Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Разделы: История
Размещена 14.05.2019. Последняя правка: 13.05.2019.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЙ И ИЗОБРЕТЕНИЙ, СТАВШИХ ОСНОВОЙ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЦИТОГЕНЕТИКИ

Васильев Денис Владимирович

К.Б.Н. Профессор.

ФГБНУ ВНИИРАЭ

С.Н.С.

Аннотация:
В современной литературе, особенно в интернет источниках, история возникновения цитогенетики часто рассматривается весьма поверхностно. А это между тем достаточно интересная и не простая история, разобраться в которой бывает очень непросто, поскольку она весьма запутана и обросла многочисленными легендами. Но поскольку чтобы понимать сам научный предмет необходимо знать и как он возник, и какие открытия и изобретения этому способствовали, то поэтому очень важно изучить историю возникновения данной науки. Эта статья как раз и должна в этом помочь.


Abstract:
In modern literature, especially in the Internet sources, the history of the emergence of cytogenetics is often considered very superficially. And this, meanwhile, is quite an interesting and not simple story, to understand which can be very difficult, because it is very complicated and overgrown with numerous legends. But since in order to understand the scientific subject itself, it is necessary to know how it came to be, and what discoveries and inventions contributed to this, it is therefore very important to study the history of this science. This article should help with this.


Ключевые слова:
цитогенетика; микроскоп; клетка

Keywords:
cytogenetics; microscope; cell


УДК 57.08;930.85

Люди с давних времен могли разглядывать мелкие предметы через линзы, возможно впервые появившиеся в Ниневии за 2500 лет до нашей эры [1, 2]. Но мы, не знаем, использовались ли линзы тогда для увеличения мелких предметов или они служили каким-то ритуальным целям. Тем более совсем ничего не известно об исследовании живых микроорганизмов. Основателем исследований организации живых организмов на клеточном уровне считается Роберт Гук. Он при помощи одного из первых микроскопов, который был им изобретен и изготовлен в 1665 году, обнаружил в тонком срезе пробки мелкие структуры, которые за сходство формы он назвал клетками (англ. cell) [3].Также он смог, несмотря на всё несовершенство созданного им прибора, описать женскую яйцеклетку и мужские сперматозоиды.

В последующем ячеистое - клеточное строение многих растений иссследовали англичанин Неемия Грю (1641-1712) и итальянец Марчелло Мальпиги (1628-1694) [4; 5].

В своих исследованиях Мальпиги наблюдал одним из первых, капилляры в лёгких, а также открыл взаимосвязь между венами и артериями. Для этого он использовал микроскоп дававший увеличение до 180 раз. Он провел исследование развития органов у зародыша цыплёнка. Кроме анатомических исследований, Мальпиги изучал также и строение растений. Полученные им результаты исследований были опубликованы в научном труде «Анатомия растений». Это было самым исчерпывающим в то время микроскопическим исследованием анатомии растений. В нем он описал клеточное строение растений (клетки — «мешочки» и «пузырьки»), а также выделил тип тканей — волокна.

Более тщательное исследование растений под микроскопом провел Неемия Грю. Он впервые описал радиальное расположение ксилемы в корнях, устьица на листьях, морфологию сосудистой ткани, а также процесс формирования полого цилиндра в стеблях растений.  Помимо этого он ввел в оборот термин «сравнительная анатомия», понятия «ткань» и «паренхима». Изучая строение цветков, он сделал вывод, что они у растений являются органами оплодотворения.

