ЦИТОЛОГИЯ

ЦИТОЛОГИЯ (греческий kytos вместилище, здесь — клетка + logos учение) — наука о строении, функциях и развитии клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий. Цитологические исследования (см.) имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека и животных.

Различают общую и частную цитологии. Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, метаболизм, реакции на повреждение, патологические изменения, репаративные процессы и приспособление к условиям среды. Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или эволюционной адаптацией к среде обитания (у протистов и бактерий).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа (см.) и гистологических методов исследования (см.). Термин «клетка» впервые был применен Гуком (R. Hooke, 1665), описавшим клеточное строение (точнее — целлюлозные оболочки клеток) ряда растительных тканей. В 17 веке наблюдения Гука были подтверждены и развиты М. Мальпиги, Грю (N. Grew, 1671), А. Левенгуком. В 1781 году Фонтана (F. Fontana) опубликовал рисунки животных клеток с ядрами.

В первой половине 19 века начало формироваться представление о клетке как об одной из структурных единиц организма. В 1831 году Броун (R. Brown) обнаружил в клетках растений ядро, дал ему наименование «nucleus» и предположил о наличии этой структуры у всех растительных и животных клеток. В 1832 году Дюмортье (В. С. Dumortier), а в 1835 году Моль (H. Mohl) наблюдали деление растительных клеток. В 1838 году М. Шлейден описал ядрышко в ядрах растительных клеток.

Распространенность клеточного строения в животном царстве была показана исследованиями Дютроше (R. J. H. Dutrochet, 1824), Распая (F. V. Raspail, 1827), школ Я. Пуркинье и И. Мюллера. Я. Пуркинье первым описал ядро животной клетки (1825), разработал способы окраски и просветления клеточных препаратов, применил термин «протоплазма», был одним из первых, кто попытался сопоставить структурные элементы животных и растительных организмов (1837).

В 1838—1839 годы Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (см.), в которой клетка рассматривалась как основа строения, жизнедеятельности и развития всех животных и растений. Концепция Т. Шванна о клетке как о первой ступени организации, обладающей всем комплексом свойств живого, сохранила свое значение и в настоящее время.

Превращению клеточной теории в универсальное биол. учение способствовало раскрытие природы простейших. В 1841 —1845 год Зибольд (С. Th. Siebold) сформулировал понятие об одноклеточных животных и распространил на них клеточную теорию.

Важным этапом в развитии цитологии было создание Р. Вирховом учения о целлюлярной патологии (см.). Он рассматривал клетки как материальный субстрат болезней, что привлекло к их изучению не только анатомов и физиологов, но и патологов (см. Патологическая анатомия). Р. Вирхов также постулировал происхождение новых клеток только из пред-существующих. В значительной мере под влиянием трудов Р. Вирхова и его школы начался пересмотр взглядов на природу клеток. Если ранее важнейшим структурным элементом клетки считалась ее оболочка, то в 1861 году Шультце (М. Schultze) дал новое определение клетки как «комочка протоплазмы, внутри которого лежит ядро»; то есть ядро окончательно было признано обязательной составной частью клетки. В том же 1861 году Брюкке (E. W. Brucke) показал сложность строения протоплазмы.

Обнаружение Гольджи комплекс), а также открытие в клеточных ядрах нуклеиновых кислот (см.) способствовали установлению представлений о клетке как о сложной многокомпонентной системе. Изучение процессов митоза [Страсбургер (E. Stras-burger, 1875); П. И. Перемежко, 1878; В. Флемминг (1878)] привело к открытию хромосом (см.), установлению правила видового постоянства их числа [Рабль (К. Rabi, 1885)] и созданию теории индивидуальности хромосом [Бовери (Th. Boveri, 1887)]. Эти открытия наряду с изучением процессов оплодотворения (см.), биологическая сущность которого выяснил О. Гертвиг (1875), фагоцитоза (см.), реакций клеток на раздражители способствовали тому, что в конце 19 века цитология становится самостоятельным разделом биологии. Карнуа (J. В. Carnoy, 4884) впервые ввел понятие «биология клетки» и сформулировал представление о цитологии как науке, изучающей форму, структуру, функцию и эволюцию клеток.

Большое влияние на развитие цитологии оказало установление Г. Менделем законов наследования признаков (см. кариологии (см.).

