Цитология

Цитология –  клетка туралы ғылым. Цитологияның пәні болып көпклеткалы жануарлар  мен өсімдіктердің клеткалары, сондай-ақ, құрамына бактериялар, қарапайымдылар және бір клеткалы балдырлар кіретін  жалғыз клеткалы ағзалар  табылады. Цитология клеткалардың құрылысын, олардың химиялық құрамын, жасуша ішіндегі құрылымдардың атқаратын қызметін, жануарлар мен өсімдіктер ағзаларының жасушаларының қызметтерін зерттейді.

Цитология –  биологиялық пәндердің арасында алдыңғы орынды алатын экспериментальды ғылымдардың бірі. Қазіргі кезде цитология тек қана клетканың құрылымын зерттеп қоймай, оның ішінде жүретін физикалық және химиялық үрдістерді де зерттейді. Цитология молекулярлы биологияның негізі бола отырып, оның цитохимия, цитогенетика, цитоэкология сияқты және тағы да басқа салаларының жетілуіне себеп болды.

Цитология –  биология ғылымдарының ішіндегі ең жас  ғылым, оның  жасы шамамен – 100 ж. Ал «клетка» ұғымының жасы 300 ж. астам екен.

Клетка (жасуша) – біздің планетамыздағы тірі ағзалардың құрылымы мен дамуының негізін құраушы бірлігі. Көп уақыттар бойы биология жануарлар мен өсімдіктердің құрылыстарының қасиеттерін, олардың көзге көрінетін макроскопиялық құрылысының негізінде зерттеп келді. Ағзалардың жасушалық құрылысын ашқаннан соң, клетканы тірі ағзалардың құрылымдық және функциональді бірлігі ретінде қарастырғаннан бастап, биология ағзалардың құрылысы мен қызметін неғұрлым терең зерттей бастады.

Клеткалар жай  көзге көрінбейді, сондықтан тірі ағзалардың клеткалық құрылымын  оқып, зерттеу жұмыстары оптикалық  аспаптардың жасалуы және жетілуімен тығыз байланысты. XVI ғ. аяғы мен  XVII ғ. басында жаратылыстану ғылымдары саласында оптикалық аспаппен тәжірибе жүргізу қауырт дамыды. 1609-1610 жж. Галилео Галилей ең алғаш оптикалық аспапты ойлап құрастырды, ол тек 1624 ж. ғана сол аспапты тәжірибелерде пайдалана алу деңгейіне жеткізді. Бұл аспап 35-40 ретке ұлғайтатын болды. Бір жылдан кейін И. Фабер осы аспапқа “микроскоп” атын берді.

1665 ж. ағылшын  жаратылыстанушысы Роберт Гук  микроскоптың көмегімен кездейсоқ  алынған өсімдік объектісі – тозағашының кесіндісінен ара ұясы тәрізді қуыстарды көріп, алғаш рет өсімдіктердің “клеткалық құрылысын” анықтайды. Тозағашындағы бос ұяларды ол “cell” – яғни “клетка” деп атады. Уақыт өте келе “клетка” ғылыми ұғымға айналды. Гук тірі материяның барлық қасиеттерін клетка қабығымен байланыстырды.

XVII ғ. 70 ж. Марчелло  Мальпиги өсімдіктердің кейбір  мүшелерінің микроскопиялық құрылысын  зерттеді. 1682 ж. Н. Грю “Өсімдіктер  анатомиясының бастамасы”деген  еңбегін жазды.

XVII ғ. III жартысында  голландиялық ғалым Антон ван Левенгуктың еңбектерінде жануарлар клеткасының құрылысы туралы зерттеулер орын алды. Ол микроскоп құрылысын жетілдіре отырып, жануарлар клеткаларын зерттеп, ұлпалар мен мүшелердің құрылысын қарастырды. 1696 ж. оның “Жетілдірілген микроскоптар көмегімен ашылған табиғат құпиялары” атты еңбегі жарық көрді. Левенгук алғаш рет эритроциттерді, сперматозоидтарды зерттеп, сипаттама берді, көзге көрінбейтін құпия әлем – микроағзаларды ашып, оларды инфузориялар деп атады. Левенгук – ғылыми микроскопияның негізін қалаушы болып саналады.

