2. Az élet egységei és a mikroszkóp A sejtek vizsgálati módszerei

Átírás

1 2. Az élet egységei és a mikroszkóp A sejtek vizsgálati módszerei Eszembe jutott, hogy a sejtekről és a sejtalkotókról már az általános iskolában is szó volt. De mi is tulajdonképpen a sejt? Az is érdekes kérdés, hogy mikor és hogyan jöttek rá a tudósok arra, hogy az élőlények sejtekből állnak. A sejt az élővilág legkisebb alaki és működési egysége. Minden élőlény egy vagy több sejtből áll (2.1. ábra). A sejtek azonban olyan parányiak, hogy szabad szemmel nem láthatóak. Éppen ezért a felfedezésükhöz szükség volt egy olyan hatékony nagyítóeszközre, amely lehetővé tette felismerésüket. Ez a hatékony nagyítószerkezet a mikroszkóp. A mikroszkóp tulajdonképpen egy nagyítólencsékből álló rendszer. A nagyítókat és a kombinációjukkal kialakított szerkezeteket a középkor óta ismerjük Európában. Az első hatékony lencserendszert a Janssen testvérek állították össze még a XVI. század végén. Az első tudományos igényű mikroszkópot azonban Robert Hooke készítette a XVII. század második felében (2.2. ábra). Ez az eszköz már alkalmas volt arra, hogy részletgazdag t lehessen vele készíteni elsősorban növényi metszetekről és kisméretű állatokról. A metszetek és az állatok rajzait Hooke a Micrographia című munkájában gyűjtötte össze. Tőle származik a sejt (angolul: cell) elnevezés is. A kisméretű, egysejtű élőlények létezéséről Anthony van Leeuwenhoek írt először a XVIII. század elején (2.3. ábra). Az ő munkásságát tekinthetjük a mikroszkopikus élőlényekkel foglalkozó mikrobiológia születésének. Ő látott és rajzolt le először baktériumokat. Leeuwenhoek valójában egy egyszerű nagyítót használt mikroszkóp gyanánt. Erre azért volt szükség, mert a lencsék nem megfelelő csiszolása színhibákat okozhat, amelyek több lencse alkalmazása esetén felerősödnek. A lencsék megfelelő csiszolását, és így a hatékony mikroszkópok létrehozását a híres matematikus, Euler számításainak köszönhetjük. A mai fénymikroszkópok egy megfelelően csiszolt lencsepárból állnak. A vizsgált metszet közelében elhelyezkedő lencsét tárgylencsének (ob- jektív), míg a szemünkhöz közel esőt szemlencsének (okulár) nevezzük. A két lencsét egy belülről sötétre festett csőrendszer, a tubus tartalmazza, amely a legtöbb mikroszkópban kényelmi szempontok miatt nem függőleges. A tubus alatt helyezkedik el a tárgyasztal, benne a fényáteresztő rekesszel. A tárgyasztal (azaz a metszet) és az objektív távolságát az állványon található csavarokkal tudjuk szabályozni. Ez a távolsági beállítás teszi lehetővé az éles kép létrejöttét (2.4. ábra) A mezei zsálya szára nagyított n 2.2. Robert Hooke ( ) és mikroszkópja Hány lencse volt Leeuwenhoek mikroszkópjában? 2.3. Anthony van Leeuwenhoek ( ) 17

2 Növények világa tubus szemlencse revolverfoglalat tárgylencse állvány tárgyasztal tartócsipeszek durva beállító csavar fényrekesz finom beállító csavar fényforrás talp 2.4. Modern fénymikroszkóp Gyűjtő- vagy szórólencsék van-nak a mikroszkópban? 2.5. Tárgylencse és szemlencse 2.6. A lúdfű gyökércsúcsának mikroszkópos A mikroszkóp nagyítása a szemlencse és a tárgylencse együttes nagyítási sségéből számítható (2.5. ábra). A diákok által használt mikroszkópokon a szemlencse általában 10-szeres nagyítású. A legtöbb mai mikroszkópon több tárgylencsét is találunk, melyeket a forgatható revolverfoglalat tartalmaz. A szükséges nagyítás beállításához a megfelelő tárgylencsét kell a fényrekesz fölé állítanunk. Olvastam egy mikroszkópról szóló könyvben, hogy egy megfelelően használt lencsepár összes nagyítási sségét úgy számítjuk ki, hogy a két lencse önálló nagyítósségét összeszorozzuk. Ez a mikroszkópra is igaz? Igen. Ha például 10-szeres nagyítású szemlencsét és 4-szeres nagyítású tárgylencsét alkalmazunk, akkor a nagyítás mértéke 10 4 = 40-szeres lesz. Egy tudományos igényű mikroszkópos n általában megadják az összehasonlító méreteket is, gyakran olyan módon, hogy egy adott szakasz valós hosszát adják meg. Ezt megmérve az adott n, megtudhatjuk az elkészült kép nagyítási mértékét. A 2.6. ábrán a lúdfűű oldalgyökerének képződéséről készült felvétel látható. Tegyül fel, hogy a 20 μm hosszú szakaszok ezen a n 1 cm-esnek látszanak. Így a nagyítás mértéke: 1 cm 20 m = m m = m 2 =5 10 =500-szoros. 6 5 m 210 m 18

