С 1840-х века учение о клетке оказывается в центре внимания всей биологии и бурно развивается, превратившись в самостоятельную отрасль науки — цитологию. Для дальнейшего развития клеточной теории существенное значение имело её распространение на простейших, которые были признаны свободно живущими клетками (Сибольд, 1848). В это время изменяется представление о составе клетки. Выясняется второстепенное значение клеточной оболочки, которая ранее признавалась самой существенной частью клетки, и выдвигается на первый план значение протоплазмы (цитоплазмы) и ядра клеток, что нашло своё выражение в определении клетки, данном М. Шульце в 1861 г.: "Клетка - это комочек протоплазмы с содержащимся внутри ядром".
В 1861 году Брюкко выдвигает теорию о сложном строении клетки, которую он определяет как «элементарный организм», выясняет далее развитую Шлейденом и Шванном теорию клеткообразования из бесструктурного вещества (цитобластемы). Обнаружено, что способом образования новых клеток является клеточное деление, которое впервые было изучено Молем на нитчатых водорослях. В опровержении теории цитобластемы на ботаническом материале большую роль сыграли исследования Негели и Н. И. Желе.
Деление тканевых клеток у животных было открыто в 1841 г. Ремарком. Выяснилось, что дробление бластомеров есть серия последовательных делений. Идея о всеобщем распространении клеточного деления как способа образования новых клеток закрепляется Р. Вирховом в виде афоризма: Каждая клетка из клетки.
В развитии клеточной теории в XIX веке остро встают противоречия, отражающие двойственный характер клеточного учения, развивавшегося в рамках механистического представления о природе. Уже у Шванна встречается попытка рассматривать организм как сумму клеток. Эта тенденция получает особое развитие в «Целлюлярной патологии» Вирхова (1858). Работы Вирхова оказали неоднозначное влияние на развитие клеточного учения:
XX ВЕК
Клеточная теория со второй половины XIX века приобретала всё более метафизический характер, усиленный «Целлюлярной физиологией» Ферворна, рассматривавшего любой физиологический процесс, протекающий в организме, как простую сумму физиологических проявлений отдельных клеток. В завершении этой линии развития клеточной теории появилась механистическая теория «клеточного государства», в качестве сторонника которой выступал, в том числе и Геккель. Согласно данной теории организм сравнивается с государством, а его клетки — с гражданами. Подобная теория противоречила принципу целостности организма.
В 1950-е советский биолог О. Б. Лепешинская, основываясь на данных своих исследований, выдвинула «новую клеточную теорию» в противовес «вирховианству». В её основу было положено представление, что в онтогенезе клетки могут развиваться из некоего неклеточного живого вещества. Критическая проверка фактов, положенных О. Б. Лепешинской и её приверженцами в основу выдвигаемой ею теории, не подтвердила данных о развитии клеточных ядер из безъядерного «живого вещества».
Прогресс в изучении микроанатомии клетки связан с развитием микроскопирования в XIX в. К этому времени изменились представления о строении клеток: главным в организации клетки стала считаться не клеточная стенка, а собственно ее содержимое - протоплазма. В протоплазме был открыт постоянный компонент клетки - ядро.
Все эти многочисленные наблюдения позволили Т. Шванну в 1838 г. сделать ряд обобщений. Он показал, что клетки растений и животных принципиально сходны между собой (гомологичны). «Заслуга Т. Шванна заключалась не в том, что он открыл клетки как таковые, а в том, что он научил исследователей понимать их значение». Дальнейшее развитие эти представления получили в работах Р. Вирхова (1858). Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии, послужила главным фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она дала основы для понимания жизни, для объяснения родственной взаимосвязи организмов, для понимания индивидуального развития.
Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и на сегодняшний день, хотя за более чем сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток. В настоящее время клеточная теория постулирует следующее:
1. Клетка — элементарная единица живого: вне клетки нет жизни.
2. Клетка — единая система, включающая множество 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 (ДНК): 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 (молекулярная регуляция).
