Введение в дисциплину

С античного периода до настоящего времени традиционно основным методом морфологии (от гр. morphe — форма, logos — наука) являлось изучение изолированных составных частей путем разделения или рассечения целого организма, будь то животное или растение. Поэтому раздел морфологии — анатомия — и получил свое название (от гр. ana — часть, tomia — рассечение). Впоследствии из анатомии выделилась гистология — наука, изучающая строение и жизнедеятельность тканей (общая гистология), развитие и строение клеток (цитология), развитие организма в эмбриональный период (эмбриология). В задачу гистологии входит также микроскопическое изучение отдельных органов и целых систем организма (частная гистология, или микроскопическая анатомия).

В системе подготовки специалистов по ветеринарно-санитарной экспертизе курс «Цитология, гистология, эмбриология» необходим для познания клеточных и тканевых структур в состоянии непрерывного развития, соподчиненности, функциональной взаимосвязи.

Основными задачами при изучении дисциплины являются освоение фундаментальных знаний в области структурных и метаболических особенностей онтогенеза животных, филогенетически различающихся; изучение эмбрионального и постэмбрионального гистогенеза, образования провизорных органов; закономерностей развития, строения и функции четырех типов тканей; данных о регенерации, влиянии экзогенных и эндогенных факторов окружающей среды на дифференциацию и развитие тканей; овладение знаниями особенностей развития межклеточных взаимоотношений, нервно-гуморальной регуляции процессов гистогенеза и регенерации.

Овладение классическими и современными методами исследований наряду со знаниями морфологии клеток, тканей и органов животных будет способствовать получению безопасных продуктов питания с высокими качественными показателями, так как гистологический, или микроструктурный, анализ является основой научного структурно-функционального подхода при ветеринарносанитарной оценке качества сырья и продуктов животного происхождения.

Объектами исследования в биологии, в том числе цитологии, гистологии и эмбриологии, являются живые системы (от гр. system — целое, состоящее из взаимосвязанных частей) разного уровня организации и различной coподчинённости.

Жизнь — макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии.

Независимо от уровня организации живые системы находятся в непрерывном взаимодействии и имеют общие свойства: постоянство химического состава, обмен веществ и энергии, наследственность, изменчивость, размножение, рост и развитие, реактивность, движение, адаптацию.

Живые системы на 98 % состоят из четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода, образующих сложные органические молекулы. Структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов на Земле является клетка.

Живые организмы представляют собой «открытые системы», устойчивые при непрерывном поступлении в них энергии и веществ из окружающей среды. Обмен веществ — особый способ взаимодействия живых систем с окружающей средой. Например, гетеротрофные организмы получают энергию в результате распада полимеров на мономеры. Обмен веществ (метаболизм) состоит из взаимосвязанных и сбалансированных процессов ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм).

В результате ассимиляции образуются и обновляются структуры организма, диссимиляции — расщепляются органические соединения для обеспечения организма веществами и энергией. Для осуществления обмена веществ необходимы постоянный приток веществ извне и выделение некоторых продуктов диссимиляции во внешнюю среду. Таким образом, организм является по отношению к окружающей среде открытой системой.

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения организма, рост, развитие в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Постоянный обмен веществ и энергии с окружающей внешней средой и внутри организма осуществляется при нейрогуморальной регуляции и участии систем пищеварения, дыхания, мочевыделения, кровои лимфообращения.

Живые организмы реагируют на изменение факторов окружающей среды. В процессе эволюции у организмов выработалась способность избирательно реагировать на различные воздействия — раздражимость. Объективное заключение о раздражимости можно сделать, если наблюдают такие свойства, как проводимость и сократимость.

Проводимость — свойство, возникающее в участке приложения раздражителя и распространяющего волны возбуждения, что сопровождается измеримым изменением электрического потенциала.

Сократимость — свойство, проявляющееся в ответной реакции на раздражение. С помощью нервной системы раздражения подвергаются анализу и синтезу, трансформируются в ощущение и передаются мышечной системе или железам, служащим исполнительными органами и обеспечивающим ответную реакцию организма.