1715 ж. Х.Г.  Гертель микроскоп объектілеріне  жарық түсіруге алғаш рет айнаны  пайдаланады, дегенмен тек 1,5 ғасырдан  кейін ғана Э. Аббе микроскоп  үшін жарық түсіргіш линзалар  жүйесін құрастырды. 1781 ж. Ф. Фонтана  жануарлар клеткаларының небір құпияларын ашып, жануар клеткасын ядросымен қосып суретін салды. XIX ғ. I жартысында чех ғалымы Ян Пуркинье микроскоп техникасын жетілдіріп, клетка ядросын (“ұрық көбігі”) сипаттап, жануарлар мүшелерінің әр түрлі клеткаларын зерттеді. Ол клетка ішіндегі сұйықтыққа “протоплазма” деген ұғымды қолданды. 1831 ж. Роберт Браун жасуша ядросын маңызды да тұрақты құрылым ретінде сипаттап, “nucleus” – ядро ұғымын енгізді.

1838 ж. неміс  ботанигі Матиас Шлейден цитогенез,  яғни клетканың түзілуі теориясын енгізді.

Шлейден ағзадағы клеткалардың пайда болуы сұрағының  басын ашты, сондай-ақ ол ядро – барлық өсімдік клеткаларының міндетті компоненті деген қорытындыға келді. Шлейденнің отандасы зоолог Теодор Шванн  өсімдіктер және жануарлар ағзаларының клеткаларын салыстырып, олардың құрылысы ұқсас деп қорытындылады. Клетка туралы өздеріне дейінгі мәліметтерді  жинақтап және өз зерттеулерінің нәтижелерін пайдалана отырып, ботаник      М. Шлейден мен зоолог Т. Шванн жасуша теориясының негізін қалады. Клетка теориясының қағидалары Шлейденнің 1838 ж. “Өсімдіктердің дамуы туралы деректер” Шванның 1839 ж. “Жануарлар мен өсімдіктердің құрылымы мен өсуіндегі сәйкестік туралы микроскоптық зерттеулер” деген атақты еңбектерінде жарық көрді. Осы жылдардан бастап  клетка  теориясының негізі қалыптасты.

Клетка  теориясының негізгі қағидалары:

-     барлық ұлпалар клеткалардан түзіледі;

-       өсімдіктер мен жануарлар клеткаларының құрылысы ұқсас, өйткені барлық клеткалардың пайда болуы бір заңдылыққа бағынады;

-       әрбір жасуша дербес, ал ағзаның тіршілік етуі жеке клеткалардың тіршілігінің жиынтығы салдарынан туады;

Клетка теориясының  негізі алғаш қаланған кезде клетка ағзада қалай пайда болатындығы  шешілмеген мәселе болды.

Клетка теориясын  ары қарай дамытуға неміс ғалымы Рудольф Вирхов өз үлесін қосты. Ол ағзадағы клеткалар саны олардың бөлінуі нәтижесінде көбейетіндігі және клетка тек клеткадан туындайтындығын дәлелдеді.

Ф. Энгельс тірі ағзалардың клеткалық құрылысының  ашылуын, энергияның сақталу заңы мен  Ч. Дарвиннің эволюциялық ілімін XIX ғ. жаратылыстану саласындағы ең маңызды жаңалықтары деп атап көрсетті. Дегенмен клетка теориясы бірден көпшілік құрметіне бөленбеді, бірақ ол клетканы тереңінен зерттеуге жол ашты.

Алғаш рет клетканың  цитохимиялық құрамын 1870 ж. Швейцария медицина ғалымы Ф. Мишероле сипаттама берді. Ол лейкоциттің ядросынан нуклеин қышқылдарын тапқан. Кейіннен ақуыздың биосинтезі тап осы қышқылдардың көмегімен жүретіні белгілі болды.

Цитология тұқымқуалаушылық пен өзгергіштіктің заңдылықтарын клетка деңгейінде зерттеуге жағдай туғызды. Осының негізінде Америка ғалымы Томас Морган өзінің әйгілі тұқым қуалаушылықтың хромосомдық теориясын түзді.

Цитоэкология  тірі ағзаларда түрлі аурулар  тудыратын әртүрлі экологиялық  өзгерістердің әсерінен жасушалардың құрылыстарының өзгерулерімен айналысады.

XIX ғ. II жартысында  жасуша – элементар ағза деген  түсінік пайда болды.

1874 ж. Ж. Карнуа  “Жасуша биологиясы” деген ұғым  енгізіп, клетканың пайда болуы,  функциясы және құрылысы туралы  ғылым цитологияның негізін қалады.