Крупным событием в науке о клетке стала разработка метода культуры тканей (см. Культуры клеток и тканей) и его модификаций — метода однослойных культур клеток, метода органных культур фрагментов ткани на границе питательной среды и газовой фазы, метода культуры органов или их фрагментов на оболочках куриных эмбрионов, в тканях животных или в питательной среде. Они дали возможность в течение длительного времени наблюдать за жизнедеятельностью клеток вне организма, детально изучать их движение, деление, дифференцировку и др. Особенно широкое распространение получил метод однослойных клеточных культур [Янгиер (D. Youngner), 1954], сыгравший большую роль в развитии не только цитологии, но и вирусологии, а также в получении ряда противовирусных вакцин. Прижизненному изучению клеток в большой степени способствует микрокиносъемка (см.), фазово-контрастная микроскопия (см.), люминесцентная микроскопия (см.), микрургия (см.), витальная окраска (см.). Эти методы позволили получить много новых сведений о функциональном значении ряда клеточных компонентов.

Введение в цитологию количественных методов исследования привело к установлению закона видового постоянства размеров клеток [Дриш (H. Driesch), 1899], уточненного впоследствии E. М. Вермелем и известного как закон постоянства минимальных клеточных размеров. Якоби (W. Jacobi, 1925) обнаружил феномен последовательного удвоения объема ядер клеток, что во многих случаях соответствует удвоению числа хромосом в клетках. Были выявлены также изменения размеров ядер, связанные с функциональным состоянием клеток как в нормальных условиях [Беннингхофф (A. Benninghoff), 1950], так и при патологии (Я. Е. Хесин, 1967).

Методы химического анализа в цитологии начал применять еще в 1825 году Распай. Однако решающее значение для развития цитохимии имели работы Лизона (L. Lison, 1936), Глика (D. Glick, 1949), Пирса (A. G. Е. Pearse, 1953). Большой вклад в развитие цитохимии внесли также Б. В. Кедровский (1942, 1951), А. Л. Шабадаш (1949), Г. И. Роскин и Л. Б. Левинсон (1957).

Разработка методов цитохимического выявления нуклеиновых кислот, в частности реакции Фейльгена (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты) и метода Эйнарсона, в сочетании с цитофотометрией (см.) позволили в значительной мере уточнить представления о трофике клеток, о механизмах и биол. значении полиплоидизации (В. Я. Бродский, И. В. Урываева, 1981).

В первой половине 20 века начинает выясняться функциональная роль внутриклеточных структур. В частности, работами Д. Н. Насонова (1923) было установлено участие комплекса Гольджи в формировании секреторных гранул. Ходжбу (G. Н. Ноgeboom, 1948) доказал, что митохондрии являются центрами клеточного дыхания. Н. К. Кольцов впервые сформулировал представление о хромосомах как носителях молекул наследственности, а также ввел в цитологию понятие «цитоскелет» (см. Цитоплазма).

Научно-техническая революция середины 20 века привела к бурному развитию цитологии и пересмотру ряда ее представлений. С помощью электронной микроскопии (см.) было изучено строение и во многом раскрыты функции ранее известных органоидов клеток, открыт целый мир субмикроскопических структур (см. Мембраны биологические, Эндоплазматический ретикулум, Лизосомы, Рибосомы). Эти открытия связаны с именами Портера (К. R. Porter), Дж. Пелейда, Риса (H. Ris), Бернхарда (W. Bernhard), К. де Дюва и других выдающихся ученых. Изучение ультраструктуры клеток позволило разделить весь живой органический мир на эукариот (см. Эукариотные организмы) и прокариот (см. Прокариотные организмы).

Развитие молекулярной биологии (см.) показало принципиальную общность генетического кода (см.) и механизмов синтеза белка на матрицах нуклеиновых кислот для всего органического мира, включая царство вирусов. Новые методы выделения и изучения клеточных компонентов, развитие и усовершенствование цитохимических исследований, особенно цитохимии ферментов, применение радиоактивных изотопов для изучения процессов синтеза клеточных макромолекул, внедрение методов электронной цитохимии, применение меченных флюорохромами антител для изучения с помощью люминесцентного анализа локализации индивидуальных клеточных белков, методы препаративного и аналитического центрифугирования значительно расширили границы цитологии и привели к стиранию четких граней между цитологией, биологией развития, биохимией, молекулярной биофизикой и молекулярной биологией.

