ЦИТОЛОГІЯ, ГІСТОЛОГІЯ, ЕМБРІОЛОГІЯ - 2008

Розділ 1. ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ЦИТОЛОГІЇ

1.1 Клітинна теорія. Хімічний склад та властивості протоплазми

Цитологія (від rp. citus — комірка, logos — вчення) — наука про походження, будову та функціональне значення елементарних живих систем організму. Термін «клітина» вперше застосував англійський фізик Р.Гук (1665), який за допомогою збільшуваних лінз розглядав зрізи пробки, серцевини бузини, а також стебла та корені різних рослин. У рослинній речовині Р.Гук називав клітинами правильно розміщені пустоти. М.Мальпігі (1671), Н.Грю (1671) підтвердили спостереження Р.Гука і назвали ці утворення «мішечками», «міхурцями». Н.Грю вважав, що ці «міхурці« об’єднуються в структури, які нагадують текстильні утворення і назвав їх «тканинами». При всій невідповідності назв об'єктів, які називали термінами «клітина» та «тканина» вони збереглися й до цього часу. Пізніше А. Левенгук (1677-1680) — мистецький шліфувальник лінз, спостерігав одноклітинні організми і вперше побачив еритроцити та спермії тварин. Мікроскопісти XVII століття, які спостерігали вперше клітини ссавців, не зіставляли їх з клітинами рослин. В середині XVII століття, тобто майже через століття після Мальпігі та Грю, досягнення оптичної техніки були такі незначні, що спостереження та рисунки мікроскопістів того часу мало відрізняються від описування і зображень, зроблених у XVII столітті. К.Ф.Вольф (1750) стверджував, що пагінці рослин та зародки курей складаються з однорідних «кульок» або «міхурців». Останні ростуть за рахунок поживних речовин і у рослинах можуть утворювати судини. Ніякої внутрішньої будови в описаних ним «кульках», «міхурцях» Вольф не знайшов. Разом з тим, його спостереження про однорідну будову однорідних тілець, а також вчення про однорідну будову тваринних організмів, безумовну будову уявлень про мікроскопічну будову живих істот. Сучасник Вольфа Ф.Фонтана (1781) в епітеліальних «міхурцях« із шкіри вугри спостерігав навіть ядра, на які не звернув уваги при цьому спостереженні.

Мікроскопічні дослідження, які широко розгорнулися на початку XIX ст., показали, що клітинна будова характерна як для рослинних, так і для тваринних організмів, що в ній слід бачити загальну закономірність розвитку органічного світу. Особливо багато було зроблено в цьому напрямку школами Я. Пуркіньє і Й. Мюллера. Ян Евангеліст Пуркіньє був видатним спеціалістом в області фізіології та фармакології, але його безсмертною заслугою є вивчення рослинних та тваринних клітин. Один із його учнів Г. Валентин дуже близько підійшов до формування клітинної теорії. Це ж можна сказати про берлінського ботаніка Ф. Мейена, і про М. Шлейдена (працював в Ієні), деякий час був у Дерпському університеті. Клітинну будову жирової тканини і епідермісу описав професор Берлінскої вищої ветеринарної школи Е. Гурльт. Одначе слава створення клітинної теорії безперечно належить представнику школи Й. Мюллера - Т. Шванну.

