Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве единого структурного элемента живых организмов.
Основные положения современной клеточной теории.
Клетка — это элементарная, функциональная единица строения всего живого. Многоклеточный организм представляет собой сложную систему из множества клеток, объединённых и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом (кроме вирусов, которые не имеют клеточного строения).
Клетка — единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц — органоидов.
Клетки всех организмов гомологичны.
Клетка происходит только путём деления материнской клетки.
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 друг другу.
В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации — молекул нуклеиновых кислот («каждая молекула из молекулы»). Положения о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из её более мелких компонентов — к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.
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.
Клеточная теория — основополагающая для биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения.
1. Клетка – элементарная единица всех существующих биосистем.
2. Клетки возникают из клеток путем митоза, т. е. митоз есть универсальный способ клеткообразования у всех организмов на земле.
3. Все клетки у всех имеющихся в природе организмов являются гомологичными образованиями, т. к. для них характерен единый план строения и путь образования.
4. Важным доказательством гомологичности клеток является принципиальное сходство в них метаболических, энергетических процессов, а также информационной взаимодействие, в частности и генетического кода. Генетический код универсален.
5. Клетка является важным этапом в развитии биологических систем из небиологических компонентов, от неживого к живому.
6. Клетки обладают важным свойством – способностью к многоклеточности, что служит основой для возникновения организменного уровня организации.
7. В процессе фило- и онтогенеза клетки гомологичны, но постепенно перестают быть аналогичными, следствием чего является дифференциация и специализация клеток.
8. Дифференциация и специализация клеточных структур это один из основных механизмов индивидуального развития биосистем, в т. ч. организма.
9. Несмотря на дифференциацию и специализацию клеток многоклеточный организм представляет собой сложноорганизованную интегрированную систему, состоящую из функционирующих и взаимодействующих между собой клеток.
10. Организм не представляет собой простую сумму клеток, а их единство в целом. Свойства организма не объясняются свойствами составляющих его клеток.
11. В жизнедеятельности клеток принимают участие ядро и цитоплазма. Но в жизни клеток очень важная роль принадлежит компартментации ее содержимого.
12. Разнокачественные клетки в организме образуют структурно-функциональные единицы органов и тканей, выполняющих органные и тканевые функции.
13. В генетическом аппарате клетки находятся единицы наследственности (гены).
14. Существование в природе вирусов подтверждают универсальность клеточного строения организма, т. к. вирусы неспособны к самостоятельному функционированию, они ведут паразитический образ жизни.
15. Изучение общей ультраструктурной организации клеток и ее процессов, а также закономерностей клеткообразования, взаимодействия между клетками, клеточного гомеостаза существенно укрепило значение клеточной теории.
Выделяют прокариотический и эукариотический типы клеточной организации.
Клеткам прокариотического типа свойственны малые размеры, отсутствие обособленного ядра, так что генетический материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, которая лишена основных белков – гистонов (гистоны являются белками клеточных ядер). Различия прокариотических и эукариотических клеток по наличию гистонов указывают на разные механизмы регуляции функции генетического материала. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр. Время, необходимое для образования двух дочерних клеток из материнской (время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. К прокариотическому типу клеток относятся бактерии и синезеленые водоросли.
Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму.
Кропотливая работа цитологов XX в. дала возможность сформулировать основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии следующим образом:
1. Клетка - элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет.
2. Новые клетки возникают только путем деления ранее существующих клеток.
3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу, происхождению, т. е. гомологичны.
4. Рост и развитие многоклеточного организма - следствие роста и размножения одной или нескольких клеток.
5. Клеточное строение организмов - свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.
Клеточная теория внесла огромный вклад в понимание научной картины окружающего нас мира. Стало ясно, что все организмы, начиная с низших и заканчивая самыми высокоразвитыми, состоят из отдельных компонентов - клеток. Идея о том, что все организмы построены из клеток, стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, создав единую основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами. Ведь на клеточном уровне даже наиболее отдаленные виды очень сходны по строению и биохимическим свойствам, что указывает на общность их происхождения и эволюционного развития. Иными словами, клеточная теория и теория эволюции, созданная Ч. Дарвином, тесно связаны между собой. Клетка выполняет функцию связи между индивидуалом и видом, в ней сосредоточена наследственная информация, обеспечивающая сохранение как всего вида, так и отдельных его особей.