Живые организмы развиваются. Это обусловлено реализацией наследственной информации и обычно сопровождается увеличением массы, происходящим за счет образования новых молекул, клеточных структур, клеток. Развитие происходит упорядоченно, постепенно и последовательно. Рост и развитие (в онтогенезе — от начала зарождения и в течение всей жизни, в филогенезе — в историческом развитии организмов определенного вида) — процессы, в которых участвуют все системы организма. Развитие характерно не только для отдельного организма, но и для живой природы в целом.

Все живые организмы обладают наследственностью и изменчивостью. Новые организмы возникают в результате бесполого или полового размножения особей данного вида. Наследственность — передача генетических признаков от родителей к потомству; осуществляется генами хромосом клеток, в которых закодирован синтез белка для каждого отдельного индивидуума. Изменчивость — изменение основных генетических свойств организма в связи с изменениями, происходящими в окружающей среде; приобретение новых, более совершенных качеств организма в процессе эволюции животного мира и закрепление их по наследству.

Живые организмы приспособлены к определенной среде обитания. Даже по внешнему виду часто можно определить, какой образ жизни ведет данный организм, например сразу можно отличить хищную птицу от зерноядной. Адаптация — приспособление к условиям существования, необходимое условие жизнедеятельности.

Принцип организации живых систем позволяет выделить в живой природе уровни организации в соответствии с важнейшими частями, структурами и компонентами организма, являющимися для исследователей разных специальностей непосредственными объектами изучения. В частности, для ветеринарно-санитарного эксперта основным объектом исследования является организм животного на тканевом, клеточном, субклеточном, молекулярном уровнях организации. В соответствии с уровнем организации, размерами объекта и разрешающей способностью методов исследований существует взаимозависимость.

Основным инструментом для изучения структуры биологических объектов является микроскоп световой или электронный.

Световая, или оптическая, микроскопия с момента своего возникновения остается ведущим методом исследований клеток, тканей и органов. Световой микроскоп состоит из источника света (электролампы или зеркала, отражающего солнечный свет) и нескольких линз (рис. 1). Одна из линз собирает параллельные световые лучи в концентрированный пучок, просвечивающий исследуемый объект насквозь; другие линзы увеличивают изображение.

Исследуемый объект — препарат — помещают на специальный столик, и свет, направленный на препарат снизу, проходит сквозь него, поступает в объектив — основную увеличивающую часть микроскопа. В современных микроскопах имеется несколько сменных объективов с разными увеличениями, позволяющими увеличить объект исследования в десятки и сотни раз.

Следует помнить, что мощное увеличение — это не гарантия успеха, поскольку кроме увеличения существует такое понятие, как разрешающая способность микроскопа. Это наименьшее расстояние, на котором две ближайшие точки объекта воспринимаются раздельно. С помощью светового микроскопа можно достичь разрешения приблизительно 0,2 мкм, т. е. 0,0002 мм; более мелкие объекты, как бы их ни увеличивали, воспринимаются как одна точка. Разрешающая способность электронного микроскопа в 100 раз выше, чем у светового.

Электронные микроскоп ы бывают просвечивающие и сканирующие. В просвечивающем электронном микроскопе используется Рис. 1. Общий вид оптического микроскопа МБИ-1:

/— коробка микромеханизма; 2— микрометрический винт; 3 — макрометрический винт; 4—колонка штатива; 5—окуляр; б—наклонный тубус; 7—расширенная часть наклонного тубуса; 8— головка держателя тубуса; 9—револьверная система; 10— объективы; // — столик микроскопа; 12— конденсор с ирисовой диафрагмой; 13— винт конденсора; 14— зеркало; /5—основание штатива Рис. 2. Схема прохождения лучей (по A. W. Ham, D. Н. Cormack, 1983):

а — в световом микроскопе: 7 — источник света; 2— конденсорная линза; 3— объект; 4 — объективная линза; 5 — промежуточное изображение; б—проекционная линза (окуляр); 7—изображение; 8— конечное изображение; б — в электронном микроскопе: 7 —нить (источник электронов — электронная пушка); 2— катушка конденсора; 3 — объект; 4 — катушка объектива; 5 — промежуточное изображение; б—катушка проектора; 7—фотопластинка; 8— конечное изображение поток электронов, которые излучает нить катода, расположенная на вершине цилиндрической колонны. Из нее предварительно откачали воздух вакуумным насосом. Электромагнитное устройство микроскопа фокусирует и направляет поток электронов на исследуемый объект. Электронный пучок проходит через образец и оставляет изображение на фосфоресцирующем экране или фотопластинке. Трехмерное изображение исследуемого объекта позволяет получить сканирующий электронный микроскоп. Электронный луч отражается от объекта исследования и преобразуется в изображение на телеэкране (рис. 2).

