2. ОСНОВОПОЛОЖНИКИ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ
Таким образом, в 30-х гг. XIX в. были накоплены конкретные представления о структурной организации клетки. Немецкий зоолог Теодор Шванн (1810—1882) стал первым ученым, который обобщил все эти знания и пришел к выводу, что клетка является тем микроскопическим элементом, из которого состоят все живые организмы. Чтобы убедиться в этом, Т. Шванн пригласил к сотрудничеству своего друга, немецкого ботаника Матиаса Шлейдена (1804—1881). Ознакомившись с трудами М. Шлейдена, Т. Шванн пришел к выводу, что как растения, так и животные построены на одинаковой основе, что принцип строения клеток у них одинаков.
Ученые чрезвычайно долго при помощи микроскопа проверяли правильность своих предположений. Когда все сомнения были устранены, Т. Шванн в 1839 г. опубликовал труд «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Труд вызвал переворот в биологии и сделал известными фамилии обоих ученых. Так была разработана одна из самых важных биологических теорий, получившая название клеточной теории. Основную роль в этом крупном открытии XIX столетия сыграл Т. Шванн, но часть заслуг принадлежит также М. Шлейдену. Главная идея этого открытия потрясающе проста: жизнь сосредоточена в клетках. В основе этой теории следующие положения:
— как растениям, так и животным свойственно единство строения;
— в основе структуры всех организмов находится клетка;
— образование все новых и новых клеток — это принцип роста и развития растений и животных;
— клетка является элементарной биологической единицей;
— организм в целом есть сумма образовавших его клеток.
Положения эти могут формулироваться по-разному в разных источниках, но смысл их одинаков — тайна жизни заключена в клетках. Кто же эти люди, принесшие человечеству эту знаменитую теорию?
Матиас Якоб Шлейден, выдающийся немецкий ботаник, родился 5 апреля 1804 г. в Гамбурге. Здесь же он и учился в гимназии. В 1824 г. поступил на юридический факультет Гейдельбергского университета, закончил его с отличием, но адвокатом не стал. Заинтересовался биологией, медициной, философией и изучал их в Геттингенском университете. Больше всего увлекался физиологией и ботаникой — и опубликовал много трудов по этим наукам. Был мрачным, раздражительным человеком, склонным к спорам, но вместе с тем очень трудолюбивым, творческим деятелем. Как человек прогрессивный, опубликовал множество научно-популярных работ. В одной из книг он представил свою теорию возникновения клеток из материнской клетки.
Работа Матиаса Шлейдена послужила толчком для Теодора Шванна к занятию длительными и тщательными микроскопическими исследованиями, которые, в конечном итоге, доказали единство клеточного строения всего органического мира. Основной труд Матиаса Шлейдена «Основы научной ботаники» (Лейпциг, 2 тома) был опубликован в 1842—1843 гг. и оказал огромное влияние на изменение взглядов на морфологию растений с точки зрения их онтогенеза, т. е. индивидуального развития. В конце своей жизни Шлейден увлекся антропологией, желая познать тайны происхождения человека. Как мы видим, деятельность и имя Матиаса Шлейдена неразрывно связаны с именем другого немецкого ученого — Теодора Шванна, с которым он примерно с 1837 г. вел совместные микроскопические исследования.
Теодор Шванн родился 7 декабря 1810 г. в Нейсе. Учился в Боннском университете, затем в Кельне, Вюрцбурге, Берлинском анатомическом институте. Спектр его научных изысканий очень широк. Например, в 1836 г. он открыл пепсин и установил его ферментативную активность при переваривании белков. Или другая сторона его деятельности: он заинтересовался вопросом о возможности самозарождения жизни — и изучал процессы гниения и брожения, деятельность низших грибков. Проделал огромное количество микроскопических исследований. Установил клеточное строение хорды, мышц, хряща, стенок кровеносных сосудов, описал тонкую оболочку, окружавшую нервные волокна (она получила название шванновской оболочки).
Познакомившись с работами М. Шлейдена о развитии растительных клеток, Шванн, как зоолог, пришел к выводу, что животные клетки развиваются подобным образом и имеют сходное строение. В 1839 г. Шванн, обобщив свои идеи, идеи ботаника М. Шлейдена и других ученых, публикует свою основную работу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой он окончательно доказал клеточную теорию строения организмов, потрясшую ученый мир и ставшую одной из основополагающих теорий XIX в. В дальнейшем Т. Шванн возглавлял кафедру физиологии в Льеже и вел исследования в разных отраслях биологии. Умер Теодор Шванн 14 января 1882 г. в Кельне.
