Основные положения современной клеточной теории

Основы клеток

Все организмы в царствах жизни состоят и зависят от нормальной работы клеток. Однако не все клетки одинаковы. Существует два основных типа клеток: эукариотические и прокариотические клетки. Примеры эукариотических клеток включают клетки животных, растений и грибов. Прокариотические клетки включают бактерии и археи.

Клетки содержат органеллы или крошечные клеточные структуры, которые выполняют определенные функции, необходимые для нормальной работы клеток. Они также содержат ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту), генетическую информацию, необходимую для координации клеточной активности.

«Современная клеточная теория»

Раздел ЕГЭ: 2.1. Современная клеточная теория, её основные положения, роль в формировании современной естественнонаучной картины мира. Развитие знаний о клетке. …

Клетка — основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, наименьшая живая система. Именно на уровне клетки проявляются все свойства жизни. Она может существовать как отдельный организм (бактерии, одноклеточные растения, животные и грибы) или же входить в состав тканей многоклеточных организмов.

Научная теория представляет собой обобщение научных данных об объекте исследования. Это в полной мере касается клеточной теории, созданной двумя немецкими исследователями М. Шлейденом и Т. Шванном в 1839 г.

Развитие знаний о клетке.

В начале XIX в. ботаник М. Шлейден, обобщив наблюдения своих предшественников, пришёл к выводу, что все растения состоят из клеток. Зоолог Т. Шванн обнаружил сходство растительных и животных клеток и в 1839 г. сформулировал клеточную теорию.

В основу клеточной теории легли работы многих исследователей, искавших элементарную структурную единицу живого. Созданию и развитию клеточной теории способствовало возникновение в XVI в. и дальнейшее развитие микроскопии.

Вот основные события, которые стали предшественниками создания клеточной теории:
— 1590 г. — создание первого микроскопа (братья Янсен);
— 1665 г. Роберт Гук — первое описание микроскопической структуры пробки ветки бузины (на самом деле это были клеточные стенки, но Гук ввел название «клетка»);
— 1695 г. — публикация Антония Левенгука о микробах и других микроскопических организмах, увиденных им в микроскоп;
— 1833 г. Р. Броун описал ядро растительной клетки;
— 1839 г. М. Шлейден и Т. Шванн открыли ядрышко.

Клеточная теория развивалась благодаря новым открытиям. В 1880 г. Уолтер Флемминг описал хромосомы и процессы, происходящие в митозе. С 1903 г. стала развиваться генетика. Начиная с 1930 г. стала бурно развиваться электронная микроскопия, что позволило ученым изучать тончайшее строение клеточных структур. XX век стал веком расцвета биологии и таких наук, как цитология, генетика, эмбриология, биохимия, биофизика. Без создания клеточной теории это развитие было бы невозможным.

Основные положения современной клеточной теории:

1. Все простые и сложные организмы состоят из клеток, способных к обмену с окружающей средой веществами, энергией, биологической информацией.
2. Клетка — элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого.
3. Клетка — элементарная единица размножения и развития живого.
4. В многоклеточных организмах клетки дифференцированы по строению и функциям. Они объединены в ткани, органы и системы органов.
5. Клетка представляет собой элементарную, открытую живую систему, способную к саморегуляции, самообновлению и воспроизведению.

Будучи во многом несовершенной, тем не менее клеточная теория доказала единство живой природы и дала мощный толчок к дальнейшим исследованиям и развитию цитологии как самостоятельной биологической науки. На нынешнем этапе наши знания о клетке обширны, но не всегда достаточны для понимания механизмов её функционирования.

Это конспект по теме «Современная клеточная теория». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к следующему конспекту: Гены и хромосомы
• Посмотреть конспект: Растительная клетка и ее строение (6 класс)
• Посмотреть конспект: Клетка животных (7 класс)
• Вернуться к списку конспектов по Биологии.
• Проверить знания по Биологии за 9 класс.