Працю школи Йоганнеса Мюллера (Берлін) - одна із найславетніших сторінок в історії науки. Володіючи виключно широким науковим світоглядом, кипучою енергією та вмінням підбирати талановитих учнів, И Мюллер згуртував навколо себе свою могутню групу дослідників. До неї входили автор клітинної теорії Т. Шванн, майбутній видатний анатом Я. Генле, ім’ям якого і зараз називають ряд гістологічних структур. До цієї школи належав ембріолог, цитолог і великий знавець нервової системи Р. Ремак, а також один із основоположників гістології А. Кьоллікер. Учнями Мюллера були: фізіолог Е. Дюбуа - Реймон, патолог Р. Вірхов і блискучий пропагандист еволюційної теорії Е. Геккель. Цей ще не зовсім повний список говорить про різноманітність та глибину проблем, що розроблялися прославленою Берлінською школою. Старанно вивчивши розвиток та створення різних тканин, Шванн блискуче узагальнив в 1838 - 1839 р. одне з найбільших в історії природніх теоретичних узагальнень - клітинну теорію. Він показав, що утворення клітин є загальною закономірністю розвитку рослинних і тваринних організмів. Розвиток нового організму є лише послідовним утворенням і подальшим розвитком клітин. Клітину він розумів як відносно самостійну структурну одиницю. Організм, за його думкою, це сума клітин і зрозуміти життя організму можна, вивчивши життя окремих складових його клітин. Сформульована у такому вигляді клітинна теорія мала подвійний характер. З одного боку, це геніальне узагальнення, доказ закономірностей розвитку органічного світу. З іншого боку, вона показує, що Шванн не зміг вивільнитись від механістичного погляду на організм як на просту суму клітин, що стало поганим наслідком для самої клітинної теорії. Вище вже згадувалось про прогресивний вплив та заслуги Воль- фа, який по новому поставив питання про розвиток організму. В цьому ж напрямку працював академік Г. X. Пандер. В 1828 р. академік К. М. Бер виявив яйцеклітину у ссавців, зробивши цим найвидатніше відкриття в ембріології. Всі ці дослідження допомагали поширенню еволюційних уявлень в російському суспільстві. Вольф і Бер були попередниками дарвінізму., активним пропагандистом клітинної теорії в Росії був I. Т. Глібов, що навчався мікроскопії у Шванна і об’єднав навколо себе в Москві, а потім в Петербурзі групу талановитої молоді. Із середини XIX ст. одна за одною почали з’являтися роботи І. М. Якубовича і Ф. В. Овсянникова по морфології нервової системи. В 60-х та на початку 70-х років при російських університетах були організовані самостійні кафедри гістології, утворились ведучі гістологічні школи. З них світове значення мали Казанська неврологічна школа (К. А. Арштейн, А. С. Догель, А. Є. Смірнов, Д. А. Тимофеєва та ін). І що відгалузилися від неї петербурзькі школи, очолювані А. С. Догелем. Загальним визнанням користувалась Московська школа (А. І. Бабухін, І. Ф. Огієв, та ін.), що в основному займалась вивченням розвитку, будови та функцій нервової тканини. Успішно вивчались ці проблеми і професором Воєнно- медичної академії М. Д. Лавдовським.

Одні із найбільш ранніх описів непрямого поділу клітини належить московському ботаніку І. Д. Чисгякову та київському гістологу П. І. Перемежко, який відкрив редукційний поділ. Друга половина XIX ст. ознаменувалася найбільшими досягненнями вітчизняної ембріології. Знаменита робота О. О. Ковалевського про розвиток ланцетника (1865 р), що показав схожість процесів зародкового розвитку у безхребетних і хребетних тварин є першим, найбільш важливим успіхом нової еволюційної біології. У свідомості порівняльної ембріології і для доказу загальних закономірностей ембріонального розвитку велику роль відіграло дослідження І. І. Мечнікова. Також гістологи енергійно почали вивчати будову нервової системи. Значних успіхів у цій області досягли представники Казанської школи, а також

М. Д. Лавдовський, А. І. Бабухін та ін. Ці дослідження були пізніше підкріплені і глибше вивчені іспанським дослідником Рамон Кохалем, показали застосування клітинної теорії до нервової системи, обгрунтували запропоновану Вальдеєром невронну теорію.

Таким чином, наука у другій половині XIX ст. збагатилась двома найкращими досягненнями російських вчених:

1) Були закладені основи еволюційної ембріології;

2) Виникла і досягла значного ступеня розвитку передова матеріалістична неврологія (вчення про нервову систему), що представила організм як єдине ціле.