1877-1881 жж. Э. Руссов  пен И. Горажанкин өсімдік клеткалары  арасындағы цитоплазмалық қосылыстар  – плазмодесманы бақылап, сипаттама  берді. Кейіннен плазмодесманың  түзілуі мен құрылымын неміс  ботаниктері    Э. Страсбургер мен Ю. Сакс зерттеді. Сонымен, мүшелер мен ұлпалардағы клеткалардың өзара байланысы көрсетіліп, соның нәтижесінде ағзаның тұтастығының материалды негізі дәлелденді.

1879-1882 ж. В.  Флеминг митоздың сипаттамасын  берді,  ал  1883  ж.   В. Вальдейер “хромосома” ұғымын енгізді, бір жылдан кейін О. Гертвиг  пен   Э. Страсбургер бір-бірінен тәуелсіз, бір уақытта ядрода тұқымқуалаушылық нышаны бар болуы гипотезасын енгізді.

Клетканың клетка ішінің құрылымы мен физиологиясы туралы білімдерін жетілуі ядролардың бөлінуі  – кариокинездің және клетканың бөлінуі – цитокинездің ашылуларымен байланысты  (П. Чистяков, Э. Страсбургер,       Л. Гиньяр және т.б. еңбектері).

XIX ғ. аяғында  И.И. Мечников фагоцитоз теориясын  ашты.

XX ғ. басында  Р. Гаррисон мен А. Каррель  клеткаларды пробиркада өсіру  тәсілін ашты.

XIX ғ. аяғында  жарық микроскопының шешуші қабілеттілігі  толығымен белгігі болды. Ол  микроскоптарда объектіні 2000 еседен  артық ұлғайту мүмкін емес  еді. Осы кезде электронды оптиканың  күрт дамуы ондаған миллион  есе ұлғайта алатын, шешуші қабілеттілігі 0,1 ангстремге дейін жететін электронды мироскоптың перскпективті екендігін көрсетті.

1928-1931 ж. Германияда  Эрнст Руска (Нобель премиясының  лауреаты), М. Кнолль және Б.  Боррис электронды микроскопты  құрастырды, соның нәтижесінде клетканың  нағыз құрылысы мен көптеген ертеде белгісіз болған құрылымдар зерттелді. Клетканың жұқа құрылымдарын 100 000 есе рет ұлғайтып көрсететін электронды микроскоптың ашылуы клетканы зерттеулердің мүмкіндіктерін арттырды.

Клетканы молекулалы деңгейде зерттеу үшін қазіргі кезде 1931 ж. Девиссон мен Калбектің құрастырған электронды микроскопы қолданылады. Ол микроскопта жарық сәулелері электронды сәулелермен алмастырылды, ал шыны линзалар электромагниттік өріспен алмастырылды. Элекронды сәулелер аса жоғары жылдамдықпен зерттелуші жасушаға бағытталып, оны экранға суреттейді.

Электронды  микроскоптың пайда болуы адам баласына қауіпті ауруларды табуда маңызды  роль атқарды. Жалпы оптикалық аспаптардың  пайда болуынан биологиялық ғылымның жаңа саласы – микробиология дамыды.

Электронды микроскоптың пайда болуы XX ғ. негізгі ғылыми жетістіктерінің бірі.

1929-1949 ж. А.  Клод клеткаларды зерттеу тәжірибелерінде  электронды микроскопты қолдана  отырып, ультрацентрифуга көмегімен  клеткаларды фракциялау әдісін  ойлап тапты.

Қазіргі кездегі  зерттеу тәсілдері клетканың құрылымы мен функциясын, оның физиологиясымен біріктіре отырып зерттейді. Мысалы, биохимиялық тәсілдердің бірі – хроматография, клетка ішінің компоненттерінің сапалық, сондай-ақ сандық қатынасын анықтайды. Ал фракциялы центрифуга тәсілі клетканың жеке компоненттерін – ядроны, пластидтерді, митохондрияларды, рибосомаларды және т.б. зерттейді.

