Создание микроскопической техники стало необходимостью задолго до XVIII века, с которым связано появление гистологии - науки о строении, развитии и жизнедеятельности тканей. Основной целью гистологии (от греч. histos - «ткань») является наблюдение за эволюцией тканей, а также выяснение взаимодействия клеток одного и различных организмов. Первые представления о тканях формировались макроскопическим путем, то есть на основании изучения трупов. Бездоказательные теоретические обобщения не представляли особой ценности, хотя примитивная микроскопическая техника существовала уже в XVI веке. Действие прибора, собранного из увеличительных стекол, в 1590 году продемонстрировали голландские астрономы братья Ганс и Захарий Янсены. Оптическая труба Галилео Галилея имела 9-кратное увеличение и вначале предназначалась для изучения внутреннего строения предметов. После успешного показа в 1609 году ученый приспособил систему для наблюдения за небесными светилами.
Современный термин «микроскоп» и первое применение прибора связаны с именем английского естествоиспытателя Роберта Гука (1635–1703 годы). Разносторонний ученый, экспериментатор, опередивший Ньютона в догадках о существовании всемирного тяготения, Гук усовершенствовал оптическую систему Галилея, создав микроскоп, увеличивавший в 30 раз. Имея степень магистра искусств Оксфордского университета, ученый изобрел воздушный насос, придумал пружинный привод механизма карманных часов и множество других полезных вещей.
Микроскоп Гука
Активная изобретательская деятельность Гука определялась не только его энергичной натурой, но и являлась частью служебных обязанностей. Пожизненная должность куратора экспериментов Королевского общества, помимо престижа, требовала регулярной демонстрации новых экспериментов, а соответственно - значительных денежных затрат, причем при отсутствии жалованья. Несмотря на нехватку средств, сэр Роберт охотно выполнял свою работу, помогавшую исследованиям, а также создававшую репутацию полезного клиента у мастеров, изготавливавших инструменты.
В 1664 году в Англии свирепствовала чума, но магистр не покинул Лондон, будучи увлечен научными экспериментами. В «Истории Королевского общества» сохранилась запись от 1665 года: «Гук… между прочими вещами показал первый действительный микроскоп и множество открытий, сделанных с его помощью, первую ирисовую диафрагму и целый ряд новых метеорологических приборов». Тогда же вышел в свет классический труд магистра Гука - книга под названием «Микрография, или Физиологическое описание мельчайших тел, исследованных с помощью увеличительных стекол». Сочинение представляло собой рассказ о результатах применения микроскопа в качестве исследовательского инструмента: в ней описано 57 «микроскопических» и 3 «телескопических» опыта. Кроме того, автор открыл клеточное строение тканей, ввел термин «клетка», исследовав ткани растений, насекомых и животных. Превосходные гравюры, сопровождавшие текст, представляли как научную, так и художественную ценность.
Ян Сваммердам
Одним из основоположников микроскопической анатомии считается нидерландский натуралист Ян Сваммердам (1637–1680 годы), написавший сочинения по анатомии насекомых с изображением их строения на различных стадиях развития. Итальянский медик и биолог Марчелло Мальпиги (1628–1694 годы) также внес посильный вклад в становление гистологии. Его заслуга состоит в открытии капиллярного кровообращения, в описании микроскопического строения некоторых видов тканей и органов растений, животных и человека. Именем Мальпиги названы почечные тельца и слой эпидермиса.
Самый мощный микроскоп своего времени в 1673 году создал нидерландский натуралист Антони ван Левенгук (1632–1723 годы). Прибор с 270-кратным увеличением позволял наблюдать и зарисовывать простейших, сперматозоиды, бактерии, эритроциты, а также их движение в капиллярах. Столь малые живые организмы, обнаруженные при значительном увеличении, были описаны в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695). Голландский изобретатель достиг совершенства в шлифовке оптических стекол, что позволило ему изготовить короткофокусные линзы с увеличением, невиданным до того времени. Устройство дополнялось удобными металлическими держателями, конструкции самого Левенгука. Ученый не пожелал остаться искателем-одиночкой, регулярно сообщая результаты своих экспериментов в Лондонское королевское общество. Известно, что в 1673–1723 годах он отправил 375 отчетов, но ни один из них не послужил основой теоретического обобщения и не привел к созданию отдельной дисциплины.
Микроскоп Левенгука
«Никто не сделал так много и настолько хорошо за такое короткое время», - отозвался современник молодого доктора Биша после его похорон. Автор высказывания напрасно обидел французских ученых, но Мари Франсуа Ксавье Биша (1771–1802 годы) за 32 года своей жизни действительно сделал очень многое.
Являясь основоположником патологической анатомии и гистологии, он изучал морфологию и физиологию человеческой ткани без применения микроскопа. Биша назвал более 20 видов тканей, подробно описав их в трудах «Трактат о мембранах и оболочках» (1800) и «Общая анатомия в приложении к физиологии и медицине» (1801). Создание клеточной теории строения организмов, выявившей равенство процессов, происходящих во всех многоклеточных организмах, стало одним из самых великих открытий в естествознании. С трудами Шлейдена и Шванна принято связывать начало микроскопического периода в развитии медико-биологических наук.
Мари Франсуа Ксавье Биша
Чешский естествоиспытатель Ян Эвангелист Пуркине (1787–1869 годы) одним из первых применил клеточную теорию непосредственно к медицине, разглядев нервные клетки в сером веществе головного мозга. В 1837 году ученый сделал еще более ошеломляющее открытие: описав клетки в головном и спинном мозге, он выделил в сером веществе коры мозжечка крупные клетки, а также смог объяснить ритмичную работу сердца наличием волокон проводящей системы этого органа. Клетки мозжечка и сердца в специализированных атласах называются именем Пуркине.
