Biologie

Einführung in das Studium der Zelle

Wissenschaft und Technologie gehen beim Fortschritt der wissenschaftlichen Erkenntnisse oft Hand in Hand. Dies gilt insbesondere für die Erforschung der Zelle.

Die Zellen sind sehr klein und komplex, was sowohl ihre Beobachtung als auch die Bestimmung ihrer Eigenschaften, ihrer chemischen Zusammensetzung, der Funktionen ihrer Bestandteile usw. erschwert. Die Untersuchung der Zelle hängt daher von den Arbeitsinstrumenten ab, die verwendet werden können.

Die größten Fortschritte in der Zellbiologie sind in der Tat mit der Entdeckung neuer Instrumente und Untersuchungsmethoden verbunden. Anton van Leeuwenhoek (1632-723), ein hervorragender Mikroskopiker, war der erste, der lebende Zellen beobachtete: Spermien, Blutzellen, Protozoen und sogar Bakterien.

Doch weder er noch seine Zeitgenossen verstanden die Bedeutung dieser Beobachtungen. Die wissenschaftliche Erforschung der Zelle begann erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts, als die Mikroskope dank ihrer verbesserten Qualität zu nützlichen und unverzichtbaren Instrumenten für die Forschung wurden.

Innerhalb weniger Jahre wurde das Studium der Zelle, eine der wichtigsten Verallgemeinerungen des biologischen Denkens, entwickelt. Diese Theorie markiert die Geburtsstunde der Zellbiologie.

Was ist eine Zelle in der Wissenschaft?

Die Zelle ist die einfachste Struktur, die wir als lebendig betrachten. Bei der Erforschung der Zelle werden drei Zelllinien unterschieden: Archaeen, Bakterien und prokaryotisch Zellen.

Interne Kompartimente, die von Membranen umschlossen sind, gibt es bei Prokaryonten nicht, bei Eukaryonten hingegen gibt es interne membranartige Organellen. Jede Zelle, ob prokaryotisch oder eukaryotisch, ist eine gut organisierte Ansammlung von Molekülen. Ein zelluläres Kompartiment ist definiert als ein durch eine Membran abgegrenzter oder nicht abgegrenzter Ort, an dem eine für die Zelle wesentliche oder bedeutsame Tätigkeit ausgeführt wird.

Die Plasmamembran oder das Plasmalemma, das alle anderen zellulären Kompartimente einschließt und es ermöglicht, den inneren Zellraum vom äußeren zu unterscheiden, ist eines der Kompartimente, die in allen Zellen vorkommen.

Fakten zur Erforschung der Zelle

Zellen variieren in Form und Funktion. Dies war einer der Faktoren, die es der Zellforschung erschwerten, zu dem Schluss zu kommen, dass alle Lebewesen aus veränderlichen Einheiten mit einer gemeinsamen grundlegenden Anordnung, den Zellen, bestehen. Eine weitere große Herausforderung war die geringe Größe einer Zelle.

Die Größe einer Zelle

Die Größe einer Zelle wird in Mikrometern (µm) gemessen. Ein Mikrometer, oft auch als Mikron bezeichnet, ist ein Tausendstel eines Millimeters (10-3 mm) oder ein Millionstel eines Meters (10-6 m).

Eine normale eukaryotische Zelle hat einen Durchmesser von 10 bis 30 µm. Dies gilt sowohl für die Zellen eines Wurms als auch für die eines Elefanten. Der Elefant hingegen hat eine größere Anzahl von Zellen.

Um ein Gefühl für die Größe einer Zelle zu bekommen, sollte man ein 1,70 Meter großes Individuum auf die Höhe des Everest dehnen, die etwa 8500 Meter beträgt. Die gedehnten Zellen dieses Riesen wären 1,3 cm lang, etwa so groß wie eine Pfennigmünze (es wäre ein Riese, der aus Pfennigen besteht).

Einige eukaryontische Zellen entziehen sich jedoch den üblichen Dimensionen und können sehr klein sein, wie z. B. Spermien, deren Kopf einen Durchmesser von weniger als 4 µm haben kann, während andere, wie die Eier einiger Vögel oder Reptilien, in ihrem größten Durchmesser mehr als 10 Zentimeter (Zehntausende von µm) messen können, allerdings nur der Dotter, da das Weiße nicht Teil der Zelle ist.

Die Anzahl der Zellen

Die Anzahl der Zellen eines Lebewesens kann je nach Untersuchung der Zellen sehr unterschiedlich sein.

  • Die meisten lebenden Organismen sind einzellig oder bestehen aus einer einzigen Zelle.
  • Bakterien, die zu den prokaryotischen Zellen gehören, sind die am häufigsten vorkommenden (vor dem Zellkern).
  • Auch eukaryotische Einzeller sind weit verbreitet. Die Lebewesen, die wir mit unseren Augen sehen können, sind in der Regel mehrzellig, das heißt, sie bestehen aus vielen Zellen. Sie bestehen aus Tieren, Pflanzen und Pilzen.