Клетка от клетки

Формулировка положения «всякая клетка от клетки» («omnis cellula e cellula») связана с именем знаменитого ученого Р. Вирхова. Т. Шванн в своих обобщениях подчеркивал одинаковость принципа развития клеток как у животных, так и у растений. Это представление базировалось на выводах Шлейдена о том, что клетки могут образовываться из зернистой массы в недрах клеток заново. Р. Вирхов как противник идеи о самозарождении жизни настаивал на «преемственном размножении клеток». Сегодня сформулированное Р. Вирховым афористическое определение можно считать биологическим законом.

Размножение прокариотических и эукариотических клеток происходит толькопутем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение еегенетического материала (редупликация ДНК).

У эукариотических клеток единственно полноценным способом деления является митоз (или мейоз при образовании половых клеток). При этом образуется специальный аппарат клеточного деления — клеточное веретено, с помощью которого равномерно и точно по двум дочерним клеткам распределяются хромосомы, до этого удвоившиеся в числе. Этот тип деления наблюдается у всех эукариотических (как растительных, так и животных) клеток.

Прокариотические клетки, делящиеся так называемым бинарным образом, также используют специальный аппарат разделения клеток, значительно напоминающий митотический способ деления эукариот.

Современная наука отвергает иные пути образования клеток и увеличение их числа. Появившиеся одно время описания образования клеток из «неклеточного живого вещества» оказались в лучшем случае результатом методических недостатков или даже ошибок, а в худшем — плодом научной недобросовестности.

Дополнительные положения клеточной теории

Для приведения клеточной теории в более полное соответствие с данными современной клеточной биологии список её положений часто дополняют и расширяют. Во многих источниках эти дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

• Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны (сопоставимы) друг другу.
• В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации — молекул нуклеиновых кислот ДНК («каждая молекула из молекулы»). Положение о генетической непрерывности («каждая клетка из клетки») распространяется не только на клетку в целом, но и на некоторые из её более мелких компонентов — митохондрии, хлоропласты, гены и хромосомы.
• Клетки многоклеточных тотипотентны, то есть обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию — к дифференцировке.

Положения клеточной теории Шлейдена — Шванна

Основы клеточной теории, окончательно заложенные Теодором Шванном, можно сформулировать следующим образом:

• Клетка есть биологическая элементарная единица строения организма и может быть рассмотрена как биологическая индивидуальность низшего порядка (отдельный организм, например, простейшие).
• Клеткообразование есть универсальный принцип размножения.
• Жизнь организма может и должна быть сведена к сумме жизней составляющих его клеток.

В 1858 г. Рудольф Вирхов применил клеточную теорию в медицине, дополнив её следующими важными положениями:

• Всякая клетка происходит из другой клетки.
• Всякое болезненное изменение связано с каким-то патологическим процессом в клетках, составляющих организм.

Клетка и многоклеточный организм

Роль отдельных клеток в многоклеточном организме подвергалась неоднократному обсуждению и критике и претерпела наибольшие изменения. Т. Шванн представлял себе многогранную деятельность организма как сумму жизнедеятельности отдельных клеток. Действительно, какую бы сторону деятельности целого организма мы ни брали, будь то реакция на раздражение или движение, иммунные реакции, выделение и многое другое, каждая из них осуществляется специализированными клетками. Клетка — это единица функционирования в многоклеточном организме.

Но клетки объединены в функциональные системы, в ткани и органы, которые находятся во взаимной связи друг с другом. Поэтому нет смысла в сложных организмах искать главные органы или главные клетки. Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток, объединенные в целостные интегрированные системы тканей и органов, подчиненные и связанные межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции. Вот почему мы говорим об организме как о целом. Специализация частей многоклеточного единого организма, расчлененность его функций дают ему большие возможности приспособления для размножения отдельных индивидуумов, для сохранения вида.