Ян Пуркине
Натуралист из Чехии является создателем классических работ по анатомии, физиологии зрительного восприятия, гистологии и эмбриологии. В 1839 году во Вроцлаве по его инициативе чешские медики объединились в Научное общество, и тогда же был учрежден первый в мире Физиологический институт. Пуркине принадлежит авторство некогда популярного термина «протоплазма» (от греч. plasma - «оформленное»), но в прошлом столетии это понятие утратило актуальность. Сотрудники вроцлавского физиологического института уже в середине XIX века пользовались микротомом - инструментом, предназначенным для получения тонких срезов с кусочков органов или тканей с целью последующей микроскопии. В настоящее время с помощью ультрамикротома биологи получают срезы толщиной до 1000 нм (1 нм = 10 - 9 м) для электронной микроскопии.
ТАЙНА ЖИЗНИЖизнь началась на Земле много миллионов лет назад, когда в бушующих волнах Мирового океана возникла первая капля живого вещества.
Оглядываясь вокруг, мы восхищаемся великим многообразием природы и населяющих ее существ, происшедших из этой капли живого вещества. Они отличаются друг от друга цветом, формой, величиной, сложностью строения. Но всех их объединяет одно - жизнь.
Проникнуть в тайны жизни человек пытался очень давно, чуть ли не на заре своей истории. Но этому препятствовали низкий уровень знаний и религиозный фанатизм. Религия в течение многих веков стояла на пути человека к истинному познанию происхождения жизни. Так возникли понятия «бог», «душа», «мировой дух». Жизнь стала рассматриваться как нечто сверхъестественное, созданное всемогущим богом и недоступное человеческому познанию.
Только развитие естественных наук дало людям ключ к изучению природы и раскрытию
Микроскоп Роберта Гука (60-е годы XVIII в.).
Срезы пробки под микроскопом Гука. Первое изображение клетки.
Рисунки растительных клеток, сделанные А. Левенгуком.
Особых процессов, свойственных живым существам. Было доказано, что различие между живой и неживой природой заключается в особом строении живого существа и в специфических химических процессах, постоянно происходящих между живым организмом и окружающей его средой. Совокупность этих процессов и представляет собой основу жизни - обмен веществ.
На всех ступенях развития, начиная с появления первой капельки живого вещества и до самого совершенного организма - человека, обмен веществ происходит непрерывно. С прекращением его наступает смерть.
КЛЕТКИ - ОСНОВА ОРГАНИЗМОВ
Живые существа отличаются от неживой природы не только обменом веществ (хотя это самое существенное, самое главное их отличие), но и своим строением.
Все живые организмы состоят из клеток. Только вирусы - возбудители некоторых инфекционных болезней (например, гриппа, кори, оспы) - не являются сами клетками и не состоят из клеток. Но размножаться они могут лишь в живой клетке.
Клетка впервые была открыта английским физиком Робертом Гуком в 1665 г. Гук конструировал микроскопы, которые давали увеличение в 140 раз. Однажды при исследовании тонких срезов пробки он увидел, что вся пробка состоит из ячеек, или пор. Это и были клетки. Опубликовав свое наблюдение, Гук положил начало изучению клеточного строения живого мира. Но в его описаниях не было даже намека на представление о клетке как об основной структурной единице любого живого организма. Это был просто рассказ о клеточном строении пробки.
Только почти через 200 лет, в 1834г., русским ученым П. Ф. Горяниновым была выдвинута идея о всеобщей закономерности строения и развития растений и животных. Он считал, что все живые организмы состоят из соединенных между собой клеток. Скопления клеток составляют ткани, которые в ходе роста и развития могут изменяться. Эта идея нашла свое подтверждение в трудах немецких ученых - ботаника Маттиаса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна, которые, собрав уже накопившийся к тому времени большой фактический материал, сформулировали клеточную теорию строения растений и животных.
Клеточная теория - одно из важнейших открытий человечества. Энгельс считал, что закон сохранения энергии, клеточная теория и теория эволюции Дарвина - три величайших открытия XIX в.
Клеточная теория доказала общность строения растений и животных. Изучая различные живые ткани, ученые убеждались, что все живое состоит из клеток. По мере совершенствования микроскопа клетка подвергалась все более глубокому исследованию. В последние годы с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в сотни тысяч раз, стало возможным изучение внутреннего строения клетки. Хотя клетка и считается простейшей структурной единицей живого существа, сама по себе она представляет очень сложную систему. В клетке происходят обмен веществ, превращение энергии, биосинтез, она обладает способностью к размножению, раздражимостью, т. е. может реагировать на изменение условий среды. Чтобы нагляднее представить себе клетку, посмотрите на схему ее строения, наблюдаемую в электронный микроскоп (стр. 36).
В организме человека есть самые различные клетки, отличающиеся друг от друга структурой и функцией. Например, клетки, из которых состоят мышцы, удлиненные, в них есть особые нити (фибриллы), способные сокращаться. А клетки кожи (эпителиальная ткань) напоминают удлиненные кубики, стоящие плотными рядами. Жировые клетки - круглые, они наполнены каплями жира.
Не будем перечислять всего разнообразия клеток, скажем только, что все клетки и растительного и животного мира, несмотря на их различия, имеют сходное строение. У них всегда есть более плотный наружный слой -оболочка, цитоплазма и ядро.
НЕПРЕРЫВНОЕ ОБНОВЛЕНИЕ
Кроме общности строения, клетки живого организма имеют и общие функциональные особенности. Прежде всего они обладают способностью к использованию и превращению энергии. Кроме того, в живой клетке из более простых веществ происходит синтез (образование) сложных молекул. Эти молекулы крупны и настолько своеобразны, что, встретив их где-нибудь в природе, мы всегда можем быть уверены в их «живом» происхождении. К таким крупным молекулам относятся белки. Образование белка из более простых соединений происходит только в клетке и регулируется находящимися в ней двумя очень сложными, изученными лишь в последнее время веществами. Это дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. ДНК в основном находится в ядре клетки, а РНК содержится и в ядре, и в особых включениях цитоплазмы, называемых рибосомами. В них и происходит синтез белка, т. е. они являются фабриками белка в клетке.
