На развитие научных представлений о клетках оказала огромное влияние работа немецкого физиолога и убежденного католика Теодора Шванна. Он занимался исследованиями нервных и мускульных тканей при помощи микроскопа и открыл жировую оболочку, покрывающую многие нервные клетки. С тех пор эти клетки так и называются «клетками Шванна». Немецкий ученый порвал с традиционным и, по сути, мистическим представлением о неких «жизненных силах» и стал искать сугубо научное объяснение жизненным феноменам, которое базировалось бы на точных законах физики и химии.
Во время обеда Шванна и ботаника (он же адвокат) Маттиаса Шлейдена в 1837 году разговор коснулся ядра растительных клеток, и Шванн вспомнил, что видел внутри животных клеток такие же образования, которые он ранее наблюдал внутри растительных клеток. Этот миг положил начало созданию подлинной клеточной теории.
В 1838 году Шлейден предположил, что каждый структурный элемент растений был создан из клеток либо из их производных. В следующем, 1839 году с подобным же выводом относительно животных выступил и Шванн, выпустивший свой знаменитый труд «Исследования сходства в структуре и развитии растений и животных при помощи микроскопа». В этом труде Шванн утверждал, что «первичные структуры всех тканей образованы клетками». Имена Шлейдена и Шванна столь же тесно связаны с теорией клеток, как имена Ватсона и Крика — с открытием ДНК, сделанным столетием позже. Однако когда Шлейден и Шванн попытались понять, как же размножаются клетки, они допустили серьезнейшие ошибки.
Разумеется, нам следует принять во внимание те объективные трудности, с которыми они столкнулись. Если ученый обладает микроскопом, то какие области он должен исследовать, чтобы увидеть, как формируются клетки? В любом живом теле нет таких очевидных мест. Лучше всего наблюдать за этим на примере развивающегося эмбриона, но для этого требуется сначала осознать, что все клетки тела ведут свое происхождение от одной-единственной клетки, от оплодотворенного яйца, которое в дальнейшем размножается путем деления. Шлейден и Шванн этого не знали, и это было неизвестно еще нескольким поколениям ученых, работавших позже них. Шлейден полагал, что первый этап в процессе воспроизводства клетки связан с формированием центра кристаллизации в пространстве за пределами клетки, после чего вокруг этого центра начинает образовываться новая клетка. По мнению Шванна, формирование новой клетки начинается с образования центра кристаллизации в свободном пространстве между отдельными клетками.
При этом Шлейден и Шванн либо не знали, либо игнорировали результаты наблюдения, сделанного Дюмортье в 1832 году, когда французский ученый увидел, что клетки зеленой водоросли размножаются путем деления. В области исследования животных клеток ключевым стало открытие в 1841 году немецким ученым Робертом Ремарком, который критически отнесся к теории, выдвинутой Шлейденом и Шванном, процесса размножения клеток эмбриона цыпленка. Другим важнейшим открытием Ремарка стало то, что оплодотворенное яйцо лягушки подвергается многократному последующему делению, в результате чего появляется эмбрион лягушки. Ремарк также сделал вывод о том, что различные злокачественные опухоли и новообразования на теле людей и животных появляются за счет деления изначально здоровых клеток.
В 1859 году немецкий ученый Рудольф Вирхов писал: «Любое животное является слагаемым из основных элементов, каждый из которых обладает характерными признаками живого организма. Из этого следует, что основной живой организм, так называемый индивидуальный организм, можно сравнить со своего рода социально организованным обществом, в котором отдельные члены зависят друг от друга таким образом, что при этом каждый отдельный элемент ведет свою собственную особую деятельность и, получая стимулы к своей деятельности от других элементов, тем не менее выполняет свою задачу своими собственными силами».
Здесь впервые прозвучала концепция, что мы представляем собой сообщество клеток. Идеи Вирхова стали основой теории формирования клеток, пусть даже сами механизмы возникновения новых клеток и не были еще до конца понятны ученым. Ученые уже увидели развитие оплодотворенного яйца лягушки и его последующее деление, приводящее к возникновению множества новых клеток, ряд из которых впоследствии развивался в клетки мускулов и хрящей. Как происходило это превращение, они не знали. Кроме того, ученым было нелегко признать некоторые «казусы» — например, то, что и нервы состоят из одной клетки хотя их отростки, аксоны, тянутся порой на метр в длину, и они мало похожи на привычные небольшие круглые клетки, которые наблюдались во всех остальных животных тканях. Попытки воссоздать и описать трехмерную структуру нервной системы наталкивались на невозможность определить истинные взаимоотношения нервных клеток и их длинных отростков и ответвлений.
Важный прорыв в этой области произошел в 1873 году, когда итальянский физиолог и нейрогистолог Камилло Гольджи (1843–1926) разработал способ окрашивать нервные клетки контрастным материалом. Теперь даже слепой, по словам самого Гольджи, мог легко увидеть нервы со всеми их отростками и соответственно изучить их. Гольджи полагал, что нервные аксоны со всеми их многочисленными ответвлениями, ясно видные после их окраски черной краской, образуют гигантскую разветвленную нервную сеть, через которую передаются нервные импульсы. Но Гольджи заблуждался: то, что он видел, было не аксоном одной нервной клетки с многочисленными ответвлениями, а множеством пересекающихся аксонов, которые относились к различным нервными клеткам.
Решающие изменения случились во второй половине 1880-х годов. В октябре 1886 года швейцарский эмбриолог Вильгельм Хис выдвинул идею о том, что каждая отдельная нервная клетка со всеми ее аксонами представляет собой отдельную системную единицу. С этого момента нервную систему стали рассматривать как совокупность отдельных клеточных элементов, каждый из которых взаимодействует с другими благодаря пересекающимся отросткам. Решающее доказательство правильности этой теории было получено лишь с помощью электронного микроскопа, который появился в 1930-е годы и позволил увидеть межнейронные синапсы — зоны функционального контакта двух нервных клеток.
С открытием Хиса наибольшую важность приобрели исследования внутренней структуры клетки. Ученые уже определили, что внутри как растительных, так и животных клеток находится ядро, хотя в ту пору никто еще не знал, что это ядро содержит в себе набор генов. Для того чтобы понять это, требовалось более тщательно изучить внутреннее строение клетки. Во время исследований растительных и животных клеток было установлено, что в момент деления клетки оболочка ядра растворяется и через срединную часть клетки протягивается веретенообразная структура. На этом веретене в центре клетки собирался определенный органический материал, который затем попадал в обе дочерние клетки. Когда клетка разделялась на две новые клетки, каждая из них получала свою отдельную оболочку и в каждой из них формировалось свое собственное ядро.
То, что собиралось в центре клетки на веретене, и представляло собой наследственный материал клеток — но кто мог понять это в ту пору? В 1870-е годы ученые установили лишь, что этот материал представляет собой набор микротрубочек различных размеров, каждая из которых делится надвое, и затем образовавшиеся пары разделяются и расходятся к разным полюсам клетки-матери, чтобы оказаться в новых клетках. Эти микротрубочки ученые назвали хромосомами.
Профессор зоологии Лейденского университета Эдуард ван Бенеден во время изучения паразитического червя установил, что в его клетках содержится всего несколько хромосом. Благодаря этому он мог легко проследить за судьбой каждой из хромосом при делении клеток, то есть в процессе митоза. Ван Бенеден установил, что каждая пара хромосом делится в центре клетки, после чего хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки. В ходе этих исследований ван Бенеден установил также, чем определяются половые различия особей.