В итоге можно сказать, что клетка в многоклеточном организме — это единица функционирования и развития. Кроме того, первоосновой всех нормальных и патологических реакций целостного организма является клетка. Действительно, все многочисленные свойства и функции организма выполняются клетками. Когда в организм попадают чужеродные белки, например бактериальные, то развивается иммунологическая реакция. При этом в крови появляются белки — антитела, которые связываются с чужими белками и их инактивируют.

Эти антитела представляют собой продукты синтетической активности определенных клеток-плазмацитов. Но чтобы плазмациты начали вырабатывать специфические антитела, необходимы работа и взаимодействие целого ряда специализированных клеток-лимфоцитов и макрофагов. Другой пример, простейший рефлекс — слюноотделение в ответ на предъявление пищи. Здесь проявляется очень сложная цепь клеточных функций: зрительные анализаторы (клетки) передают сигнал в кору головного мозга, где активируется целый ряд клеток, передающих сигналы на нейроны, которые посылают сигналы к разным клеткам слюнной железы, где одни клетки вырабатывают белковый секрет, другие выделяют слизистый секрет, третьи, мышечные, сокращаясь, выдавливают секрет в протоки, а затем в полость рта. Такие цепи последовательных функциональных актов отдельных групп клеток можно проследить на множестве примеров функциональных отправлений организма.

Жизнь нового организма начинается с зиготы — клетки, получившейся в результате слияния женской половой клетки (ооцита) со спермием. При делении зиготы возникает клеточное потомство, которое также делится, увеличивается в числе и приобретает новые свойства, специализируется, дифференцируется. Рост организма, увеличение его массы есть результат размножения клеток и выработки ими разнообразных продуктов (например, вещества кости или хряща).

И наконец, именно поражение клеток или изменение их свойств является основой для развития всех без исключения заболеваний. Данное положение было впервые сформулировано Р. Вирховым (1858) в его знаменитой книге «Клеточная патология». Классическим примером клеточной обусловленности развития болезни может служить сахарный диабет, широко распространенное заболевание современности. Его причина — недостаточность функционирования лишь одной группы клеток — так называемых В-клеток островков Лангерганса в поджелудочной железе. Эти клетки вырабатывают гормон инсулин, участвующий в регуляции сахарного обмена организма

Все эти примеры показывают важность изучения структуры, свойств и функций клеток для самых различных биологических дисциплин и для медицины

Подводя итог рассмотрению современного состояния клеточной теории, нужно сказать, что именно клетка является единицей развития многоклеточных, единицей их строения, функционирования и единицей патологических изменений организма.

Сравнение растительной и животной клетки

Строение клетки

Митоз, мейоз и амитоз

Правописание приставок пре- и -при

Химический состав клетки

История клеточной теории

Открытие клеточной теории берет свое начало в далеком 1655 году, когда английский ученый Р. Гук на основе своих многочисленных наблюдений за живой материей впервые предложил термин «клетка». Сделал он это в своем знаменитом научном труде «Микрография», который впоследствии вдохновил другого талантливого ученого из Голландии Левенгука на изобретение первого микроскопа.

Появление микроскопа и практическое наблюдение через него подтвердило идеи Гука, и клеточная теория получила дальнейшее развитие. И вот уже в 1670-е годы итальянский врач Мальпиги и английский натуралист Дрю описывают различные формы клеток у растений. В то же время сам изобретатель микроскопа Левенгук наблюдает мир одноклеточных организмов – бактерий, инфузорий, амеб. Будучи человеком творческим Левенгук первым изображает их на своих рисунках.

Так выглядели его рисунки.

Тем не менее, ученые XVII века представляли клетки в качестве пустот в непрерывной массе растительных тканей, о внутреннем строении клетки еще ничего не было известно. Не было значительного прогресса в этом направлении и в следующем XVIII веке. Хотя в это время стоит отметить труды немецкого ученого Фридриха Вольфа, который пытался сравнивать развитие клеток у растений и животных.