Из чисто морфологической науки недавнего прошлого современная цитология развилась в экспериментальную дисциплину, постигающую основные принципы деятельности клетки и через нее — основы жизни организмов. Разработка методов пересадки ядер в энуклеированные клетки Гердоном (J. В. Gurdon, 1974), соматической гибридизации клеток Барски (G. Barski, 1960), Харрисом (Н. Harris, 1970), Эфрусси (В. Eph-russi, 1972) дала возможность изучить закономерности реактивации генов, определить локализацию многих генов в хромосомах человека и приблизиться к решению ряда практических задач медицины (например, к анализу природы малигнизации клеток), а также народного хозяйства (например, получение новых сельскохозяйственных культур и др.). На базе методов гибридизации клеток была создана технология получения стационарных антител гибридных клеток, продуцирующих антитела заданной специфичности (моноклональные антитела). Их уже используют для решения ряда теоретических вопросов иммунологии, микробиологии и вирусологии. Начинается применение этих клонов для усовершенствования диагностики и лечения ряда болезней человека, изучения эпидемиологии инфекционных болезней и др. Цитологический анализ взятых у больных клеток (нередко после их культивирования вне организма) имеет значение для диагностики некоторых наследственных болезней (напр., пигментной ксеродермы, гликогенозов) и изучения их природы. Намечаются также перспективы применения достижений цитологии для лечения генетических болезней человека, профилактики наследственной патологии, создания новых высокопродуктивных штаммов бактерий, повышения урожайности растений.

Многогранность проблем исследования клетки, специфика и разнообразие методов ее изучения обусловили в настоящее время формирование в цитологии шести основных направлений: 1) цитоморфологии, изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования к-рой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (темнопольный конденсор, фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия); 2) цитофизиологии, изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие ее внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приемы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии; 3) центрифугирования (см.) с последующим химическим анализом различных фракций; 4) цитогенетики (см.), изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов; 5) цитоэкологии (см.), исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним; 6) цитопатологии, предметом к-рой является изучение патологических процессов в клетке (см.).

В СССР различные направления современной цитологии представлены исследованиями И. А. Алова, В. Я. Бродского, Ю. М. Васильева, О. И. Епифановой, Л. Н. Жинкина, A. А. Заварзина, А. В. Зеленина, И. Б. Райкова, П. П. Румянцева, Н. Г. Хрущова, Ю. С. Ченцова, B. А. Шахломова, В. Н. Ярыгина и др. Проблемы цитогенетики и тонкой структуры хромосом разрабатываются в лабораториях А. А. Прокофьевой-Бельговской, А. Ф. Захарова, И. И. Кикнадзе.

Наряду с традиционными в нашей стране развиваются и такие новые направления цитологии как ультраструктурная патология клетки, вирусная цитопатология, цитофармакология— оценка действия лекарственных препаратов методами цитологии на культурах клеток, онкологическая цитология, космическая цитология, изучающая особенности поведения клеток в условиях космических полетов.

Исследования в области цитологии ведутся в Институте цитологии АН СССР, Институте цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, Институте генетики и цитологии АН БССР, на кафедрах цитологии и гистологии университетов и медицинских институтов, в цитологических лабораториях Института молекулярной биологии АН СССР, Института биологии развития им. Н. К. Кольцова АН СССР, Института эволюционной морфологии и экологии животных им.А. Н. Северцова АН СССР, Института морфологии человека АМН СССР, Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи АМН СССР, Института медицинской генетики АМН СССР, во Всесоюзном онкологическом научном центре АМН СССР. Исследования по цитологии координируются Научным советом по проблемам цитологии при АН СССР.

Цитология преподается в качестве самостоятельного раздела в курсе гистологии на кафедрах гистологии и эмбриологии медицинских институтов и на кафедрах цитологии и гистологии университетов.

Специалисты, работающие в области цитологии, в нашей стране объединены во Всесоюзное общество анатомов, гистологов и эмбриологов, в Московское общество цитологов, в секции цитологии Московского общества испытателей природы. Имеются и международные общества цитологов: Международное общество по биологии клеток (International Society of Cell Biology), Международная организация по исследованию клеток (International Cell Research Organization), Европейская организация по биологии клетки (European Cell Biology Organization).