3 A mikroszkóp képalkotásánál nem csak a nagyítás mértékét, hanem a felbontósségét is figyelembe kell venni. A felbontósség az a legkisebb távolság, amelyet mikroszkóppal még érzékelni tudunk. Ha pl. egy mikroszkóp felbontóssége 10 μm, akkor csak a legalább ekkora távolságra lévő pontok különböztethetők meg egymástól a mikroszkóppal. A mikroszkóp működését már értem. De hogyan vezetett a mikroszkóp használata ahhoz a felfedezéséhez, hogy az összes élőlény sejtekből áll? A mikroszkóp elterjedésével egyre több élőlény szerkezetét tanulmányozták a tudósok. A XIX. század elejére nyilvánvalóvá vált, hogy minden addig megfigyelt élőlény sejtekből áll. Ennek alapján egyre elterjedtebb lett a sejtelmélet, amelyet végül 1839-ben két német tudós fogalmazott meg. Schleiden és Schwann elméletét később egy szintén német orvos, Virchow egészítette ki. Theodor Schwann ( ) német anatómus elsősorban állatokkal foglalkozott (2.7. ábra). Ő fedezte fel például az idegrendszerben szigetelő feladatot ellátó támasztósejtet, amelyet később róla neveztek el. Mindazonáltal növényi sejteket is vizsgált, így általános tapasztalata volt az élet sejtes alapjáról. Matthias Jakob Schleiden ( ) német természettudós, elsősorban botanikus volt (2.8. ábra). Számos növényfaj leíróját tisztelhetjük benne. Munkásságában kiemelkedő szerepet játszottak mikroszkópos vizsgálatai, amelyek a Schwannal folytatott egyeztetések során a sejtelmélet megfogalmazásához vezettek. Rudolf Virchow ( ) német orvos, később politikus. Munkássága főleg az emberi betegségek okainak feltárására irányult. Mikroszkópos vizsgálatait elsősorban emberi szöveteken végezte. Ő mondta ki először, hogy minden sejt csak másik sejtből keletkezhet. A klasszikus sejtelmélet szerint tehát minden élőlény sejtes szerveződésű. Az egysejtűek természetesen egyetlen sejtből, a többsejtű élőlények pedig több, akár több milliárd sejtből is állhatnak. A természetben minden sejt csak másik sejtből keletkezhet (2.9. ábra). Mindezek miatt a sejtek élete kettős természetű: egyrészt önálló egységek, a többsejtű élőlényekben viszont egy szervezetnek az egységei. Ez a kettős természet az oka annak is, hogy az egyed halála nem jelenti azonnal összes sejtjének egyidejű halálát is. A többsejtű élőlények jelentős része azonban nem egyszerűen sejtjeinek összességeként értelmezhető. Rájuk az alkotósejtek közötti szigorú munkamegosztás jellemző. Éppen ez az együttműködés adja a többletet egy egyszerű sejthalmazhoz st Theodor Schwann ( ) 2.8. Matthias Jakob Schleiden ( ) Hány sejt lesz összesen, ha mindkét sejt még kétszer osztódik? 2.9. Osztódó sejtek mikroszkópos 19

