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1.7: Mikroskopie zeigt die Vielfalt der Struktur und Form des Lebens - Biologie

1.7: Mikroskopie zeigt die Vielfalt der Struktur und Form des Lebens - Biologie


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Grob gesagt gibt es zwei Arten der Mikroskopie. In Lichtmikroskop, wird die Probe auf dem Objektträger durch optische Glaslinsen betrachtet. In Elektronenmikroskopie, betrachtet der Betrachter ein Bild auf einem Bildschirm, das durch hindurchtretende oder von der Probe reflektierte Elektronen erzeugt wird. Sehen Sie sich dies an, um eine Probe von Licht- und Elektronenmikroskopaufnahmen zu erhalten Galerie von Schliffbilder. Hier vergleichen und kontrastieren wir verschiedene mikroskopische Techniken.

A. Lichtmikroskopie

Historisch gesehen hat die eine oder andere Form der Lichtmikroskopie viel von dem enthüllt, was wir über die zelluläre Diversität wissen. Besuche die Zeichnungen von Mitosefür eine Erinnerung daran, wie sich eukaryotische Zellen teilen und dann check out Das optische Mikroskopfür Beschreibungen verschiedener Variationen der Lichtmikroskopie (z. B. Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast, Fluoreszenz, etc.). Grenzen von Vergrößerung und Auflösung von 1200X und 2 mm (jeweils) sind allen Formen der Lichtmikroskopie gemeinsam. Im Folgenden werden die wichtigsten Varianten der Lichtmikroskopie kurz beschrieben.

1. Hellfeldmikroskopie ist die gebräuchlichste Art der Lichtmikroskopie, bei der die Probe von unten beleuchtet wird. Der Kontrast zwischen den Bereichen der Probe ergibt sich aus der Differenz zwischen dem von der Probe absorbierten Licht und dem durch sie hindurchtretenden Licht. Lebenden Proben fehlt der Kontrast in der herkömmlichen Hellfeldmikroskopie, da Unterschiede im Brechungsindex zwischen Komponenten der Probe (z. B. Organellen und Zytoplasma in Zellen) die Auflösung des vergrößerten Bildes diffundieren. Deshalb Hellfeldmikroskopie eignet sich am besten für fixierte und gefärbte Präparate.

2. In Dunkles Feld Beleuchtung wird Licht, das durch die Mitte der Probe fällt, blockiert und das Licht, das durch die Peripherie des Strahls tritt, wird von der Probe gebeugt („gestreut“). Das Ergebnis ist ein verbesserter Kontrast für bestimmte Arten von Proben, einschließlich lebender, unfixierter und ungefärbter.

3. In Mikroskopie mit polarisiertem Licht, wird das Licht vor dem Durchgang durch die Probe polarisiert, wodurch der Untersucher den höchsten Kontrast erzielen kann, indem die Ebene des polarisierten Lichts, das durch die Probe tritt, gedreht wird. Proben können unfixiert, ungefärbt oder sogar live sein.

4. Phasenkontrast oder Interferenzmikroskopie verbessert den Kontrast zwischen Teilen einer Probe mit höheren Brechungsindizes (z. B. Zellorganellen) und niedrigeren Brechungsindizes (z. B. Zytoplasma). Phasenkontrast Mikroskopoptiken verschieben die Phase des von unten in die Probe einfallenden Lichts um eine halbe Wellenlänge, um kleine Brechungsindexunterschiede zu erfassen und dadurch den Kontrast zu erhöhen. Die Phasenkontrastmikroskopie ist ein kostengünstiges Werkzeug zur Untersuchung von lebenden, unfixierten und ungefärbten Proben.

5. In a Fluoreszenzmikroskop, kurzwelliges, hochenergetisches Licht (normalerweise UV) wird durch eine Probe geleitet, die mit einer fluoreszierenden Chemikalie behandelt wurde, die kovalent an andere Moleküle (z. B. Antikörper) gebunden ist, die fluoreszieren, wenn sie von der Lichtquelle getroffen werden. Dieses fluoreszierende Schild wurde gewählt, um spezifische Moleküle oder Strukturen in einer Zelle zu erkennen und zu binden. Also, in Fluoreszenzmikroskopie, die sichtbare Fluoreszenzfarbe markiert die Position des Zielmoleküls/der Zielstruktur in der Zelle.

