Эволюция представлений о клетке, отражение которой мы нашли в работах Вирхова, произошла не сразу.
Как и в других частях клеточного учения, эта эволюция вначале шла обособленно в ботанике и в зоологии. Первоначально полагали, что клетка — это, прежде всего, стенка, окружающая некоторое пространство. Отсюда — отказ признать за «клетки» структуры животного организма, который мы встречали у многих исследователей дошванновского периода, в частности, у Пуркине. Буквальный смысл термина, введенного еще в XVII в. Гуком, долго продолжал владеть умами ученых. Клетка — это камера, так представляли себе клетку до Шванна, так представлял ее Шванн, так понимали этот термин еще в 40-х годах прошлого столетия. Содержимое, заключенное внутри стенок клетки, интересовало многих ученых, особенно ботаников. Им много занимался, как об этом говорилось выше, Мейен. Во всех ботанических руководствах сороковых годов мы найдем главу, посвященную «содержимому клеток» (см., например, Унгер, 1844). Но это «содержимое» считалось второстепенной, несущественной частью клетки. Оно, считали тогда, не относится к обязательным составным частям клетки, так же как, по меткому выражению М. Гейденгайна (1898), содержимое какого-либо сосуда не есть самый сосуд и не входит в его понятие.
Несомненное значение в «открытии» протоплазмы у животных сыграли исследования Дюжардэна, о которых нам пришлось уже говорить, касаясь вопроса о распространении клеточной теории на протистов.
Дюжардэн начал свои исследования до опубликования книги Шванна. Еще в 1835 г. появляется серия статей Дюжардэна, объединенных общим названием «Исследования о низших организмах». Изучая корненожек, он обратил внимание на то, что их тело состоит из студенистого вещества, которому он дал название «саркода». «Я предлагаю обозначить этим названием, — писал Дюжардэн, — то, что другие наблюдатели называют жизненным студнем, эту клейкую прозрачную субстанцию, не растворимую в воде, сокращающуюся в виде шарообразных масс, пристающую к иглам при диссекции, которую можно растягивать, как слизь, наконец, находящуюся во всех низших животных, где она связывает другие структурные элементы» (1835, стр. 367). В ряде последующих работ Дюжардэн (1838, 1844) снова возвращается к понятию саркоды, и этот термин на некоторый период удерживается, особенно во французской литературе. Саркода и было то «живое вещество», которое впоследствии получило обозначение «протоплазмы».
Несколько слов о происхождении этого термина. Термин «протоплазма» принадлежит Пуркине. В 1839 г. в докладе «Об аналогиях в структурных элементах растительного и животного организма». Пуркине впервые применяет этот термин, сопоставляя «камбий» растений с «протоплазмой» животных эмбрионов. Камбий ботаники раньше считали за слизистый слой, но после работ Мирбеля (1837, 1839) стало известно о наличии в камбии клеток — пузырьков. Пуркине сравнивает содержимое клеток камбия с «протоплазмой» зародышей животных, с теми «студневидными шариками, или зернышками, которые представляют собой среднее состояние между жидким и твердым» (1840, стр. 115). В том смысле, в котором Пуркине употреблял интересующий нас термин, он вполне соответствует современному пониманию этого слова. Но Пуркине применял термин «протоплазма» лишь для структурных элементов развивающегося животного организма. Распространения этот термин вначале не получил, и лишь в 1846 г. он был снова введен в употребление Молем для обозначения вещества, из которого состоят сформированные клетки растений. Неясно, известно ли было Молю, что Пуркине пользовался этим термином до него; в работе Моля, где употреблен термин «протоплазма», нет упоминания о Пуркине, но в то же время Моль не подчеркивает, что этот термин введен им впервые.
Протоплазму в клетках растений, несомненно, видел Мейен, подробно описывавший содержимое клеток, где он различал «органические» и «кристаллические» структуры. Но Мейен не понял, что содержимое клетки составляет ее наиболее существенную часть. Протоплазму наблюдал и Шлейден. И для него это — вещество второстепенного значения, «камедь», вместилище «слизистых зернышек», из которых образуются ядра. В начале сороковых годов ботаники проявляют больше интереса к этому «азотсодержащему веществу», как его называет Негели. Однако сдвиг в представлении о «содержимом» клетки определяется лишь после работ Моля, которому клеточное учение обязано «открытием» протоплазмы в растительных клетках.