Изучая клетку, человек познает природу самой жизни. Клетка - это же самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками живого организма. На уровне клетки проявляются такие свойства живого, как обмен веществ и превращение энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, реагирование на раздражение и т. п. В меньших единицах материи эти свойства не проявляются. Если выделить из клетки митохондрии, рибосомы, ядро, хлоропласты, то они будут способны некоторое время выполнять свои функции, но эти функции сами по себе не составляют жизнь. Только целостная клетка способна поддерживать жизнь во всех ее проявлениях.
Исследования клетки имеют большое значение для профилактики и лечения заболеваний как самого человека, так и растений, животных. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к заболеваниям. Чтобы это было понятно, приведем несколько примеров. Если в клетке окажется всего одна лишняя хромосома, т. е. в диплоидном наборе их будет не 46, как обычно, а 47, это приведет к очень тяжелым последствиям: у ребенка развивается болезнь Дауна, для которой характерна непропорционально маленькая голова, узкие глазные щели, плоское лицо, резко выраженная умственная отсталость.
Или другой пример. Все здоровые люди имеют белок гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой, а эритроциты у них похожи на диски. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием - серповидноклеточной анемией, - эритроциты похожи не на диски, а на серпы, потому что из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, у них из-за нарушений биосинтеза белка в клетках заменены всего две аминокислоты, и это приводит к существенному изменению формы и нарушению функции эритроцита - он плохо справляется со своей задачей - переносом кислорода, и человек тяжело дышит.
Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают тоже на уровне клетки. Поэтому у медиков часто возникает потребность в очень подробном изучении клеток больного человека, их строения, формы, химического состава, обмена веществ. В ветеринарии это также часто необходимо, особенно на сельскохозяйственных предприятиях. Без изучения клеток невозможно обнаружить возбудителей многочисленных болезней животных, например кокцидиоза. Возбудители кокцидиоза - паразитические простейшие - кокцидии проникают в клетки кишечного эпителия, разрушают их - и животные без соответствующего лечения погибают сотнями и тысячами. Порой знания клеточной теории помогают криминалистам обнаружить преступника, установить отцовство, разоблачить претендента на царский престол и выявить еще многое другое - волнующее, таинственное, неизвестное, о применении которого сейчас говорят только фантасты.
Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и на сегодняшний день, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток. В настоящее время клеточная теория постулирует:
1) Клетка – элементарная единица живого: – вне клетки нет жизни.
2) 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.
3) Клетки сходны – гомологичны – по строению и по основным свойствам.
4) Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала: клетка от клетки.
5) 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.
6) 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.
Представление о клетке как о самостоятельной жизнедеятельной единице было дано еще в работах Т. Шванна. Р. Вирхов также считал, что каждая клетка несет в себе полную характеристику жизни: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне ее».
Современная наука полностью доказала это положение. В популярной литературе клетку часто называют «атомом жизни», «квантом жизни», подчеркивая тем самым, что клетка – это наименьшая единица живого, вне которой нет жизни.
Такая общая характеристика клетки должна в свою очередь опираться на определение живого – что такое живое, что такое жизнь. Очень трудно дать окончательное определение живого, жизни.
М.В. Волькенштейн дает следующее определение жизни: «живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, важнейшими функционирующими веществами которых являются белки и нуклеиновые кислоты». Живому свойствен ряд совокупных признаков, таких, как способность к воспроизведению, использование и трансформация энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость. И такую совокупность этих признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Мы можем выделить из клетки отдельные ее компоненты или даже молекулы и убедиться, что многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Так, выделенные актомиозиновые фибриллы могут сокращаться в ответ на добавление АТФ; вне клетки прекрасно «работают» многие ферменты, участвующие в синтезе или распаде сложных биоорганических молекул; выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок, разработаны неклеточные системы ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и т.д. Можно ли считать все эти клеточные компоненты, структуры, ферменты, молекулы живыми? Можно ли считать живым актомиозиновый комплекс? Думается, что нет, хотя бы потому, что он обладает лишь частью набора свойств живого. То же относится и к остальным примерам. Только клетка как таковая является наименьшей единицей, обладающей всеми вместе взятыми свойствами, отвечающими определению «живое».