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 (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - к дифференцировке.
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.
1. Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу.
2. 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.
3. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединённых и интегрированных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).
4. Клетки многоклеточных обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной работой различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - к дифференцировке.
Среди трудов Вирхова такое центральное положение занимает его сочинение «Целлюлярная патология в ее основах на физиологическом и патологическом учении о тканях».
В течение целого ряда лет, на целом ряде объектов исследования Вирхову удалось доказать, что патологических бластем также не существует и что ни в одном случае нельзя было подтвердить новообразования клеток из бластем. Благодаря этому отпадала всякая аналогия с кристаллизацией. Наблюдение скорее указывало, что все новые клетки – потомки старых клеток и что, следовательно, во всей сфере пластических процессов господствует лишь один закон образования – закон наследственности. Подобно тому, как целые организмы, животные и растительные, возникают путем наследственного размножения, точно так же и отдельные клетки. Допущение самопроизвольного зарождения по отношению к клеткам и их дериватам – тканям – представляется столь же излишним и ложным, как и по отношению к целому организму.
Таким образом, пришлось отказаться от самопроизвольного зарождения клеток. Теория бластем оказалась несостоятельной. И вот на место общего эмбриологического положения Гарвея «omne vivum ex ovo» (всякое живое существо происходит из яйца) Вирхов поставил другое, более точное положение – «omnis cellula a cellula» (всякая клетка от клетки); в этой краткой формуле Вирхов выразил всю сущность своих биологических воззрений. Эта формула является синтезом всей патологоанатомической работы Вирхова.
Итак, клетка как основной элемент тканей животного, в частности человеческого, организма была вполне установлена.
Далее, в своих исследованиях о воспалении Вирхов показал, что не сосуды и нервы являются здесь самыми важными факторами, но что центр тяжести лежит в процессах, которые разыгрываются в элементах тканей, в самих клетках. Кроме того, Вирхов заметил тот важный факт, что заболевание не остается ограниченным одной лишь клеткой, но что каждый раз поражается прилегающая к клетке область основного вещества. Это особенно резко выступает в воспалениях кости. «Заболевают, – говорит Вирхов, – отдельные костные тельца с принадлежащей к ним территорией основного вещества». В этих «клеточных территориях» Вирхов и видел возможные «очаги болезни».
Вирхов видит большой шаг вперед в том, что организм можно себе представить состоящим из клеточных территорий. Для всякого патологического исследования исходной точкой должна служить болезненно измененная клеточная территория. Все биологические воззрения следует в конце концов свести на клетки и дериваты клеток, клеточные территории. Развивая дальше эту мысль, Вирхов приходит к фундаментальному положению о самостоятельно живущих и самостоятельно питающихся единицах, составляющих животный и человеческий организм. «Тело человека, – говорит Вирхов, – может быть разделено на бесчисленные растительные, живущие и питающиеся единицы, из которых каждая представляет известную независимость, известное самоопределение жизни». Это положение послужило основою новому учению Вирхова.
Ничто не препятствует, – говорит Вирхов, – назвать и такое направление витализмом. Не следует только забывать, что особой жизненной силы отыскать нельзя и что витализм вовсе не обозначает необходимым образом спиритуалистической или даже динамической системы. Точно так же надо помнить, что жизнь отличается от процессов в остальном мире и что ее нельзя свести просто на физические и химические законы.
