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    生命科學百年之旅(二)
    ——電子顯微鏡下的科學革命

    2016-08-12 08:12:23李一一
    初中生 2016年19期
    關鍵詞:細胞器電子顯微鏡威爾遜

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    生命科學百年之旅(二)
    ——電子顯微鏡下的科學革命

    還記得用顯微鏡觀察洋蔥表皮細胞的實驗嗎?還記得被顯微鏡下的洋蔥表皮細胞驚艷到的感覺嗎?

    整個20世紀,威爾遜的細胞學說影響了半個世紀;電子顯微鏡的出現(xiàn),使細胞結(jié)構的研究“柳暗花明”;在電子顯微鏡下,科學家看到了細胞中有在光學顯微鏡下看不到的細胞器;電子顯微鏡技術的應用揭示出驚人的細胞亞顯微世界,科學家可以更清楚地認識微觀世界的面貌。生命科學爆發(fā)了革命性的變化。

    我們一起走進電子顯微鏡下的科學革命 —— 細胞生物學。

    威爾遜及其著作

    威爾遜( 1856—1939),美國細胞生物學家。在歐洲期間,年輕時的威爾遜對細胞生物學產(chǎn)生了極大的興趣,后又受朋友波弗利(瑟頓-波弗利染色體遺傳理論創(chuàng)始人之一)的影響,威爾遜做過具有獨創(chuàng)意義的細胞學研究(創(chuàng)用了細胞譜系這一名詞),他將當時對細胞、染色體的知識進行了出色的綜合,撰寫了專著《發(fā)育和遺傳中的細胞》,這一專著在細胞學與孟德爾學說的綜合上起到了重要作用。威爾遜的多篇經(jīng)典性文章大大推進了人類對染色體的研究和理解。

    威爾遜

    威爾遜繪制的染色體

    威爾遜的《發(fā)育和遺傳中的細胞》是對19世紀中后期以來有關細胞學研究的總結(jié)。他繪制的光學顯微鏡下的細胞模式圖:細胞膜、細胞核、細胞質(zhì)以及主要的細胞器和內(nèi)含物等,一直沿用到1950年。

    “科學之眼”——電子顯微鏡

    普通光學顯微鏡的放大能力受制于光的波長。為了看到物體,物體的大小必須大于光的波長,否則光就會 “繞”道而行。

    1931年,恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺透射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡以電子束透過樣品,經(jīng)過聚焦與放大后產(chǎn)生物像,投射到熒光屏上或照相底片上,可以觀察、分析樣品內(nèi)部的顯微組織結(jié)構。由于電子易散射或被物體吸收,故穿透力低,必須制備更薄的超薄切片。其制備過程與石蠟切片(觀察及判斷細胞組織形態(tài)變化的主要方法)相似,但要求極嚴格。要在機體(有生命的個體)死亡后的數(shù)分鐘內(nèi)取材,組織塊要小(1立方毫米以內(nèi)),用特制的超薄切片機切下,再進行電子染色。這樣,電子束投射到樣品時,可隨組織構成成分的密度不同而發(fā)生相應的電子衍射。

    1939年,西門子公司生產(chǎn)了第一批商品透射電子顯微鏡,約40臺,分辨能力比光學顯微鏡提高了20倍。

    電子顯微鏡的出現(xiàn),使細胞結(jié)構的研究變得“柳暗花明”。

    恩斯特·盧斯卡

    第一臺透射式電子顯微鏡

    馬克斯·克諾爾

    驚人的細胞亞顯微世界

    電子顯微鏡的發(fā)明,使人們對細胞的結(jié)構有了新的認識,產(chǎn)生了細胞生物學這一新的分支學科,細胞形態(tài)的研究達到了空前的高潮。20世紀50年代,電子顯微鏡技術的應用揭示出驚人的細胞亞顯微世界,發(fā)現(xiàn)了一些光學顯微鏡下看不見的細胞器及其結(jié)構。

    通過瑞典生物學家舍斯特蘭德、美國物理學家羅伯遜等各自用電子顯微鏡所作的研究,于1959年得出結(jié)論:多數(shù)細胞膜是由暗—明—暗,即蛋白質(zhì)—磷脂—蛋白質(zhì)三層組成的“三合板”式結(jié)構,這種細胞膜的模型具有普遍性,故稱單位膜。

    單位膜模型

    1934年,美國解剖學家本斯利和霍爾成功分離了豚鼠肝臟的線粒體(真核細胞內(nèi)產(chǎn)生生命活動所需能量的細胞器),開創(chuàng)了用生化方法直接研究細胞器的廣闊前景。1956年,羅馬尼亞裔美國細胞生物學家帕拉德,改進了電子顯微鏡樣品固定技術,并應用于動物細胞超微結(jié)構的研究,發(fā)現(xiàn)了核糖體和線粒體結(jié)構。不僅如此,帕拉德還將對細胞結(jié)構和功能的靜態(tài)描述引向動態(tài)研究,他通過大膽想象作出推測,再用同位素示蹤技術加以證實,這個實驗后來成為生物學史上最精彩的實驗之一。他提出線粒體由外膜、內(nèi)膜、嵴、外室、內(nèi)室和基質(zhì)等組成,不久就得到了普遍的認同。

    帕拉德

    線粒體基本結(jié)構

    沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生。1924年出版的《普通細胞學》在1965年第四版時定名為《細胞生物學》,這是最早的細胞生物學教材之一。

    20世紀70年代基因重組技術的出現(xiàn),使研究細胞的分子結(jié)構及其在生命活動中的作用成為主要任務。

    鏈接:高倍顯微鏡下的微生物

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    高倍顯微鏡下的跳蟲

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    放大500倍的水熊蟲

    (李一一 據(jù)中國科普網(wǎng))

    回眸生命科學百年發(fā)展史,我們發(fā)現(xiàn),作為研究生物生長、發(fā)育、遺傳,以及腦、神經(jīng)、認知活動等生命現(xiàn)象及其本質(zhì)與規(guī)律的科學,生命科學在20世紀取得了一系列重大突破,影響了人類的歷史。讓我們走進生命科學百年之旅,認識一下里程碑式的人物和事件。

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