Но, пожалуй, наиболее известным и популярным исследователем микромира является голландец Антони Левенгук (1632-1723). Возможно, такой его известности послужило то, что он первый кто обнаружил живые одноклеточные организмы [6]. Это было событие подобное открытию нового континента! Оказалось, что жизнь может существовать даже в маленькой капельке воды! Левенгук зарисовывал и описывал наблюдаемые объекты, а потом свои наблюдения в течении более чем 50 лет отправлял в Лондонское королевское общество и также некоторым известным исследователям. Однако он был простым торговцем мануфактурой, поэтому в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение. Когда он отослал копию своих наблюдений одноклеточных организмов, о существовании которых до этого времени никому ничего не было известно, его наблюдения были встречены с недоверием даже, несмотря на репутацию исследователя заслуживающего доверия. Поэтому чтобы проверить достоверность исследований А. Левенгука, в Делфт отправилась группа ученых, во главе с Неемия Грю.  Они подтвердили подлинность всех исследований, а 8 февраля 1680 года А. Левенгук был избран действительным членом Лондонского Королевского общества.

Но в последующем интерес к исследованию микромира, даже после открытия микроорганизмов, угас. Поэтому труды перечисленных исследователей служили в течение более 100 лет единственным источником познаний об анатомии растений. Их работы, к сожалению, не стали началом изучения клеток как основы строения живого, поскольку общество еще не нуждалось в исследованиях микромира, так как не видело в нем практической пользы. Даже врачи не понимали всей значимости подобных исследований. Представление о живых организмах было механистическим, и обнаруженные клетки и ткани представлялись не более значимыми, чем простые кирпичики в здании.

Лишь в 1809 году немецкий натурфилософ Лоренц Окен (Okenfuss) выдвинул гипотезу клеточного строения и развития организмов [7]. Именно благодаря его работам стало понятно, что клетки это не просто кирпичики, из которых строятся живые организмы. Клетки сами являются живыми организмами в значительной мере определяющими то, чем является тот организм, частью которого они являются. В России эти идеи развивал П.Ф. Горянинов - профессор Медико-хирургической академии Петербурга. Он в 1837 г. писал: "Всё органическое царство представлено телами клеточного строения". Горянинов был первым, кто связал проблему возникновения жизни с происхождением и возникновением клетки [6].

Очень важными в формировании клеточной теории стали представления о формировании новых клеток немецкого ботаника Маттиаса Шлейдена. Он утверждал, что естественная система растений будет правильно понята лишь в том случае, если будут изучаться не только высшие растения, но и, главным образом, низшие (водоросли и грибы). Шлейден так же считал, что ботаника, как наука обязана стоять на той же высоте, как физика и химия. Методы ее должны быть индуктивными, а с натурфилософскими измышлениями она не должна иметь ничего общего. В основание морфологии растений должно быть положено не простое перечисление органов явнобрачных растений, а изучение истории развития форм и органов, их генезиса и метаморфоз. Эти идеи очень быстро распространились среди ботаников и принесли хорошие плоды. В 1838 г. им была сформулирована теория цитогенеза (от греч. цитос - клетка и генезис - происхождение), согласно которой в старых клетках образуются новые клетки [3; 7]. Хотя в его «Beiträge zur Phytogenesis» была высказана и неправильная теория клетки, но даже эти ошибочные представления имели грандиозное значение для истории изучения клетки.

Так выдающийся немецкий анатом, физиолог и гистолог Теодор Шванн изучив работы Шлейдена, и сам провел сравнительное изучение тканей животных и растений. Это дало ему возможность создать в 1839 году клеточную теорию, главные положения которой актуальны и в настоящее время. Согласно этой теории все живые организмы имеют клеточное строение, при этом клетки растений и животных имеют принципиальное сходство своего формирования и строения. Жизнедеятельность многоклеточного организма является суммой жизнедеятельности составляющих его клеток [5; 8].

Один из выдающихся немецких ученых (врач, патологоанатом, гистолог, физиолог), и политический деятелей - Рудольф Вирхов в 1859 году внес в клеточную теорию существенное изменение, касающееся возникновения новых клеток. В противоположность взглядам Шлейдена и Шванна, он утверждал, что клетки появляются только путем размножения – клеточного деления. Именно ему принадлежит знаменитое выражение - "omnis cellula е cellula" ("всякая клетка от клетки"). Таким образом, Рудольфа Вирхова можно считать одним из главных соавторов клеточной теории. Верность этой теории подтвердило последующее развитие биологии [5; 9.]. Также Р. Вирхов — основатель так называемой целлюлярной или клеточной патологии, согласно ей болезненные процессы сводятся к изменениям, происходящим в жизнедеятельности элементарных мельчайших частей животного организма - в его клетках. Воззрения этой научной теории в совокупности с успехами химии и физиологии уже смогли навсегда освободить медицину от различного рода умозрительных гипотез и построений.