Da die Größe einer Zelle von Organismus zu Organismus vergleichbar ist, gilt: Je größer ein mehrzelliges Lebewesen ist, desto mehr Zellen besitzt es.

Es gibt jedoch Fälle, in denen die Größe einer Zelle erhöht werden kann. Die Schätzungen für die Anzahl der Zellen in einem Organismus von ähnlicher Größe wie der Mensch liegen zwischen 113 und 114, aber um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, hat das menschliche Gehirn schätzungsweise 86 Milliarden Neuronen, während das Gehirn einer Maus etwa 15 Milliarden hat.

Rote Blutkörperchen und Neuronen des Nervensystems stellen die größte Anzahl von Zellen im menschlichen Körper dar. In jedem Fall übersteigt die geschätzte Zahl der prokaryotischen Zellen auf der Erde die Zahl der eukaryotischen Zellen bei weitem. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mehr prokaryotische Zellen im menschlichen Körper gibt als eukaryotische Zellen, aus denen er besteht.

Die Form einer Zelle

Obwohl die kugelförmige Form häufig zur Darstellung von tierischen Zellen verwendet wird, ist dies wahrscheinlich die am wenigsten verbreitete Form einer Zelle, die Organismen verwenden. Die Morphologie von Zellen in tierischen Geweben ist sehr unterschiedlich!

Sie können kugelförmig, sternförmig, mehrlappig oder fadenförmig sein. Pflanzenzellen weisen eine Vielzahl von Formen auf, die durch ihre Zellwand beeinflusst werden, wobei quaderförmige oder prismatische Formen am häufigsten sind. Diese Vielfalt in der Form einer Zelle ist einer der Gründe, warum es so lange gedauert hat, bis man die Zelle erforscht und erkannt hat, dass alle Lebewesen aus Zellen unterschiedlicher Form und Größe bestehen.

Der Ursprung der Zelle

Wir können uns intuitiv eine Abfolge von Schritten vorstellen, die für die Bildung von Zellen aus chemischen Substanzen erforderlich sind: die Bildung organischer Moleküle.

Organische Moleküle bilden zusammen mit Wasser und Ionen die Zellen. Proteine, Nukleotide, Kohlenhydrate und Lipide sind die wichtigsten davon.

Ursprung der organischen Moleküle

a) Extreme physische Umstände. Kleine organische Moleküle wie Blausäure, Formaldehyd, Aminosäuren, Zucker, Purine und Pyrimidine entstehen, wenn eine wässrige Lösung, die Chemikalien wie CO2, Ammoniak, Methan und Wasserstoff enthält, in einem Kolben hohen Temperaturen und Stromstößen ausgesetzt wird.

b) Der Ursprung der Zelle könnte ein anderer Planet sein. Organische Moleküle wurden und werden im Weltraum gebildet, wie das Vorkommen von Meteoriten und Kometen beweist. Es ist wahrscheinlich, dass große Kometen und Meteoriten mit der Erde zusammenstießen und genügend organisches Material für die Entstehung des Lebens lieferten.

Die Bildung einer Hülle zur Trennung von innerer und äußerer Umgebung war ein wichtiger Schritt bei der Entstehung von Zellen. Dies hat viele Vorteile:

  • Sie ermöglicht es, dass alle für die Stoffwechselreaktionen erforderlichen Komponenten nahe beieinander liegen, wodurch der Replikationsprozess effizienter wird;
  • Sie verhindert, dass vorteilhafte Varianten organischer Moleküle von konkurrierenden Gruppen ausgenutzt werden, d. h. evolutionärer Egoismus;
  • eine gewisse Unabhängigkeit von Veränderungen in der äußeren Umgebung wird erreicht, was die interne Homöostase begünstigt. Lipidmembranen können leicht spontan aus amphipathischen Fettsäuren synthetisiert werden, d. h. aus Molekülen mit einem elektrisch geladenen und einem hydrophoben Teil.

Selbstreplikation

Die Selbstreplikation war vielleicht das wichtigste Ereignis beim Übergang von der präbiotischen Chemie zur zellulären Chemie. Der Replikator im RNA-Weltmodell ist das RNA-Molekül, während die Replikation im Stoffwechselweltmodell stattfindet, nachdem die ersten Stoffwechselprozesse zu funktionieren beginnen.

Die Eigenschaft der Informationsübertragung, die eine der Qualitäten des Lebens ist, wird durch Selbstreplikation erreicht. In jedem Membranbläschen würden mehr oder weniger genaue molekulare Duplikate des Originals erzeugt werden. Infolgedessen wären verschiedene Membranbläschen reicher an bestimmten molekularen Variationen, was es ihnen ermöglichen würde, effizienter zu konkurrieren und freie Ressourcen effektiver zu nutzen.

Mit diesem Prozess der Ressourcenkonkurrenz wird ein weiterer Wettlauf in Gang gesetzt: Die darwinistische Evolution (Variabilität plus natürliche Selektion), ein weiteres bemerkenswertes Merkmal des Lebens. Einige Wissenschaftler argumentieren, dass das erste sich selbst replizierende Molekül in Wirklichkeit ein System chemischer Prozesse war, das die Fähigkeit besaß, die Anzahl seiner Bestandteile zu vervielfältigen und sich somit zu entwickeln. Das heißt, das Reaktionssystem und seine Bestandteile würden sich reproduzieren.