Ці кращі традиції вітчизняної науки і стали основою для вдосконалення гістології та ембріології. Продовжуючи справу своїх попередників А. А. Заварзін і Η. Г. Хлопін вклали багато праці у вивчення загальних закономірностей гістогенезу. Еволюційний напрямок в ембріології розроблявся також А. М. Сєвєрцевим, Π. Г. Івановим, Д. П. Філатовим і В. А. Догелем. Вивчення морфології нервової системи було значно поглиблено одним з кращих представників Казанської школи Π. І. Лаврентьєвим, та багатьма іншими. Особливо великого значення набули роботи академіка Д. М. Насонова, які лежать в основі сучасних уявлень про реакцію клітини на зовнішні подразники. З’явились і почали розвиватись нові способи мікроскопування, гістохімічних та біофізичних досліджень живої речовини на клітинному, субклітинному та молекулярному рівнях. Вчення про клітину на даний час є найбільш перспективним розділом гуманної та ветеринарної медицини, воно знаходиться в центрі уваги вчених всього світу.

Початок успішного вивчення клітин пов’язаний з розвитком мікроскопування. В кінці XVIII на початку XIX століття були створені ахроматичні мікроскопи, завдяки яким стали достовірнішими мікроскопічні спостереження, що дало змогу здійснити систематичне вивчення структурних елементів різноманітних тваринних та рослинних організмів. На той час змінилася уява про будову клітин, основним в організації клітини стали вважати не клітинну стінку, а її вміст — протоплазму. Поступово збагачувався матеріал про мікроскопічну організацію тварин і рослин та будову клітин, названих так ще Р.Гуком. У той час незалежно один від другого рядом дослідників в клітинах рослин і тварин були відкриті ядра, що створило необхідну передумову для висунутого в 1837 р. Пуркіньє положення про подібність в будові тваринних і рослинних клітин. У 1838-1839 рр. Т.Шванн узагальнив усі попередні мікроскопічні дослідження і сформулював клітинну теорію. Він розглядав клітину як універсальний структурний компонент тваринних і рослинних організмів. У книзі «Мікроскопічні дослідження про відповідності в структурі і рості тварин і рослин» показано, що клітинна теорія стала найважливішою подією в біології, одним із вирішальних доказів єдності походження усієї живої природи. Вона значно вплинула на розвиток біології, медицини, інших наук. Основний зміст та значення клітинної теорії наведені в попередньому розділі.

В сучасний період клітинна теорія складається з чотирьох основних частин:

1. Клітина є найменшою одиницею «живого», їй притаманні: метаболізм, трансформація енергії, чутливість, адаптація, мінливість, тощо.

2. Подібність клітин різних організмів по будові. Незалежно від зовнішньої форми вони мають однаковий план будови (рис. 1).

3. Розмноження клітин відбувається шляхом поділу вихідної клітини.

4. Клітини є складовими частинами цілісного організму. Багатоклітинні організми - це складні ансамблі спеціалізованих клітин, котрі об’єднані в системи тканин і органів. Ці системи підпорядковані міжклітинним, гуморальним і нервовим формам регуляції.

Клітина за сучасними даними це обмежена активною, біологічною мембраною структурно впорядкована система біополімерів, які утворюють ядро і цитоплазму, беруть участь у єдиній сукупності процесів метаболізму і забезпечують підтримання та відтворення системи в цілому.

Великий внесок у вивчення клітини і розвиток клітинної теорії було зроблено в середині XIX століття реформатором наукової і практичної медицини патологом Р.Вірховим (1858), який довів, що основою таких процесів як запалення, дистрофії, новоутворення та інші є ті чи інші зміни в клітинах, і обгрунтував нові напрями досліджень: целюлярну фізіологію та целюлярну патологію. Розвиваючи дані своїх попередників про спадкоємність розмноження клітин шляхом їх поділу РВірхов висунув відому тезу: «Кожна клітина від клітини» — «Omnis cellula et cellula», яка не втратила свого значення і нині, але була в подальшому обгрунтована на молекулярному рівні.