6. Konfokale Mikroskopie ist eine Variante der Fluoreszenzmikroskopie, die die Abbildung durch dicke Proben und Schnitte ermöglicht. Das Ergebnis ist oft 3D-ähnlich, mit einer viel größeren Tiefenschärfe als bei anderen Lichtmikroskopmethoden. Klicken Sie auf Galerie der konfokalen Mikroskopiebilderum eine Vielzahl von konfokalen Mikroaufnahmen und verwandten Bildern zu sehen; Schauen Sie sich hauptsächlich die Exemplare an.

7. Gitter-Lichtblatt-Mikroskopie ist eine 100 Jahre alte Variante der Lichtmikroskopie, mit der wir subzelluläre Strukturen und Makromoleküle in lebenden Zellen verfolgen können. Es wurde kürzlich angewendet, um die Bewegung und die subzelluläre zelluläre Position von RNA-Molekülen zu verfolgen, die mit Proteinen in Strukturen namens RNA-Granulat (Schauen Sie es sich bei RNA Organization in a New Light an).

B. Elektronenmikroskopie

Im Gegensatz zur Lichtmikroskopie (optische Mikroskopie) erzeugt die Elektronenmikroskopie ein Bild, indem Elektronen durch eine Probe geleitet oder Elektronen von einer Probe reflektiert werden und das Elektronenbild auf einem Bildschirm erfasst wird. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) kann eine viel höhere Vergrößerung (bis zu 106X) und Auflösung (2,0 nm) erreichen als jede Form der optischen Mikroskopie! Rasterelektronenmikroskopie (REM) kann bis zu 105X mit einer Auflösung von 3,0-20,0 nm vergrößern. TEM, zusammen mit biochemischen und molekularbiologischen Studien, zeigt weiterhin, wie verschiedene Zellkomponenten miteinander arbeiten. Die höhere Spannung in Hochspannungs-Elektronenmikroskopie ist eine Anpassung, die TEM durch dickere Abschnitte als normales (Niederspannungs-) TEM ermöglicht. Das Ergebnis sind Schliffbilder mit höherer Auflösung, Tiefe und Kontrast. Mit REM können wir die Oberflächen von Geweben, kleinen Organismen wie Insekten und sogar von Zellen und Organellen untersuchen. Überprüfen Sie diesen Link zu Rasterelektronenmikroskopiefür eine Beschreibung des EM-Scannens und sehen Sie sich die Galerie der REM-Bilder am Ende des Eintrags an.

121 Elektronenmikroskopie


1.1 Die Wissenschaft der Biologie

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Identifizieren Sie die gemeinsamen Merkmale der Naturwissenschaften
  • Fassen Sie die Schritte der wissenschaftlichen Methode zusammen
  • Vergleichen Sie induktives Denken mit deduktivem Denken
  • Beschreiben Sie die Ziele der Grundlagenwissenschaft und der angewandten Wissenschaften

Was ist Biologie? Einfach ausgedrückt ist Biologie das Studium des Lebens. Dies ist eine sehr weit gefasste Definition, da der Anwendungsbereich der Biologie riesig ist. Biologen können alles untersuchen, von der mikroskopischen oder submikroskopischen Ansicht einer Zelle bis hin zu Ökosystemen und dem gesamten lebenden Planeten (Abbildung 1.2). Wenn Sie die täglichen Nachrichten hören, werden Sie schnell feststellen, wie viele Aspekte der Biologie wir täglich diskutieren. Zu den aktuellen Nachrichtenthemen gehören beispielsweise Escherichia coli (Abbildung 1.3) Ausbrüche bei Spinat und Salmonellen Verunreinigungen in Erdnussbutter. Andere Themen sind Bemühungen, ein Heilmittel für AIDS, Alzheimer und Krebs zu finden. Auf globaler Ebene setzen sich viele Forscher dafür ein, Wege zu finden, um den Planeten zu schützen, Umweltprobleme zu lösen und die Auswirkungen des Klimawandels zu reduzieren. All diese vielfältigen Bemühungen beziehen sich auf verschiedene Facetten der Disziplin Biologie.

