2.1. История изучения клетки. Клеточная теория

Определения и обозначения

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живых организмов. Она структурная, потому что из клеток построены организмы, и функциональная, потому что в клетках идут процессы, поддерживающие жизнь. У одноклеточного организма одна клетка выполняет все необходимые функции, а в многоклеточном клетки часто специализируются.

Цитология — наука о клетках. Она изучает их строение, химический состав, функции, развитие и размножение. Знания цитологии помогают объяснить, как устроены ткани и органы и какие процессы происходят в организме на самом малом уровне.

Клеточная теория — научное обобщение о клеточном строении организмов, сходстве клеток и их происхождении. Её положения показывают, что клеточное устройство объединяет живые организмы, хотя их клетки могут различаться. Теория связывает устройство живого с его развитием и размножением.

Клеточная оболочка — наружная структура клетки, отделяющая её от окружающей среды; в случае пробки Гук наблюдал клеточные стенки. Увиденные ячейки были не живыми клетками, а полостями, оставшимися после отмирания клеток и исчезновения их содержимого. Поэтому Гук описал оболочки, но не наблюдал живое содержимое.

Как это устроено

Первые сведения о клетках стали возможны благодаря микроскопу: глаз человека не различает большинство клеток. Усовершенствование линз позволяло получать более чёткое и увеличенное изображение. Чем лучше становилась оптика, тем мельче детали могли замечать исследователи и тем точнее они описывали увиденное. Поэтому история клеточной биологии тесно связана с развитием приборов наблюдения.

В XVII веке Роберт Гук рассматривал тонкий срез пробки и увидел в нём множество ячеек. Он назвал их клетками, поскольку они напоминали маленькие комнаты. Пробка состоит из мёртвых клеток, стенки которых сохраняются после отмирания, а содержимое разрушается. Антони ван Левенгук использовал микроскопы, позволявшие наблюдать живые клетки и одноклеточные организмы, поэтому его наблюдения раскрыли не только форму ячеек, но и жизнь мельчайших существ.

В XIX веке учёные обнаруживали новые детали внутреннего строения клеток. Роберт Броун описал ядро в растительных клетках; дальнейшие исследования помогли изучать другие клеточные структуры. Это было важно, потому что клетка переставала выглядеть простой пустой ячейкой: исследователи находили в ней организованные части, связанные с её жизнедеятельностью. Развитие микроскопии и накопление наблюдений позволяли сопоставлять клетки разных организмов.

Маттиас Шлейден изучал растения, а Теодор Шванн — животных. Сравнивая результаты, учёные пришли к выводу, что и растения, и животные имеют клеточное строение. Так отдельные наблюдения превратились в общую теорию: клетка стала рассматриваться как основа строения организмов, а сходство клеток — как признак единства живого. Вывод был важен именно потому, что опирался на сравнение разных групп организмов.

Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию положением: каждая клетка возникает из другой клетки. Этот принцип отвергает представление о самопроизвольном появлении клеток и связывает их образование с делением уже существующих. Благодаря делению организм может расти, а клетки — обновляться. Непрерывность жизни поддерживается тем, что новые клетки и поколения организмов связаны с предшествующими.

Основные этапы изучения клетки

Используйте таблицу как хронологическую опору: сначала определите, в какой период работал исследователь, затем свяжите его наблюдение с общим развитием знаний. Обратите внимание, что клеточная теория сложилась не благодаря одному открытию, а в результате нескольких этапов.

Разбор задач

Задача 1. Почему Роберт Гук, рассматривая пробку, описал клеточные стенки, но не наблюдал живое содержимое клеток? Чтобы ответить, нужно различить строение пробки и живую клетку. Важно установить, какие части сохраняются после отмирания клетки.

1. Пробка образована клетками, которые к моменту наблюдения уже отмерли.
2. После отмирания их содержимое исчезло, а клеточные стенки сохранили форму.
3. Микроскоп показал Гуку эти стенки и полости между ними, но не живое содержимое.