Первые попытки проникнуть во внутренний мир клетки были предприняты уже в XIХ веке, чему способствовало появление улучшенных микроскопов, в том числе наличие у последних ахроматических линз. Так ученые Линк и Молднхоуэр обнаруживают в клетках наличие самостоятельных стенок, то, что позже станет известно как мембрана. А в 1830 году английский ботаник Роберт Броун впервые описывает ядро клетки, как важную ее составную часть.

Во второй половине XVII века учение о клеточной теории и строении клетки оказывается в центре внимания всех ученых-биологов, и даже выделяется в отдельную под науку – цитологию.

Как появилась клеточная теория

Знаковое открытие, повлиявшее на дальнейший курс исследований и на современное положение клеточной теории, сделано в 30-х годах XIX века. Шотландец Р. Броун, изучая лист растения при помощи светового микроскопа, обнаружил в растительных клетках сходные округлые уплотнения, которые впоследствии назвал ядрами.

С этого момента появился важный признак для сопоставления между собой структурных единиц различных организмов, что стало основой выводов о единстве происхождения живого. Не зря даже современное положение клеточной теории содержит ссылку на данный вывод.

Вопрос о происхождении клеток был поставлен в 1838 году немецким ботаником Матиасом Шлейденом. Массово исследуя растительный материал, он отметил, что во всех живых растительных тканях присутствие ядер обязательно.

Его соотечественник зоолог Теодор Шванн сделал такие же выводы относительно тканей животных. Изучив работы Шлейдена и сопоставив множество растительных и животных клеток, он сделал заключение: несмотря на многообразие, все они имеют общий признак – оформленное ядро.

История

Клетку обнаружил Роберт Гук, рассматривая под микроскопом в 1665 году срез пробкового дерева. Однако интенсивное изучение клетки началось только в 1830-х годах, когда появились мощные микроскопы. В это же время была окончательно сформирована цитология – наука о строении и жизнедеятельности клеток бактерий, растений и животных.

Рис. 1. Роберт Гук.

Положения клеточной теории были сформулированы в 1839 году Шлейденом и Шванном. Учёные впервые доказали, что клетка – структурная единица любого организма, и, несмотря на специфические различия, клетки бактерий, растений, животных имеют схожее строение.

Рис. 2. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн.

Клеточная теория сформировалась на основе накопленных к середине XIX века знаний и с развитием цитологии дополнялась в ХХ веке. История становления клеточной теории представлена в таблице.

Год	Учёный	Заслуги
1828	Основоположник эмбриологии Карл Бэр	Открыл яйцеклетки человека и установил, что развитие организма начинается с одной оплодотворённой клетки
1831	Ботаник Роберт Броун	Детально описал ядро
1838	Ботаник Маттиас Шлейден	Обнаружил, что ткани растений состоят из клеток
1839	Цитолог Теодор Шванн	Доказал клеточное строение тканей животных, установил, что клетка – основа живых существ
1855	Врач Рудольф Вирхов	Клетки размножаются делением
1878	Ботаник Иван Чистяков	Открыл митоз в растительных клетках
1882	Биолог Вальтер Флемминг	Наблюдал мейоз у клеток животных
1888	Ботаник Эдуард Страсбургер	Наблюдал мейоз у клеток растений

В ХХ веке изучение клетки стало более доступным, т.к. появились усовершенствованные микроскопы. Современные электронные микроскопы доступны даже студентам и позволяют подробно рассматривать срезы жгутиков, переносчиков белков, мембранные структуры.

Рис. 3. Современные микроскопы.

Клеточные процессы:

Клеточное дыхание и фотосинтез

Клетки выполняют ряд важных процессов, необходимых для выживания организма. Клетки подвергаются сложному процессу клеточного дыхания, чтобы получить энергию, накопленную из потребляемых питательных веществах. Фотосинтетические организмы, включая растения, водоросли и цианобактерии, способны к процессу фотосинтеза. При фотосинтезе световая энергия солнца превращается в глюкозу. Глюкоза — это источник энергии, используемый фотосинтезирующими организмами и другими организмами, которые ими питаются.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Клетки также выполняют активные транспортные процессы эндоцитоза и экзоцитоз. Эндоцитоз — это процесс интернализации и переваривания веществ, таких как макрофаги и бактерии. Переваренные вещества высвобождаются через экзоцитоз. Эти процессы также позволяют перемещать молекулы между клетками.