В специальной статье о строении растительной клетки Моль (1844) описывает пристеночный слой протоплазмы, который обычно не замечали предыдущие исследователи. Моль дает ему название «примордиального мешка» и указывает способ для его обнаружения в тех случаях, когда он плохо виден. Нужно подействовать на растительную ткань алкоголем, соляной или серной кислотой, и тогда «мешок» отстает от целлюлозной оболочки и становится отчетливо заметным в виде «замкнутой клетки» внутри оболочки. В следующей работе «О движении сока внутри растительной клетки» Моль (1846) пишет, что рассматривая азотсодержащее содержимое клетки, он никогда не видел светлого, водянистого клеточного сока, а всегда тягучую неокрашенную массу, заполненную мельчайшими зернышками, которая не только образует пристеночный слой, но скопляется в значительном количестве и вокруг ядра клетки. Так как эту вязкую жидкость можно заметить повсюду, где должны возникнуть клетки, причем ее видно ранее появления плотных частей клетки; так как, очевидно, именно с ней связаны физиологические функции клетки, то Моль предлагает назвать это вещество «протоплазмой».
Жизнедеятельность протоплазмы Моль видит, в частности, в исследованном им явлении движения протоплазмы в клетках.
На этом основано распространенное мнение, что термин «протоплазма» впервые предложен Молем.
Движение протоплазмы растительных клеток наблюдалось давно. Его заметил в 1772 г. Корти, но его открытие было совершенно забыто. Позже, в 1807 г. это движение наблюдал Л. X. Тревиранус у харовых водорослей; впоследствии оно было замечено у некоторых других водных растений и считалось их своеобразной особенностью. Лишь в сороковых годах движение протоплазмы стали рассматривать как общее проявление жизнедеятельности растений.
Вслед за Молем ряд ботаников посвящает протоплазме растительных клеток свои исследования. Прингсгейм (Nathanael Pringsheim, 1843—1894), тогда доцент Берлинского университета, позже директор Института физиологии растений в Иене, выступает в 1854 г. с работой, подтверждающей представления Моля. При делении клетки, показывает Прингсгейм, делится не только оболочка, но распределяется между дочерними клетками и протоплазма растительной клетки. Существенную часть растительных клеток представляет примордиальный мешок, а не целлюлозная оболочка. Новое представление о растительной клетке Прингсгейм называет «теорией примордиального мешка». Выяснилось далее, что зооспоры низших растений вообще лишены оболочки (Унгер, Кон, Прингсгейм). Это еще более укрепило представление о первостепенном значении протоплазмы в клетке растений.
Таким образом, независимо друг от друга шло открытие саркоды у животных и протоплазмы в клетках растений. Оставалось показать, что протоплазма растительных клеток и саркода низших животных организмов — одна и та же субстанция. Эта мысль впервые отчетливо была сформулирована Коном (Ferdinand Cohn, 1828—1898), впоследствии профессором ботаники в Бреславле и известным микробиологом. Еще совсем молодым ученым (ему было тогда 22 года) Кон выступил с работой об одноклеточных зеленых водорослях. Сравнивая саркоду, или сократимую субстанцию животных организмов (как ее называет Кон), с протоплазмой растительных клеток, автор приходит к выводу, что оптические, химические и физические свойства обеих субстанций вполне соответствуют друг другу, «Живчики водорослей на основе этой предпосылки построены как одноклеточные животные; покоящиеся, как обычно говорят, инцистированные эвглены построены типично как простые растения», — писал Кон (1850, стр. 747). Его исследования, однако, не были сразу оценены зоологами и анатомами. Прекрасная работа Кона с четкими выводами и богатейшим фактическим материалом, притом отлично иллюстрированная, осталась малоизвестной.
Выводы, сделанные Коном еще в 1850 г., получили подкрепление в работах Антона де Бари (Anton de Bary, 1831—1888), другого немецкого ботаника того же периода, основателя микологии и крупного исследователя в области анатомии растений. Его исследования по слизистым грибам (миксомицетам) дали большой материал для учения о протоплазме и показали возможность существования и в мире растений клеток, не имеющих целлюлозных стенок.
Большим вкладом явились также исследования по миксомицетам, выполненные в 1862—1863 гг. Львом Семеновичем Ценковским (1822—1887), замечательным русским ботаником, основателем отечественной школы микробиологов. В заключении своей первой работы о развитии миксомицетов Л. С. Ценковский писал: «Плазмодий (подвижная протоплазматическая масса миксомицетов) лишена оболочки, она состоит из прозрачного, исключительно растяжимого, сократимого и зернистого вещества» (1862, стр. 337). В отличие от де Бари, который рассматривал плазмодий миксомицетов как одноклеточное образование, Ценковский считал «подвижную протоплазматическую массу как жидкую, не расчлененную на клетки, как образование, для которого ранее общеупотребительная клеточная схема совершенно не применима» (1863, стр. 401). Это представление правильнее отражает природу плазмодия миксомицетов, чем взгляд де Бари.
Параллельно и в гистологии животных накапливается материал о значении протоплазмы и второстепенном значении клеточной оболочки. Большое значение в этом отношении имели работы немецкого физиолога Вильгельма Кюне (Wilhelm Kuhne, 1837—1900). Его исследование о раздражимости и сократимости протоплазмы (1864) показало тот субстрат, с которым в действительности связаны явления жизнедеятельности. Работы Вирхова и Кёлликера также дали в этом отношении значительный фактический материал.
