4.1 Rannsóknir á frumum

Hæfniviðmið

Að þessum hluta loknum munt þú geta gert eftirfarandi:

• Lýst hlutverki frumna í lífverum
• Borið saman ljóssmásjárskoðun og rafeindasmásjárskoðun
• Dregið saman frumukenninguna

Fruma er minnsta eining lifandi veru. Lífvera getur verið gerð úr einni frumu, eins og baktería, eða mörgum frumum, eins og maður. Þannig eru frumur grunneiningar allra lífvera.

Nokkrar frumur af sömu gerð sem tengjast hver annarri og gegna sameiginlegu hlutverki mynda vefi. Þessir vefir sameinast og mynda líffæri, til dæmis maga, hjarta eða heila, og nokkur líffæri mynda líffærakerfi, svo sem meltingarkerfi, blóðrásarkerfi eða taugakerfi. Nokkur kerfi sem starfa saman mynda lífveru, til dæmis manneskju. Hér skoðum við byggingu og starfsemi frumna.

Til eru margar gerðir frumna og vísindamenn flokka þær í tvo meginflokka: dreifkjörnungafrumur og heilkjörnungafrumur. Til dæmis eru dýrafrumur og plöntufrumur heilkjörnungafrumur, en bakteríufrumur eru dreifkjörnungafrumur. Áður en við ræðum hvernig ákvarða má hvort fruma sé dreifkjörnunga- eða heilkjörnungafruma skoðum við fyrst hvernig líffræðingar rannsaka frumur.

Smásjárskoðun

Frumur eru misjafnar að stærð. Með fáum undantekningum getum við ekki séð einstakar frumur með berum augum og því nota vísindamenn smásjár (micro- = „lítill“; -scope = „að horfa á“) til að rannsaka þær. Smásjá er tæki sem stækkar hlut. Flestar frumur eru ljósmyndaðar í smásjá og slíkar myndir kallast smásjármyndir.

Ljósfræði linsa smásjár breytir stefnu myndarinnar sem notandinn sér. Sýni sem snýr rétt upp og til hægri á smásjárgleri birtist á hvolfi og snýr til vinstri þegar horft er í gegnum smásjána, og öfugt. Á sama hátt virðist sýnið færast til hægri ef smásjárglerið er fært til vinstri, og upp ef það er fært niður. Þetta gerist vegna þess að smásjár nota tvö linsukerfi til að stækka myndina. Vegna þess hvernig ljós ferðast í gegnum linsurnar myndar slíkt tvílinsukerfi umhverfa mynd. Víðsjár, eða krufningarsmásjár, virka á svipaðan hátt en hafa viðbótarstækkunarkerfi sem lætur lokamyndina virðast rétta.

Ljóssmásjár

Til að gefa þér tilfinningu fyrir stærð frumna er dæmigerð rauð blóðfruma manns um átta milljónustu úr metra, eða 8 μm, í þvermál. Títuprjónshaus er um tveir þúsundustu úr metra, eða 2 mm, í þvermál. Það þýðir að um 250 rauðar blóðfrumur kæmust fyrir á títuprjónshaus.

Flestar smásjár nemenda eru ljóssmásjár (mynd 4.2a). Sýnilegt ljós fer í gegnum linsukerfið og brotnar í því svo notandinn geti séð sýnið. Ljóssmásjár henta vel til að skoða lifandi lífverur, en þar sem einstakar frumur eru yfirleitt gegnsæjar sjást hlutar þeirra ekki greinilega nema frumurnar séu litaðar með sérstökum litarefnum. Litun drepur hins vegar venjulega frumurnar.

Ljóssmásjár sem grunnnemar nota almennt á rannsóknarstofum stækka allt að um það bil 400 sinnum. Tvær stærðir sem skipta miklu í smásjárskoðun eru stækkun og upplausn. Stækkun er það að hlutur virðist stærri. Upplausn er geta smásjár til að greina tvær nálægar byggingar í sundur: því meiri sem upplausnin er, þeim mun skýrari og ítarlegri er myndin. Þegar olíudýfingarlinsa er notuð til að rannsaka litla hluti eykst stækkunin yfirleitt í 1.000 sinnum. Til að öðlast betri skilning á byggingu og starfsemi frumna nota vísindamenn yfirleitt rafeindasmásjár.