Geschichte der Erforschung der Zelle

Das Studium der Zelle ist der grundlegendste und wichtigste Bestandteil der Biologie, denn es beschreibt die Struktur der lebenden Materie auf der Grundlage von Zellen und die Rolle, die diese Zellen in der Struktur der lebenden Materie spielen. Die Erforschung der Zelle ist das Ergebnis einer Reihe wissenschaftlicher Entdeckungen im Zusammenhang mit der Verbesserung der Mikroskopqualität.

Als der englische Wissenschaftler Robert Hooke 1665 einen Objektträger aus Kork unter dem Mikroskop untersuchte, sah er, dass dieser aus mikroskopisch kleinen, vielflächigen Hohlräumen bestand, die er als Zellen bezeichnete, was so viel wie „kleine Zellen“ bedeutet. Er gilt daher als der Entdecker der Zelle.

Hookes Zeitgenosse Antony Van Leeuwenhoek (1632-1723) untersuchte mit einem von ihm entwickelten einfachen Einlinsenmikroskop Tier- und Pflanzenzellen und entdeckte sogar die Welt der Mikroben, Protozoen und Bakterien.

Jahrhunderts, als hervorragende optische Mikroskope zur Verfügung standen, wurde erkannt, dass alle Lebewesen, ob Tiere oder Pflanzen, aus Zellen bestehen. Dieser Gedanke liegt der Erforschung der Zelle zugrunde, die dem Botaniker Matthias Schleiden (1838) und dem Zoologen Theodor Schwann (1839) zugeschrieben wird.

Nach der Zelllehre ist eine Zelle die strukturelle und funktionelle Einheit der Lebewesen, und ihre Lebensaktivität ist die Summe der Aktivitäten aller ihrer Zellen, zwischen denen eine Koordination besteht. Virchow beendete das Studium der Zelle im Jahr 1858 mit seinem berühmten Konzept omnis cellula e cellula, das besagt, dass jede Zelle aus einer anderen Zelle hervorgeht.

August Weismann baute 1889 auf Virchows Erkenntnissen aus evolutionärer Sicht auf, indem er die ungebrochene Kontinuität zwischen den modernen Zellen (und den darin enthaltenen Tieren) und den primitiven Zellen hervorhob, die ursprünglich vor 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde entstanden sind. Die Ähnlichkeit ihrer Zusammensetzung und ihres Aufbaus zeigt, dass alle modernen Zellen denselben Ursprung haben.

Jahrhundert hindurch war die Erforschung der Zelle umstritten, doch erst Pasteurs Experimente zur Vermehrung einzelliger Mikroben führten zu ihrer durchschlagenden und endgültigen Anerkennung.

Durch die Feststellung, dass das Nervengewebe aus Zellen besteht, konnte Santiago Ramón y Cajal alle Gewebe des Körpers in die Untersuchung der Zelle einbeziehen. Seine Hypothese, die als „Neuronismus“ oder „Neuronenlehre“ bekannt ist, beschreibt das Nervensystem als eine Ansammlung separater Komponenten.

Dies konnte er dank der Färbetechniken seines Zeitgenossen Camillo Golgi nachweisen, der die Zellbeobachtung mit Silbernitrat perfektionierte und eine der Nervenzellen identifizierte. Im Jahr 1906 wurden Cajal und Golgi mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Die folgenden Grundsätze können das heutige Verständnis der Zellforschung zusammenfassen:

  • Alle Lebewesen bestehen aus Zellen oder sekretionsproduzierenden Substanzen. Die Zelle ist die strukturelle Einheit der lebenden Materie, und eine Zelle kann ausreichen, um einen Organismus zu bilden.
  • Die wesentlichen Funktionen der Organismen finden in den Zellen oder in ihrer unmittelbaren Umgebung statt und werden durch Substanzen gesteuert, die sie absondern.
  • Jede Zelle ist ein offenes System, das Materie und Energie mit seiner Umgebung austauscht. Alle kritischen Funktionen werden in einer Zelle ausgeführt, so dass es nur eine Zelle braucht, um ein Lebewesen zu haben (das ein einzelliges Lebewesen sein wird). Die Zelle ist also die physische Einheit des Lebens.
  • Alle Zellen entstehen durch Teilung aus bereits existierenden Zellen (Omnis cellula ex cellula). Sie ist die Ursprungseinheit aller Lebewesen.
  • Jede Zelle verfügt über die gesamte genetische Information, die erforderlich ist, um ihren eigenen Zyklus sowie die Entwicklung und Funktion eines Organismus ihrer Art zu steuern und diese Information an die nächste Generation von Zellen weiterzugeben. Darüber hinaus ist die Zelle eine genetische Einheit.
Mehr anzeigen

Ähnliche Artikel

Schaltfläche "Zurück zum Anfang"