Реферат на тему «Современное состояние клеточной теории»

Введение

В 2013 году группа итальянских и испанских биологов во главе с Эвой Бьянкони попробовала посчитать, сколько клеток в теле взрослого человека. Они сложили данные по отдельным органам и тканям и получили около 37 триллионов. Больше половины из них — эритроциты, красные клетки крови. Цифра условная, у разных людей она разная, но порядок понятен: мы состоим из десятков триллионов клеток, и каждая из них живёт по одним и тем же законам.

Сама мысль, что всё живое состоит из клеток, сегодня кажется очевидной. Однако ей меньше двухсот лет. В первой половине XIX века клеточная теория перевернула биологию так же, как закон всемирного тяготения перевернул физику: разрозненные наблюдения над растениями, животными и микробами вдруг сложились в одну картину. С тех пор теорию не раз уточняли, и современная её версия заметно богаче той, что предложили в 1830-х годах.

Для выпускника тема вполне практическая: в заданиях ЕГЭ по биологии формулировки клеточной теории и фамилии её авторов встречаются постоянно, и путают в них Шлейдена со Шванном, а Гука с Левенгуком. А для любопытных есть вопросы поинтереснее. Живы ли вирусы? Почему у митохондрий собственная ДНК, похожая на бактериальную? Ответы на оба вопроса упираются в клеточную теорию.

Цель реферата — рассмотреть современное состояние клеточной теории: как она возникла, какие положения в неё входят сейчас и как их подтверждают новые открытия. Объект работы — клеточная теория, предмет — история её развития и современные положения. Работа опирается на школьные учебники общей биологии для 10–11 классов, научно-популярную литературу и опубликованные данные исследований. Главные вехи истории теории собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Основные этапы развития клеточной теории

Глава 1. Основные положения клеточной теории

1.1 История развития клеточной теории

Всё началось с пробки от бутылки. В 1665 году англичанин Роберт Гук разглядывал под своим микроскопом тонкий срез пробки и увидел, что она состоит из множества пустых ячеек, похожих на пчелиные соты. Он назвал их cells, то есть «каморки», «кельи». Гук видел, по сути, только мёртвые стенки растительных клеток, но слово прижилось и стало научным термином.

Примерно в те же годы голландский торговец сукном Антони ван Левенгук шлифовал линзы, которые увеличивали в двести с лишним раз. В капле дождевой воды и в налёте с собственных зубов он увидел «маленьких зверюшек», как сам их называл. Это были бактерии и простейшие. Левенгук отправлял письма о своих наблюдениях в Лондонское королевское общество, и учёные долго не верили, что в капле воды может кипеть такая жизнь.

Следующие полтора века микроскопы улучшались, и описаний накопилось много, но общей мысли не было. В 1831 году шотландский ботаник Роберт Броун заметил в клетках орхидей плотное тельце и назвал его ядром. Это открытие пригодилось через несколько лет, когда двое немецких учёных взялись сравнивать растения и животных.

В 1838 году ботаник Маттиас Шлейден пришёл к выводу, что все растения построены из клеток. По известному рассказу, за обедом он описал зоологу Теодору Шванну, как выглядят ядра в растительных клетках, и Шванн вспомнил похожие структуры, виденные им в клетках спинной струны головастика. В 1839 году Шванн выпустил книгу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Её и считают рождением клеточной теории.

Шванн, впрочем, ошибся в важном. Новые клетки, по его мнению, «выкристаллизовываются» из бесструктурной жидкости, как соль из рассола. Опроверг это Роберт Ремак, наблюдавший деление клеток у зародышей, а Рудольф Вирхов в 1855 году подытожил: «omnis cellula e cellula», «всякая клетка от клетки». Вирхов был врачом-патологом и вывел отсюда, что любая болезнь — это болезнь клеток, и с этой мысли началась современная патология.

Дальше в дело вступила техника. Световой микроскоп упирается в предел примерно 0,2 мкм: мельче он ничего не различит, сколько ни увеличивай. Электронный микроскоп 1930-х годов этот предел обошёл, и в клетке обнаружились мембраны, рибосомы, эндоплазматическая сеть. В 1953 году Уотсон и Крик описали двойную спираль ДНК. А в 1967 году Линн Маргулис предложила гипотезу, что митохондрии и хлоропласты — потомки бактерий, поселившихся когда-то внутри других клеток; сейчас это общепринятая точка зрения.

1.2 Основные положения современной клеточной теории

Положений в учебниках обычно пять-шесть, и первое из них звучит так: клетка — элементарная единица строения, жизнедеятельности, размножения и развития живого. Без клетки жизни нет. Вирус — набор генов в белковой оболочке, и размножаться он может, только захватив чужую клетку. Поэтому одни биологи называют вирусы неклеточной формой жизни, а другие вообще не считают их живыми.

Второе положение: клетки всех организмов сходны по строению, химическому составу и обмену веществ. У бактерии и у клетки человека одинаковый генетический код, одни и те же двадцать аминокислот в белках, похожая плазматическая мембрана. Разница в деталях: у бактерии нет ядра, а ДНК лежит прямо в цитоплазме. Такие клетки называют прокариотическими, а клетки с ядром — эукариотическими.

Сходство не означает одинакового размера. Клетки разных организмов и тканей отличаются в десятки раз, и большинство из них нельзя увидеть без микроскопа. Типичные размеры нескольких клеток показаны на рисунке 1.

Яйцеклетка человека, около 120 мкм, — рекордсмен среди наших клеток: её, в отличие от остальных, можно разглядеть как точку без микроскопа. Эритроцит в 16 раз меньше, кишечная палочка ещё почти в 4 раза. Зато в длину рекорд держат нейроны. Отросток нервной клетки от поясницы до большого пальца ноги тянется примерно на метр, хотя толщиной он в несколько микрометров.

Третье положение — формула Вирхова: новые клетки образуются только делением исходных. У эукариот главный способ деления — митоз, при котором дочерние клетки получают одинаковый набор хромосом. Половые клетки образуются в ходе мейоза, и хромосом в них вдвое меньше. Сколько раз может делиться клетка, тоже ограничено: в 1961 году Леонард Хейфлик показал, что клетки человека в культуре делятся примерно 50 раз, после чего останавливаются.

Четвёртое положение касается многоклеточных организмов. Их клетки специализированы и объединены в ткани, ткани — в органы, органы — в системы. При этом каждая клетка тела, за редкими исключениями, несёт полный набор генов. Клетка кожи и клетка печени различаются не генами, а тем, какие гены в них включены.

Последнее положение иллюстрируют стволовые клетки. В 2006 году японский учёный Синъя Яманака показал, что обычную клетку кожи можно «перепрограммировать» обратно в стволовую, включив всего четыре гена. В 2012 году он получил за это Нобелевскую премию. Открытие подтвердило, что специализация клетки обратима, и дало медицине новые инструменты.

Что получается в итоге? Теорию Шлейдена и Шванна никто не отменял, но от неё осталась скорее основа. Вирхов добавил правило о делении, молекулярная биология — генетический код, Маргулис — историю митохондрий, Яманака — обратимость специализации. Чем занята клеточная биология сейчас и где её выводы применяют в медицине, рассказано во второй главе.