Что же такое клетка, какое ей можно дать общее определение? Из школьного курса известно, что разнообразные клетки имеют совершенно несходную морфологию, их внешний вид и величины значительно расходятся. Действительно, что общего между звездчатой формой некоторых нервных клеток, шаровидной формой лейкоцита и трубкообразной формой клетки эндотелия. Такое же разнообразие форм встречается и среди микроорганизмов. Поэтому мы должны находить общность живых объектов не в их внешней форме, а в общности их внутренней организации.
Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток. К наиболее простому типу строения можно отнести клетки бактерий и синезеленых водорослей, к более высокоорганизованному – клетки всех остальных живых существ, начиная от низших растений и кончая человеком.
Принято называть клетки бактерий и синезеленых водорослей прокариотическими, а клетки всех остальных представителей живого – эукариотическими, потому что у последних обязательной структурой служит клеточное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой.
Содержимое прокариотической клетки одето плазматической мембраной, играющей роль активного барьера между собственно цитоплазмой клетки и внешней средой. Обычно снаружи от плазматической мембраны расположена клеточная стенка или оболочка – продукт клеточной активности. У прокариотических клеток нет морфологически выраженного ядра, но присутствует в виде так называемого нуклеоида зона, заполненная ДНК.
В основном веществе цитоплазмы прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы, цитоплазматические же мембраны обычно выражены не так сильно, как у эукариотических клеток, хотя некоторые виды бактерий богаты внутриклеточными мембранными системами. Очень сильно цитоплазматические мембраны развиты у синезеленых водорослей. Обычно все внутриклеточные мембранные системы прокариот развиваются за счет плазматической мембраны.
Но не только присутствие морфологически –выраженного ядра является отличительным признаком эукариотических клеток. У клеток высшего типа кроме ядра в цитоплазме существует целый набор специальных обязательных структур, органелл, выполняющих отдельные специфические функции. К числу органелл относят мембранные структуры: систему эндоплазматической сети, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды. Кроме того, для эукариотических клеток характерно наличие мембранных структур, таких как микротрубочки, микрофиламенты, центриоли и др.
Эукариотические клетки обычно намного крупнее прокариотических. Так, палочковидные бактерии имеют длину до 5 мкм, а толщину около 1 мкм, в то время как эукариотические клетки в поперечнике могут достигать десятков мкм.
Несмотря на четкие морфологические отличия, и прокариотические и эукариотические клетки имеют много общего, что и позволяет отнести их к одной, клеточной, системе организации живого. И те и другие одеты плазматической мембраной, обладающей сходной функцией активного переноса веществ из клетки и внутрь ее; синтез белка у них происходит на рибосомах; сходны и другие процессы, такие, как синтез РНК и репликация ДНК, похожи и биоэнергетические процессы. Исходя из вышесказанного клетке можно дать общее определение. Клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.
Короче: клетка – самоподдерживающаяся и самовоспроизводящаяся система биополимеров. Это определение дает описание основных свойств «живого» – воспроизведение подобного себе из неподобного себе.
У многоклеточных организмов часть клеток утрачивает свойство размножаться, но они остаются клетками до тех пор, пока способны вести синтетические процессы, регулировать транспорт веществ межу клеткой и средой, использовать для этих процессов энергию. Есть примеры безъядерных клеток, это скорее не собственно клетки, а их остатки – одетые мембраной участки цитоплазмы с ограниченными функциональными потенциями.
Одно время первый постулат клеточной теории подвергался многочисленным нападкам и критике. Некоторые авторы указывали, что в многоклеточных организмах, особенно у животных, кроме клеток существуют и межклеточные, промежуточные вещества, которые тоже, казалось обладали свойствами живого. Однако было показано, что межклеточные вещества представляют собой не самостоятельные образования, а продукты активности отдельных групп клеток.
Другие возражения касались того, что часто у животных кроме отдельных клеток встречаются так называемые симпласты и синцитии, а у растительных клеток – плазмодии. По морфологическому описанию – это крупные цитоплазматические образования со множеством ядер, не разделенные на отдельные клеточные территории. Примерами таких симпластов могут быть мышечные волокна позвоночных или эпидермис у ленточных червей, а также плазмодии у низших грибов миксомицетов. Однако если проследить за развитием таких «неклеточных» форм, то легко убедиться в том, что они возникают вторично за счет слияния отдельных клеток или же в результате деления одних ядер без разделения цитоплазмы, т.е. без цитотомии.