Идея строения организмов из клеток занимает умы многих ученых. Одним из исследователей клеток был К. М. Бэр.
Карл Максимович Бэр (1792—1876) очень заинтересовался проблемой развития оплодотворенной яйцеклетки в зародыше. Начал он свои поиски с исследования яйцеклеток млекопитающих. В 1827 г. он опубликовал работу об открытии яйцеклетки в яичнике собаки. Затем он эти опыты перенес на самок кроликов, овец, кошек, мышей. Он же первый обнаружил женские яйцеклетки. К. М. Бэр изучил развитие огромного количества зародышей, что позднее дало ему возможность создать основы новой научной отрасли — сравнительной эмбриологии. Он установил, что все живые организмы начинают свое развитие с одной клетки, представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка не только единица строения, но и единица развития все живых организмов. Так К. М. Бэр сделал существенное дополнение к основному положению клеточной теории.
Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах немецкого ученого Рудольфа Вирхова (1821—1902). В 1858 г. Р. Вирхов опубликовал свою теорию клеточной патологии, в основу которой была положена физиологическая самостоятельность каждой клетки в отдельности. Как ни странно, несмотря на ошибочность такого положения, работа Вирхова значительно продвинула вперед клеточную теорию и положила начало многочисленным исследованиям в медицине. Ведь ученый был прав, доказывая, что клетка, хоть больная, хоть здоровая, образуется исключительно делением существовавших до нее клеток, т. е. клетка может возникнуть только из предшествующей клетки в результате ее деления! Это привело к осознанию того факта, что рост и развитие организмов связаны с делением клеток и их дальнейшей дифференцировкой, приводящей к образованию тканей и организмов.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
Кропотливая работа цитологов XX в. дала возможность сформулировать основные положения клеточной теории на современном уровне развития биологии следующим образом:
1. Клетка — элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет.
2. Новые клетки возникают только путем деления ранее существующих клеток.
3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу, происхождению, т. е. гомологичны.
4. Рост и развитие многоклеточного организма — следствие роста и размножения одной или нескольких клеток.
5. Клеточное строение организмов — свидетельство того, что все живое имеет единое происхождение.
Клеточная тория внесла огромный вклад в понимание научной картины окружающего нас мира. Стало ясно, что все организмы, начиная с низших и заканчивая самыми высокоразвитыми, состоят из отдельных компонентов — клеток. Идея о том, что все организмы построены из клеток, стала одним из наиболее важных теоретических достижений в истории биологии, создав единую основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами. Ведь на клеточном уровне даже наиболее отдаленные виды очень сходны по строению и биохимическим свойствам, что указывает на общность их происхождения и эволюционного развития. Иными словами, клеточная теория и теория эволюции, созданная Ч. Дарвином, тесно связаны между собой. Клетка выполняет функцию связи между индивидуалом и видом, в ней сосредоточена наследственная информация, обеспечивающая сохранение как всего вида, так и отдельных его особей.
Изучая клетку, человек познает природу самой жизни. Клетка — это же самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками живого организма. На уровне клетки проявляются такие свойства живого, как обмен веществ и превращение энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, реагирование на раздражение и т. п. В меньших единицах материи эти свойства не проявляются. Если выделить из клетки митохондрии, рибосомы, ядро, хлоропласты, то они будут способны некоторое время выполнять свои функции, но эти функции сами по себе не составляют жизнь. Только целостная клетка способна поддерживать жизнь во всех ее проявлениях.
Исследования клетки имеют большое значение для профилактики и лечения заболеваний как самого человека, так и растений, животных. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к заболеваниям. Чтобы это было понятно, приведем несколько примеров. Если в клетке окажется всего одна лишняя хромосома, т. е. в диплоидном наборе их будет не 46, как обычно, а 47, это приведет к очень тяжелым последствиям: у ребенка развивается болезнь Дауна, для которой характерна непропорционально маленькая голова, узкие глазные щели, плоское лицо, резко выраженная умственная отсталость.
Или другой пример. Все здоровые люди имеют белок гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой, а эритроциты у них похожи на диски. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием — серповидноклеточной анемией, — эритроциты похожи не на диски, а на серпы, потому что из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, у них из-за нарушений биосинтеза белка в клетках заменены всего две аминокислоты, и это приводит к существенному изменению формы и нарушению функции эритроцита — он плохо справляется со своей задачей — переносом кислорода, и человек тяжело дышит.