Франц Лейдиг (Franz Leydig, 1821—1908), ученик Кёлликера, позже профессор в Бонне, своими многочисленными гистологическими исследованиями, в частности, работами по сравнительной гистологии, внес большую лепту в дело перестройки представлений о клетке. Вдумчивый гистолог, не старавшийся идти проторенными путями, Лейдиг не только обогатил гистологию многими фактами и явился пионером гистологии беспозвоночных животных, но своими сводками способствовал систематизации накопленного материала и в трактовке ряда проблем был ближе к правильному пониманию вопроса, чем многие из его современников. Еще в работе 1848 года Лейдиг показал, что бластомеры первоначально не имеют оболочки. Правда, он еще продолжает считать оболочку важной частью «настоящей» клетки, но по мере развития дальнейших сравнительногистологических работ, это представление Лейдиг оставляет, показывая, что у самых разнообразных клеток животных оболочки нет. В учебнике гистологии (1857) Лейдиг заявляет, что оболочка в клетках может отсутствовать и существенными частями клетки являются ее вещество и клеточное ядро.
«Открытие» протоплазмы часто связывают с именем Макса Шульце, работы которого, несомненно, имели значение в истории рассматриваемого вопроса, но, в сущности, оформили лишь то, что было подготовлено трудами предыдущих исследователей.
Макс Шульце (Max Johann Sigismund Schultze, 1825—1874) научную деятельность начал в качестве прозектора под руководством отца. С 1854 г. Макс Шульце занимает кафедру в Галле, а с 1859 г. переходит в Бонн, где остается до конца жизни и где им создан новый анатомический институт.
Работы Макса Шульце протекали в двух направлениях. Первое направление его исследований — изучение протистов в связи с выяснением роли протоплазмы и ее жизненных свойств. Вторая область исследований Шульце — гистология нервных окончаний. Ему мы обязаны некоторыми существенными нововведениями в микроскопической технике (введение осмиевой кислоты как фиксатора; применение йодсерума; конструкция термостата и т. д.)
Изучая корненожек, Шульце приходит к выводу об идентичности их саркоды с веществом животных клеток — веществом, для которого он применяет твердо вошедшее в ботаническую литературу обозначение «протоплазма». В одной из работ, посвященных корненожкам, Шульце писал: «чем менее полно затвердела поверхность протоплазмы, тем ближе находится клетка к первоначальному состоянию, в котором она представляет собою лишь голый протоплазматический комочек с ядром» (1860, стр. 299). В 1861 г. Макс Шульце публикует в Muller’s Archiv статью под названием: «О мышечных тельцах и о том, что называют клеткой». Нельзя не отметить, что для ответа на вопрос, «что нужно называть клеткой и что является важнейшим в клетке», Шульце выбрал неудачный объект — поперечнополосатую мышцу. Его интерпретация структуры мышечной ткани и представление о клетках в поперечнополосатой мускулатуре отличаются неясностью и путанностью. Недаром в следующем томе того же журнала появляется статья Ремака «Об эмбриологических основах клеточного учения», где он выступает против Шульце.
Ремак, несомненно, отчетливо представлял себе значение протоплазмы, но он выступает против расплывчатых представлений Шульце о поперечнополосатых мышцах и, в частности, критикует полное игнорирование им клеточной оболочки как структуры, которая и придает клетке её индивидуальность. Вместе с тем, по мнению Ремака, в определение клетки нужно ввести генетический момент — образование клетки путем деления.
В своей статье Макс Шульце указывает на сходство протоплазмы животных клеток с саркодой протистов и дает определение клетки, ставшее вскоре крылатым, часто употребляемое и в настоящее время. По Шульце, оболочка, которая ранее считалась обязательной, и притом важнейшей, частью клетки, не имеет никакого существенного значения. Клетка — это вовсе не камера, а скопление протоплазмы. Согласно определению Макса Шульце, «клетка — это комочек протоплазмы с лежащим внутри его ядром» (1861, стр. 9). Этим определением оформлялось новое представление о клетке, подготовленное всем развитием гистологии в середине прошлого столетия, представление, которое часто называют «теорией протоплазмы» и не совсем по существу противопоставляют ей старую «теорию клеток» (Turner, 1890).
Несколько позже Макс Шульце выступает с новым исследованием, где он сопоставляет протоплазму корненожек с протоплазмой растительных клеток, рассматривает характерные жизнепроявления протоплазмы и высказывает взгляд на протоплазму как на всеобщий носитель жизни. Термин «протоплазма» становится теперь синонимом понятия «живое вещество».