Қазіргі заманның клетка теориясы төмендегі төмендегі тұжырымда сипатталады:

-       клетка барлық тірі ағзалардың құрылысы мен дамуының негізгі бірлігі;

-       барлық бір клеткалы және көп клеткалы ағзалардың клеткаларының құрылыстары, химиялық құрамдары, тіршілік әрекеттері мен зат алмасулары ұқсас;

-       клеткалар бөліну арқылы көбейеді, әрбір жаңа клетка алғашқы (аналық) клетканың бөлінуінен пайда болады;

-       клеткалар генетикалық ақпаратты сақтайды, өндіреді;

-       көпклеткалы ағзаларда клеткалар атқаратын қызметтеріне сәйкес жинақталып ұлпалар түзеді, ұлпалар мүшелерді құрайды;

-       тек қана клеткалардың әрекеттерінің арқасында күрделі ағзаларда өсу, даму, зат және энергия алмасу үрдістері жүзеге асады.

Клетка теориясы әлемдегі барлық тірі ағзалардың шығу тегі бір екендігін дәлелдейді. Клетканы зерттеу әдістері.

Цитололгияда  негізгі қолданылатын әдістердің бірі-жарық  микроскопы. Соңғы жылдары жасушаны зерттеуде жарық микроскоптарының бірнеше түрлерін қолданылып жүр (люминесценттік, фазасы қарама-қарсы, электронды микроскоптарды). Жарық микроскоптарының көмегімен ұлпадан алынған және әр түрлі бояулармен боялған жұқа кесінділерді (препарат) зерттеуге болады. Ол үшін кесіндінің қалыңдығы 5—7 микроннан (мк) аспау керек, сонда ғана жарық кесінділер арқылы өте алады. Жарық микроскоптары арқылы тексеретін ұлпалардан кесінділер дайындау (препарат) өте күрделі жұмыс. Цитологиялық препараттар жасау бірнеше кезеңдерге бөлінеді: материал алу және оны бекіту, ұлпаларды тығыздау, парафинге күю, кесінділер жасау, бояу, бальзамға бекіту.

Микроскоптың  көру қабілеттілігі қолданылып отырған  жарық ағымына байланысты және жарық  ағынының 1/3 бөлігіне тең болады. Жарық толқынының ұзындыры неғұрлым қысқа болса, микроскоптың көру қабілеттілігі соғұрлым артады. Егер жарық толқынының ұзындығы 0,6 миллимикрон (мкм) болса, микроскоптың көру қабілеттілігі— 0,2 мкм— 1/3 ХО, 6 мкм — 0,2 мкм. Люминесцентмикроскопы ультракүлгін жарық толқынымен жұмыс істейді, толқын ұзындығы— 0,27—0,4 мкм. Осындай толқын препаратқа түскенде ол сәулені сіңіре отырып, өзінен жарық шығарады, бұл құбылыс флуоресценция деп аталады. Шыққан жарық толқыны сінген жарық толқынына қарағанда әрдайым ұзын болады. Кейбір заттар түскен жарық толқынының жартысын сіңіріп, өзінен жасыл, сары, қызыл спектрді шығарады. Флуоресценция деп заттарды ультракүлгін жарығымен шағырылыстырылғанда өзінен жарық бөлуін айтады. Оларға пигменттер, витаминдер, майлар жатады. Кейбір заттарды флюрохром бояуларымен бояу арқылы флуоресценцияны көруге болады. Мысалы, ДНК-ны акридин қызыл сары бояуымен боялғанда жасушадағы дизоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) ашық жасыл сәуле береді, ал рибонуклеин қышқылы (РНҚ) ашық қызғылт сәуле береді.

Бекітілгеннен кейін мүшелер  бөліктерін концентрациясы жоғарлайтын спирттерде ығыстырып, спиртті ксилолға, одан кейін ксилолды парафинге салады. Осылайша, фиксацияланған ұлпа ауада қатып қалған тығыз парафинге айналады және оны кесуге болады. Қалыңдығы 5- мкм-дей кесіндіні арнайы құрал микротом арқылы дайындайды. Мұндай кесінділер заттық шыныға бекітіліп, парафин ксилолда ерітіліп,құрамындағы су спиртпен ығыстырылады. Содан кейін кесінділерді суда еритін бояулармен бояуға болады. Тұрақты препараттар дайындау үшін боялған кесінділерді әйнек арқылы канадалық бальзаммен жабады, бұндай препараттарды ұзақ уақытқа дейін сақтауға болады. Бекітілген ұлпалар мен жасушаларды бояу үшін, әртүрлі табиғи және синтетикалық бояулар пайдаланады. Табиғи бояулармен (гемотоксилин, кармин т.б.) кешенді қосылыстар түзетін әртүрлі металдардың қышқылдары қолданады.