В недрах клетки

Растения и животные

В недрах клетки 

Вы, наверно, помните, как после морозной ночи оживала лунная растительность в повести Г. Уэллса «Первые люди на Луне»? Она росла прямо на глазах: поднимались стволы, надува­лись и лопались почки, распускались цветы. Видно было, что все части растений состоят из полупрозрачных пузырьков, за счет деления которых и происходил фантастический рост ра­стений.

Эти пузырьки — клетки. Они представляют собой комочки полужидкого вещества, способ­ные к делению, только увеличенные до видимо­сти простым глазом. Из таких клеток, как нам известно, состоит все живое (см. ст. «Клеточное строение растений и животных»).

Уже давно ученые мечтали о том, чтобы увидеть тончайшее устройство живого и понять его внутреннюю жизнь.

Но чтобы заглянуть в недра клетки, нужно знать устройство живых организмов — растений и животных. Еще в IV в. до н. э. великий есте­ствоиспытатель древней Греции Аристотель написал сочинение «О частях животных», в кото­ром подробно рассмотрел устройство животных организмов. Так, на протяжении двух с поло­виной тысяч лет — от Аристотеля до наших дней — развивалась наука о строении тела человека и животных. (Наука об устройстве тела человека и животных называется анато­мия — от греческого слова «анатемно», что значит рассекаю.)

В средние века анатомия пришла в упадок. Вскрытие трупов считалось тогда великим грехом. Да и не только в средние века. Одному из героев известной книги Марка Твена «При­ключения Тома Сойера», доктору Робинсону, каких-нибудь сто лет назад пришлось нанимать двух бродяг, чтобы тайком ночью вырыть из могилы труп для своих анатомиче­ских занятий.

Однако, несмотря на все препятствия, ана­томия все же развивалась и достигла некоторых успехов. Ученые хорошо изучили части тела животных и человека. Но объяснить, из чего в свою очередь состоят эти части, они не могли до тех пор, пока на помощь науке не пришло новое могучее средство для углубления в недра живого — микроскоп.

Микроскоп изобрели еще в XVII в. Клеточ­ное строение растений обнаружил в те времена английский ученый Гук. Замечательный гол­ландский микроскопист-любитель Левенгук рассмотрел в свои увеличительные стекла кро­вяные тельца. Но только в XIX в. был сделан следующий шаг в недра живой материи, когда появились современные микроскопы — слож­ные приборы, состоящие из множества частей. В современных микроскопах предельное увели­чение не превышает 3 тыс. раз. Это очень большое увеличение. Правда, и сложные микро­скопы Гука, и сильные увеличительные стекла Левенгука увеличивали рассматриваемые пред­меты уже в 100—200—300 раз.

Но Гук рассматривал изучаемые им объекты в падающем свете, и никаких подроб­ностей строения клетки он не видел, да и не мог увидеть, так как пробка — мертвая ткань, в которой сохранились только клеточные обо­лочки. Левенгук применил более совершенную технику. «Микроскопиумы» Левенгука пред­ставляли собой крохотные, сильно выпуклые, почти шаровидные линзы, вделанные в метал­лическую пластинку. Но он уже смотрел в свои линзы не в падающем свете, как Гук, а на просвет. Теперь световые лучи проходили через изучаемые им объекты. Благодаря этому Левенгук увидел больше, чем Гук.

На протяжении почти 300 лет развития ми­кроскопической техники¹строение клетки изу­чалось в проходящем свете. Чтобы сделать видимой в клетке частицу, которая измеряется тысячными долями миллиметра (микронами), луч света должен пройти через нее и изменить свою силу и окраску. Для этого необходимо расположить клетки очень тонким слоем. А для того чтобы лучше были видны их части, следует выкрасить эти части специальными красками. Самый простой способ увидеть клетки — изготовить мазок крови. С помощью мазков изучают состав кровяных клеток, чтобы врач мог судить о состоянии здоровья человека.