Работы по цитологии публикуются в журналах «Цитология», «Цитология и генетика», а также во многих зарубежных журналах. Периодически издаются международные многотомные издания по цитологии: Advances in Cell and Molecular Biology (Англия, США), International Review of Cytology (США), Protoplasmologia (Австрия).

Библиогр.:

История — Вермель Е.М. История учения о клетке, М., 1970, библиогр.; Гертвиг О, Клетка и ткани, Основы общей анатомии и физиологии, пер. с нем., т. 1—2, Спб., 1894; Кацнельсон 3. С. Основные этапы развития цитологии, в кн.: Руководство по цитол., под ред. А. С. Трошина, т. 1, с. 16, М. — JI., 1965; Огнев И. Ф. Курс нормальной гистологии, ч. 1, М., 1908; Перемежко П. И. Учение о клетке, в кн.: Основания к изучению микроскопической анатомии человека и животных, под ред. М. Д. Лавдовского и Ф. В. Овсянникова, т. 1, с. 49, Спб., 1887; Петленко В. П. и Клишов А. А. Клеточная теория и теория клеток (К 100-летию со дня смерти Т. Шванна), Арх. анат., гистол. и эмбриол., т. 83, в. 11, с. 17, 1982, библиогр.; Шванн Т. Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений, пер. с нем. М. — Л., 1939; Сarnoy J. В. La biologie cellulaire, P., 1884; Wilson E. B. The cell in development and inheritance, N. Y., 1896.

Руководства, основные труды, справочные издания — Авцын А. П. и Шахламов В. А. Ультраструктурные основы патологии клетки, М., 1979; Александров В. Я. Реактивность клеток и белки, Л., 1985; Восток К. и Самнер Э. Хромосома эукариотической клетки, пер. с англ., М., 1981; Бродский В. Я. и Урываева И. В., Клеточная полиплоидия, Пролиферация и дифференцировка, М., 1981; Вельш У. и Шторх Ф. Введение в цитологию и гистологию животных, пер. с нем., М., 1976; Заварзин А. А. Основы частной цитологии и сравнительной гистологии многоклеточных животных, JI., 1976; Заварзин А. А. и Харазова А. Д. Основы общей цитологии, Л., 1982, библиогр.; Захаров А. Ф. Хромосомы человека, М., 1977; он же, Хромосомы человека, Атлас, М., 1982; Зеленин А, В., Кущ А. А. и Прудовский И. А. Реконструированная клетка, М., 1982; Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология, пер. с нем., т. 1—3, М., 1982; Кармышева В. Я. Поражение клеток при вирусных инфекциях, М., 1981; НейфахА. А. и Тимофеева М. Я. Проблемы регуляции в молекулярной биологии развития, М., 1978; Райков И. Б. Ядро простейших, Л., 1978; Рингерц Н. и Сэвидж Р. Гибридные клетки, пер. с англ., М., 1979; Ролан Ж.-К., Селоши А. и Селоши Д. Атлас по биологии клетки, пер. с франц., М., 1978; Соловьев В. Д., Хесин Я, Е. и Быковский А,. Ф, Очерки по вирусной цитопатологии, М., 1979; Хэм А. и Кормак Д. Гистология, пер. с англ., т. 1, ч. 2, М., 1982; Ченцов Ю. С. Общая цитология, М., 1984; Эфрусси Б. Гибридизация соматических клеток, пер. с англ., М., 1976; Grundlagen der Cytolo-gie, hrsg. v. G. C. Hirch u. a., Jena, 1973.

Периодические издания — Цитология, Д., с 1959; Цитология и генетика, Киев, с 1965; Acta Cytologica, St Louis, с 1957; Acta Histochemica and Cytochemica, Kyoto, с 1960; Advances in Cell and Molecular Biology, N. Y., с 1971; Analytical and Quantitative Cytology, St Louis, с 1979; Canadian Journal of Genetics and Cytology, Austin, с 1916; Caryologia, Firenze, с 1948; Cell, Cambridge, с 1974; Cellule, Bruxelle, с 1884; Cytogenetics and Cell Genetics, Basel, с 1962; Folia Histochemica et, Cytochemica, Warszawa, с 1963; International Review of Cytology, N. Y., с 1952; Journal of Histochemistry and Cytochemistry, N. Y., с 1953.

См. также библиогр. к ст. Клетка.

Я. Е. Хесин.