Der Prozess der Wissenschaft

Biologie ist eine Wissenschaft, aber was genau ist Wissenschaft? Was hat das Biologiestudium mit anderen wissenschaftlichen Disziplinen gemeinsam? Wir können Wissenschaft definieren (aus dem Lateinischen Wissenschaft, was „Wissen“ bedeutet) als Wissen, das allgemeine Wahrheiten oder die Wirkung allgemeiner Gesetze umfasst, insbesondere wenn es durch die wissenschaftliche Methode erworben und geprüft wird. Aus dieser Definition wird deutlich, dass die Anwendung wissenschaftlicher Methoden in der Wissenschaft eine große Rolle spielt. Die wissenschaftliche Methode ist eine Forschungsmethode mit definierten Schritten, die Experimente und sorgfältige Beobachtung umfasst.

Auf wissenschaftliche Methodenschritte werden wir später noch genauer eingehen, aber einer der wichtigsten Aspekte dieser Methode ist die Überprüfung von Hypothesen durch wiederholbare Experimente. Eine Hypothese ist ein Erklärungsvorschlag für ein Ereignis, den man testen kann. Obwohl die Anwendung der wissenschaftlichen Methode der Wissenschaft inhärent ist, reicht sie nicht aus, um zu bestimmen, was Wissenschaft ist. Dies liegt daran, dass es relativ einfach ist, die wissenschaftliche Methode auf Disziplinen wie Physik und Chemie anzuwenden, aber wenn es um Disziplinen wie Archäologie, Psychologie und Geologie geht, wird die wissenschaftliche Methode weniger anwendbar, da die Wiederholung von Experimenten schwieriger wird.

Diese Studienrichtungen sind jedoch immer noch Wissenschaften. Denken Sie an die Archäologie – auch wenn man keine wiederholbaren Experimente durchführen kann, können Hypothesen dennoch unterstützt werden. Zum Beispiel kann ein Archäologe die Hypothese aufstellen, dass eine antike Kultur existierte, basierend auf dem Auffinden eines Keramikstücks. Er oder sie könnte weitere Hypothesen über verschiedene Merkmale dieser Kultur aufstellen, die durch fortgesetzte Unterstützung oder Widersprüche zu anderen Ergebnissen richtig oder falsch sein könnten. Eine Hypothese kann zu einer verifizierten Theorie werden. Eine Theorie ist eine geprüfte und bestätigte Erklärung für Beobachtungen oder Phänomene. Daher ist es vielleicht besser, Wissenschaft als Studienrichtungen zu definieren, die versuchen, die Natur des Universums zu verstehen.

Naturwissenschaften

Was würden Sie von einem Museum für Naturwissenschaften erwarten? Frösche? Pflanzen? Dinosaurierskelette? Ausstellungen über die Funktionsweise des Gehirns? Ein Planetarium? Edelsteine ​​und Mineralien? Vielleicht alle oben genannten? Die Wissenschaft umfasst so unterschiedliche Bereiche wie Astronomie, Biologie, Informatik, Geologie, Logik, Physik, Chemie und Mathematik (Abbildung 1.4). Wissenschaftler betrachten jedoch diejenigen Wissenschaftsbereiche, die sich auf die physikalische Welt und ihre Phänomene und Prozesse beziehen, als Naturwissenschaften. So kann ein Museum für Naturwissenschaften jeden der oben aufgeführten Gegenstände enthalten.