Открытие Менделя. Гибридологический анализ Основные закономерности наследования были открыты Менделем. Объектом исследования Мендель избрал горох, имеющий много рас, отличающихся альтернативными признаками. Выбор объекта оказался удачным, так как наследование признаков у гороха происходит очень четко. Горох - самое опыляемое растение, поэтому у Менделя была возможность проанализировать потомство каждой особи отдельно. Прежде чем начать опыты, Мендель тщательно проверил чистосортность материала. Все сорта гороха он высевал в течение нескольких лет и, лишь убедившись в однородности материала, приступил к экспериментам по скрещиванию. Мендель в своих исследованиях использовал совершенно новый, разработанный им метод, получивший название гибридологического анализа. Основные черты этого метода заключаются в следующем: В отличие от своих предшественников, Мендель не учитывал весь разнообразный комплекс признаков у родителей и их потомков, а выделял и анализировал наследование по отдельным альтернативным признакам. Был проведен обычный количественный учет наследования каждого альтернативного признака в ряду последовательных поколений. Было прослежено не только первое поколение от скрещивания, но и характер потомства каждого гибрида в отдельности при самоопылении. После вторичного открытия основных законов наследования гибридологический метод нашел широкое применение в биологической науке и практике. Мендель проанализировал закономерность наследования как в тех случаях, когда родительские организмы отличались по одной альтернативной паре, так и в случаях, когда они различались по нескольким парам признаков. 2. Скрещивание, его разновидности Из-за недостаточного уровня развития науки своего времени Мендель не мог еще связать наследственные факторы с определенными структурами в клетке. В настоящее время установлено, что гены находятся в хромосомах, поэтому при изучении закономерностей, полученных Менделем, мы будем исходить из современных представлений на клеточном уровне. Скрещивание бывает: моногибридным, когда родительские особи анализируются по одной альтернативной паре признаков; дигибридным - по двум признакам; полигибридным - по многим.
К моменту вторичного открытия основных законов наследственности были изучены митоз и мейоз, стало известно, что гаметы содержат вдвое меньше хромосом, чем соматические клетки. Была обнаружена "механика" и сущность оплодотворения. Де Фриз в своей работе "Законы расщепления гибридов" описывает опыты со скрещиванием 11 видов растений, в том числе энотеры (Oenathera Lamarckiana), на которой создает свою мутационную теорию (см. главу V, § 2), мака (Papaver somniferum), дурмана (Datura) и др. Во втором поколении растений при моногибридном скрещивании Де Фриз наблюдал то же соотношение 3:1. Резюмируя, исследователь подтверждает правильность этого обобщения для всего растительного мира.
В ответ на публикацию Де Фриза К. Корренс, работавший с кукурузой (Zea mays), пишет труд "Правило Г. Менделя о поведении потомства расовых гибридов", где формулирует соотношение расщепления во втором поколении (F2) как "закон Менделя", а в 1910 г. обобщает идеи Менделя в виде трех законов.
Среди исследователей, обративших пристальное внимание на труды Менделя и активно распространявших менделизм, следует упомянуть и У. Бэтсона, экспериментировавшего с курами (Gallus gallus) и распространившего законы Менделя на мир животных.
В 1908 г. шведский ученый Г. Нильсон-Эле (родоначальник генетики количественных признаков) подчеркнул, что сущность открытия Менделя заключается в установлении наличия дискретных, материальных единиц наследственности, а В. Иогансен предложил в 1909 г. для этих единиц термин "ген".
Иогансен работал с одним из сортов фасоли (Phaseolus vulgaris). Отбирая отдельные растения с мелкими и крупными семенами и наблюдая результаты самоопыления отдельных растений, ученый производил близкородственные скрещивания. В семи поколениях Иогансен получил гомозиготный материал по признаку размера семян.
Исследователем было показано, что с каждым поколением число гетерозиготных особей уменьшается. Уже на третьем поколении оно падает до 12,5%, в четвертом - до 6,25%, в пятом - до 3,13% и т. д., пока линия превратится в сплошь гомозиготную "чистую" линию. На основании этих опытов было создано учение о чистых линиях.
В период зарождения генетики считалось, что один ген влияет на реализацию одного признака. Приблизительно через полвека получены неоспоримые доказательтва того, что чем сложнее признак, тем большее число генов контролирует его проявление.
Встречаются комбинации, когда много генов определяет развитие одного признака (принцип полимерии, от греч. полимерос - многообразный) или один ген определяет развитие многих признаков (принцип плейротропии, от греч. плейрос - наибольший, тропе - на правление).
