Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

 6) цитопатологии, предметом которой является изучение патологических процессов в клетке.

Предмет, задачи и методы цитологии

            Различают общую и частную цитологию. Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, обмен веществ, реакции на повреждение, патологические и репаративные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или у протистов и бактерий.

     Предметом изучения цитологии являются клетки организмов  трёх доменов  живой природы – Архей, Протистов и Эукариот. Задачи цитологии – установление  происхождения, а также закономерностей  строения, функционирования, деления, трансформации, специализации и эволюции клеток. Решение этих задач облегчит  борьбу с паразитами, онкологическими заболеваниями и старением организма человека.

Для решения этих задач в цитологии используются следующие методы:

          Цитологическое  исследование широко применяется не только в биологии, но и в медицине – для диагностики различных заболеваний. При цитологическом исследовании, в отличие от гистологического, требуется меньшее количество материала (отдельные клетки, их комплексы), из которого можно в течение нескольких минут приготовить цитологический препарат (мазок, отпечаток), как правило, без длительной предварительной обработки и, не прибегая к помощи специальной аппаратуры. Цитологическое исследование позволяет оценить изменения лишь на ограниченном участке изучаемого материала. В тех случаях, когда требуется выявить взаимное расположение клеток и межклеточного вещества в исследуемых тканях, применяют гистологическое исследование.

             Цитологическое исследование в хирургии применяют чаще с целью изучения в динамике раневого экссудата (отделяемого раны). При этом удается установить характер раневого процесса, проследить эффективность обработки раны и динамику ее заживления, оценить, в известной мере, иммунные свойства организма, его местные регенераторные возможности. Так, например, появление в препаратах-отпечатках лимфоцитов и моноцитов свидетельствует об эффективности проводимого лечения, хорошем прогнозе; наличие в экссудате большого числа плазматических клеток  указывает на затяжное течение процесса.

             Цитологическое исследование в онкологии позволяет устанавливать принадлежность клеток к злокачественной опухоли  на основании обнаружения в них большинства признаков злокачественности (полиморфизм клеток, ядер, ядрышек, атипия ядер, нарастание числа митозов и др.).

             Цитологическое исследование в акушерстве и гинекологии проводится с целью выявления особенностей гормонального статуса, предопухолевых заболеваний и рака женских половых органов. Материалом для цитологического исследования служат влагалищные мазки, мазки-отпечатки, поверхностные соскобы со слизистой оболочки женских половых органов, аспирированный материал из эндометрия и тканевые пунктаты (из опухолей яичников и др.).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа и гистологических методов исследования. Важным этапом в развитии цитологии было создание клеточной теории .

Клеточная теория, история создания и значение

              Клеточная теория – первое и наиболее важное теоретическое обобщение в биологической науке. В отличие от конкретных теорий физики и химии, клеточная теория представляет собой  констатацию  важнейших открытий и  концепций, созданных трудом многих  ученых (лат. conceptio – трактовка какого-либо явления, процесса). Центром внимания в этой теории  является клетка, при этом обычно  имеют в виду определенное понятие, включающее в себя структурный и функциональный аспекты. Следует отметить, что создание клеточной теории стало возможным благодаря   микроскопическому методу исследования строения различных органов растений и животных. В связи с этим прогресс в изучении клетки был обусловлен  развитием оптики,  постоянным совершенствованием  микроскопов и методов исследования клетки.

       Первый микроскоп, изготовленный Галилео Галилеем  в 1609 г., представлял собою трубу  с двумя линзами и не позволял  детально  изучать  мелкие объекты. В 1665 г. секретарь Лондонского королевского научного общества, физик Роберт Гук, отличавшийся большой изобретательностью, усовершенствовал микроскоп, снабдив его конденсором. Рассматривая под своим микроскопом тонкий срез пробки, Гук обнаружил, что она построена из маленьких ничем не заполненных ячеек, разделенных тонкими стенками. Он назвал эти  ячейки клетками, так как они напоминали ему монастырские кельи (англ. сell – келья, камера, клетка). Исследуя  различные части других растений (лопуха, папоротника и др.), он обнаружил тот же план строения, что и у пробки.  Однако это не было открытием клетки в современном понимании. Да и сам Гук не придал этому большого значения, поскольку он преследовал лишь цель показать возможности нового физического инструмента. Тем не менее, факты, открытые Гуком, послужили стимулом для новых исследований.

        Итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги начал изучать  клеточное строение органов растений. Он правильно описал сосудисто-проводящие пучки корней, стеблей и листьев. Англичанин Неемия  Грю впервые вводит в биологию понятие «ткани» – совокупности однотипных клеток и межклеточного вещества.

        Голландский натуралист Антони ван Левенгук первым открыл простейших (1674), бактерии (1676), пластиды (1676), сперматозоды животных (1677), дрожжевые грибки (1680), эритроциты лягушки, в которых заметил ядра (1680), жгутиковых простейших (1681) и многие другие микроскопические существа.

           Долгое время основным структурным компонентом клетки признавалась ее оболочка.   В 1825 г. чешский ученый Ян Пуркинье  показал, что внутри клетки находится студенистое вещество и назвал его протоплазмой  (греч. – protos – первичный,  plasma – образование). Он  первым выдвинул положение, что тело животных состоит из клеток, описал ядро в яйцеклетке курицы (1825).  Под впечатление этого открытия,  русский академик Карл фон Бэр начал изучать фолликулы яичника (Граафовы пузырьки) собаки и открыл яйцеклетку – женскую половую клетку млекопитающих.  Спустя шесть лет  шотландский ботаник Роберт Броун обнаружил ядро в  клетках кожицы листа орхидеи и  на основании многочисленных исследований сделал вывод, что ядро присутствует во всех клетках растений.