Белки очень разнообразны. В зависимости от клетки, где они образовались, белки отли-
Электронный микроскоп.
Клетка под электронным микроскопом.
Чаются друг от друга размерами и формой молекул, химическими и физическими свойствами. Но вместе с тем все они построены по одному и тому же объединяющему их принципу. Их сложные молекулы состоят из простых молекул аминокислот, соединенных в определенном порядке в длинные цепочки. Вот этот-то порядок присоединения и распределения аминокислот в молекуле белка зависит от ДНК и РНК. ДНК служит как бы программой, по которой определяется порядок и количество присоединяемых аминокислот, а РНК - основой для построения белковой молекулы. Кроме того, РНК отвечает еще за доставку аминокислот к непрерывно растущей цепочке белковой молекулы. Растет эта цепочка очень быстро. Молекула белка, состоящая из 150-200 аминокислот, строится за 1,5-2 минуты. Весь процесс синтеза белка можно сравните с работой архитектора и инженера-строителя при постройке дома. Архитектор (ДНК) создает план, инженер (РНК) претворяет его в жизнь.
Открытие значения этих веществ в синтезе белка создает реальные возможности искусственного получения белковой молекулы. В лабораториях учеными уже получены наиболее простые белковые молекулы. Можно безошибочно предсказать, что уже в нашем веке человечество сможет искусственно получать белок.
В состав клетки, кроме ДНК, РНК и аминокислот, входят жировые вещества, углеводы, вода и растворенные в ней минеральные соли. Соотношения всех этих веществ в клетке по сравнению с общим ее весом в среднем примерно такие: вода составляет 80-85%, белки- 7 -10%, жировые вещества - 1-2%, углеводы - 1-2%, минеральные соли -1 -1,5%. Все эти вещества активно участвуют в жизненных процессах, происходящих в клетке.
В нашем организме непрерывно происходят два процесса: образование и обновление клеток и их разрушение. Эти внешне противоположные состояния - две стороны обмена веществ в организме. Процесс усвоения веществ, поступающих в организм извне, и образование из них живого вещества клеток называется ассимиляцией; а процесс распада, разрушения веществ и связанного с ним освобождения энергии - диссимиляцией. Они едины и неразрывны, но в течение жизни меняется их соотношение и интенсивность. В детстве и юности, когда идет усиленный рост организма, преобладает ассимиляция, а в старости, наоборот, распад - диссимиляция. Интенсивность этих процессов зависит от состояния организма. Так, во время работы или тяжелой физической нагрузки обмен веществ усиливается, а в покое он ослабевает. Ослабевает обмен веществ и при понижении температуры тела. Ученые заметили это, когда стали изучать зимнюю спячку у сурков, хомяков, сусликов, ежей и других зимнеспящих животных. Зимой, когда трудно раздобыть пищу, эти животные впадают в состояние оцепенения, перестают есть, температура их тела значительно снижается. При этом резко замедляются дыхание и сердцебиение, падает уровень всех других жизненно важных физиологических процессов, направленных на поддержание обмена веществ.
Обмен веществ значительно замедляется и у человека, если искусственно понизить температуру его тела. Это свойство в последние годы широко используется при операциях на сердце и крупных сосудах (см. стр. 194).
Мы пока рассматривали только одну сторону обмена веществ - обновление и построе-
ние клеток. Но человек живет, двигается, занимается умственным и физическим трудом, и вся его деятельность неразрывно связана с расходом энергии. Даже если он находится в полном покое, происходит затрата энергии на работу сердца, дыхательных мышц, внутренних органов и т. п. Следовательно, другая сторона обмена веществ - это освобождение энергии и ее использование.
ОБЩИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ
Закон сохранения вещества и движения впервые сформулировал М. В. Ломоносов. Суть этого закона заключается в том, что материя и энергия не зарождаются и не пропадают, а только видоизменяются.
Спустя сто лет немецкий врач Роберт Майер обнаружил, что цвет венозной крови в тропиках имеет более алый оттенок, чем в северных районах земного шара. Это наблюдение навело его на мысль, что между потреблением и образованием тепла в человеческом организме есть прямая связь. Развивая эту мысль, Майер после изучения баланса между потреблением и выделением тепла организмом, в 1841 г., сформулировал закон превращения и сохранения энергии.
Гладкие мышечные клетки.
Почти в то же время, но независимо от его работ к аналогичному выводу пришли английский физик Джемс Джоуль и немецкий ученый физик и физиолог Герман Гельмгольц.
Костная ткань.
После их работ стало очевидным, что этот закон имеет всеобщий характер, т. е. ему подчинены и все процессы, происходящие в живом организме.
Пищевые вещества, попадая в организм, проходят ряд сложных превращений, распадаются на простые по строению вещества и поступают в клетки. Здесь продолжается их дальнейший распад. При этом освобождается энергия, которая в свое время была поглощена при их образовании. Эта освободившаяся энергия и используется организмом.
Организм в целом и каждая его клетка в отдельности могут сохранить свою структуру и нормальную жизнедеятельность только благодаря непрерывному потреблению энергии. Как только прекращается поступление и превращение энергии, прекрасная, стройная структура клетки распадается и ее жизнедеятельность заканчивается. Энергию клетка получает в основном при расщеплении глюкозы 1 и жиров. Процесс этот происходит в особых включениях цитоплазмы, которые называются митохондриями. Митохондрии - это силовые, или энергетические, станции клетки. Каждая клетка содержит от 50 до 5000 митохондрий. В них-то и происходит в результате расщепления глюкозы образование довольно сложного вещества - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ- основной источник энергии для большинства
1 Глюкоза - виноградный сахар.