Bei der Definition des naturwissenschaftlichen Inhalts herrscht jedoch keine Einigkeit. Für einige Experten sind die Naturwissenschaften Astronomie, Biologie, Chemie, Geowissenschaften und Physik. Andere Wissenschaftler entscheiden sich dafür, Naturwissenschaften in Lebenswissenschaften zu unterteilen, die Lebewesen untersuchen und Biologie einschließen, und Naturwissenschaften, die nicht lebende Materie untersuchen und Astronomie, Geologie, Physik und Chemie umfassen. Einige Disziplinen wie Biophysik und Biochemie bauen sowohl auf Lebens- als auch auf Naturwissenschaften auf und sind interdisziplinär. Manche bezeichnen Naturwissenschaften als „harte Wissenschaft“, weil sie auf die Verwendung quantitativer Daten angewiesen sind. Sozialwissenschaften, die Gesellschaft und menschliches Verhalten untersuchen, verwenden eher qualitative Bewertungen, um Untersuchungen und Ergebnisse voranzutreiben.

Es überrascht nicht, dass die Naturwissenschaft der Biologie viele Zweige oder Teildisziplinen hat. Zellbiologen untersuchen Zellstruktur und -funktion, während Biologen, die Anatomie studieren, die Struktur eines ganzen Organismus untersuchen. Diejenigen Biologen, die Physiologie studieren, konzentrieren sich jedoch auf die inneren Funktionen eines Organismus. Einige Bereiche der Biologie konzentrieren sich nur auf bestimmte Arten von Lebewesen. Botaniker erforschen zum Beispiel Pflanzen, Zoologen spezialisieren sich auf Tiere.

Wissenschaftliches Denken

Allen Wissenschaftsformen ist eines gemeinsam: ein Endziel „zu wissen“. Neugier und Forschen sind die treibenden Kräfte für die Entwicklung der Wissenschaft. Wissenschaftler versuchen, die Welt und ihre Funktionsweise zu verstehen. Dazu verwenden sie zwei Methoden des logischen Denkens: induktives Denken und deduktives Denken.

Induktives Denken ist eine Form des logischen Denkens, die verwandte Beobachtungen verwendet, um zu einer allgemeinen Schlussfolgerung zu gelangen. Diese Art der Argumentation ist in der beschreibenden Wissenschaft üblich. Ein Biowissenschaftler wie ein Biologe macht Beobachtungen und zeichnet sie auf. Diese Daten können qualitativ oder quantitativ sein, und man kann die Rohdaten mit Zeichnungen, Bildern, Fotos oder Videos ergänzen. Aus vielen Beobachtungen kann der Wissenschaftler auf der Grundlage von Beweisen Schlussfolgerungen (Induktionen) ableiten. Induktives Denken beinhaltet das Formulieren von Verallgemeinerungen, die aus einer sorgfältigen Beobachtung abgeleitet wurden, und die Analyse einer großen Datenmenge. Ein Beispiel dafür liefern Gehirnstudien. Bei dieser Art von Forschung beobachten Wissenschaftler viele lebende Gehirne, während Menschen mit einer bestimmten Aktivität beschäftigt sind, beispielsweise beim Betrachten von Bildern von Lebensmitteln. Der Wissenschaftler sagt dann voraus, dass der Teil des Gehirns, der während dieser Aktivität „aufleuchtet“, der Teil ist, der die Reaktion auf den ausgewählten Reiz steuert, in diesem Fall Bilder von Lebensmitteln. Eine übermäßige Aufnahme radioaktiver Zuckerderivate durch aktive Hirnareale lässt die verschiedenen Areale „aufleuchten“. Wissenschaftler verwenden einen Scanner, um den resultierenden Anstieg der Radioaktivität zu beobachten. Dann können Forscher diesen Teil des Gehirns stimulieren, um zu sehen, ob ähnliche Reaktionen resultieren.

Deduktives Denken oder Deduktion ist die Art von Logik, die in der hypothesenbasierten Wissenschaft verwendet wird. Beim deduktiven Denken bewegt sich das Denkmuster im Vergleich zum induktiven Denken in die entgegengesetzte Richtung. Deduktives Denken ist eine Form des logischen Denkens, die ein allgemeines Prinzip oder Gesetz verwendet, um spezifische Ergebnisse vorherzusagen. Aus diesen allgemeinen Prinzipien kann ein Wissenschaftler die spezifischen Ergebnisse ableiten und vorhersagen, die gültig wären, solange die allgemeinen Prinzipien gültig sind. Studien zum Klimawandel können diese Argumentation veranschaulichen. Wissenschaftler können beispielsweise vorhersagen, dass sich die Verbreitung von Pflanzen und Tieren ändern sollte, wenn das Klima in einer bestimmten Region wärmer wird.