Характерно, что Гофмейстер (Wilhelm Hofmeister, 1824—1877), автор большого ботанического руководства (1867), выдающийся ботаник середины прошлого века, начинает изложение учения о растительной клетке прямо с протоплазмы.
Широкому и быстрому распространению нового взгляда на значение протоплазмы способствовала статья знаменитого английского зоолога Томаса Гекели (Thomas Henry Huxley, 1825—1895). Четкость мысли, уменье поставить вопрос во всей его широте и значимости, способность изложить проблему языком, понятным и неспециалисту, определили роль, которую в распространении взгляда на протоплазму как на субстрат жизненных явлений сыграла статья Гекели «Физическая основа жизни» (1808). Не меньшее значение имели лекции немецкого ботаника, профессора Боннского университета Ног. Ганштейна (Johannes von Hanstein, 1822—1880), составившие сборник «Протоплазма как носитель растительных и животных жизненных приспособлений» (1880).
Делая обзор успехов гистологии за 1869 г., киевский гистолог П. И. Перемежко в следующих словах формулировал новые взгляды: «Итак, вместо прежней шванновской схемы клетки… выработалась другая схема: морфологически клетка состоит из протоплазмы и ядра; протоплазма и ядро — две существенно необходимые составные части клетки; оболочка же не есть необходимая составная часть ее, так как клетка может существовать и без оболочки» (стр. 4).
Жизнь всегда и всюду связана с протоплазмой как материальным субстратом жизненных явлений, которые при всем разнообразии органической природы имеют общие закономерности. Таков вывод, к которому окончательно пришла биология в конце шестидесятых годов.
Макс Шульце говорил о клетке как о простом комочке протоплазмы, чрезвычайно примитивном по своему строению. Это отражало господствовавшие тогда взгляды на «простое» строение клетки. Представление о клетке как об элементарной единице строения связывалось с представлением и об элементарном строении самой клетки. Однако уже в то время ограниченность такого представления была ясна некоторым биологам.
Венский физиолог Брюкке (Ernst Brticke, 1819—1892) одновременно с Шульце выступает со статьей, отражающей зарождение новых мыслей о природе клетки.
Будучи физиологом, Брюкке много внимания уделял гистологии. Киевский анатом В. А. Бец (1834 — 1894), слушавший лекции и работавший у Брюкке, с большой симпатией отзывается о нем самом и обстановке работы в его лаборатории. Брюкке, пишет Бец, «анатом в душе, химик и физик по ремеслу… больше анатом, чем физиолог, больше физик и микрограф» (В. Бец, 1861, стр. 1095).
Статья Брюкке называлась «Элементарные организмы» (1861). В противоположность работе Макса Шульце, который опирался в своих выводах на определенный конкретный материал, статья Брюкке носила теоретический характер. Брюкке не удовлетворяет старая схема клетки. Представление о клетке как о плотной оболочке, где находится какое-то жидкое содержимое с ядром и ядрышком, — такое представление для нас, говорит Брюкке, уже лишено смысла. Клетка, как ее характеризует Брюкке, это — «элементарный организм». «Я называю клетку элементарным организмом, — говорит он, — так же, как называют элементами тела, которые до сих пор химически не разложимы». Но элементарный организм не может быть простым комочком протоплазмы. Он должен иметь достаточно сложное строение, и потому Брюкке считает возможным высказать предположение, что «сами клетки, возможно, состоят снова из других, еще более мелких организмов, которые в таком же отношении находятся к клетке, как последняя к организму в целом» (1861, стр. 381). Мы увидим, что позже эта мысль была подхвачена Альтманом в его теории биобластов, но в 60—70-х годах статья Брюкке имела другое влияние. Она будила мысль о том, что простота клетки только кажущаяся, что в действительности клетка, как маленький организм, должна иметь сложное строение; это побуждало искать и вскрывать структуру клетки.
Таковы итоги третьей четверти прошлого столетия. Окончательно укрепляется представление о клетке как об элементарной единице строения всей органической природы; единице, которая может вести самостоятельное существование в виде одноклеточных организмов или входить в состав многоклеточного организма. Все этапы развития организма и жизнедеятельности рассматриваются в свете клеточного учения. Устанавливается единый для всех организмов способ клеткообразования — деление клеток. Наконец, изменяется представление о компонентах клетки, выясняется второстепенное значение клеточной оболочки и, наоборот, первостепенное значение протоплазмы и заключенного в ней клеточного ядра.
Под влиянием Вирхова резче выступает основанное на клеточной теории механистическое понимание организма как совокупности «элементарных организмов» — клеток, которые наделяются индивидуальностью. Центр внимания биологов в проблеме «часть и целое» переносится на части, и целое трактуется как сумма составляющих его частей. Эта линия развития клеточной теории, как мы дальше увидим, все усиливается, и в последней четверти прошлого столетия вырождается, в конце концов, в грубо механистическую теорию клеточного государства.