Современные успехи цитологии.

Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, появившиеся после 1940-х годов, позволили достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение. Цитологические методы используются, в частности, в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода. Однако самое важное применение цитологических методов в медицине - это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения, распознаваемые опытными патоморфологами.

 

Методы исследования

Микроскопия: световая - метод светлого, темного поля, флоуресцентная. Электронная. Метод замораживания скалывания. Цитохимические методы - радиавтография. Центрифугирование - разрушение. Микрохирургия создание моделей. Слияние клеток. Сравнительный метод.

 

Живые и неживые системы.

Очень легко живые и неживые системы можно разделить по отношению ко второму закону термодинамики неубывания энтропии замкнутой системы. В неживой системе энтропия может только увеличиваться.

А в живой системе может уменьшаться. Хотя главное отличие - это возможность самовоспроизведения,

Но тогда не следует забывать о фрактальных структурах, которые будучи неживыми по определению, воспроизводят свою структуру в каждой своей части, вплоть до бесконечности. Живые системы подчиняются второму закону термодинамики. Но это не значит, что он может объяснить специфическое поведение, подобно тому как живые системы подчиняются закону гравитации, который также не может объяснить их специфического поведения. В целом при иерархическом строении систем законы низших уровней действуют для систем высших уровней, хотя и не определяют их специфическое поведение. Чем выше ранг закона, тем фундаментальнее и универсальнее сам этот закон; чем ниже уровень системы, тем выше ранг ее законов, и наоборот. Для уяснения общего и различий между живыми и неживыми системами попытаемся нарисовать общую картину эволюции материальных систем. Некогда существовала «популяция» элементарных частиц. Между ними осуществлялись процессы комбинаторики, а комбинации подвергались «отбору». Комбинаторика подчинялась степеням свободы и запретам, действующим для мира элементарных частиц. «Выживали» только такие комбинации, которые допускались средой. Это были процессы физической эволюции материи, результат ее -- система атомов таблицы Менделеева. Ее длительность порядка нескольких десятков миллиардов лет. Процессы комбинаторики атомов дают начало химической эволюции, результат которой -- мир молекул. Какие-то комбинации атомов оказываются бесперспективными, а другие дают начало ветвящимся рядам. Так, атомы инертных газов не образуют молекул, многие другие атомы образуют двухатомные молекулы, кислороду удается образовать трехатомную молекулу, а углерод способен давать длинные цепи (алифатический ряд), кольца (ароматический ряд) и другие конфигурации, создающие большое разнообразие органических молекул. Длительность химической эволюции -- около 10 миллиардов лет. Для определения границы жизни, если опираться на развитые здесь представления, необходимо найти ту существенную программу, которая имеется уже у самой простой из всех живых систем, но отсутствует еще у самой высокоорганизованной неживой системы. Иначе говоря, надо установить, появление какой программы сделало кристалл живым. Если сравнить элементарную живую структуру -- молекулу ДНК или хромосому, -- по выражению Шредингера, одномерный, апериодический или живой кристалл, -- с кристаллом неживым, то мы обнаружим много общих программ. Оба они обладают дальним (кристаллическим) порядком, способны хранить и умножать присущую им организацию (информацию). Следовательно, даже способность создавать вещество с той же специфической организацией не является монополией «живых» кристаллов. Так, опустив в сосуд с расплавленной серой маленький кристалл (затравку) моноклинической серы, мы получим большое количество моноклинической серы, а если взять ромбическую серу, то и ее количество вырастет. В принципе это не отличается от «наследственной» передачи генетической информации у живых систем. Очевидно также, что ни «одномерность», ни «апериодичность» не имеют принципиального значения и не являются свойствами, присущими только «живым» системам. Таким свойством является способность «живого кристалла» «отторгать» от себя вновь образованную структуру. Появление кристаллов с таким свойством явилось первым необходимым шагом для появления новой ветви химической эволюции, приведшей к возникновению жизни. Другими словами, поворотным