Beide Arten des logischen Denkens beziehen sich auf die beiden Hauptpfade des wissenschaftlichen Studiums: deskriptive Wissenschaft und hypothesenbasierte Wissenschaft. Deskriptive (oder Entdeckungs-) Wissenschaft, die normalerweise induktiv ist, zielt darauf ab, zu beobachten, zu erforschen und zu entdecken, während hypothesenbasierte Wissenschaft, die normalerweise deduktiv ist, mit einer bestimmten Frage oder einem bestimmten Problem und einer möglichen Antwort oder Lösung beginnt, die getestet werden kann. Die Grenze zwischen diesen beiden Studienformen ist oft verwischt, und die meisten wissenschaftlichen Bemühungen kombinieren beide Ansätze. Die unscharfe Grenze wird deutlich, wenn man darüber nachdenkt, wie leicht Beobachtungen zu konkreten Fragen führen können. Zum Beispiel beobachtete ein Herr in den 1940er Jahren, dass die Klettensamen, die an seiner Kleidung und dem Fell seines Hundes klebten, eine winzige Hakenstruktur hatten. Bei näherer Betrachtung stellte er fest, dass die Greifvorrichtung der Grate zuverlässiger war als ein Reißverschluss. Er experimentierte schließlich, um das beste Material zu finden, das sich ähnlich verhält, und produzierte den Klettverschluss, der heute im Volksmund als Klettverschluss bekannt ist. Deskriptive Wissenschaft und hypothesenbasierte Wissenschaft stehen in ständigem Dialog.

Die wissenschaftliche Methode

Biologen untersuchen die lebende Welt, indem sie Fragen dazu stellen und wissenschaftlich fundierte Antworten suchen. Dieser als wissenschaftliche Methode bekannte Ansatz ist auch in anderen Wissenschaften üblich. Die wissenschaftliche Methode wurde schon in der Antike verwendet, aber der Engländer Sir Francis Bacon (1561–1626) hat sie erstmals dokumentiert (Abbildung 1.5). Er entwickelte induktive Methoden für wissenschaftliche Untersuchungen. Die wissenschaftliche Methode wird nicht nur von Biologen verwendet, Forscher aus fast allen Fachrichtungen können sie als logische, rationale Problemlösungsmethode anwenden.

Der wissenschaftliche Prozess beginnt typischerweise mit einer Beobachtung (oft ein zu lösendes Problem), die zu einer Frage führt. Lassen Sie uns über ein einfaches Problem nachdenken, das mit einer Beobachtung beginnt, und die wissenschaftliche Methode anwenden, um das Problem zu lösen. Eines Montagmorgens kommt ein Schüler in die Klasse und stellt schnell fest, dass es im Klassenzimmer zu warm ist. Das ist eine Beobachtung, die auch ein Problem beschreibt: Der Klassenraum ist zu warm. Der Schüler stellt dann eine Frage: „Warum ist es im Klassenzimmer so warm?“

Eine Hypothese vorschlagen

Denken Sie daran, dass eine Hypothese eine vorgeschlagene Erklärung ist, die man testen kann. Um ein Problem zu lösen, kann man mehrere Hypothesen aufstellen. Eine Hypothese könnte beispielsweise lauten: „Das Klassenzimmer ist warm, weil niemand die Klimaanlage eingeschaltet hat.“ Es könnte jedoch andere Antworten auf die Frage geben, und daher kann man andere Hypothesen vorschlagen. Eine zweite Hypothese könnte lauten: „Das Klassenzimmer ist warm, weil der Strom ausfällt und die Klimaanlage nicht funktioniert.“

