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3.1: 如何研究细胞

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    细胞是生物的最小单位。 像你这样的生物被称为有机体。 因此，细胞是所有生物的基本组成部分。

    在多细胞生物体中，一种特定类型的几个细胞相互连接并执行共同的功能以形成组织（例如，肌肉组织、结缔组织和神经组织），几个组织结合形成一个器官（例如胃、心脏或大脑），几个器官使向上移动器官系统（例如消化系统、循环系统或神经系统）。 几个共同运作的系统形成一个有机体（例如大象）。

    有许多类型的细胞，它们都分为两大类之一：原核细胞和真核细胞。 动物细胞、植物细胞、真菌细胞和原生细胞被归类为真核细胞，而细菌和古细菌细胞被归类为原核细胞。 在讨论确定细胞是原核还是真核生物的标准之前，让我们先研究一下生物学家是如何研究细胞的。

    显微镜

    细胞的大小各不相同。 除了少数例外，单个细胞太小，无法用肉眼看见，因此科学家们使用显微镜对其进行研究。 显微镜是一种放大物体的仪器。 大多数细胞图像都是用显微镜拍摄的，被称为显微照片。

    光学显微镜

    为了让您了解细胞的大小，典型的人类红细胞直径约为八百万分之一米或八微米（缩写为微米）；别针的头部直径约为千分之二米（毫米或毫米）。 这意味着大约 250 个红细胞可以装在别针头上。

    光学显微镜镜头的光学元件会改变图像的方向。 通过显微镜观察时，在显微镜载玻片上右侧朝上且朝右的标本将出现颠倒和朝左，反之亦然。 同样，如果在透过显微镜观察时向左移动幻灯片，它似乎会向右移动，如果向下移动，则似乎向上移动。 之所以出现这种情况，是因为显微镜使用两组镜头来放大图像。 由于光线穿过镜头的方式，该镜头系统会产生倒置图像（双筒望远镜和解剖显微镜的工作方式类似，但包括一个额外的放大系统，使最终图像看起来像直立）。

    大多数学生显微镜被归类为光学显微镜（图\(\PageIndex{1}\) a）。 可见光既穿过又被镜头系统弯曲，使用户能够看到标本。 光学显微镜有利于观察活生物体，但由于单个细胞通常是透明的，因此除非用特殊的污渍着色，否则它们的成分是无法区分的。 但是，染色通常会杀死细胞。

    本科院校实验室常用的光学显微镜最多可放大约 400 倍。 显微镜中两个重要的参数是放大倍率和分辨率。 放大率是物体的放大程度。 分辨力是显微镜能够让眼睛将两个相邻的结构分开分开；分辨率越高，这两个物体越近，图像的清晰度和细节就越好。 当使用油浸透镜时，放大倍率通常会增加到1,000倍，以研究较小的细胞，如大多数原核细胞。 由于从下方进入标本的光会聚焦在观察者的眼睛上，因此可以使用光学显微镜观察标本。 因此，要使光线穿过样本，样品必须很薄或半透明。

    概念在行动

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    要从另一个角度了解像元大小，可以试试 HowBig Interactive。

    实验室使用的第二种显微镜是解剖显微镜（图\(\PageIndex{1}\) b）。 这些显微镜的放大倍率（物体大小的20至80倍）低于光学显微镜，可以提供样本的三维视图。 可以在同时聚焦多个组件的情况下检查较厚的物体。 这些显微镜旨在放大、清晰地查看组织结构以及整个生物体的解剖结构。 与光学显微镜一样，大多数现代解剖显微镜也是双目的，这意味着它们有两个独立的镜头系统，每只眼睛一个。 镜头系统相隔一定距离，因此可以在拍摄对象的视野中提供深度感，从而使手工操作变得更加容易。 解剖显微镜还具有校正图像的光学元件，使其看起来像是肉眼看见的，而不是倒置的图像。 在解剖显微镜下照亮样品的光线通常来自样品上方，但也可能来自下方。

    第 a 部分：这款光学显微镜有双目镜头和三个物镜。 样品台位于物镜正下方。 光学显微镜位于桌面上。 b 部分：解剖显微镜有双目目镜、一个物镜以及来自样品台上方和下方的光源。 舞台上有空间放置三维标本。
    图\(\PageIndex{1}\)：(a) 大学生物实验室中使用的大多数光学显微镜可以将细胞放大到大约 400 倍。 (b) 解剖显微镜的放大倍率低于光学显微镜，用于检查较大的物体，例如组织。