Объектами исследования могут служить фиксированные (мертвые) или живые клетки, ткани органов.

С помощью световой микроскопии наиболее часто исследуют препараты, расположенные между предметным и покровным стеклами.

Для изготовления качественных препаратов необходимы равномерные тонкие срезы исследуемого объекта. Для этого ткани предварительно обрабатывают специальными растворами для фиксации, обезвоживают с помощью спирта, пропитывают органическим растворителем. Затем кусочки тканей необходимо пропитать и залить такой средой, которая превратила бы ткань в хорошо режущуюся твердую массу, потому что мягкие ткани, каким бы острым ножом ни резали, будут сминаться. С этой целью ткани погружают в жидкий раствор (парафин, целлоидин, желатин). После затвердевания блоки тканей с помощью микротома разделяют на слои — срезы толщиной 2… 10 мкм и окрашивают разнообразными органическими красителями, каждый из которых предназначен для определенной части клетки.

С помощью световой микроскопии исследуют препараты, окрашенные различными веществами. Наиболее часто применяют гематоксилин и эозин. Для выявления специализированных структур используют гистохимические методы исследования.

Гистохимические методы основаны на использовании реакции, с помощью которой выявляют различные химические вещества в клетках тканей и органов. Современные гистохимические методы исследований позволяют обнаружить в клетке аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др. Иммунохимический метод исследования основан на обработке срезов специфическими антителами к выявляемому веществу, которое служит антигеном.

Для количественного анализа применяют различные методы морфометрии, спектрофотометрии с последующей математической обработкой цифрового материала.

Разделительное вращение в центрифуге позволяет исследовать строение клеток на молекулярном уровне. Принцип основан на том, что частицы оседают под действием центробежных сил при вращении пробирок с огромной скоростью; время оседания частиц во взвеси зависит от размера и плотности. Таким образом можно получить практически все составные части клетки.

Биологические объекты можно рассматривать и живыми. Для этого на микроскоп монтируют специальные устройства, которые особым образом преобразуют видимый свет. Тогда многие детали видны более отчетливо, чем при использовании светового микроскопа без специальных насадок.

При изучении живой клетки используют метод микрохирургии: очень тонкой иглой в специальном аппарате производят манипуляции внутри клетки, например перемещают или вынимают ядро, вводят в цитоплазму различные вещества. Это дает возможность изучать структуры и функции различных составляющих клетки и открывает перспективы для генной инженерии.

Метод «культура тканей» позволяет культивировать ткани in vitro. Предварительно ткань обрабатывают ферментами, что вызывает распад ее на клеточные элементы. Выделенные клетки выращивают в соответствующей для данного вида тканей среде, создавая оптимальные температурные условия. Немногие клетки способны в таком виде продолжать деление в течение хотя бы нескольких месяцев. Однако ученые сумели обнаружить и получить непрерывные («бессмертные») клеточные линии, которыми можно пользоваться десятилетиями. Большинство тканевых культур способны переносить глубокое замораживание с помощью жидкого азота и хранятся неограниченно долго. Используя эти свойства, создается банк клеточных культур. Кроме того, этот способ широко применяют при проведении экспериментов в вирусологии.

Исследуя структуру клеток, тканей и органов, ученые не ограничиваются перечисленными методами, а постоянно разрабатывают новые.

Структуры тканей и органов изучают с помощью микроскопа (от гр. micros — маленький, scopeo — смотрю), позволяющего рассматривать объекты, которые по размерам ниже предела видимости органа зрения. Одними из первых устройств такого свойства были линзы из отшлифованного горного хрусталя, найденные при археологических раскопках в Древнем Вавилоне.