В наше время редкий человек не знает, как делается мазок крови. Специальной иглой ука­лывается мякоть пальца. Выступившая капля крови захватывается стеклянной пластинкой с гладким отшлифованным краем и переносится на предметное стекло — пластинку размером 76x24 мм. Затем краем отшлифован­ного стекла с каплей крови проводят по пред­метному стеклу — и мазок сделан. Клетки крови распластались на стекле в один тонкий слой. Далее их окрашивают. Так как окрашиваются только убитые клетки, мазок погружают на несколько минут в спирт или в специальные растворы, вызывающие гибель клеток без раз­рушения их составных частей. Через некоторое время краску смывают водой, а стекло высуши­вают. Микроскопический препарат готов. Теперь его можно положить под объектив микроскопа и изучать.

Гораздо труднее было научиться наблюдать живые клетки, и не только наблюдать, но и заставить клетки жить под микроскопом. Сей­час это уже пройденный этап. Ученые давно умеют обращаться с живыми клетками. Их помещают в питательную среду, где клетки перед глазами наблюдателя двигаются, в некоторых случаях превращаются в покровные или мы­шечные клетки, размножаются.

Многое из того, что было видно на микро­скопических препаратах, где на предметных стеклах неподвижно застыли убитые и окра­шенные клетки, подтверждалось в живых клет­ках, существовавших в питательной среде. Но от этого работа клеток не становилась более понятной. Дело было в том, что с помо­щью микроскопа удалось рассмотреть в клетке слишком мало частей, чтобы по устройству клетки судить о том, как она работает.

«Комочком протоплазмы с ядром внутри» назвал клетку 100 лет назад один немецкий ученый. Это определение продержалось в науке вплоть до конца XIX в. Действительно, в клетке было хорошо видно ядро с ядрыш­ком и окружающую его цитоплазму.

Но в цитоплазме не удавалось рассмотреть почти никаких рабочих частей, кроме разнооб­разных зерен, и никто не мог разгадать их наз­начения.

К концу XIX в. с помощью самых сильных микроскопов ученые приступили к изучению зернышек, видимых в цитоплазме. Не вызы­вало сомнений, что это самые настоящие органы клетки. Ведь в цитоплазме образуются веще­ства, отделяемые клетками (например, капельки секрета), сокращаются волоконца, с помощью которых происходят движения мышц, накапли­ваются жир и другие необходимые организму за­пасные вещества.

Удалось выяснить, что среди зерен, находи­мых в цитоплазме, всегда присутствуют осо­бые зерна, очевидно, жизненно необходимые клетке. Их причислили к постоянным рабочим частям клетки — органоидам — и назвали митохондриями (от греческих слов «митос» — нить, «хондрос» — зерно). Но как изучать строение этих крошек, если их попереч­ник не превышает полумикрона и в микроскоп они почти не видны?

Нашли и другой органоид — сеточку, кото­рая находится около ядра и особенно четко вид­на после специальной обработки. Ей дали название внутриклеточного сетчатого аппарата Гольджи. Но что она делает в клетке — можно было только догадываться. Советский ученый Д. Н. Насонов обосновал гипотезу, что это выделительный аппарат клет­ки. Однако сомнения не покидали ученых.

Стало ясно, что штурм клеточных недр учеными-микроскопистами зашел в тупик. Виной этому была природа света. Дело в том, что свет распространяется волнообразно. Чтобы предмет был виден в микроскоп, волна света должна изменить свое движение, а это возможно лишь тогда, когда она соразмерна предмету. Если же предмет очень маленький, волна пройдет сквозь него, никак не изменившись. Вот почему в ми­кроскоп видны только такие предметы, которые больше хотя бы половины длины световой вол­ны. А это уже не такая малая величина — сред­няя световая волна не менее четырех десятых микрона (см. т. 3 ДЭ, ст. «Свет»).

Конечно, ядро, имеющее в диаметре до десяти микрон, ядрышко — до двух микрон и хромосомы — до одного микрона в тол­щину прекрасно видны в микроскоп. А как быть с более мелкими частями клетки?

Шли годы... Минуло 10, 20, 30 лет после открытия органоидов. Загадочно мерцали перед глазами исследователей неясные тени в ядре и цитоплазме, но увидеть что-либо за пределами уже известного никому не удавалось.