В другій половині XIX та на початку XX століття проводились дослідження тонкої будови клітини. В цей період виникли гіпотези будови протоплазми (фібрилярна — В.Флеммінга, гранулярна — Р.Алтман, комірчаста — О.Бючлі). Однак усі ці гіпотези мали один недолік — вони розглядали протоплазму в стані стабільної структури. В той же час були відкриті закономірності поділу клітин (Є.Руссов (1872), А.Шнейдер (1873), І.Д.Чистяков (1874), Є Страсбургер (1875), П.І.Перемежко (1878), В.Флеммінг (1878), Бовері (1879) та інш.). Описана центросома (Бовері (1875)), мітохондрії (Бенда (1897)), комплекс Гольджі (К.Гольджі (1898)). У XX столітті завдяки електронномікроскопічним дослідженням, одержані дані про ультраструктурну організацію клітини. Вчення про клітину має велике значення для прогресивної еволюції живих істот; воно пояснює точність передачі спадкової інформації від організму до організму у форму, що забезпечує виникнення і збереження нових властивостей, утворення тканин, що забезпечують здійснення основних функцій організму і являють собою будівельний матеріал для його органів, збільшення росту організму, що забезпечує йому високий енергетичний потенціал, чим створює сприятливі умови в складному взаємозв'язку із зовнішнім середовищем, а також зміну зношуваних в процесі життєдіяльності структурних елементів при фізіологічній регенерації і ушкоджених частин тіла (репаративна регенерація).

Нині в цитології існують такі напрями, як цитоморфологія — наука про будову клітин, цитофізіологія — наука про функціональні прояви клітин, цитохімія — наука про хімічний склад клітин, цитогенетика — наука про спадковість та мінливість клітин, цитопатологія — наука про патологічні зміни клітин.

Сучасну цитологію на основі експериментальних досліджень застосовують при цитодіагностиці хвороб, цитоімунологічних пробах, у тканинноспецифічних регуляціях розмноження клітин, реактивних змін під впливом факторів зовнішнього середовища тощо.

Науково-технічний прогрес, успіхи розвитку методів дослідження дали змогу визначити ультраструктурну організацію клітини та неклітинних структур, зрозуміти процеси диференціювання, регенерації, передачі спадкових ознак тощо.

Речовину, яка утворює клітину, називають протоплазмою (від гр. protos - перша, plasma - дещо утворене). До її складу входять більшість хімічних елементів. Зокрема 99.9% макро -і 0.1% мікро - і ультрамікроелементів. Основними макроелементами протоплазми є С, Н, О, N. Вони складають 96% , 3.9% макроелементи - S, Р ,К , Са, Na, СІ та Fe. До мікро та ультраміроелементів відносяться Cu, Co, Zn, Μη, Ni, Sr, Ba, I, Pb, F та інші.

Хімічні елементи утворюють складні органічні та неорганічні речовини, які беруть участь у біологічних процесах.

Органічні речовини представлені полімерами і мономерами. Останні сполучаючись один з одним формуюють довгі ланцюги, на яких відбуваються хімічні реакції. До основних органічних речовин протоплазми належать: білки, нуклеїнові кислоти, нуклеотиди, ліпіди та вуглеводи. їх будова і функція детально викладається в курсі біохімії.

Фізіко-хімічні властивості протоплазми визначаються станом речовин з яких вона утворена. Більшість речовин перебувають у стані колоїдних розчинів. У фазі гелю колоїдний розчин щільніший. Його міцели шляхом агрегації формують просторові гратки. У фазі золю міцели відокремлюються одна від одної і розчин стає текучим. Білкові та ліпідні міцели протоплазми формують структурну основу клітини.