Пожалуй, одной из наиболее главных и наиболее заметных клеточных органелл эукариот является клеточное ядро, в котором содержатся макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Клеточные ядра впервые смог увидеть Антони ван Левенгук в 1700 году. Он изобразил их на рисунке, наблюдая "люмен" - ядро, в эритроцитах лосося [10]. Немного позднее Уильям Хьюсон - английский хирург, анатом и физиолог также смог обнаружить и зарисовать клеточные ядра в эритроцитах многих позвоночных и беспозвоночных животных. Наблюдал ядра и Филиппо Каволини - итальянский зоолог, в икре рыб. У растений первое изображение клеточного ядра было сделано в 1802 году Францем Бауэром, но, правда, опубликован этот рисунок был только лишь в 1830 году [8]. Французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель в исследовании маршанции также изображал ядро, дав ему название - шарик. Однако значение этого клеточного образования в тот период не могло быть оценено по достоинству ни самими авторами, ни их современниками [8].

Впервые особое внимание на роль ядра в клетке обратил в 1825 году Ян Эвангелиста Пуркине - чешский физиолог, анатом и политик. Изучая птичье яйцо, он описывал «зародышевый пузырек» (vesicula germinativa). Это было ядро яйцеклетки птиц. По описанию Пуркине, это «сжатый сферический пузырек, одетый тончайшей оболочкой. Он содержит свою собственную лимфу, включен в белый сосковидный бугорок и преисполнен производящей силой. Пуркине придавал очень большое значение открытому им клеточному образованию. Благодаря работам Пуркине исследователи уже не обходили вниманием этот загадочный «пузырек». Но значение «зародышевого пузырька» ещё долго оставалось загадкой, правильный путь был найден лишь после исследований Т. Шванна.

Признание ядра в качестве важной и обязательной части растительной клетки является заслугой Роберта Броуна - английского ботаника. (он в 1827 году открыл движение пыльцевых зёрен в жидкости, позднее названное Броуновским движением)[11].  Он изучил и описал ядро растительной клетки в 1831 году и дал ему сразу два названия - «Nucleus», и «Areola». Первый термин стал общепринятым и существует по настоящее время, второй наоборот, распространения не получил и был забыт. Примечателен тот факт, что Броун настаивал на постоянном наличии ядра во всех живых клетках.