Ответ: Гук наблюдал не живые клетки, а сохранившиеся стенки отмерших клеток пробки.

Задача 2. Соотнесите положения клеточной теории с выводами: организмы состоят из клеток; клетки сходны по строению; новые клетки возникают из уже существующих. Здесь нужно не просто повторить формулировки, а определить биологический смысл каждой. Сопоставьте слова «состоят», «сходны» и «возникают» с тем, что они объясняют.

1. Положение «организмы состоят из клеток» описывает общий план строения живых организмов.
2. Положение о сходстве клеток указывает на общие признаки их организации, но не требует полного совпадения строения и функций.
3. Положение о возникновении новых клеток из существующих объясняет их образование при делении и отрицает самопроизвольное появление.

Ответ: Первое положение относится к строению организмов, второе — к общим признакам клеток, третье — к происхождению клеток.

Задача 3. Исследователь обнаружил неизвестный организм, состоящий из одной клетки. Противоречит ли это клеточной теории, и какие её положения помогают описать такой организм? Не следует путать клеточное строение с числом клеток. Теория говорит о клеточной основе организмов, но не утверждает, что каждый организм многоклеточный.

1. Установите, что организм образован клеткой: значит, его строение соответствует клеточной теории.
2. Учтите, что одна клетка может быть целым самостоятельным организмом и выполнять жизненные функции.
3. Примените положение о клеточном строении и принцип сходства клеток с другими клетками; происхождение конкретной клетки объясняется её образованием из предшествующей.

Ответ: Одноклеточный организм не противоречит клеточной теории. Её положения описывают клеточное строение живого, общие признаки клеток и происхождение новых клеток, а не обязательное наличие многих клеток.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать, что Гук открыл живые клетки. Так можно подумать, потому что он первым ввёл название «клетка» после наблюдения ячеек. Однако пробка состояла из отмерших клеток, и Гук видел их стенки. Проверьте себя: если речь идёт о Гуке, вспоминайте срез пробки и пустые полости.

Ошибка 2 — приписывать всю клеточную теорию одному учёному. Её основные положения появились благодаря обобщению работ разных исследователей, а позднее теория дополнялась. Путаница возникает, если объединить этапы её создания в одно событие. Проверка: Шлейден и Шванн сформулировали основные положения, Вирхов добавил принцип происхождения клеток.

Ошибка 3 — понимать сходство клеток как их полную тождественность. Клетки разных тканей и организмов могут иметь различное строение и выполнять разные функции, сохраняя общие признаки. Ошибка возникает из-за слишком буквального понимания слова «сходство». Спросите себя: речь идёт об общих основах организации или о полном совпадении всех деталей?

Ошибка 4 — считать, что новые клетки появляются самопроизвольно. Такое представление противоречит принципу Вирхова: каждая клетка происходит от уже существовавшей клетки. Путаница возможна, если не связывать появление клеток с делением. Чтобы проверить ответ, проследите, откуда возникла новая клетка: она должна иметь клетку-предшественницу.

Связь с другими темами

Представление о клетке опирается на знание, что живые организмы имеют общий план организации и состоят из структурных частей. Оно понадобится при изучении органоидов, обмена веществ и деления клетки: эти темы раскрывают устройство и работу клетки подробнее. Клеточная теория также помогает объяснять единство органического мира и сопоставлять одноклеточные организмы с многоклеточными. При таком сравнении важно различать число клеток и их общий клеточный принцип организации.

Что запомнить

• Клетка — структурная и функциональная единица живого.
• Изучением клеток занимается цитология.
• Роберт Гук ввёл термин «клетка», наблюдая срез пробки.
• Левенгук наблюдал живые клетки и одноклеточные организмы.
• Клеточная теория обобщила данные о клеточном строении растений и животных.
• Сходство клеток не означает, что все клетки одинаковы.
• Новые клетки возникают из ранее существовавших клеток.