    电子显微镜

    与光学显微镜相比，电子显微镜使用电子束而不是光束。 这不仅允许更高的放大倍率，从而获得更多的细节（图\(\PageIndex{2}\)），而且还提供了更高的分辨率。 准备在电子显微镜下观察的样本会杀死它；因此，使用这种类型的显微镜无法观察活细胞。 此外，电子束在真空中移动效果最好，因此无法观察活物。

    在扫描电子显微镜中，电子束在细胞表面来回移动，通过反射呈现细胞表面特征的细节。 细胞和其他结构通常涂有金之类的金属。 在透射电子显微镜中，电子束通过细胞传输，提供细胞内部结构的细节。 正如你可能想象的那样，电子显微镜比光学显微镜的体积和昂贵得多。

    第一部分：通过光学显微镜观察的沙门氏菌显示为微小的紫点。
    b 部分：在这张扫描电子显微照片中，细菌以三维红色椭圆形的形式出现。 人体细胞要大得多，外观复杂、折叠。 有些细菌位于人体细胞表面，有些则挤在人体细胞之间。
    图\(\PageIndex{2}\)：(a) 使用光学显微镜观察沙门氏菌细菌。 (b) 这张扫描电子显微照片显示沙门氏菌（红色）正在侵入人体细胞。 （来源 a：CDC、武装部队病理学研究所 Charles N. Farmer 对工作的修改；来源 b：落基山实验室、NIAID、NIH 对工作的修改；来自 Matt Russell 的比例尺数据）

    职业生涯在行动：细胞技术专家

    你听说过一种叫做子宫颈抹片检查的医学检查吗（图\(\PageIndex{3}\)）？ 在这项测试中，医生从患者的子宫颈中采集少量细胞样本，然后将其送到医学实验室，由细胞技术专家对细胞进行染色，并检查它们是否有任何可能表明宫颈癌或微生物感染的变化。

    细胞技术专家（cy to-= 细胞）是通过显微镜检查和其他实验室测试研究细胞的专业人员。 他们经过训练，可以确定哪些细胞变化在正常范围之内或异常。 他们的重点不仅限于宫颈细胞；他们研究来自所有器官的细胞标本。 当他们发现异常时，他们会咨询病理学家，病理学家是一名可以做出临床诊断的医生。

    细胞技术专家在拯救人们生命方面起着至关重要的作用。 如果及早发现异常，患者可以更快地开始治疗，这通常会增加成功治疗的机会。

    正常细胞和感染HPV的细胞都具有不规则的圆形和明确的细胞核。 但是，受感染细胞的大小是未感染细胞的两到三倍，有些有两个核。
    图\(\PageIndex{3}\)：通过光学显微镜观察这些子宫颈细胞是通过子宫颈抹片检查获得的。 正常细胞在左边。 右边的细胞感染了人乳头瘤病毒。 （来源：Ed Uthman 对作品的修改；来自 Matt Russell 的比例尺数据）

    细胞理论

    我们今天使用的显微镜比1700年代使用的显微镜要复杂得多，安东尼·范·勒文胡克是一位荷兰店主，在制作镜片方面有很高的技巧。 尽管他现在古老的镜片存在局限性，但范·勒文胡克还是观察了原生生物（一种单细胞生物）和精子的运动，他统称为 “动物”。

    在 1665 年出版的一本名为《Micrographia》的出版物中，实验科学家罗伯特·胡克为他在透镜观察软木组织时观察到的盒状结构创造了 “细胞” 一词（来自拉丁地窖，意思是 “小房间”）。 在 16 世纪 70 年代，van Leeuwenhoek 发现了细菌和原生动物。 后来，镜头和显微镜结构的进步使其他科学家能够看到细胞内的不同成分。

    到19世纪30年代末，植物学家马蒂亚斯·施莱登和动物学家西奥多·施万正在研究组织并提出了统一的细胞理论，该理论指出，所有生物都由一个或多个细胞组成，细胞是生命的基本单位，所有新细胞都来自现有细胞。 这些原则至今仍然有效。

    章节摘要

    细胞是生命中最小的单位。 大多数细胞都很小，无法用肉眼观察。 因此，科学家必须使用显微镜来研究细胞。 与光学显微镜相比，电子显微镜具有更高的放大倍率、更高的分辨率和更多的细节。 统一细胞理论指出，所有生物都由一个或多个细胞组成，细胞是生命的基本单位，新细胞来自现有细胞。

    词汇表

    显微镜
    放大物体的仪器
    统一细胞理论
    生物学概念指出，所有生物都由一个或多个细胞组成，细胞是生命的基本单位，新细胞来自现有细胞