Первое упоминание хромосом появляется к 1880 году. Используя изобретенные в то время анилиновые красители (они облегчают узнавание клеточных структур, окрашивая ядро, цитоплазму и клеточную оболочку по-разному) Немецкий биолог, Вальтер Флемминг изучая клетки под микроскопом с ахроматическими линзами, смог проследить за поведением ядра в процессе клеточного деления. При этом он нашел структуру, хорошо окрашиваемую базофильными красителями, и назвал ее хроматином. Он определил, что хроматин связан с нитевидными структурами клеточного ядра. Также он обратил внимание на то, что в хроматине содержатся структуры, очень напоминающие короткие нити на подобии бус. Практически в тоже время эти элементы обнаружили и описали Иван Чистяков, Эдуард Страсбургер и Отто Бючли [12; 13]. Первоначально хромосомы называли хроматиновыми элементами или сегментами, а название «хромосомы» они получили несколько позднее - в 1888 году, благодаря немецкому гистологу и анатому Генриху Вильгельму Вальдейеру. В буквальном переводе слово «хромосома» означает «окрашенное тело», так как с хромосомами хорошо связываются основные красители. Флемминг также исследовал процесс клеточного деления и распределения хромосом в дочерних ядрах. Поскольку хромосомы похожи на нити, он решил назвать этот процесс митозом [14; 15; 16]. Было бы неправильным считать, что только Флемминг - единственный первооткрыватель явления митоза. Понимание всей последовательности стадий митоза зависело от многих ученых, работавших над этой проблемой в предыдущие годы. Так, например, в 1867 году немецкий ботаник Вильгельм Гофмейстер [9], а в 1871 году Александр Ковалевский [17] и в 1872 году ботаник Эдмунд Руссов [5] описали отдельные стадии митоза. В 1873 году Фридрих-Антон Шнейдер - немецкий зоолог и эмбриолог, при исследовании дробления яйцеклетки низших червей обнаружил стадии митоза, названные позднее метафазой и анафазой [5]. В 1874 году Отто Бючли - немецкий биолог, изучая клетки моллюсков и нематод, описал митотическое веретено деления, а также показал одновременность деления структур, позднее названных хромосомами. Также он проследил стадии мейотического деления клетки - мейоза [9]. Российский ботаник Иван Дорофеевич Чистяков  в 1874 году впервые наблюдал митоз у растений (плауны, хвощи). В 1874 году он открыл процессы равномерного распределения ядерного вещества, наблюдаемое при делении клеток у высших растений (часто это открытие ошибочно приписывается немецким учёным В. Флеммингу и Э. Страсбургеру). Открытие Чистякова было опубликовано в 1874—1875 годах в ботанических журналах на немецком и итальянском языках. Однако Страсбургер, истолковав описанное Чистяковым явление как процесс, с которым связана наследственная передача дочерним клеткам особенностей материнской клетки, попытался приписать себе первенство открытия. Но поскольку чистяков опубликовал свои работы в нескольких иностранных журналах, то он смог сохранить приоритет за собой [5]. Но этот случай не умаляет заслуг и самого Эдуарда Страсбургера - немецкого ботаника польского происхождения. Он в 1875 году обратил внимание на общность картин митоза в клетках растений и животных и  установил последовательность его фаз [5; 18]. С 1880 по 1882 годы Эдуард Страсбургер и Теодор Бовери описали постоянство числа хромосом у различных видов (оно характерно для любого вида) и индивидуальность форм хромосом. Эти работы послужили основой возникновения кариотипирования живых организмов.

В 1884 году Мари Жозеф Эдуард ван Бенеден и в 1892 году Фридрих Леопольд Август Вейсман описали мейоз. Немецкий ученый Август Вейсман считал, что за хранение и передачу наследственной информации отвечает некая субстанция, которую он назвал «зародышевая плазма». Эта субстанция, по его мнению, была постоянна, неизменна и не подвержена никакому внешнему влиянию. Основное ее назначение – сохранять наследственные признаки, зачатки, из которых потом и будет развиваться телесная плазма, которая построит все остальные части нового организма. Но где конкретно содержится зародышевая плазма? Вейсман предполагал, что в хроматине ядра, точнее в хромосомах. В итоге Август Вейсман сделал вывод, что, вероятнее всего, хромосомы играют ключевую роль в передаче наследственных признаков.

Несмотря на ошибочность теории «зародышевой плазмы» идеи и предположения Вейсмана предвосхитили появление хромосомной теории наследственности, которую уже в XX веке будут разрабатывать Теодор Бовери, Уолтер Саттон и Томас Морган.

Вейсман также доказал, что в половых клетках должно происходить уменьшение вдвое числа хромосом, то есть их редукция. Он также указал на принципиальную разницу между соматической частью тела и генеративной - половой частью [15].