Перемещение клеток

Перемещение клеток — это процесс, жизненно важный для развития тканей и органов. Движение клеток также требуется для митоза и цитокинеза. Передвижение клеток возможно благодаря взаимодействию между моторными белками и микротрубочками цитоскелета.

Репликация ДНК и синтез белка

Клеточный процесс репликации ДНК является важной функцией, которая необходима для нескольких процессов, включая синтез хромосом и деление клеток. Транскрипция ДНК и трансляция РНК делают возможным процесс синтеза белка

Развитие знаний о клетке

С появление микроскопа ученые получили возможность для пристального изучения живых клеток. Так, в 1665 г. Р. Гуком на срезе пробки было обнаружены маленькие ячейки, названные им клетками. Позднее такие образования внутри растений обнаружили Н. Грю и М. Мальпиги.

Позднее не имевшим специального образования голландским торговцем А. Левенгуком был создан самодельный микроскоп с увеличением в 270 раз. Ему удалось разглядеть:

• хлоропласты;
• ядро;
• утолщения клеточных оболочек.

Увиденное в микроскоп А. Левенгук всегда описывал и аккуратно зарисовывал, без приведения соответствующих объяснений. Так, ему удалось разглядеть бактериальные клетки и одноклеточные организмы. 

Львиная доля открытий компонентов клетки выпала на первую половину XIX в.:

• открытие пор и клеточного сока (Г. Моль);
• выделение ядра (Броун Р.);
• введение термина «протоплазма» (Я. Пуркинье);
• единое происхождение всех клеточных структур (Шлейден М.). 

Исследования русского ученого-эмбриолога Карла Бэра (1827 г.) приводят к обнаружению яйцеклеток у млекопитающих животных и человека. Данное открытие «сломало» господствующее тогда утверждение о развитии организмов только из гамет мужского типа. Работы Карла Бэра доказали процесс формирования многоклеточных тел из оплодотворенных яйцеклеток. Сравнение им зародышей разных организмов на ранних этапах развития доказало сходство их организации и дало толчок к мысли о единстве появления всего живого на Земле. 

К 1850-у году в биологической науке было сформировано большое количество открытий, связанных с клеткой. Привести их в систему помогли работы немецкого зоолога Шванна Т. и М. Шлейдена. Они создали первую клеточную теорию, объясняющую многие процессы внутри живых тел. 

Исследования патологоанатома и врача из Германии – Рудольфа Вирхова дополнили созданную ранее Шванном Т. и М. Шлейденом клеточную теорию. Вирхов Р. указал на возникновения новых клеток путем деления исходных (материнских) структур. Таким образом, он доказал возникновение «клетки от клетки» и «живого от живого».

После создания основных положений теории о структурно-функциональной единице живого (клетке) были сделаны и другие открытия, касающиеся происходящих в ней процессов. Так, усовершенствование к концу XIX в. микроскопа дало толчок для уточнения состава клетки с проведением описания имеющихся органоидов. Органоидами стали именовать клеточные компоненты постоянного строения, которые выполняют разные функции. 

Позднее был изучен процесс деления, происходящий в процессе митоза либо мейоза. Данные процессы стали основой способов воспроизведения клеточных структур и получили статус «передатчиков» наследственной информации. С использованием современных физико-химических методик детальнее были изучены процессы передачи и хранения наследственных признаков. Также тщательнее были обследованы тончайшие детали всех клеточных компонентов постоянного и переменного состава. Таким образом, было выделено особое биологическое направление — «цитология», занимающееся изучением структуры и жизнедеятельности клеток живых организмов.