Sobald man eine Hypothese ausgewählt hat, kann der Schüler eine Vorhersage machen. Eine Vorhersage ähnelt einer Hypothese, hat jedoch normalerweise das Format „Wenn . . . dann . . . .“ Die Vorhersage für die erste Hypothese könnte beispielsweise lauten: „Wenn der Schüler schaltet die Klimaanlage ein, dann im Klassenzimmer wird es nicht mehr zu warm.“

Eine Hypothese testen

Eine gültige Hypothese muss überprüfbar sein. Es sollte auch falsifizierbar sein, dh experimentelle Ergebnisse können es widerlegen. Wichtig ist, dass die Wissenschaft nicht den Anspruch erhebt, etwas zu „beweisen“, da wissenschaftliche Erkenntnisse immer mit weiteren Informationen modifiziert werden. Dieser Schritt – Offenheit für widerlegende Ideen – unterscheidet Wissenschaften von Nicht-Wissenschaften. Die Präsenz des Übernatürlichen zum Beispiel ist weder prüfbar noch falsifizierbar. Um eine Hypothese zu testen, führt ein Forscher ein oder mehrere Experimente durch, die darauf ausgelegt sind, eine oder mehrere der Hypothesen zu eliminieren. Jedes Experiment hat eine oder mehrere Variablen und eine oder mehrere Kontrollen. Eine Variable ist jeder Teil des Experiments, der während des Experiments variieren oder sich ändern kann. Die Kontrollgruppe enthält alle Merkmale der experimentellen Gruppe, außer dass sie nicht die Manipulation erhält, die der Forscher vermutet. Wenn sich die Ergebnisse der Versuchsgruppe von denen der Kontrollgruppe unterscheiden, muss der Unterschied daher eher auf die hypothetische Manipulation als auf einen äußeren Faktor zurückzuführen sein. Suchen Sie in den folgenden Beispielen nach den Variablen und Steuerelementen. Um die erste Hypothese zu testen, würde der Schüler herausfinden, ob die Klimaanlage eingeschaltet ist. Wenn die Klimaanlage eingeschaltet ist, aber nicht funktioniert, sollte es einen anderen Grund geben und der Schüler sollte diese Hypothese ablehnen. Um die zweite Hypothese zu testen, könnte der Schüler überprüfen, ob die Beleuchtung im Klassenzimmer funktioniert. Wenn dies der Fall ist, liegt kein Stromausfall vor und der Schüler sollte diese Hypothese ablehnen. Die Studierenden sollen jede Hypothese durch entsprechende Experimente überprüfen. Seien Sie sich bewusst, dass die Ablehnung einer Hypothese nicht bestimmt, ob man die anderen Hypothesen akzeptieren kann oder nicht. Es eliminiert einfach eine Hypothese, die nicht gültig ist (Abbildung 1.6). Mit der wissenschaftlichen Methode verwirft der Student die Hypothesen, die mit experimentellen Daten nicht vereinbar sind.

Während dieses „warme Klassenzimmer“-Beispiel auf Beobachtungsergebnissen basiert, könnten andere Hypothesen und Experimente klarere Kontrollen haben. Zum Beispiel könnte eine Studentin am Montag den Unterricht besuchen und feststellen, dass sie Schwierigkeiten hat, sich auf die Vorlesung zu konzentrieren. Eine Beobachtung zur Erklärung dieses Vorfalls könnte sein: „Wenn ich vor dem Unterricht frühstücke, kann ich besser aufpassen.“ Der Schüler könnte dann ein Experiment mit einer Kontrolle entwerfen, um diese Hypothese zu testen.