жизненных процессов клетки и организма. Она очень легко расщепляется, выделяет при этом энергию и является, таким образом, аккумулятором, отдающим энергию по мере ее надобности. В виде синтеза АТФ клетка получает более 55% энергии, образующейся при окислении глюкозы. Даже самые блестящие успехи современной техники бледнеют перед таким высоким коэффициентом полезного действия (к.п.д.) этого уникального клеточного механизма.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ
Обмен веществ - это непрерывная цепь сложных химических процессов, протекающих в клетке; им предшествует переваривание пищи в желудке и кишечнике, в ходе которого пищевые вещества расщепляются на более простые составные части. Только они усваиваются клетками, в которых из принесенных кровью веществ образуются новые сложные и разнообразные вещества, освобождается и используется энергия. Если бы мы попробовали химические реакции, происходящие в организме, провести в лаборатории, то потребовались бы высокая температура, повышенное давление и другие несвойственные организму условия.
В чем же дело? Ведь мы знаем, что в организме нет ни очень высокой температуры, ни повышенного давления. Происходит это потому, что в организме есть такие вещества, которые ускоряют ход химической реакции, а сами при этом не изменяются. Их действие подобно химическим катализаторам.
Приведем простой пример. Известно, что вода состоит из водорода и кислорода. При смешении чистого водорода и кислорода вода не образуется, если держать эту смесь даже многие годы. Но если прибавить к этой смеси немного платины, реакция пойдет очень быстро и образуется вода. Платина, не являясь составной частью воды, резко ускоряет эту реакцию, а сама выходит из нее без изменений. Нечто подобное происходит и в организме. Все химические превращения в нашем организме протекают с участием специальных биологических ускорителей, или катализаторов, - ферментов.
Ферменты - сложные органические вещества, во много миллионов раз увеличивающие скорость химических реакций. Это основная и единственная их функция в организме. Клетки нашего тела имеют огромный набор ферментов,
Способных произвести все необходимые превращения. Каждый фермент действует только на определенные вещества, определенный процесс или его этап и только при определенной температуре, реакции среды и т. д., т. е. обладает специфичностью и избирательностью действия. По меткому определению одного ученого, фермент подходит к веществу так же, как ключ к замку. Бывают ферменты пищеварительные, дыхательные, окислительные, восстановительные и другие с самым разнообразным характером действия. Одни участвуют в расщеплении поступающих веществ, другие обладают синтезирующей способностью - помогают организму в образовании новых молекул. Словом, ферменты являются необходимыми участниками обмена веществ, без них он невозможен.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ
Обмен веществ, происходящий в организме человека и животных, - это часть общего круговорота веществ в природе. Сложные вещества, которые человек и животные получают с пищей, расщепляются на более простые, усваиваются, а затем в виде углекислоты, воды и некоторых других веществ выделяются наружу и используются растениями. Растения под влиянием солнечной энергии вновь синтезируют из них сложные вещества. И так непрерывно, пока существует жизнь на Земле, будет происходить круговорот веществ в природе.
В состав живых организмов входят практически все существующие в природе химические элементы и соединения. Основную их массу составляют углерод, кислород и азот, поэтому круговорот этих веществ представляет для нас наибольший интерес. Углерод входит в состав очень многих химических соединений. Наш организм получает его с пищевыми веществами и выделяет при дыхании в виде углекислого газа. Из углекислого газа и воды в клетках зеленых растений, содержащих зеленый пигмент - хлорофилл, под влиянием солнечного света образуются сложные органические соединения - углеводы. Этот процесс называется фотосинтезом, в результате его образуются крахмал или другие углеводы, например глюкоза, и выделяется кислород.
Громадная поверхность всех зеленых растений очищает воздух от углекислого газа и выделяет миллиарды тонн кислорода. Так, наши зеленые друзья ежегодно поглощают около 170 млрд. т углекислого газа, выделяют
123 млрд. т кислорода, и запасы кислорода воздуха непрерывно пополняются.
Животные организмы, в конечном итоге, находятся в зависимости от растений, которые обладают способностью перерабатывать неорганические вещества в органические. Благодаря этому запасы органических веществ в природе не истощаются, и нам не угрожает голодная смерть.
Круговорот азота не менее важен для поддержания жизни на Земле, так как азот входит в состав белка. Люди и животные получают нужный им азот с белковой пищей и выделяют его с потом и мочой в виде аммиачных соединений. Растения получают азот из почвы, куда он попадает после разложения белковых веществ, или с азотистыми удобрениями.
Круговорот других элементов тесно связан с круговоротом углерода и азота и подчиняется общему закону природы - закону сохранения материи и энергии. Взаимоотношения живой и неживой природы полностью вытекают из этого закона. Жизненные процессы, происходящие в одних организмах, необходимы для существования других.
ПИЩА И ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Как разнообразна человеческая пища! Каких только блюд не существует на свете! Но все эти лакомства и яства, в конечном счете, состоят из белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных солей и воды. Все, что мы едим или пьем, в нашем организме распадается на эти или еще более простые составные части.
Белки
В начале прошлого столетия стало известно, что из всех тканей животного и растительного мира можно выделить вещества, по своим свойствам очень похожие на белок куриного яйца. Выяснилось, что они близки друг к другу и по составу. Поэтому им и было дано общее название - белки. Затем появился термин «протеины», от греческого слова «протос» - первый, важнейший, что указывает на первостепенную роль белка.
Белки - это очень сложные высокомолекулярные соединения. Молекула воды (Н 2 О) состоит всего из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода, молекула же белка состоит из многих десятков и сотен тысяч атомов. В ее состав входят азот, углерод, водород, кислород и некоторые другие элементы. Если нагреть в присутствии кислоты какой-либо белок, то он расщепляется на наиболее простые составные части, названные химиками аминокислотами. В их состав всегда входит азот.
В природе есть очень много разнообразных белков и трудно найти два похожих друг на друга. Между тем состоят они из небольшого количества различных аминокислот - всего около 20.