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, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток. 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.
Со времени создания клеточной теории учения о клетке как элементарной микроскопическую структуру организмов приобрело нового содержания. Для Т. Шванна и его современников клетка оставалась пространством, ограниченным оболочкой. Постепенно это воображение заменилось пониманием того, что основной частью клетки является цитоплазма. До конца прошлого века, благодаря успехам микроскопической техники, было обнаружено сложное строение клетки, описанные органеллы - части клетки, которые выполняют разные функции, и исследованные пути образования новых клеток (митоз). Уже в начале XX ст. стало понятным первостепенное значение клеточных структур в передаче наследственных свойств. В данное время можно считать общепризнанным, что клетка является основной структурной и функциональной единицей организации живого.
На современном этапе развития цитологии клеточная теория включает такие положения:
- клетка - элементарная единица строения и развития всех живых организмов;
- клетки всех одноклеточных и многоклеточные организмов подобные по происхождению (гомологичные) строением, химическим составом, основными проявлениями жизнедеятельности;
- каждая новая клетка образуется исключительно в результате размножения материнской путем разделению;
- у многоклеточных организмов, которые развиваются из одной клетки - зыготы, споры и тому подобное, - разные типы клеток формируются благодаря их специализации на протяжении индивидуального развития особи и образуют ткани;
- из тканей состоят органы, которые тесно связанные между собой и подчинены нервно-гуморальной но иммунной системам 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 потом наступает гибель кардиомиоцитов через острый недостаток кислорода. В силу того, что часть сердечной мышцы не берет участия в сокращении, нарушается кровоснабжение в организме, который приводит к гипоксии и изменениям функции и структуры клеток, в первую очередь нейронов головного мозга.
Нарушение нормального функционирования клеток (патология) связано со многими разнообразными факторами (физическими, химическими, биологическими) и характеризуется общими или местными нарушениями организации органелл клеток, изменением отдельных метаболических процессов. Неблагоприятными для клетки факторами могут быть волновые, ионизирующие излучение, низкие и высокие температуры, разные химические соединения, вирусные, бактериальные и грибковые инфекции, недостаток питательных веществ или отдельных физиологически активных соединений (незаменимые аминокислоты и жирные кислоты, витамины и микроэлементы), недостаток кислороду и тому подобное. Негативное влияние наносят и внутренние факторы, такие как мутации наследственного материала что приводят к прирожденным дефектам синтезу белков, липидов, избыточной продукции гормонов нарушение утилизации токсичных метаболитов.
Среди патологических изменений клетки можно отметить нарушение структуры и проницаемости мембран митохондрий, лизосом и других внутриклеточных образований. В результате неблагоприятных влияний митохондрии отекают и приобретают вид волдырьков ограниченных только внешней мембраной.
Дегенерация и отек сопровождаются нарушением окислительно-восстановительных реакций в митохондриях, недостаточным образованием высокоэнергетических соединений что негативно обозначается и на гомеостазе всей клетки. Подобные явления встречаются при сахарном диабете и голодании в клетках печенки, при заболеваниях сердца, почек. Патологические изменения мембраны эндоплазматического ретикулуму приводят до нарушения синтеза белков клетки. Эти нарушения встречаются и при недостатке в еде незаменимых аминокислот.
Повышение проницаемости мембран лизосом, что наблюдается, например, при авитаминозе Е, или под воздействием ионизирующего облучения может усилить выход гидролитических ферментов в цитоплазму из лизосом, привести к частичному или даже полному разрушение клеток. При многих интоксикациях повреждаются клетки печенки или почек, а нарушение функционирование этих органов вызывает изменение других клеток организма через продукты метаболизма Широко распространенной причиной патологии клетки есть проникновение и размножение в ней вирусов. При этом обменные процессы в клетке нарушаются - вирус вынуждает клетку работать исключительно "на себя". После массового образования и выхода вирусных частей из клетки она погибает.
Лит-ра: интернет Википедия
1.www.bestreferat.ru/referat-140437.html
2.https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=432329
3.https://kursak.net/kletochnaya-teoriya-stroeniya-organizmov-istoriya-i-sovremennoe-sostoyanie/
© kursak.net
Вопрос № 17.