4 Növények világa sejtmag membránhólyagocskák mitokondrium Egy állati sejt vázlatos rajza sejtfal sejtplazma riboszómák tok plazmidok belső membránrendszer baktériumcsilló baktériumkromoszóma Prokarióta sejt felépítése A sejteket mikroszkóppal is megfigyelhetjük. Az általános iskolában szó volt a sejtalkotókról is. Vajon ezeknek a működése is összerendezettséget mutat? A sejtalkotók k vagy sejtszervecskék a sejt működési egységei. Ezeket ál- talában óriásmolekulák építik fel. Működésük alapvető a sejt élete szempontjából (2.10. ábra). A sejtplazma (citoplazma) a sejt alapállománya. Nagyobb részben vizet tartalmaz. A sejtplazmában számos ionvegyületet és kisebb-nagyobb molekulát találunk vizes oldat formájában. A többi sejtalkotó ebben helyezkedik el. A sejtplazmát a külvilág felé a (sejtmembrán) határolja. Ez hatékonyan választja el a sejt belső terét a külső környezettől. Ez a sejtalkotó s befolyásolni az anyagok be-, illetve kiáramlását is. Ezzel szabályozott összeköttetést biztosít a két oldala között. Az élő sejtek az örökítőanyagban hordozzák a felépítésükre és a működésükre vonatkozó programot. Az örökítőanyag az élőlények egy jelentős csoportjában a sejtplazmában található. Ezeket szakkifejezéssel prokarióta élőlényeknek nevezzük (2.11. ábra). Ilyenek például a baktériumok. Az eukarióta sejtekben az örökítőanyag a sejtmagban található. Az egysejtűek egy része, valamint a többsejtű élőlények az állatok, a növények és a gombák eukarióták. sejtüreg mitokondrium sejtfal zöld színtest belső membránrendszer sejtplazma Növényi sejt vázlatos rajza sejtmag Az eukarióta sejtek további sejtalkotókat is tartalmaznak. Fontos sejtszervecskéik a kettős membránnal borított mitokondriumok, amelyek a sejtek energiaellátásáért felelősek. Az önálló belső membránrendszer részei a fehérjék előállításáért felelősek. Szerepük a sejten belüli anyagáramlási folyamatokban is jelentős. A baktériumok, a gombák és a növények sejtjei a sejthártyán kívül egy külső réteggel is rendelkeznek. Ezt sejtfalnak nevezzük (2.12. ábra). A sejtfal szilárd halmazállapota miatt alkalmas a sejtek alakjának biztosítására. Csak a növények rendelkeznek zöld színtestekkel, amelyekben a fotoszintézis folyamata játszódik le. 20

5 A sejtalkotók jóval kisebbek a sejteknél, így szerkezetük fénymikroszkóppal általában nem tanulmányozható. A sejtalkotók tanulmányozására alkalmas eszköz az elektronmikroszkóp (EM). Ez a berendezés elektronnyalábok használatával térzi fel a megfigyelni kívánt kisméretű tárgyakat. Az elektronmikroszkópok egyik típusa (TEM) vékony metszeteken átengedett elektronnyalábok segítségével alkot t (2.14. ábra). Ahol a metszet sűrű, ott a kép sötétebb, és fordítva. Az elektronmikroszkópok másik típusában (SEM) a tárgyról visszavert nyalábok segítségével alkotnak felszíni t. Melyik lehet a sejtmag ezen a n? Egy fehérvérsejt elektronmikroszkópos Az élőlények sejtekből állnak. A sejttan felfedezéséhez a fénymikroszkóp felfedezése vezetett. A fénymikroszkóp egy olyan lencserendszer, amelynek segítségével a fény útjába tett tárgyak sokszoros nagyítással láthatók. A fénymikroszkóp nagyítását a két lencse (szemlencse és tárgylencse) nagyításának szorzata adja. Egy mikroszkóppal készült kép nagyítását egy, a n látható tárgyrészlet képi méretének és valós méretének hányadosaként értelmezzük. A sejt az élővilág legkisebb alaki és működési egysége. Minden élőlény sejtekből áll. A természetben egy sejt csak egy másik sejtből jöhet létre. Sejtplazma, és örökítőanyag minden sejtben megtalálható. A prokarióta sejtek nem rendelkeznek sejtmaggal, így örökítőanyaguk a sejtplazmában található. Az eukarióta sejtek örökítőanyaga a sejtmagban helyezkedik el. 1. Mekkora nagyítású tárgylencsét használjunk, ha a szemlencse 10-szeres nagyítású, és összességében 40-szeres nagyításra van szükségünk? 2. Számítsd ki annak a képnek a nagyítását, amelyen egy valójában 5 μm hosszú szakaszt 1 cm-esnek mértünk! 3. Helyezd el a halmazábrán a tanult sejtalkotókat! növényi sej e talkotók állati e talkotók sej Halmazábra a 3. feladathoz Csoportosítás 21