Чем же объяснить такое исключительное разнообразие белков, если они состоят только из 20 аминокислот? Математики подсчитали, что если из нескольких равных частей составить комбинации, в которых меняется только расположение частей, то число таких возможных комбинаций очень быстро возрастет при увеличении составных частей. Так, из 3 частей можно составить только 6 комбинаций; из 5 частей - 120; из 8 -до 40 тыс., а при 12 составных частях - 500 млн. Из 20 аминокислот можно составить колоссальное количество комбинаций, а так как в белковой молекуле одна и та же аминокислота может повторяться несколько раз и может меняться способ их соединения, то великое многообразие белка станет совершенно понятным.
Белковый обмен в организме происходит постоянно и очень быстро. О его скорости можно судить по обмену азота. Определяя количество азота, введенного с пищей и выведенного из организма, можно установить суточный азотистый баланс. Если количество вводимого и выделяемого азота одинаково, то гово-
Продукты, богатые белками: мясо, рыба, творог, сыр, хлеб, крупа, зерна бобовых растений, орехи, яйца.
рят об азотистом равновесии. Когда азота вводится больше, чем выделяется, то налицо положительный азотистый баланс. Чаще это бывает у детей, когда идет рост организма, или у людей, выздоравливающих после тяжелой болезни. Но бывает, что азота выводится больше, чем вводится, - это отрицательный азотистый баланс. Такое состояние наблюдается при голодании или при инфекционных заболеваниях.
Белки в организме могут строиться только из поступающего с пищей белка, точнее, аминокислот. А так как в живом организме образование белка идет непрерывно, то и поступление белка должно быть постоянным. Более или менее продолжительная недостаточность белка в пище может вызвать очень серьезные расстройства здоровья; ведь организм человека и животных не может синтезировать свой собственный белок из других питательных веществ - жиров и углеводов.
Белки, как мы уже упоминали, в пищеварительном тракте расщепляются на аминокислоты, которые всасываются в кровь. Из этих аминокислот организм синтезирует свой собственный белок. Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести чужой белок непосредственно в кровь, то он не только не будет использован нашим организмом, но и вызовет серьезные осложнения: повышение температуры, судороги, нарушение дыхания и сердечной деятельности. Это объясняется строгой специфичностью белков каждого организма. В ответ на проникновение в кровь чужого белка организм вырабатывает специальные вещества - антитела, которые его разрушают.
Вот почему попытки пересадить чужие органы и ткани животному или человеку заканчиваются пока неудачей. Технически хирурги с этой задачей вполне справляются, но возникает белковая несовместимость, и пересаженный орган не приживается.
Примером может служить попытка эквадорских хирургов пересадить чужую руку матросу, лишившемуся руки. Сложная операция прошла блестяще, были сшиты все мышцы, сосуды, нервы, соединена кость. В руке восстановилась циркуляция крови, передавалось раздражение по нервам. Казалось, что все уже в порядке и рука прижилась, но через две недели из-за белковой несовместимости ее пришлось ампутировать, так как чужеродная ткань начала отравлять весь организм.
Только у близнецов, развившихся из одной яйцеклетки матери, нет белковой несовместимости. У них, как правило, бывает полное анатомическое сходство и однородный белковый состав. Поэтому органы и ткани их взаимозаменяемы. В медицине уже известны случаи удачных пересадок органов, в частности почек, от одного близнеца другому.
Мы уже говорили, что белки состоят из 20 аминокислот. Однако не всякий белок имеет полный набор всех аминокислот и не все аминокислоты одинаково важны для организма. Примерно половина из них незаменима, и их поступление в организм обязательно. В зависимости от набора аминокислот, входящих в молекулу белка, белки делятся на полноценные, содержащие необходимые аминокислоты, и неполноценные, не содержащие некоторых из них. Полноценные белки преимущественно животного происхождения (мясо, рыба), неполноценные - растительного, хотя белки бобовых растений содержат полноценный белок.
Пища человека должна содержать столько белка, сколько его нужно для удовлетворения всех потребностей организма (а это "зависит от возраста, пола, профессии и т. д.). В среднем считается достаточным ежедневное потребление белка в пределах 100-120 г. А при тяжелом физическом труде эта норма повышается до 130-150 г. Белки - это преимущественно строительный материал, хотя они могут быть использованы организмом и как источник энергии.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Они широко распространены в растительном мире. Это основной источник энергии в нашем организме (они дают 75% всей необходимой нам энергии). Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей мы получаем и те и другие, причем простые сразу всасываются в кровь, а сложные вначале должны расщепиться. Сложные углеводы - это крахмал, тростниковый и свекловичный сахар, простые - виноградный сахар, или глюкоза, фруктоза и др. У здорового человека концентрация глюкозы в крови всегда строго постоянна - 80-120 мг в 100 г крови. Излишек ее вновь может синтезироваться в сложный углевод, так называемый гликоген, или животный крахмал, основные запасы которого откладываются в печени, достигая 300 г. Этот резерв организм использует в случае непредвиденного расхода энергии. Гликоген откладывается также и в мышцах.
Продукты, богатые углеводами: овощи, картофель, крупа, хлеб, сахар, варенье.
Если человек сразу потребляет большое количество сахара, то его излишек выделяется с мочой. Это быстро проходит и не опасно для организма. Однако надо помнить, что здоровому человеку не рекомендуется съедать в один прием больше 100 г сахару. Но если сахар обнаруживается в моче в течение длительного времени, то это может быть признаком серьезного заболевания - сахарного диабета.
Углеводы не только источник энергии; они играют очень большую роль и в жизнедеятельности организма как полисахариды, или сложные сахара. Это высокомолекулярные соединения, которые не уступают по своей сложности белкам. Они входят в состав соединительной ткани, костей и хрящей. Кроме того, полисахариды играют очень большую роль в борьбе организма с инфекционными заболеваниями. Антитела, которые вырабатывает организм в ответ на проникновение различных микробов и вирусов,- полисахариды. К полисахаридам относится и очень широко распространенное в животных тканях вещество - гепарин, который предохраняет кровь от свертывания.