Процесс появления и последовательные усовершенствования микроскопа трудно точно проследить. Однако не приходится сомневаться в том, что изобретение этого столь важного для биологии прибора следует отнести к середине XVI в. Наиболее часто историю создания микроскопа связывают с именами голландских шлифовальщиков стекла из Миддельбурга — братьев Захария и Фрэнсиса Янсен. В 1590 г. им удалось из двух выпуклых линз внутри трубки смастерить оптический прибор для увеличения небольших объектов.

В 1610 г. гениальный ученый и блестящий инженер Галилео Галилей сконструировал первый оптический прибор, состоящий из двух различных линз: плосковогнутой (окуляр) и двояковыпуклой (объектив).

В истории нередки случаи, когда открытие связывают не с именем изготовителя, а с тем, кто наиболее удачно использовал это изобретение. Так произошло и с микроскопом, славу которому принесли исследования англичанина Роберта Гука и голландца Антони ван Левенгука.

Роберт Гук был физиком, математиком, одним из лучших механиков и изобретателей своей эпохи. Рассматривая в сконструированный микроскоп тонкий срез бутылочной пробки, он обнаружил многочисленные камеры, которые назвал клетками. В 1665 г. Гук представил Лондонскому королевскому обществу результаты исследований «О схеме строения, или текстуре, пробки и о клетках и порах некоторых других пенистых тел». Эти исследования можно с полным основанием считать отправным пунктом познания микроскопического строения живой материи.

Первооткрыватель мира микроорганизмов Антони ван Левенгук — мануфактурщик из Дельфта, заинтересовавшись строением льняного волокна, отшлифовал несколько линз. Левенгук постепенно достиг большого совершенства при изготовлении «микроскопий», так назывались двояковыпуклые линзы, увеличивающие объекты в 100…300 раз.

Любознательный натуралист рассматривал воду из пруда, зубной налет, настой перца, слюну, кровь и многое другое. Результаты наблюдений Левенгук отправлял в Лондонское королевское общество, членом которого был избран впоследствии. Всего им было написано свыше 300 писем, а позднее он завещал знаменитому Обществу 26 своих «микроскопий».

Сопоставив описания организмов, приведенные в письмах, и оптические возможности «микроскопий», историки сделали заключение, что в 1676 г. Левенгук обнаружил бактерии. К числу величайших заслуг исследователя принадлежит открытие мира микроорганизмов — простейших, бактерий, дрожжей, а также обнаружение эритроцитов лягушки, окрашенных включений у водорослей, хромопластов в клетках высших растений и многое другое. Эти открытия были настолько фантастическими, что на протяжении многих десятилетий вызывали всеобщее изумление.

Петр I, будучи в Голландии, посетил Левенгука. По указанию царя в 1716 г. в Россию был привезен первый микроскоп — началось создание отечественной микроскопической техники. Приборы, изготовленные И. И. Беляевым, И. П. Кулибиным, М. Л. Эйлером, Ф. Т. Эпинусом, отличались высоким качеством систем линз — объективов, которые делали изображение четким, без искажения цвета и формы.

История создания микроскопа наглядно показывает, как велика роль мастера, творчески решающего задачи: способ шлифовки стекол для оптических приборов, предложенный Иваном Петровичем Кулибиным (1735—1818), был признан лучшим в мире.

Усовершенствования микроскопа и методов подготовки способствовали систематическому исследованию микроскопических объектов. Одними из первых микроскоп для исследований применяли М. В. Ломоносов, К. В. Вольф, М. М. Тереховский, А. М. Шумлянский.

Для классификации организмов первоначально использовали принцип практического значения объектов. В 1735 г. Карл Линней ввел бинарную классификацию, согласно которой положение организмов в системе живой природы указывает на принадлежность к конкретному виду и роду. (Бинарный принцип классификации сохранен в современной систематике.).

Первым гистологом (от гр. hystos— ткани, logos —наука) следует признать французского анатома и физиолога Биша (Bishat,.

1771 — 1802). На молодого ученого произвела столь сильное впечатление структура различных органов, что он написал книгу о тканях организма, дав название более чем 20 из них.

В начале XIX в. исследователи сосредоточили свое внимание на содержимом клетки, которое описывали как «студневидный» или «слизистый, клейкий» сок. В «клейком» соке Роберт Броун в 1831 г. открыл ядро, которое является одним из важнейших компонентов клетки.

В 1835 г. Дюжарден, исследуя морские организмы — корненожки и фораминиферы, описал содержимое клеток, которое он назвал «саркодой — прозрачное студневидное вещество, нерастворимое в воде и лишенное следов организации, обладающее эластичностью и способностью сокращаться». Позже это вещество Ян Пуркинье (1839) назвал протоплазмой.

Одним из крупнейших обобщений развития научной мысли в области биологии является создание в 1839 г. клеточной теории Шванна—Шлейдена — по именам авторов немецких исследователей: зоолога Теодора Шванна и ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена.

Следует отметить, что Теодор Шванн впервые сформулировал взгляды не только относительно морфологического, но и физиологического значения клетки. Согласно Шванну, клеточные явления можно разделить на две группы: «пластические и физиологические явления». «Пластические явления — сочетание молекул, образующих клетку», что на современном языке соответствует клеточной морфологии. «Физиологические явления, которые являются следствием химических изменений либо в частицах, составляющих клетку как таковую, либо в окружающей цитобластеме». Эти процессы были определены ученым как «метаболические явления». Так, Шванн свыше 100 лет тому назад сформулировал понятия «метаболический» и «метаболизм».

Клеточная теория постепенно стала распространяться. Например, эмбриолог Альберт Кёлликер в 1841 — 1844 гг. установил, что спермии и яйцеклетки представляют собой гистологические элементы, образующиеся в организме; из оплодотворенной яйцеклетки путем деления развивается организм. Одноклеточные организмы (простейшие) стали рассматривать как животных, состоящих из одной клетки (фон Зибольд, 1845). В этот же период Геккель разделил животный мир на две важнейшие группы: Protozoa и Metazoa.

В 1855 г. немецкие ученые Франц Лейдиг и Альберт Кёлликер предложили свести многообразие тканей к четырем типам: эпителиальные, соединительные, мышечные, нервная. Классификация, предложенная в XIX в., выдержала испытание временем и используется в настоящее время. Более того, получаемые новые данные подтверждают эволюционно-теоретическую обоснованность филогенетического развития четырех типов тканей для выполнения специализированных функций.

В 1858 г. знаменитый немецкий врач Рудольф Вирхов впервые описал организм как «клеточное государство» и сформулировал положение: «Каждая клетка может происходить только из другой клетки путем деления». Этот крылатый афоризм, выраженный на латинском языке — Omnis cellula е cellula, — один из самых известных постулатов современной биологии. Макс Шульце в 1861 г. пришел к выводу о существенном сходстве между саркодой и протоплазмой животных и растительных клеток.

Успеху многочисленных открытий способствовали усовершенствование микроскопа и развитие техники подготовки объектов к исследованию. Изначально ткани изучали в состоянии начального посмертного изменения, подготовка материала состояла в механическом расслаивании или раздавливании тканей. Впоследствии для этого было предложено использовать микротом (от гр. micros — маленький, tome — резать), изготовленный в 1870 г. по инициативе чешского естествоиспытателя Яна Пуркинье. Для получения тонких срезов тканей и органов было предложено использовать методы заливки материала в парафин, желатин, целлоидин (Е. Клебс, 1869; М. Дюваль, 1879; П. Шиффердеккер, 1879). Для окраски срезов тканей стали применять кармин, гематоксилин, эозин (П. Гартинг, 1858; Ф. Бемер, 1865; Фишер, 1875). Примечательно, что основные принципы методов подготовки препаратов сохранились и до настоящего времени.

В 1892 г. О. Гертвиг в монографии «Клетка и ткани» сформулировал «теорию протоплазмы». Согласно этой теории клетка является скоплением живого вещества, или протоплазмы, четко ограниченным в пространстве и содержащим ядро и клеточную оболочку. Клетку стали рассматривать как отграниченную в пространстве массу протоплазмы (цитоплазмы), окружающую ядро. Автор показал, что решение различных проблем биологии можно найти в процессах, происходящих в клетке. Таким образом, была основана цитология как самостоятельный раздел науки.

С появлением основных теорий и концепций началось быстрое развитие морфологических исследований. Ученые выявили удивительное единство всех разнообразных форм жизни на Земле.

Со временем ученые столкнулись с препятствием — даже с помощью наиболее совершенных световых микроскопов, дающих увеличение почти в 1000 раз, нельзя проводить исследования на молекулярном уровне организации. Этот барьер был преодолен благодаря изобретению электронного микроскопа. В 1945 г. исследователи получили первые фотографии, а к началу 60-х годов выявили мельчайшие детали клеточного устройства.

С момента возникновения и до наших дней микроскоп является самым главным инструментом морфолога. Постепенно любознательному взору исследователей открывался огромный неизведанный мир: внутриклеточные структуры, в том числе содержащиеся в ядре хромосомы; процесс деления клеток; передача наследственных признаков с помощью ядерного материала и многие механизмы жизнедеятельности и развития клеток, тканей, органов.

Выдающийся вклад в историю развития цитологии, гистологии и эмбриологии внесли наши соотечественники: А. И. Бабухин, К. М. Бэр, Н. М. Якубович, М. Д. Павловский, Ф. В. Овсянников, П. И. Перемежко, К. А. Арнштейн, А. С. Догель, А. Е. Смирнов, Д. А. Тимофеев, А. Н. Миславский, Б. И. Лаврентьев, Н. Г. Колосов, И. Ф. Иванов, П. А. Ковальский, И. И. Мечников, А. О. Ковалевский, А. А. Заварзин, Н. Г. Хлопин, В. Г. Елисеев, Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, М. Я. Субботин, В. А. Шахламов, А. И. Радостна, С. И. Щелкунов, А. Г. Кнорре, В. П. Михайлов, Д. И. Дейнек, Н. Г. Колосов, В. Н. Швалев, В. Н. Майоров, А. А. Милохин, А. В. Немилов, 3. С. Кацнельсон, А. Я. Колачев, Д. Н. Насонов, В. Я. Александров, П. В. Макаров, Г. С. Стрельников, Л. Н. Жинкин.

В развитии возрастной, видовой и сравнительной гистологии сельскохозяйственных животных весомый вклад внесли А. В. Немилов, 3. С. Кацнельсон, И. Д. Рихтер, Ю. Т. Техвер, Г. Г. Тиняков, И. Ф. Иванов, П. А. Ковальский, О. В. Александровская, Т. Н. Радостина, Н. А. Козлов, Н. А. Юрина, А. И. Радостина, Н. А. Козлов, Н. П. Ролдугина, В. Е. Никитченко, В. В. Яглов, В. И. Соколов, Е. И. Чумасов, В. Я. Суетин, М. 3. Атагимов, Г. Ш. Жанчипов, П. А. Ильин, А. Б. Панфилов, А. П. Попов, Л. П. Тельцов, П. М. Торгу и многие другие. Теоретические и практические аспекты исследований микроструктуры сырья мясной и молочной промышленности при различных способах изготовления освещены в работах Н. А. Налётова, М. В. Чернявского, Е. И. Скалинского, А. А. Белоусова, В. Е. Никитченко, Т. Г. Кузнецовой, С. И. Хвыля, В. В. Авилова и др.

В Московском государственном университете прикладной биотехнологии (ранее Московский технологический институт мясной и молочной промышленности) курс гистологии был организован в.

1942 г. В период с 1950 по 1980 г. его возглавлял ведущий представитель российской науки в области генетики профессор Георгий Гаврилович Тиняков. Основные научные положения, разработанные ученым, явились основой создания школы гистологов, изучающих микроструктуру сырья и продуктов животного происхождения: В. П. Чумаков, Л. В. Давлетова, Г. А. Аминова, Б. И. Петрищев, А. С. Кузьмин, В. М. Макаев, В. Н. Писменская, В. Э. Прусак-Глотов, В. И. Куликова, В. И. Гуслянникова, Е. К. Булочникова и др.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы содержание и задачи дисциплины «Цитология, гистология, эмбриология»? 2. Какие общие свойства характерны для живых систем? 3. Какие методы исследования применяют при изучении структуры клеток, тканей и органов? 4. Назовите основные этапы развития дисциплины «Цитология, гистология, эмбриология*.