Таким образом, к концу 19-го века уже было накоплено значительное, количество информации о строении клеток, морфологии клеточных органелл, ядра и хромосом, более или менее подробно были изучены механизмы клеточного деления - митоз и мейоз. Однако для появления цитогенетики как науки оставалось сделать ещё один важный шаг – связать друг с другом механизмы наследственности и клеточного деления. Этот шаг был сделан в 1902 году. Немецкий учёный Теодор Бовери и американский учёный Уолтер Саттон (Сеттон) обнаружили взаимосвязь между передачей из поколения в поколение хромосом и "наследственных факторов". Теодор Бовери предположил, что наследственные факторы («факторы Менделя») расположены в хромосомах, и именно хромосомы являются носителями наследственной информации в клетке. Благодаря этой догадке и были заложены основы хромосомной теории наследственности [19, 20].

Хромосомную теорию наследственности в дальнейшем окончательно сформулировали Томас Хент Морган (1866-1945) и его ученики: К. Бриджес, Г. Мёллер и А. Стертевант. Основные положения хромосомной теории наследственности, обоснованной и развитой Т. X. Морганом и его школой, стали основным теоретическим фундаментом цитогенетики:

  • соответствие групп сцепления генов определенным парам хромосом;
  • постоянство индивидуальной структуры хромосом и наследование ее мутационных изменений;
  • постоянство видового кариотипа (морфологических признаков набора хромосом), обеспеченное механизмами митоза и мейоза;
  • линейное расположение генов в хромосомах и их рекомбинация между гомологичными хромосомами в ходе мейоза [20].

Библиографический список:

1. Виноградова Г.Н. История науки и приборостроения. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 157 с.
2. Васильев Д.В. Краткий очерк по истории создания микроскопа Сборник статей VIII Международного научно - исследовательского конкурса «Научные достижения и открытия 2019» / Под общ. ред. Г.Ю. Гуляева – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2019. – С. 33-38.
3. Арнольд В. И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. М., Наука, 1989 г., 96 с.
4. Лункевич В. В. От Гераклита до Дарвина. Очерки по истории биологии, 2 изд., т. 2. — М., 1960.
5. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907
6. Храмов Ю. А. Левенгук Антони ван (Leeuwenhoek Antonie van) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — 400 с.
7. Райков Б. Е. Германские биологи-эволюционисты до Дарвина. — Л.: Наука., 1969.
8. Кацнельсон З. С. Клеточная теория в её историческом развитии / Проф. З. С. Кацнельсон. — Л.: Медгиз. Ленингр. отд-ние, 1963. — 344 с.
9. Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохоров — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
10. Толанский С. Революция в оптике. М.: Мир, 1971, 223 с.
11. Храмов Ю. А. Броун Роберт (Brown, Robert) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — 400 с.
12. Суонсон К., Мерц Т., Янг У., Цитогенетика, пер. с англ., М., 1969;
13. Константинов А. В., Цитогенетика, Минск, 1971
14. Flemming, W. Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen. In: Schriften des Naturwissenschaftlichen Vereins für Schleswig-Holstein 3 (1878), 23-27
15. Вермель Е.М. История учения о клетке. Изд-во «Наука», 1970 г.
16. Коряков Д.Е. Жимулёв И.Ф. Хромосомы. Структура и функции - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.
17. Пилипчук О.Я. Александр Онуфриевич Ковалевский, 1840-1901 / Отв. ред. Н. М. Артёмов. — М: Наука, 2003. — 182 с. — (Научно-биографическая литература).
18. П. Зитте, Э. В. Вайлер, Й. В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кёрнер; на основе учебника Э. Страсбургера [и др.]; пер. с нем. Е. Б. Поспеловой, К. Л. Тарасова, Н. В. Хмелевской. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — Т. 3. Эволюция и систематика / под ред. А. К. Тимонина, И. И. Сидоровой. — С. 7—15. — 576 с.
19. SUTTON, WS, 1903 Chromosomes in a heredity. Biol. Bull 4: 231-251
20. Крюков В.И. Генетика. Часть 1. Введение в генетику. Молекулярные основы наследственности. Учебное пособие для вузов. – Орел: Изд-во ОрёлГАУ, 2006. – 176 с.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх