Цитология

Рисунок Роберта Гука, изображающий срез пробковой ткани под микроскопом (из книги Micrographia, 1664 год)

Цитоло́гия (от греч. κύτος — «клетка» и λόγος — «учение», «наука») — раздел биологии, изучающий живые клетки (их органеллы, строение, функционирование, процессы деления), од­но­кле­точ­ные ор­га­низ­мы и ядер­но-ци­то­плаз­ма­тические ком­плек­сы, не рас­чле­нён­ные на клет­ки (сим­пла­сты, син­ци­тии, плаз­мо­дии).

Развитие цитологии

В начале развития, вплоть до первых десятилетий прошлого века, цитология являлась, главным образом, описательно-морфологической дисциплиной, тесно связанной с гистологией, которая, в свою очередь, была базисом для развития физиологии. Но уже с 30-х годов XX века в связи с успехами генетики, физики и химии цитология стала использовать новые эффективные методы исследований, как химические (цито- и гистохимия, радиоавтография), так и физические (люминесцентная, интерференционная световая микроскопия), что дало начало развитию цито-физиологических исследований. Наконец, введение в практику цитологических исследований электронной микроскопии (50-е годы XX века) открыло новую страницу не только в изучении клеток и тканей, но и преобразовало биологию в целом. Цитология перешла с уровня морфологических описаний на новый качественный уровень, позволяющий изучать клеточные структуры на молекулярном уровне в тесной связи с методами биохимии и молекулярной биологии.

Впервые клетки были описаны Робертом Гуком в монографии «Микрография, или описание маленьких предметов» в 1667 году. В XVII веке М. Мальпиги и Н. Грью довольно подробно описали распределение клеток в растениях. Каспер Вольф в 1759 году уделял большое внимание клеточному строению для обоснования теории зародышевого развития организмов. Он рассматривал развитие клеточного строения применительно к растительным организмам (в меньшей степени к животным) и предложил первую «клеточную теорию». В конце XVIII—начале XIX века появилось множество работ, посвящённых клеточному строению растений, по построению и объектам вполне сопоставимых с исследованиями начала XX века. Они указывали на распространенность клеточного строения, но о самой клетке их авторы почти ничего не знали.

В 1824 году Дютроше считал, что все ткани как растений, так и животных в конечном итоге состоят из клеток. В 1833 году Роберт Броун описал клеточное ядро и высказал гипотезу, что ядро присутствует во всех клетках. Наконец, в 1837 году Майен подчеркнул в своих работах, что только клетки являются элементарными анатомическими единицами растений. В XIX веке опи­са­ние Р. Бро­уном кле­точ­но­го яд­ра (1831) при­влек­ло вни­ма­ние ис­сле­до­ва­те­лей к со­дер­жи­мо­му клет­ки. Во 2-й половине XIX века от­кры­ты по­сто­ян­ные со­став­ные час­ти ци­то­плаз­мы (ор­га­нел­лы) и вы­яв­ле­на роль яд­ра в про­цес­се де­ле­ния кле­ток.

Огромный вклад в развитие клеточной теории внесли труды Рудольфа Вирхова. В основном сочинении «Целлюлярная патология как учение, основанное на физиологической и патологической гистологии» (1858) он показал, что «клетка действительно представляет собой последний морфологический элемент всего живого, и вне её мы не должны предполагать существования нашей жизнедеятельности». Вирхов ввёл закон: всякая клетка от клетки. Он указал, что клетки имеют своего рода социальную организацию и существование многоклеточного организма есть продукт взаимодействия этих клеток. Однако Вирхов не отрицал и относительную самостоятельность клеток. Его же можно рассматривать как основателя учения о патологии клеток.

Но­вый этап раз­ви­тия цитологии (с 1950-х гг.) свя­зан с ис­поль­зо­ва­ни­ем элек­трон­но­го мик­ро­ско­па, ме­то­дов ко­ли­че­ст­вен­ной ци­то­хи­мии, вклю­чая ав­то­ра­дио­гра­фию, и др. хи­мические и фи­зические ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния при не­по­средственном взаи­мо­дей­ст­вии с био­хи­ми­ей и мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­ги­ей. Это при­ве­ло к вы­яв­ле­нию ря­да но­вых струк­тур в ци­то­плаз­ме и яд­ре и по­зво­ли­ло рас­шиф­ро­вать их функ­цио­наль­ное зна­че­ние. Имен­но в этот пе­ри­од поя­ви­лась но­вая ком­плекс­ная нау­ка — кле­точ­ная био­ло­гия.