И вдруг — неожиданная, потрясающая возможность для нового броска вперед! Такую возможность представил ученым поток элек­тронов. Если пучок света в микроскопе заменить потоком частиц электричества — элек­тронов, пропустить этот поток через очень тон­кий объектив, а потом с помощью электромагнитов разбросать его веером и направить на экран, то тогда не будет предела увеличению. В самом деле, что может помешать расширять веер потока электронов до каких угодно пре­делов? Ничто. Поэтому и увеличивать рас­сматриваемые части клетки можно в 10 тыс. раз, в 100 тыс., а может быть, и в миллион раз! Можно понять волнение первого исследователя, увидевшего сокровенные недра клетки на экране электронного микроскопа.

Ученый наших дней сидит перед пультом электронного микроскопа. Над пультом воз­вышается гигантский тубус, сверкающий метал­лом рычагов, которые заменяют винты микро­скопа. В верхней части тубуса вставлен патрон с тончайшим срезом через клетку, наклеенным на мелкую проволочную сетку. Выше объекта пылает вольфрамовая нить, посылающая сквозь срез поток электронов. Ниже объекта два элек­тромагнита — «объектив» и «окуляр», которые разбрасывают электроны, промчавшиеся через срез, на широкое пространство экрана. Наблю­датель смотрит на него через увеличительные стекла.

Возникающее здесь увеличение может до­стигать 3 —10 тыс. раз и больше. Но ведь теперь изображение можно сфотографировать и увели­чить еще раз в десять!

Мы в ультрамикромире. Здесь меряют не на микроны, а на десятитысячные их доли — ангстремы. Тут главными консультан­тами микроскописта становятся биохимики — ученые, изучающие химический состав клеток и химические реакции, протекающие в недрах живого вещества. Это и понятно. Здесь начи­наются дела, в которых участвуют молекулы живой материи. Мера, используемая в работе с электронным микроскопом, — ангстрем — это диа­метр атома водорода. В электронный микроскоп различают частицы клеток, измеряемые, например, десятью ангстремами, т. е. имеющими в поперечнике всего 10 атомов. Вот почему элек­тронная микроскопия развивается рука об руку с биохимией. Изучение клеточных недр ведут обе науки — каждая со своей стороны.

Примерно в те же годы, когда ученые с по­мощью электронного микроскопа распахнули ворота в ультрамикромир, был открыт новый способ внедрения в глубины клетки — цент­рифугирование измельченных тканей.

О том, чтобы выделить рабочие части клеток— ядра и органоиды — и изучать их работу по отдельности, мечтали многие ученые. Трудность заключалась в следующем: измельчение тканей с целью выделения изолированных клеточных частиц всегда приводило к их разрушению. Но вот однажды в качестве среды, в которой разрушали ткани, применили раствор сахара. И что же! Оказалось, что клеточные части, ядро и митохондрии, в сильно измельченных до полной однородности тканях, не разрушаясь, сохраняются в растворе сахара.

Теперь в ход пускается специальный аппа­рат — ультрацентрифуга, в которой клеточные частицы отделяются одни от других с помощью вращения при очень высоких скоростях. Через некоторое время в одном слое оказываются ядра, в другом — митохондрии, в третьем... но что может быть в третьем слое, кроме свободной от частиц цитоплазмы? Оказывается, есть кое-что. Это новые, невидимые ранее при световой микроскопии, клеточные частицы. Ученые на­звали их рибосомами.

Итак, клеточные частицы выделены и собра­ны в количествах, которые можно исследовать. 

Здесь важнейшие органы клетки — ее пище­варительная, дыхательная, выделительная и дру­гие системы. Они хорошо видны наблюдателю.

Так вот она какая, клетка, эта единица жи­зни, атом живой материи! Животная клетка по­крыта тонкой оболочкой. Сквозь нее идет постоянный ток веществ из крови в клетку и из клетки в кровь.

Наконец, стало различимо внутреннее строе­ние клетки — то, о чем столько лет мечтали ученые-микроскописты. Мы видим органы ды­хания, выделения и самое главное чудо клет­ки — органы, производящие белок (вещество, составляющее клетку).