In der hypothesenbasierten Wissenschaft sagen Forscher spezifische Ergebnisse aus einer allgemeinen Prämisse voraus. Wir nennen diese Art des Denkens deduktives Denken: Die Deduktion geht vom Allgemeinen zum Besonderen. Aber auch der umgekehrte Ablauf ist möglich: Manchmal ziehen Wissenschaftler aus einer Reihe konkreter Beobachtungen eine allgemeine Schlussfolgerung. Wir nennen diese Art des Denkens induktives Denken, und es geht vom Besonderen zum Allgemeinen über. Forscher verwenden häufig induktives und deduktives Denken zusammen, um wissenschaftliche Erkenntnisse zu erweitern (Abbildung 1.7). In den letzten Jahren hat sich aufgrund der exponentiellen Zunahme der in verschiedenen Datenbanken hinterlegten Daten ein neuer Ansatz zum Testen von Hypothesen entwickelt. Ein neues Feld der sogenannten „Datenforschung“ (auch „in silico“-Forschung genannt) bietet durch Computeralgorithmen und statistische Analysen von Daten in Datenbanken neue Methoden der Datenanalyse und deren Interpretation. Dies wird die Nachfrage nach Spezialisten sowohl in Biologie als auch in Informatik erhöhen, eine vielversprechende Karrierechance.

Visuelle Verbindung

Im folgenden Beispiel wird die wissenschaftliche Methode verwendet, um ein alltägliches Problem zu lösen. Ordne die wissenschaftlichen Methodenschritte (nummerierte Items) dem Lösungsprozess des alltäglichen Problems (beschriftete Items) zu. Ist die Hypothese aufgrund der Ergebnisse des Experiments richtig? Wenn es falsch ist, schlagen Sie einige alternative Hypothesen vor.

1. Beobachtung A. Mit der Steckdose stimmt etwas nicht.
2. Frage B. Wenn etwas mit der Steckdose nicht stimmt, funktioniert meine Kaffeemaschine auch nicht, wenn sie angeschlossen ist.
3. Hypothese (Antwort) C. Mein Toaster toastet mein Brot nicht.
4. Vorhersage D. Ich stecke meine Kaffeemaschine in die Steckdose.
5. Experimentieren e. Meine Kaffeemaschine funktioniert.
6. Ergebnis F. Warum funktioniert mein Toaster nicht?

Visuelle Verbindung

Entscheiden Sie, ob jede der folgenden Aussagen ein Beispiel für induktives oder deduktives Denken ist.

  1. Alle fliegenden Vögel und Insekten haben Flügel. Vögel und Insekten schlagen mit den Flügeln, wenn sie sich durch die Luft bewegen. Daher ermöglichen Flügel das Fliegen.
  2. Insekten überstehen milde Winter im Allgemeinen besser als harte. Daher werden Schadinsekten problematischer, wenn die globalen Temperaturen steigen.
  3. Chromosomen, die Träger der DNA, werden bei der Zellteilung gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Daher hat jede Tochterzelle den gleichen Chromosomensatz wie die Mutterzelle.
  4. So unterschiedliche Tiere wie Menschen, Insekten und Wölfe zeigen alle ein soziales Verhalten. Daher muss soziales Verhalten einen evolutionären Vorteil haben.

Die wissenschaftliche Methode mag zu starr und strukturiert erscheinen. Es ist wichtig zu bedenken, dass, obwohl Wissenschaftler dieser Reihenfolge häufig folgen, Flexibilität vorhanden ist. Manchmal führt ein Experiment zu Schlussfolgerungen, die eine Änderung des Ansatzes begünstigen. Oft bringt ein Experiment ganz neue wissenschaftliche Fragen ins Puzzle. Wissenschaft funktioniert oft nicht linear. Stattdessen ziehen Wissenschaftler ständig Schlussfolgerungen und machen Verallgemeinerungen und finden im Laufe ihrer Forschung Muster. Wissenschaftliches Denken ist komplexer, als die wissenschaftliche Methode allein vermuten lässt. Beachten Sie auch, dass wir die wissenschaftliche Methode zur Lösung von Problemen anwenden können, die nicht unbedingt wissenschaftlicher Natur sind.

Zwei Arten von Wissenschaft: Grundlagenwissenschaft und angewandte Wissenschaft

Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat in den letzten Jahrzehnten über den Wert verschiedener Wissenschaftstypen debattiert. Ist es wertvoll, Wissenschaft zu betreiben, um einfach Wissen zu erlangen, oder hat wissenschaftliches Wissen nur dann einen Wert, wenn wir es zur Lösung eines bestimmten Problems oder zur Verbesserung unseres Lebens anwenden können? Diese Frage konzentriert sich auf die Unterschiede zwischen zwei Arten von Wissenschaft: Grundlagenwissenschaft und angewandte Wissenschaft.