пунктом здесь явилось появление структур, обладающих свойством дискретного самовоспроизводства. Становясь на такую точку зрения, мы должны считать вирусы и фаги живыми. Более того, мы должны считать родоначальниками жизни на Земле те молекулы, которые обладали автокаталитическими свойствами, т. е. уже могли размножаться. Это было первым необходимым, но недостаточным шагом к появлению жизни, так как эти молекулы были все одинаковы и при изменении условий среды все погибали. Следующим необходимым шагом было появление разнообразия -- дисперсии свойств. Возможность появления разнообразия связана со сложностью структуры: чем сложнее структура, тем большее разнообразие можно получить на ее основе. Поэтому на путь биологической эволюции могли стать лишь достаточно сложные структуры. В отличие от простых молекул у сложных возможны изомеры (молекулы с одинаковым составом, но разной структурой), число которых растет с ростом размеров молекулы. Физико-химические свойства изомеров заметно отличаются друг от друга. Если чистый изомер имеет вполне определенную температуру замерзания, то смесь изомеров замерзает в интервале температур. Совокупность таких молекул -- это уже «популяция» молекул, обладающая дисперсией свойств. К дисперсии свойств может привести не только разная химическая структура (первичная структура), но и разные конфигурации молекул с одинаковой химической структурой, называемые вторичной структурой (например, молекула может свернуться в клубок или в спираль). Теперь представим, что среди самовоспроизводящихся молекул есть такие, которые способны создавать не только свои точные копии, но и копии, структурно отличающиеся от исходной молекулы. Такую программу можно назвать поливариантной редупликацией, в отличие от конвариантной редупликации с идентичными молекулами. Популяция молекул, обладающая такой программой, вступила на путь эволюции жизни. Она уже могла получать информацию об изменениях среды и сама меняться в нужном направлении. Например, если такая популяция «жила» в жидкой среде, то при понижении температуры среды некоторые молекулы кристаллизовались и выпадали в осадок («умирали»). Оставшиеся, более легкоплавкие, продолжали редуплицироваться. Так как редупликация была поливариантной, то у самых легкоплавких молекул могли получаться еще более легкоплавкие «потомки». Таким образом, благодаря естественному отбору популяция уходила от вредного изменения среды, адаптировалась. На стадии однотипных элементов, объединенных в эктосистему внешними взаимодействиями, конкурентные взаимоотношения толкают их на путь дифференциации, расширяющей экологическую нишу элементов. При наличии достаточной степени дифференциации возникают предпосылки коалиционных взаимоотношений (интеграции) между элементами. Укрепление последних приводит к дальнейшему углублению дифференциации и интеграции и постепенно превращает эктосистему в эндосистему (организм) с минимальными программами элементов и максимальными -- системы. Далее накапливаются одинаковые организмы (полимеризация новых элементов), а процессы дифференциации приводят к превращению полученной таким образом «чистой линии» в «популяцию организмов». Процессы интеграции в популяции превращают эту популяцию в организменную систему более высокого порядка, и т. д. Так были пройдены отрезки эволюции от популяции поливариантно редуплицирующих молекул до популяции поливариантно редуплипирующих одноклеточных организмов, затем к многоклеточному организму и к многоорганизменным сообществам (типа улья). Следовательно, наблюдаемое нами богатство форм живых систем -- это различные стадии эволюции, в которых и сейчас идут процессы усиления взаимодействия между элементами систем. Происходит всеобщее укрепление связей, утрата степеней свободы элементов и появление новых программ в системах. Поэтому системы популяционного типа постепенно превращаются в системы организменного типа. В свою очередь однотипные организменные системы образуют популяционные системы на новом уровне организации.

 

Понятие жизни.

Жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление. Основной атрибут живой материи — генетическая информация, используемая для репликации. Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от нежизни. Вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку. Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов. Также под словом «жизнь» понимают период существования отдельно взятого организма от момента возникновения до его смерти (онтогенез).