Клеточная теория

Клеточная теория — наиболее общее, фундаментальное представление цитологии. Постулаты к неточной теории, предложенные ещё в XIX веке Шванном и Шлейденом и дополненные Вирховым, гласят:

1. Клетка — минимальная структурно-функциональная единица живого. Для неё характерны основные свойства живого, в том числе: способность к воспроизведению (молекул, структур клетки, целой клетки), возбудимость и чувствительность, обмен веществ как внутри клетки, так и между клеткой и внешней средой. В одноклеточных организмах единственная клетка — это и есть целый организм. В сложно организованных многоклеточных организмах клетки специализированы и образуют ансамбли, формирующие ткани и органы. В то же время клетки относительно автономны и способны существовать (иногда весьма длительное время) вне организма.

2. Все клетки многоклеточных организмов сходны по своему строению. Несмотря на большое разнообразие структуры и функции клеток эукариот, в них имеются ядро, цитоплазма, цитолемма (цитомембрана), определённый набор органелл. Сходен и способ хранения наследственной информации в ядре (в ДНК). Таким образом, между клетками, например человека, мамонта и динозавра, небольшая разница, и все они подчинены или были подчинены строго определённым законам. Изучение многих химических веществ, в том числе ферментов, доказывает, что состав большинства из них сходен у высших млекопитающих, пресмыкающихся, земноводных и даже растений и беспозвоночных. Такие вещества ещё называют эволюционно-консервативными. Часть же белков подверглась значительным изменениям в ходе эволюции, что сформировало новые функции и признаки отдельным клеткам и организму в целом.

3. Каждая новая клетка образуется из другой клетки путем деления. Все, даже самые сложные, многоклеточные организмы также формируются в результате деления исходной материнской клетки и дифференцировки. Деление клеток обеспечивает увеличение многоклеточного организма в процессе его индивидуального развития, а дифференцировка приводит к формированию специализированных органов и систем. Нарушение какой-либо из сторон этого процесса неминуемо ведёт к развитию заболевания, а иногда и к гибели.

Объекты цистологического исследования

Цитогистологический анализ применяется в медицинской практике, научных работах, учебном процессе. Производится исследование:

• трупного материала (патологоанатомические и судебно-медицинские экспертизы);

• материала прижизненной медицинской диагностики (кровь, ликвор, амниотическая жидкость, послеродовая плацента, слюна, иссеченные фрагменты объектов хирургических операций);

• органов и тканей экспериментальных животных;

• живых клеток и тканей в культуре и т. д.

• Основными объектами микроскопического исследования клеток, тканей и органов являются изготовленные из них гистологические препараты.

Методы исследования

Микроскопы — сложные оптические приборы, которые являются основными инструментами цитогистологического исследования. Современные микроскопы обладают высокой разрешающей способностью и большим увеличением.

• Световые микроскопы. В них в качестве оптической системы используются прозрачные (чаще стеклянные) линзы и видимый свет как источник изображения
• Электронный микроскоп. Современные мегавольтные электронные микроскопы интегрируются с компьютерными системами, позволяющими

переводить электронно-микроскопическое изображение в цифровую форму со сверхвысоким разрешением. трансмиссионные (ТЭМ) и сканирующие (СЭМ).

• ТЭМ использует возможность проникновения электронов в биологический объект, что позволяет получить плоскостное изображение структуры;
• СЭМ используют эффект отражения электронов от поверхности объекта исследования, чем обеспечивается объемность изображения объекта изучения

Основные направления

В цитологии су­ще­ст­ву­ет ряд на­прав­ле­ний, ре­шаю­щих ча­ст­ные за­да­чи:

• ка­рио­си­сте­ма­ти­ка — изучает структуры клеточного ядра у разных групп организмов (таксонов) с целью выявления степени их филогенетической близости и использования этих данных для построения естественной системы той или иной группы организмов. Ка­рио­си­сте­ма­ти­ка развилась на стыке систематики с цитологией.
• ра­диа­ци­он­ная цитология — изучает влияние излучений на строение и функции клеток (изменения в клетках и причины нарушений в клетках).
• им­му­но­ци­то­ло­гия — изучает количественную оценку содержания опухолевых клеток в периферической крови и костном мозге, подтверждение опухолевой и эпителиальной природы клеток морфологическим и иммунологическим методами
• ци­то­па­то­ло­гия — изучает морфологические проявления патологических процессов на клеточном уровне. В отличие от классической патоморфологии, для которой основным уровнем описания является тканевой, в патологии клетки рассматриваются изменения на уровне отдельных клеток и их популяций.
• кле­точ­ная ин­же­не­рия — со­во­куп­но­сть ме­то­дов, по­зво­ляю­щих кон­ст­руи­ро­вать клет­ки.

См. также

• Клетка