Серед живих організмів існує два типи організації клітин: прокаріотичні та еукаріотичні. До прокаріотичних відносять клітини бактерій та синьозелених водоростей, їх називають доядерними клітинами, вони обмежені плазматичною мембраною, зовні від плазматичної мембрани знаходиться клітинна стінка, яка є похідним клітинної активності. Прокаріотичні клітини не мають морфологічного ядра, але містять нуклеоїдну зону, заповнену ДНК, а в матриксі цитоплазми прокаріотів розміщуються рибосоми. Еукаріотичні клітини належать до вищого типу, їх обов'язковою структурою є: цитоплазма, клітинна оболонка (плазмолема) та клітинне ядро, яке відокремлене від цитоплазми ядерною мембраною. У клітинах еукаріотичного типу в цитоплазмі є спеціальні структури — органели, які виконують окремі специфічні функції, (рис. 1).

У тварин найменшою одиницею живого є клітина еукаріотичного типу.

Поряд з окремими клітинами у тварин зустрічаються так звані симпласти, синцитії та міжклітинна речовина .(Симпласти — це значні утворення, які мають цитоплазму з великою кількістю ядер. До симпластів належать м'язові волокна хребетних, зовнішній шар трофобласта тощо. Синцитії (сокліття) — це утворення, що виникають після поділу початкової клітини, дочірні залишаються поєднаними між собою за допомогою тонких цитоплазматичних перемичок. Синцитії виявляють при розвитку сперматогоній, клітин ретикулярної тканини. Як виняток у тварин зустрічаються без'ядерні клітини, це еритроцити ссавців.

Рис. 1. Загальна схема будови клітини:

1-плазмолема; 2-комплекс Гольджі; З-цитоплазма; 4-мітохондрія; 5-ендоплазматична сітка; 6-рибосома;

7-лізосома; 8-мікротрубочка; 9-мікрофіламенти; 10-ядро; 11 -центросома.

Міжклітинна речовина являє собою продукт життєдіяльності певних клітин сполучної тканини, прикладом якої є волокна та основна речовина. Основна речовина — це щільне або драглисте гідрофільне середовище, до його складу входять складні сполуки типу сульфатованих та несульфатованих глікозаміногліканів, ліпіди, різні білки тощо.

Еукаріотичні клітини різних тварин подібні за своєю внутрішньою будовою, проте мають різноманітну зовнішню форму й розмір. Так, серед клітин зустрічаються: кулясті (еритроцити та лейкоцити, винятком є еритроцит птахів та нижчих хребетних), зірчасто-війчасті (клітини нервової тканини, фібробласти), веретеноподібні (міоцити), багатобічні (епітеліоцити) тощо (рис. 2).

Рис. 2. Загальний принцип схематичної будови фіксованих клітин:

1-циліндричні клітини епітелію кишечника; 2-кубічні клітини сечових канальців нирки; 3-плоскі клітини мезотелію очеревини; 4-круглі клітини крові (a-з сегментованим ядром — нейтрофільний лейкоцит, б-з круглим ядром — лімфоцит); 5-веретеноподібна клітина з паличкоподібним ядром (непосмугована м'язова клітина); 6-нервова клітина з відростками; 7-келихоподібна клітина епітелію шлунка;

8-клітина з війками (із багаторядного миготливого епітелію дихальних шляхів); 9-крилата (сухожильна) клітина; 10-джгутикова клітина (спермій); 11-багатоядерна клітина (остеокласт); 12-без'ядерні клітини (еритроцити).

Розмір соматичних клітин (тіла) має значний діапазон. Так, еритроцити ссавців мають розмір 2,5-7 мкм, лейкоцити — 4-20 мкм, а нервові клітини головного мозку без відростків — до 70 мкм (клітини Беца), з відростками нервові клітини досягають 1 м і більше. Різновиди у зовнішній будові еукаріотичних клітин — результат функціональної спеціалізації, еволюційного пристосування.