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). 2.1. A mezei zsálya szára nagyított n 2.2. Robert Hooke (1635 1703) és mikroszkópja Hány lencse volt Leeuwenhoek mikroszkópjában? 2.3. Anthony van Leeuwenhoek (1635 1703) 17
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 = 110 2 m 20 10 m = 110 2 m 2 =5 10 =500-szoros. 6 5 m 210 m 18
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 (1810 1882) 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 (1804 1881) 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 (1821 1902) 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. 2.7. Theodor Schwann (1810 1882) 2.8. Matthias Jakob Schleiden (1804 1881) Hány sejt lesz összesen, ha mindkét sejt még kétszer osztódik? 2.9. Osztódó sejtek mikroszkópos 19
Növények világa sejtmag membránhólyagocskák mitokondrium 2.10. Egy állati sejt vázlatos rajza sejtfal sejtplazma riboszómák tok plazmidok belső membránrendszer baktériumcsilló baktériumkromoszóma 2.11. Prokarióta sejt felépítése 2.13. 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 2.12. 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
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? 2.14. 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 2.15. halmazábrán a tanult sejtalkotókat! növényi sej e talkotók állati e talkotók sej 2.15. Halmazábra a 3. feladathoz 2.16. Csoportosítás 21