Представим себе, что мы находимся внутри клетки, увеличенной электронным микроскопом до миллиона раз. Что же кругом нас? В центре клетки висит огромный прозрачный шар с обо­лочкой. Это — ядро. Вокруг ядра, между ядер­ной и клеточной оболочками, — толстые про­зрачные трубы, разделенные перегородками на отсеки, точно в подводной лодке. Это — мито­хондрии.

Митохондрии — своеобразные теплоцентра­ли клеток, вырабатывающие энергию для всей ее жизнедеятельности. Здесь, на этих перего­родках, как на колосниках печей тепловых электростанций, кислород, поступающий из крови в клетку, соединяется с питатель­ными веществами, в первую очередь с сахаром, в результа­те происходит процесс окисле­ния, или сгорания, питательных веществ. Этот неугасимый костер жизни беспрерывно поставляет энергию, которая вызывает хи­мическую, механическую и элек­трическую работу клетки. А вот и сама эта работа! Мы видим, как происходит синтез живой материи, синтез белка.

Молекулы белка формируют­ся из аминокислот, постоянно пробирающихся сквозь оболоч­ку внутрь клетки из крови. Ами­нокислоты связываются друг с другом в цепи, образуя длинные нити белковых молекул.

Какие аппараты живой клет­ки помогают образовываться этим нитям?

Оглянемся вокруг. Повсюду близ ядра, в цитоплазме, вокруг митохондрий мы заметим тучи небольших шаровидных телец.

Это рибосомы. Подобно веретенам, они прядут нити белковых молекул.

Рибосомы в цитоплазме не просто свобод­но плавают. Они, как пуговицы, покрывают оболочки каналов и полостей, образующих в клетке сложную сеть — ее называют внутри­клеточной или эндоплазматической сетью. Теперь уже известно, что из обрывков этих оболочек при измельчении тканей и образуются упомя­нутые уже нами рибосомы.

Небольшая часть канальцев внутриклеточ­ной сети (к ним рибосомы не прилипают) образует плотные скопления. Это — канализа­ционное устройство клетки, органы выделения.

Вот мы стоим внутри клетки, ошеломленные открывшимся перед нами зрелищем. Вокруг нас, заполняя все свободное пространство ци­топлазмы, плавают рибосомы. Могучая энер­гия, рождаемая окислением питательных веществ на колосниках митохондрий, приводит в движение гигантскую прядильную фаб­рику, и миллионы веретен — рибосом — нама­тывают звено за звеном на молекулы рибо­нуклеиновой кислоты молекулы белка. А уже из белков строится все остальное: каждая клет­ка и весь организм в целом.

Кровяные клетки — лимфоциты — обра­зуют защитные белки, в этом заключается одна из их функций. Вот лимфоцит медленно продвигается по стенке капилляра, готовый высту­пить против любого врага, прорвавшегося в живой организм. И едва-едва чужеродный белок (белок микроба или введенной в орга­низм белок чужой крови) покажется вблизи лимфоцита, как немедленно приходит в движе­ние фабрика жизни, начинают работать мил­лионы веретен и в недрах клетки рождается защитный белок — антитело. Оно свяжет и обезвредит молекулы чужого вещества.

Около трехсот лет развивается наука о клетке, если начать счет с того дня, когда анг­лийский микроскопист Гук впервые увидел срез пробки под микроскопом.

Огромный путь прошла за эти годы наука о клетке. Путешественники в недра клетки, ученые-микроскописты, получали все более и более совершенные средства передвижения. Сначала в 100 раз, потом в 1000 и, наконец, в 1 000 000 раз раздвинулись границы види­мости в недрах клетки. Современные исследо­ватели подошли к последнему рубежу, за кото­рым кончается область науки о жизни и начи­нается мир химии. По-видимому, рибосома— это не последняя, простейшая и мельчайшая частица, входящая в состав клетки.

Может быть, дальнейший прогресс техники откроет дорогу к новым завоеваниям клеточ­ных недр и то, что нам сегодня кажется послед­ним рубежом, станет плацдармом наступления на еще скрытые сокровенные  тайны живой материи.

¹ Микроскопическая техника — это те средства, с помощью которых изучают микроскопическое строение (микроскопическую анатомию) человека, животных и растительных организмов.