g_ryurikov | Введение в биологию

XIII
Клетка. Клеточная теория

Клетка — это прежде всего один из уровней организации живых систем, универсальная единица, «кирпичик» живого. Живое состоит из клеток. Если нечто не состоит из клеток — это не живое. Наука, изучающая строение и жизнедеятельность клеток, называется цитологией.

Поскольку все биологические процессы на молекулярном уровне протекают в водных растворах, и существует множество разных химических процессов, связанных друг с другом, должны существовать какие-то отсеки, «пробирки», внутри которых будет поддерживаться необходимая концентрация веществ и другие параметры, необходимые для жизнедеятельности. Клетка — это та самая «пробирка», некая замкнутая ёмкость, стенки которой отделяют внутреннюю среду от внешней. Таким образом, главной структурой, определяющей существование клетки как отдельной единицы, является клеточная мембрана (она же плазмалемма, она же плазматическая мембрана). Мембрана представляет из себя тонкую плёночку, образующую замкнутый «пузырик», который и есть клетка. Внутреннее содержимое клетки, отграниченное мембраной, называется цитоплазмой.

Поскольку, как мы знаем, наследственные свойства живых систем определяются ДНК через посредство синтеза специфичных белков, в клетке обязательно должна быть ДНК и аппарат синтеза белка. Такова в самых общих чертах схема строения любой клетки: мембрана, цитоплазма, ДНК, и какие-то приспособления, обеспечивающие синтез белка.

Открытие клеток как природного феномена принадлежит английскому естествоиспытателю Роберту Гуку (это тот самый, которого учебники по физике знают как автора закона Гука). Гук рассматривал в микроскоп тонкий срез пробки, и обнаружил, что «что вся она пронизана отверстиями и порами, совершенно как медовые соты». Эти наблюдения опубликованы Гуком в книге «Микрография», вышедшей в 1665 году. Гуку принадлежит и сам термин «клетка» (англ. сell — «ячейка, сота», от лат. cella — «комната, камера»). В данном случае Гук имел дело с мёртвыми растительными клетками, поэтому внутри ячеек не было никакого живого содержимого.

Постепенно накапливавшиеся данные об универсальности этого явления были обобщены в тридцатые годы XIX в. М. Шлейденом и Т. Шванном в виде клеточной теории, утверждающей, что клеточное строение обязательно для любых живых организмов. Согласно первоначальной версии клеточной теории, все живые организмы состоят из клеток, и клетка является элементарной (наименьшей) единицей живого. Клетка — это живая система, обладающая всем комплексом свойств живого, такой системой может быть что-то, состоящее из множества клеток, но никакая часть клетки, что-то меньшее клетки — не может.

Важнейший вывод, следующий из клеточной теории — обоснование структурного единства всех живых организмов. Классическая работа Т. Шванна озаглавлена «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839), и в самом её названии декларируется эта важная идея: животные и растения, совершенно различные по строению на макроуровне, состоят тем не менее из подобных структурных единиц — клеток. Нет общей для животных и растений анатомии, но есть общая цитология.

Важное дополнение к имевшимся постулатам клеточной теории в последующие два десятилетия сделал немецкий физиолог Рудольф Вирхов. Речь идёт о механизмах возникновения новых клеток: Шлейден и Шванн полагали, что клетки могут возникать из неклеточного вещества (теория цитобластемы), Вирхов же настаивал на том, что клетки могут образовываться только путём деления исходных клеток («всякая клетка от клетки»).

Любопытно, что формально признание клетки элементарной единицей живого одновременно с возможностью образования клеток из неклеточного вещества означает признание самозарождения жизни как обыденного явления. Вообще говоря, на протяжении всей предшествовавшей человеческой истории такие представления были нормой: у античных и средневековых мыслителей они встречаются постоянно. Аристотель, бывший в европейской науке очень долгое время непререкаемым авторитетом, в «Истории животных» приводит множество примеров зарождения разных организмов из «земли», «ила», «грязи» и т. п. Фома Аквинский писал о происхождении некоторых животных «от гниения». Через алхимиков эпохи Возрождения представления о возможности самозарождения живых существ шагнули в Новое время: в частности, их разделял виднейший французский естествоиспытатель XVIII в. Жорж Луи-Леклерк де Бюффон.

Во второй половине XVII в. тосканский врач Франческо Реди доказал, что личинки мух не самозарождаются в гниющем мясе: в его экспериментах личинки заводились в сосудах с мясом, оставленных открытыми, но не появлялись в сосудах, накрытых кисеёй. Но после того, как Антони ван Левенгук открыл существование микроорганизмов (первые результаты его наблюдений были опубликованы в 1673 г.), для обоснования невозможности самозарождения живых существ потребовалось доказательство невозможности самозарождения и микроорганизмов тоже. Многим очевидной казалась идея, что уж микробы-то, наверное, самозарождаются — откуда же, иначе, они берутся?..

Итальянский священник и натуралист Ладзаро Спалланцани доказал (вторая половина XVIII в.), что микроорганизмы не появляются в запаянных колбах с прокипячённым бульоном, но сторонники самозарождения возражали ему, что нагреванием он якобы убивает «производящую силу», или что для самозарождения необходим свежий воздух.

Доказать, что микроорганизмы не самозарождаются в прокипячённом бульоне даже при доступе воздуха, удалось во второй половине XIX в. французскому учёному Луи Пастеру (это в честь которого «пастеризация»). Пастер использовал специальную колбу с очень длинным узким и изогнутым горлышком. В такой колбе бульон оставался чистым, даже если горлышко не запаивать, — споры микроорганизмов не могли по воздуху преодолеть все изгибы и оседали на стенках.