Дата	Событие
Около 1590 г.	З. Янсен изобрел микроскоп
1665 г.	Р. Гук описал биологические исследования, проведения с использованием микроскопа. Применил термин «клетка»
1680 г.	А. ван Левенгук открыл одноклеточные организмы и эритроциты; описал бактерии, грибы, простейших.
1826 г.	К. Бэр открыл яйцеклетки птиц и животных.
1831-1839 гг.	Р. Броун описал ядро в клетке.
1838-1839 гг.	М. Шлейдер и Т. Шванн обобщили знания о клетке и сформулировали клеточную теорию: «Клетка — единица структуры и функции в живых организмах».
1855 г.	Р. Вихров дополнил теорию: «Клетка — единица структуры и функции живых организмов».
1877-1900 гг.	Усовершенствование микроскопа и методов фиксации и окрашивания. Цитология приобретает эксперементальных характер.
1931 г.	Э. Руске и М. Кноль сконструировали электронный микроскоп.
1946 г.	Начало широкого использования электронного микроскопа в цитологии.

Клеточное строение организмов

Клеточное строение организмов — основа единства органического мира, доказательство родства живой природы

Как уже было отмечено ранее, бактериям, грибам, растениям и животным свойственно наличие клеток разной формы и специализации. Вирусные частицы также не могут жить без живых клеток, так как там происходят процессы их размножения, хотя сами они являются неклеточными формами жизни.

В полноценной живой клетке постоянно происходят следующие процессы:

• раздражение;
• развитие;
• рост;
• метаболизм (обмен веществ);
• гомеостаз (саморегуляция) — способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание равновесия;  
• способность к воспроизведению себе подобных. 

Наличие совокупности данных признаков отличает живые организмы от неживых тел. Кроме этого, внутри живых клеточных структур хранятся, а при размножении передаются наследственные признаки, заключенные в генах. При половом размножении наследственные признаки комбинируются, что приводит к формированию новых генетических наборов и появляются новые признаки у организмов. Таким образом происходит жизнедеятельность живых организмов.

В природе существует великое множество живых клеток, которые различаются строением, формами и специализацией, но для всех их характерно наличие:

• наследственного аппарата;
• плазматической мембраны;
• цитоплазмы.

Возникновению современных клеточных структур сопутствовал длительный эволюционный процесс, происходящий в биосфере. Он делился на:

• химическую;
• биологическую;
• биохимическую эволюции.

Образование многоклеточных форм жизни не является банальным суммированием клеток, а выступает результатом сложных эволюционных преобразований, происходящих с сохранением присущих живому признаков. Таким образом организмы приобретали новые свойства и функции. В результате менялось их строение и образ жизни. Происходящие эволюционные преобразования привели к появлению новых видов и указали на общность происхождения всего живого — единого предка.

Полноценное существование живых организмов возможно лишь тогда, когда входящие в его состав клетки будут выполнять присущие им функции. Простое сложение клеток друг с другом не приведет к созданию целостного организма, так как полноценно функционировать он не сможет. Так, было открыто единство целостного и дискретного составляющего. 

Увеличение скорости метаболизма достигается ростом количества маленьких клеток у многоклеточных тел. При нарушении функций одной клетки (ее гибель) происходит восстановление ее деятельности вследствие воспроизведения клеточных структур. Без клеток гены существовать не могут, а значит. невозможно хранить и передавать наследственную информацию. Аналогично и с энергией, которая также не сможет аккумулироваться от Солнца, если не будет растительных клеток с хлоропластами.

Благодаря разделению клеточных функций в многоклеточных телах (организмах) живые системы смогли приспосабливаться к разным условиям существования и средам обитания. В результате возникали новые систематические категории – виды, роды, классы. Таким образом, шло длительное усложнение их организационного строения. 

После установления единого плана строения клеточных структур у всего живого возникли предпосылки единого происхождения живых организмов на Земле. Данные предпосылки были доказаны многочисленными открытиями в области палеонтологии, эмбриологии и других областях биологии. Так, возникло представление не только о едином плане строения живых организмов, но и доказательство единства происхождения органического мира.