В нашей обычной смешанной пище количество углеводов вполне достаточно для удовлетворения потребностей организма, и практически организм никогда не испытывает в них нужды. А если углеводов не хватает, то организм может синтезировать их из белков и жиров.
Жиры
Жиры - это в первую очередь энергетический материал: в 1 г жиров содержится в два раза больше энергии, чем в 1 г углеводов. В пищеварительном тракте жир расщепляется на
Жирные кислоты и глицерин. Проходя через слизистую оболочку кишечника и всасываясь в кровь, они вновь соединяются друг с другом и образуют новый, свойственный данному организму жир, во многом отличающийся от потребляемого. Свой собственный жир организм синтезирует при употреблении разнообразных животных и растительных жиров. Но если человек будет употреблять какой-нибудь один вид жира, например свиное сало, то и его собственный жир по своим свойствам будет близок к свиному салу.
Всосавшийся жир откладывается в так называемых «жировых депо»: в подкожной клетчатке, сальнике, околопочечной клетчатке, в области таза.
Жировая клетчатка в организме - это запасной энергетический материал, который способствует теплоизоляции нашего организма и служит амортизатором. Последнее видно из такого примера: мы не замечаем тяжести своего тела, когда стоим. Большую роль в этом играют естественные жировые подушки, которые находятся в области сводов стопы и принимают на себя, амортизируют, весь наш вес. В этом вы легко убедитесь, если станете на колени: очень быстро тяжесть тела даст о себе знать сильной болью.
Жировая клетчатка есть только у теплокровных животных. Особенно она развита у зверей Заполярья - тюленей, моржей, белых медведей. У холоднокровных - лягушек, рыб - ее нет.
Количество жира в человеческом теле индивидуально, но у женщин на долю жира в общем весе тела приходится почти 30 %, а у мужчин- только 10%.
Значительное отложение жира в теле-признак нарушения обмена веществ. У тучного
Продукты, богатые жирами: сливочное масло, подсолнечное масло, шоколад, орехи, желток яйца.
человека обмен веществ протекает медленнее, чем у худощавого. Ожиревший человек теряет бодрость и жизнерадостность, становится вялым, неинициативным. Даже в сказках, этом кладезе вековой народной мудрости, отважные рыцари, умные, энергичные люди, стремящиеся к достижению своих целей, всегда худощавые, а неповоротливые и ленивые - толстые.
Жир - это необходимая составная часть клеток. В организме он находится также в виде жироподобных веществ - липоидов. Липоиды входят в состав нервной ткани, оболочки клетки и являются основой для образования гормонов.
Состав пищевого жира неоднороден, и разные жиры имеют разную биологическую ценность. Для человека наиболее целесообразно содержание жира в пище от 1 до 1,25 г на килограмм веса. Это значит, что если человек весит 70 кг, то он должен в день употреблять от 70 до 100 г жира, а так как жир входит в состав почти каждого пищевого продукта, то в эту норму включается общее количество жиров, поступивших в организм во всех видах. Половина потребляемых жиров должна быть животного, а половина растительного происхождения.
Это важно потому, что, как мы уже говорили, все жиры при расщеплении в пищеварительном тракте распадаются на жирные кислоты и глицерин. Жирных кислот два вида - насыщенные и ненасыщенные. Все жиры содержат и те и другие, но в животных жирах больше насыщенных, а в растительных, наоборот, больше ненасыщенных жирных кислот. Исследования последних лет показали, что ненасыщенные жирные кислоты имеют важное значение для организма. Они повышают его сопротивляемость к различным инфекциям, снижают чувствительность к радиоактивному излучению, входят в соединение с холестерином 1 и препятствуют его отложению в стенках сосудов, предупреждают болезнь сосудов - атеросклероз.
Из ненасыщенных жирных кислот особенно большое значение имеют три - линолевая, линоленовая и арахидоновая. Первые две содержатся в большом количестве в конопляном, льняном и подсолнечном масле, а третья (ее называют витамином F) - главным образом в животном жире - свином сале и яичном желтке. Из всех трех ненасыщенных жирных кислот только арахидоновую организм может синтезировать при наличии линолевой кислоты и витаминов группы В.
Если жир полностью исключить из пищи, организм будет синтезировать его из белков и углеводов.
Таким образом, питательные вещества - белки, углеводы и жиры - необходимые участники обмена веществ, без них он невозможен.
Открытие клетки, несомненно, является одним из важнейших открытий человечества.
Это великое открытие принадлежит английскому физику Р. Гуку, он в 1665 г. первым рассмотрел через свой усовершенствованный микроскоп обычную пробку в разрезе. Гук увидел ячеистый состав пробки, под микроскопом это выглядело как пчелиные соты. Видимые ячейки позже ученый назвал клетками.
Р. Гук. Краткая биография
Роберт Гук родился 18 июля 1635 года (умер 3 марта 1703 года). Его отец хотел вырастить его духовным наставником, но так как у мальчика было слабое здоровье, его отдали в ученики к часовщику. Впоследствии, увидев рвение мальчика к науке, Роберт был отправлен сначала в Вестминстерскую школу, затем в Оксфордский университет, где он стал помощником известного тогда ученого Роберта Бойля. За всю свою жизнь Гук сделал множество громких открытий и изобретений, одним из которых является открытие клетки.
Коллегия невидимых
Открытие клеточного строения произошло в то время развития человечества, когда экспериментальная физика стала претендовать называться госпожой всех наук. В Лондоне было создано общество величайших ученых, которые делали упор в совершенствовании мира на конкретные физические законы. На встречах членов сообщества не происходило никаких политических дебатов, подвергали обсуждению только различные эксперименты и делились исследованиями по физике, механике. Времена тогда были беспокойными, и ученые соблюдали очень строгую конспирацию. Новое сообщество стали называть «коллегия невидимых». Первым, кто стоял у истоков создания общества, был Роберт Бойль - великий наставник Гука. Коллегия выпускала необходимую научную литературу. Автором одной из книг стал Роберт Гук, который тоже входил в это секретное научное сообщество. Гук уже в те годы слыл изобретателем интересных приборов, позволяющих делать великие открытия. Одним из таких приборов был микроскоп.