       Структуры клеток  растений и животных описывались  разными учеными неоднократно, однако, в то время клеточному строению  организмов не придавали значения  и не рассматривали клетку  как элементарную единицу и  основу жизни. (Справедливости  ради  следует отметить, что в 1834 г. профессор  П.Ф. Горянинов назвал клетку универсальной моделью  организации живых существ). 

       Ученых того  времени волновал вопрос образования  новых клеток. В 1837 г. немецкий ботаник  Маттиас Шлейден предложил гипотезу  образования растительных клеток  из бесструктурной  плазмы. В дальнейшем  эта концепция клеткообразования  оказалась ошибочной и была  опровергнута.

        В 1838 г. немецкий зоолог Теодор Шванн, собрал все доступные ему разрозненные идеи и наблюдения многих ученых (в том числе и гипотезу клеткообразования Шлейдена) в единую теорию, утверждавшую: 1) клетка является основным элементом жизни; 2) любые организмы состоят из одной или многих клеток. Весь собранный материал  в 1839 г. он опубликовал в книге «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Начиная с этого времени стали говорить о клеточной теории как научном обобщении.

        Огромный вклад  в историю учения о клетке  внес выдающийся немецкий ученый  биолог и врач Рудольф ВирхÓв.  Своими исследованиями он  показал, что главным компонентом клетки является не оболочка, а ядро.  Он опроверг гипотезу образования новых клеток из бесструктурного клеточного вещества (цитобластемы) и дополнил клеточную теорию фундаментальным положением: «Omnis cellula е cellulae» – «Всякая клетка от клетки». Иными словами, он доказал, что новые клетки образуются только в результате деления материнской клетки и не могут возникнуть de novo из бесклеточного вещества (закон Вирхова). Представления Вирхова о преемственности клеточных поколений послужили стимулом нового подхода к изучению материальных основ наследственности и способствовали зарождению генетики.

          В 1858 г. появилась книга Р. Вирхова  «Патология, основанная на клеточной теории», или,  как ее часто переводят,  «Целлюлярная патология». Концепции, развиваемые в этой книге оказали   решающее значение для развития  биологии и медицины второй  половины  ХIХ века. Обосновав теорию, что любая болезнь есть сумма нарушений, происходящих в клетках, а организм – государство клеток, он стал основоположником  важнейшей медицинской морфологической дисциплины – патологической анатомии.

 “Важнейшее значение этого  труда, – отмечает академик Д.С.Саркисов, – определяется тем, что изложенная  в нем целлюлярная (клеточная) патология  знаменовала собой следующий  шаг вперед в поисках местонахождения  болезней  – от  органного уровня  к клеточному. Таким образом, с  появлением целлюлярной патологии  стало возможным более точно  и конкретно связывать нарушение  функции с повреждением тех  или иных клеточных типов”. 

            Всеобщность клеточного строения животных и растений стимулировала развитие многих наук. Сравнительная  анатомия получили возможность распространить свои принципы на клеточный уровень организации. Физиология стала в значительной мере физиологией клетки. Отсюда выросла общая физиология, занявшая свое место рядом с физиологией органов высших животных. Эмбриология стала твердо на ноги также лишь после установления клеточного учения. Патология смогла покончить с донаучными представлениями о населяющих человеческий организм «добрых» и «злых» силах, борьбой которых и объяснялось возникновение болезней, а также исключить такие «причины» болезни, как божья кара, сглаз и мн. др.  

        Клеточная теория утвердила факт существования зависимости между структурой и функцией. Структуру организма, то есть, то из чего он построен,  изучает  морфология –  наука о форме. В развитии этой науки отмечают три периода: макроскопический (органный), микроскопический (клеточный) и ультрамикроскопический (органоидный).  До создания  клеточной теории  морфологические исследования проводились на макроскопическом (анатомическом) уровне.  Изучение структуры  при различных болезнях ограничивалось регистрацией  цвета, размеров, грубых повреждений, обызвествлений  и других изменений  органов. (Отголосками этого периода являются дошедшие до нас такие выражения как «бычье сердце» ….. «гусиная печень»… и др). Естественно, что при некоторых явных изменениях функции, обнаружить визуально ранние структурные изменения в органе было невозможно.  В связи с этим, в медицине сложилось ошибочное представление о функциональных изменениях без нарушения структуры.

          Клеточная  теория ознаменовала начало второго, микроскопического, периода развития  морфологии. Световая микроскопия  позволяла выявлять более ранние  изменения в органе, но и ее  данных не хватало для того, чтобы развеять широко распространенный  в медицине миф о чисто функциональных  расстройствах в развитии болезни. 

       Следующая важная  для изучения клетки дата  –  это 1874 г., когда французский гистолог  Жан Батист Карнуа предложил  использовать понятие «биология  клетки», которое определило начало  формирования цитологии (греч. kytos – клетка, logos – учение) как науки о структуре, биохимии, физиологии и эволюции клетки.

        Время последней четверти  XIX в. является в истории науки особенно бурным периодом изучения клеточного ядра. В 1875 г. польский ботаник Эдвард Адольф Страсбургер впервые подробно изучил   митоз и мейоз в растительной клетке; предложил термины профаза, метафаза, анафаза, гаплоидное и диплоидное число хромосом.  Петр Иванович Перемежко в 1878 г. открыл и описал митоз в животной клетке. Для обозначения наследственных структур клеточного  ядра В. Вальдейер    предложил использовать термин «хромосома» (1883).  Немецкий ученый Вальтер Флеминг изучил мейоз в животной клетке,  проследил последовательность превращения хроматина в хромосомы; ввел в цитологию термины хроматин, митоз, амитоз.