Полимерия впервые была обнаружена в 1908 г, Нильсеном-Эле, который установил, что некоторые признаки зависят от многих генов в своем проявлении.
Полимерные гены с однозначным действием могут определять как количественные, так и качественные признаки. Такие признаки называются полигенными. Полимерия количественных признаков приводит к образованию широкого спектра изменчивости. Примером этой формы наследования может служить признак формы плодов у пастушьей сумки.
Мы рассмотрели целый ряд дополнений к законам Менделя, принципы полимерии, плейотропии, комплементарности, однако самым значительным дополнением ним, можно даже сказать четвертым законом наследственности, служит открытое в 1906 г. У. Бетсоном и его сотрудником Пеннетом явление сцепления генов, в следовательно, и признаков.
Оказалось, что целый ряд признаков и свойств у многих организмов наследуется всегда в определенном сочетании друг с другом. Это значит, что гены иногда передаются вместе, сцепленно. Объяснение этому явлению дали американский генетик Т. Морган и его сотрудники, работая с плодовой мушкой дрозофилой (см. выполнение практических работ, раздел V). Эти работы, как и ряд других исследований школы Моргана, составляют целый раздел классической генетики.
В 1909-1911 гг. Морган и его не менее прославленные ученики А. Стёртевант, Г. Меллер, К. Бриджес показали, что третий закон Менделя требует внесения существенных дополнений: наследственные задатки не всегда наследуются независимо; порой они передаются целыми группами - сцепленно друг с другом. Такие группы, расположенные в соответствующей хромосоме, могут перемещаться в другую гомологичную при конъюгации хромосом во время мейоза (профаза I).
Полностью хромосомная теория была сформулирована Т. Г. Морганом в период с 1911 по 1926 г. Своим появлением и дальнейшим развитием эта теория обязана не только Моргану и его школе, но и работам значительного числа ученых, как зарубежных, так и отечественных, среди которых в первую очередь следует назвать Н. К. Кольцова и А. С. Серебровского (1872-1940).
Согласно хромосомной теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенном локусе (от лат. locus - место), лежат гены. Поскольку хромосомы парны, то каждому гену одной хромосомы соответствует парный ген другой хромосомы (гомолога), лежащий в том же локусе. Эти гены могут быть одинаковыми (у гомозигот) или разным (у гетерозигот). Различные формы генов, возникающие путем мутации из исходного, называются аллелями, или аллеломорфами (от греч. алло - разный, морфа - форма). Аллели по-разному влияют на проявление признака. Если ген существует более чем в двух аллельных состояниях, то такие аллели в популяции* образуют серию так называемых множественных аллелей. Каждая особь в популяции может содержать в своем генотипе любые два (но не более) аллеля, а каждая гамета - соответственно лишь один аллель. В то же время в популяции могут находиться индивидуумы с любыми аллелями этой серии. Примером множественных аллелей могут служить аллели гемоглобина.
Правильность гипотезы Моргана была подтверждена в начале века Куртом Штерном (цитологические исследования) и сотрудниками Моргана Теофилусом Пайнтером (цитологом) и Кальвином Бриджесом (генетиком) на гигантских хромосомах слюнных желез личинок дрозофилы (подобных гигантским хромосомам других двукрылых). На рис. 26 показана часть гигантской хромосомы слюнной железы личинки хирономуса (мотыля).
В 1925 г. Стертевант показал наличие неравного кроссинговера: в одной из гомологичных хромосом может оказаться два одинаковых локуса, в которых располагаются, например, гены, влияющие на форму глаза дрозофилы - Ваr, а в другой - ни одного локуса. Так получились мухи с резко выраженным признаком узких полосковидных глаз (ген Ultra Bar)
Кроме цитологических доказательств правильности хромосомной теории, были проделаны генетические эксперименты - скрещивание разных рас дрозофилы. Так, среди множества сцепленных генов в плодовой мушке имеются два рецессивных гена: ген черной окраски тела (bleack) и ген зачаточных крыльев (vestigial).