Микроскоп
Одним из первых создателей микроскопа был Захариус Йансен, который создал его в 1595 году. Задумка изобретения была в том, что монтировались две линзы (выпуклые) внутри специальной трубки с выдвижным тубусом для фокусировки изображения. Этот прибор мог увеличивать исследуемые предметы в 3-10 раз. Роберт Гук усовершенствовал это изделие, что и сыграло главную роль в предстоящем открытии.
Открытие
Роберт Гук в течение длительного времени наблюдал через созданный микроскоп разные мелкие экземпляры, и однажды для просмотра он взял обычную пробку из сосуда. Рассмотрев тонкий срез этой пробки, ученый удивился сложности структуры вещества. Его взору предстал интересный узор из множества ячеек, удивительно похожий на пчелиные соты. Так как пробка - это продукт растительный, Гук начал изучать с помощью микроскопа срезы стеблей растений. Везде повторялась аналогичная картинка - набор пчелиных сот. В микроскоп было видно множество рядов ячеек, которые разделялись тонкими стенками. Роберт Гук назвал эти ячейки клетками.
Заключение
Впоследствии образовалась целая наука о клетках, которая называется цитология. В цитологию входят изучение строения клеток и их жизнедеятельность. Используется эта наука во многих областях, в том числе медицине, промышленности.
Мы уже говорили о научных объединениях, создавшихся в XV-XVII вв. в ряде стран Европы, где передовые ученые того времени, не удовлетворяясь официальной университетской наукой, находившейся под сильным влиянием церкви, вели свободные естественно-научные исследования.
В XVII в. по инициативе Френсиса Бэкона такое объединение возникает в Лондоне. В 1645 г. группа ученых во главе с Робертом Бойлем организует собрания, где ставятся эксперименты и сообщаются результаты новых исследований. Эти собрания принимают регулярный характер. Члены общества, носившего вначале название «Коллегии невидимых», не ограничиваются собственными работами. Они собирают сведения об исследованиях, производимых в других странах, организуют переписку с иностранными учеными. Неясные вначале цели коллегии понемногу начинают оформляться: члены коллегии ставят перед собой задачу распространения естественных наук, борьбу с верой в тайные силы природы путем вскрытия ее истинных законов. Общество избирает своим девизом: Nullius in verba - никому не верить на слово! Деятельность Лондонского научного общества к шестидесятым годам становится настолько обширной, что правительство не может обойти ее молчанием. В 1660 г. король Карл II становится членом объединения, а в 1662 г. законодательным актом оно превращается в Лондонское королевское общество для усовершенствования естественных наук. (The Royal Society of London of Improving Natural Knowledge). Это Королевское общество, как его сокращенно называют с того времени, привлекает корреспондентов, собирает коллекции и во второй половине XVII в. завоевывает признание в качестве мирового научного центра. Каждый ученый конца XVII и начала XVIII вв. считал для себя обязательным сообщить о сделанном открытии в Лондонское королевское общество, чем как бы закреплялся приоритет исследователя.
В 1662 г. «экспериментатором» общества становится Роберт Гук. Являясь одним из активнейших его членов, он в. 1672 г. избирается секретарем Лондонского королевского общества. В 1665 г. Гук издает сочинение - большой том, объемом более 200 страниц, содержащий 38 таблиц с рисунками. Книга Гука называлась «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел, осуществленные посредством увеличительных стекол». В этом своеобразном сочинении впервые отмечается клеточное строение некоторых частей растений; временем выхода этого сочинения Гука приходится датировать первый период в истории учения о клетке.
Роберт Гук - характерная для науки XVII в. фигура. Несомненно гениальный человек, он сделал ряд крупнейших физических открытий (закон деформации упругого тела, теория упругости, волновая теория света и т. д.). Однако Гук не удовлетворяется какой-либо одной областью исследования; его пытливый ум изобретателя стремится расширить рамки познавательных возможностей человека. Гук изобретает ряд физических приборов. Он интересуется телескопом и оптическими приборами и, когда знакомится с привезенным Дреббелем в Англию микроскопом, сразу оценивает возможности, которые открывает для исследователя новый инструмент. Однако первые микроскопы представляли собой слишком несовершенные инструменты, чтобы с их помощью можно было производить научные исследования. Гук берется за реконструкцию микроскопа. В его изобретательных руках микроскоп становится инструментом, позволяющим увидеть много недоступного невооруженному глазу.
Гук не имеет никакого плана исследований при помощи реконструированного им микроскопа, но понимает, что возможности нового инструмента необычайно широки. Он рассматривает в микроскоп самые различные объекты из мертвой и живой природы; описанию этих наблюдений и посвящена «Микрография». Никакой системы в изложении своих наблюдений Гук не соблюдает; при чтении его книги чувствуется, что автор клал под микроскоп все, что попадалось ему на глаза; всякие, не имеющие значения мелочи он описывает с таким же вниманием и серьезностью, как и значительные естественно-научные наблюдения.
Книга Гука, как это было принято тогда, начинается с посвящения королю, далее следует посвящение Лондонскому королевскому обществу и длинное предисловие с рассуждением о значении и методах исследования природы. В нем слышатся отзвуки требований, которые предъявлял к научному исследованию Френсис Бэкон. Гук отдает преимущество «механической, экспериментальной философии» перед «философией рассуждения и спора». В заключительной части предисловия Гук дает описание и изображение своего микроскопа и излагает методику наблюдения с этим новым прибором. Далее Гук описывает свои собственные «Наблюдения», нумеруя их по порядку и не прибегая к какой бы то ни было классификации. Вот для примера некоторые наблюдения Гука:
Наблюдение 1. О кончике острия маленькой иглы.