Rafeindasmásjár

Ólíkt ljóssmásjám nota rafeindasmásjár (mynd 4.2b) rafeindageisla í stað ljósgeisla. Þetta gerir ekki aðeins kleift að fá meiri stækkun og þar með fleiri smáatriði (mynd 4.3), heldur veitir það einnig meiri upplausn. Aðferðin sem notuð er til að undirbúa sýni fyrir skoðun í rafeindasmásjá drepur sýnið. Rafeindir hafa stutta bylgjulengd, styttri en ljóseindir, og hreyfast best í lofttæmi. Þess vegna er ekki hægt að skoða lifandi frumur í rafeindasmásjá.

Í skönnunarrafeindasmásjá fer rafeindageisli fram og til baka yfir yfirborð frumu og sýnir smáatriði í yfirborðseinkennum hennar. Í gegnumlýsingarrafeindasmásjá smýgur rafeindageislinn í gegnum frumuna og gefur upplýsingar um innri byggingu hennar. Eins og þú getur ímyndað þér eru rafeindasmásjár mun fyrirferðarmeiri og dýrari en ljóssmásjár.

Tengill í námsefni

Til að fá annað sjónarhorn á stærð frumna skaltu prófa gagnvirka HowBig-verkefnið á þessari síðu.

Frumukenningin

Smásjárnar sem við notum í dag eru mun flóknari en þær sem hollenski kaupmaðurinn Antony van Leeuwenhoek notaði á 17. öld. Van Leeuwenhoek var lunkinn við að slípa linsur og fylgdist með hreyfingum einfruma lífvera sem hann kallaði einu nafni „smádýr“ (animalcules).

Í ritinu Micrographia frá 1665 bjó tilraunavísindamaðurinn Robert Hooke til hugtakið „fruma“ (cell) yfir kassalaga byggingarnar sem hann sá þegar hann skoðaði korkvef í gegnum linsu. Á 8. áratug 17. aldar uppgötvaði van Leeuwenhoek bakteríur og frumdýr. Síðari framfarir í linsum, smíði smásjáa og litunartækni gerðu öðrum vísindamönnum kleift að sjá suma hluta inni í frumum.

Seint á fjórða áratug 19. aldar rannsökuðu grasafræðingurinn Matthias Schleiden og dýrafræðingurinn Theodor Schwann vefi og lögðu fram hina sameinuðu frumukenningu. Hún segir að allar lifandi verur séu gerðar úr einni eða fleiri frumum, að fruman sé grunneining lífs og að nýjar frumur verði til af eldri frumum. Rudolf Virchow lagði síðar mikilvægt framlag til þessarar kenningar.

Tenging við starfsvettvang

Frumutæknir

Hefur þú einhvern tíma heyrt um læknisfræðilegt próf sem kallast leghálsstrok (mynd 4.4)? Í þessu prófi tekur læknir lítið sýni af frumum úr leghálsi sjúklings og sendir það á rannsóknarstofu. Þar litar frumutæknir frumurnar og skoðar þær með tilliti til breytinga sem gætu bent til leghálskrabbameins eða örverusýkingar.

Frumutæknar (cyto- = „fruma“) eru fagfólk sem rannsakar frumur með smásjárskoðun og öðrum rannsóknarstofuprófum. Þeir eru þjálfaðir til að ákvarða hvaða frumubreytingar eru innan eðlilegra marka og hverjar eru óeðlilegar. Starf þeirra takmarkast ekki við leghálsfrumur. Þeir rannsaka frumusýni úr öllum líffærum. Þegar þeir taka eftir frávikum ráðfæra þeir sig við meinafræðing, lækni sem túlkar og greinir breytingar sem sjúkdómar valda í líkamsvefjum og líkamsvökvum.

Frumutæknar gegna mikilvægu hlutverki við að bjarga mannslífum. Þegar læknar uppgötva frávik snemma getur meðferð sjúklings hafist fyrr, sem eykur yfirleitt líkurnar á góðum árangri.