Липидный слой не может растягиваться до такой степени, не превращаясь в лоскутное одеяло (тем самым теряя свою барьерные свойства). Такая критика стимулировала продолжение исследований протоплазмы как основного агента, определяющего свойства клеточной проницаемости.

В 1938 году Фишер и Суер предположили, что вода в протоплазме находится не в свободной, а в химически связанной форме (протоплазма представляет собой сочетание белка, соли и воды), и продемонстрировали основное сходство между набуханием в живых тканях и набуханием желатина и желатина. фибриновые гели. Дмитрий Насонов (1944) рассматривал белки как центральные компоненты, ответственные за многие свойства клетки, в том числе за электрические свойства.К 1940-м годам теории объемной фазы не были так хорошо развиты, как мембранные теории. В 1941 году Брукс и Брукс опубликовали монографию «Проницаемость живых клеток», в которой отвергли теории объемной фазы.

Концепция стационарного мембранного насоса

С разработкой радиоактивных индикаторов было показано, что клетки не непроницаемы для Na. ⁺
. Это было трудно объяснить с помощью теории мембранного барьера, поэтому было предложено использовать натриевый насос для постоянного удаления Na. ⁺
как он проникает в клетки. Это привело к появлению концепции, что клетки находятся в состоянии динамического равновесия , постоянно используя энергию для поддержания ионных градиентов . В 1935 году Карл Ломанн открыл АТФ и ее роль как источника энергии для клеток, поэтому была предложена концепция метаболически управляемого натриевого насоса . Успех Ходжкина , Хаксли и Каца в разработке мембранной теории клеточных мембранных потенциалов с дифференциальными уравнениями, которые правильно моделировали явления, обеспечил дальнейшую поддержку гипотезы мембранного насоса.

Современный взгляд на плазматическую мембрану представляет собой жидкий липидный бислой, в который встроены белковые компоненты. Структура мембраны теперь известна очень подробно, включая трехмерные модели многих из сотен различных белков, связанных с мембраной.Эти важные достижения в клеточной физиологии поставили мембранную теорию на доминирующее положение и стимулировали воображение большинства физиологов, которые теперь, по-видимому, принимают эту теорию как факт – однако есть несколько несогласных.

Возрождение теорий объемной фазы

В 1956 году Афанасий Сергеевич Трошин опубликовал на русском языке книгу « Проблемы клеточной проницаемости », в которой показал, что проницаемость имеет второстепенное значение в определении закономерностей равновесия между клеткой и ее средой. Трошин показал, что количество клеточной воды снижается в растворах галактозы или мочевины, хотя эти соединения медленно проникают в клетки. Поскольку мембранная теория требует непостоянного растворенного вещества для поддержания сжатия клеток, эти эксперименты ставят под сомнение эту теорию. Другие задавались вопросом, достаточно ли у клетки энергии для поддержания натриево-калиевого насоса. Эти вопросы стали еще более актуальными, когда были добавлены десятки новых метаболических насосов и были открыты новые химические градиенты.

В 1962 году Гилберт Линг стал сторонником теорий объемной фазы и предложил свою гипотезу индукции ассоциации живых клеток.

См. также

• Клеточная адгезия
• Цитоскелет
• Клеточная биология
• Клеточная дифференциация
• Микробная теория болезней
• Мембранные модели

Библиография

• Тавассоли, М. (1980). «Клеточная теория: фундамент здания биологии» . Американский журнал патологии . 98 (1):44. ПМК   1903404 . ПМИД   6985772 .
• Тернер, В. (январь 1890 г.). «Клеточная теория в прошлом и настоящем» . Журнал анатомии и физиологии . 24 (Часть 2): 253–87. ПМК   1328050 . ПМИД   17231856 .
• Вулф, Стивен Л. (1972). Биология клетки . Паб Уодсворт. компании ISBN  978-0-534-00106-3 .

Внешние ссылки

• Мэллери, К. (11 февраля 2008 г.). «Клеточная теория» . Архивировано из оригинала 25 декабря 2018 г. Проверено 25 ноября 2008 г.
• «Урок по изучению клеток» . 2004 . Проверено 25 ноября 2008 г.