Имеется большое число определений понятия «жизнь», отражающих различные подходы. Многочисленные определения сущности жизни можно свести к трем основным. Согласно первому подходу, жизнь определяется носителем её свойств (например, белком); согласно второму подходу, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов. И, наконец, третий подход — определить минимально возможный набор обязательных свойств, без которых никакая жизнь не возможна. Жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры. Согласно взглядам одного из основоположников танатологии М. Биша, жизнь — это совокупность явлений, сопротивляющихся смерти. С точки зрения второго начала термодинамики, жизнь — это процесс, или система, вектор развития которой противоположен по направлению остальным, «неживым» объектам вселенной, и направлен на уменьшение собственной энтропии. Фридрих Энгельс дал следующее определение: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка.»

Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.»

В. Н. Пармон дал следующее определение: «Жизнь — это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счёт естественного отбора» Существуют также кибернетические определения жизни. По определению А. А. Ляпунова, жизнь — это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Жизнь (или жизнеспособную систему) можно определить как систему, содержащую упорядоченные и распределенные установившиеся нелинейные осцилляторы с ограниченным циклом, а также связанную с ней системуа лгоритмических управляющих механизмов, способную регулировать свои внутренние условия во внешних условиях.

 

Субстрат жизни

Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое (кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, натрий, калий, кальций и другие элементы). В клетках они находятся в виде органических соединений. Однако организация и форма существования живого имеет специфические особенности, отличающие живое от предметов неживой природы.

В качестве субстрата жизни внимание привлекают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Нуклеиновые кислоты — это сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот и фосфор. ДНК является генетическим материалом клеток, определяет химическую специфичность генов. Под контролем ДНК идет синтез белков, в котором участвуют РНК.

Белки — это также сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот, серу, фосфор. Молекулы белков характеризуются большими размерами, чрезвычайным разнообразием, которое создается аминокислотами, соединенными в полипептидных цепях в разном порядке. Большинство клеточных белков представлено ферментами. Они выступают также в роли структурных компонентов клетки. Каждая клетка содержит сотни разных белков, причем клетки того или иного типа обладают белками, свойственными только им. Поэтому содержимое клеток каждого типа характеризуется определенным белковым составом.

Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратами жизни. В настоящее время считают, что субстратом жизни являются нуклеопротеиды. Они входят в состав ядра и цитоплазмы клеток животных и растений. Из них построены хроматин (хромосомы) и рибосомы. Они обнаружены на протяжении всего органического мира — от вирусов до человека. Можно сказать, что нет живых систем, не содержащих нуклеопротеидов. Однако важно подчеркнуть, что нуклеопротеиды являются субстратом жизни лишь тогда, когда они находятся в клетке, функционируют и взаимодействуют там.Вне клеток (после выделения из клеток) они являются обычными химическими соединениями. Следовательно, жизнь есть, главным образом, функция взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, а живым является то, что содержит самовоспроизводящую молекулярную систему в виде механизма воспроизводства нуклеиновых кислот и белков.

В отличие от живого различают понятие «мертвое», под которым понимают совокупность некогда существовавших организмов, утративших механизм синтеза нуклеиновых кислот и белков, т. е. способность к молекулярному воспроизведению. Например, «мертвым» является известняк, образованный из остатков живших когда-то организмов.

Наконец, следует различать «неживое», т. е. ту часть материи, которая имеет неорганическое (абиотическое) происхождение и ничем не связана в своем образовании и строении с живыми организмами. Например, «неживым» является известняк, образованный из неорганических вулканических известняковых отложений. Неживая материя в отличие от живого не способна поддерживать свою структурную организацию и использовать для этих целей внешнюю энергию.

Обсуждая молекулы, рассматриваемые в качестве субстрата жизни, нельзя не отметить, что они подвергаются непрерывным превращениям во времени и пространстве. Достаточно сказать, что ферменты могут превратить любой субстрат в продукт реакции в исключительно короткое время. Поэтому определение нуклеопротеидов в качестве субстрата жизни означает признание последнего в качестве очень подвижной системы.

Как живое, так и неживое построены из молекул, которые изначально являются неживыми. Тем не менее живое резко отличается от неживого. Причины этого глубокого различия определяются свойствами живого, а молекулы, содержащиеся в живых системах, называют биомолекулами.