Наблюдение 3. О тонком батисте или льняной ткани.
Наблюдение 7. О некоторых явлениях в стеклянных каплях.
Наблюдение 8. Об огненных искрах от удара кремнем о сталь.
Наблюдение 12. О песке в моче.
Наблюдение 14. О различных фигурах, образуемых морозом.
Наблюдение 23. О замечательном строении водорослей.
Наблюдение 30. О семенах мака.
Наблюдение 43. О водяных насекомых или комарах.
Наблюдение 49. О муравье.
Наблюдение 53. О блохе.
Все свои «Наблюдения» Гук сопровождает превосходными таблицами. Рисунки выполнены с такой тщательностью и обнаруживают такую точность наблюдений, что некоторые его таблицы (муха, личинка и куколка комара, блоха и т. д.) можно и теперь поместить в соответствующие руководства.
Конечно, сам автор книги никак не предполагал, что среди 54 «наблюдений», изложенных в ней, особую славу принесет ему наблюдение, описанное под № 18 и озаглавленное: «О схематизме или строении пробки и о клетках и порах в некоторых других таких порозных телах».
Стоит отметить, что о «Скрытом Схематизме в тех телах, которые считают однородными, особенно в вещах, отличающихся специфическими чертами, и в их частях таких, как железо, камень, и в однородных частях растения, животного таких, как корень, лист, цветок, мясо, кровь, кость, и т. д.»,- писал Френсис Бэкон (1620) в «Новом органоне» (цит. по изд. Соцэкгиза. 1935, стр. 204). Так как «Новый органон» вышел значительно раньше «Микрографии», надо думать, что именно отсюда заимствует Гук понятие о «схематизме».
Рассматривая под микроскопом тонкие пластинки, вырезанные из пробки, Гук заметил правильно расположенные пустоты или поры, соотношение стенок, которых он сравнивал с сотами. В дальнейшем описании Гук называет открытые им в пробке пустоты «порами», или «клетками». Они, заявляет Гук, напоминают ему маленькие ящички, почему он и счел целесообразным применить термин «клетки». Свое описание Гук сопровождает таблицей. На таблице изображены продольный и поперечный разрезы пробки, послужившей первым объектом, на котором было открыто клеточное строение растительных организмов.
Такое же пористое строение было известно Гуку не только в пробке, т. е. в отмершей растительной ткани. Гук отмечает аналогичную структуру в сердцевине бузины и многих других деревьев, во внутренней мякоти камыша, укропа, моркови, репейника и некоторых травянистых растений.
Мёбиус (М. Moebius, 1937) в своей истории ботаники отмечает, что, приступая к микроскопическому исследованию пробки, Гук, по-видимому, не знал, что пробка - часть растения. Но найдя такое же строение в мякоти бузины, он пришел к выводу о растительной природе пробки.
Он даже смутно подозревает, что дело идет о каком-то общем явлении, но это общее он хочет усмотреть в пористости тел, отличным доказательством которой является, по мнению Гука, сделанное им наблюдение. Растения, на которых Гук увидел клеточное строение, были для него случайными объектами микроскопического исследования. Выпустив «Микрографию», Гук не возвращался более к микроскопическим исследованиям, его интересы обратились в другую сторону. Открытие, сделанное им на пробке и подтвержденное на некоторых живых частях растений, было для Гука лишь случайным эпизодом в период его увлечения новым инструментом. Но это открытие не осталось случайным эпизодом для развития науки и дало толчок для последующих, более систематических наблюдений над строением растений.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
«Игорь Васильевич Курчатов» - 7 Февраля 1960 года Игорь Васильевич скоропостижно скончался. Поступив в местную гимназию, он оканчивает ее в 1920 году с золотой медалью. Кто же такой КурчатовИ.В? Семья. Именем Курчатова, в 1960 году, назван основанный им Институт атомной энергии. Детство. И.В.Курчатов - депутат Верховного Совета СССР третьего и пятого созывов.
«Гук» - Герб Оксфордского университета. Гук, Роберт Материал из Википедии - свободной энциклопедии. К числу открытий Гука принадлежат: Павла. Купол Собора св. С 1664 - профессор Лондонского университета. Роберт Бойль. С 1667 Гук читает «Кутлеровские лекции» по механике. Барометр Гука. Изобретения. В 1684 изобрёл первую в мире систему оптического телеграфа.
«Биография Эйнштейна» - Атомная бомба. Альберт Эйнштейн умер в возрасте 76 лет, в США, в Принстоне. В 26 лет имя Эйнштейна было уже широко известно. В 30 лет он – уже Профессор университета в Цюрихе. Карта Германии. В 16 лет Эйнштейн отправился пешком из Милана в Цюрих. Эйнштейн увлекался парусным спортом и игрой на скрипке.
«Биография Ньютона» - 5 июня 1661г. Ньютон был принят в Тринити-колледж (коллегия Троицы) в Кембридже. Орбита кометы по рисунку Исаака Ньютона. Надгробие на могиле Ньютона. Внутренность школы в Грэнтэме. На статуе высечены слова Лукреция: «Разумом он превосходил род человеческий». Родился недоноском, поразительно маленьким и хилым.
«Л.И.Мандельштам» - Биография. Степень доктора натуральной философии (физики) Страсбургского университета (1902). В Страсбурге Николай Дмитриевич познакомился с Л. И. Мандельштамом, своим научным соратником и другом. Труды Папалекси посвящены вопросам радиофизики и радиотехники. Исследования по оптике посвящены преимущественно явлению рассеяния света.
«И.П.Кулибин» - Фонарь с зеркальным отражением. Особое внимание в юношеские годы уделял изучению часовых механизмов. В 1801 Кулибин вернулся в Нижний Новгород. В том же году изобретатель разработал конструкцию " механических ног " - протезов. Механические часы Кулибина. Русский механик-самоучка. В 1787г. Модель моста через Неву.
Всего в теме 25 презентаций