Grundlagenwissenschaft oder „reine“ Wissenschaft versucht Wissen zu erweitern, unabhängig von der kurzfristigen Anwendung dieses Wissens. Es konzentriert sich nicht auf die Entwicklung eines Produkts oder einer Dienstleistung von unmittelbarem öffentlichem oder kommerziellem Wert. Das unmittelbare Ziel der Grundlagenwissenschaft ist Wissen um des Wissens willen, was aber nicht bedeutet, dass es am Ende nicht zu einer praktischen Anwendung führen kann.

Im Gegensatz dazu zielt die angewandte Wissenschaft oder „Technologie“ darauf ab, mithilfe von Wissenschaft reale Probleme zu lösen, um beispielsweise einen Ernteertrag zu verbessern, ein Heilmittel für eine bestimmte Krankheit zu finden oder von einer Naturkatastrophe bedrohte Tiere zu retten (Abbildung 1.8). In der angewandten Wissenschaft wird das Problem in der Regel für den Forscher definiert.

Manche Personen mögen angewandte Wissenschaft als „nützlich“ und Grundlagenwissenschaft als „nutzlos“ empfinden. Eine Frage, die diese Leute einem Wissenschaftler stellen könnten, der sich für den Wissenserwerb einsetzt, wäre: "Wozu?" Ein sorgfältiger Blick auf die Wissenschaftsgeschichte zeigt jedoch, dass das Basiswissen zu vielen bemerkenswerten Anwendungen von großem Wert geführt hat. Viele Wissenschaftler glauben, dass ein grundlegendes Verständnis der Wissenschaft erforderlich ist, bevor Forscher eine Anwendung entwickeln. Daher verlässt sich die angewandte Wissenschaft auf die Ergebnisse, die Forscher durch die Grundlagenforschung erzielen. Andere Wissenschaftler meinen, dass es an der Zeit ist, von der Grundlagenforschung wegzukommen, um Lösungen für aktuelle Probleme zu finden. Beide Ansätze sind gültig. Es stimmt, dass es Probleme gibt, die sofortige Aufmerksamkeit erfordern, aber Wissenschaftler würden ohne die Hilfe der breiten Wissensbasis, die die Grundlagenforschung generiert, nur wenige Lösungen finden.

Ein Beispiel dafür, wie Grundlagen- und angewandte Wissenschaft zusammenarbeiten können, um praktische Probleme zu lösen, entstand nach der Entdeckung der DNA-Struktur und führte zu einem Verständnis der molekularen Mechanismen, die die DNA-Replikation steuern. DNA-Stränge, die bei jedem Menschen einzigartig sind, befinden sich in unseren Zellen, wo sie die für das Leben notwendigen Anweisungen liefern. Wenn sich die DNA repliziert, produziert sie neue Kopien von sich selbst, kurz bevor sich eine Zelle teilt. Das Verständnis der DNA-Replikationsmechanismen ermöglichte es Wissenschaftlern, Labortechniken zu entwickeln, mit denen Forscher heute genetische Krankheiten identifizieren, Personen lokalisieren, die sich an einem Tatort befanden, und die Vaterschaft feststellen. Ohne Grundlagenwissenschaft ist es unwahrscheinlich, dass angewandte Wissenschaft existieren könnte.

Ein weiteres Beispiel für die Verbindung zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ist das Human Genome Project, eine Studie, in der Forscher jedes menschliche Chromosom analysierten und kartierten, um die genaue Sequenz der DNA-Untereinheiten und die genaue Position jedes Gens zu bestimmen. (Das Gen ist die Grundeinheit der Vererbung, die durch ein spezifisches DNA-Segment repräsentiert wird, das für ein funktionelles Molekül kodiert. Die vollständige Sammlung von Genen eines Individuums ist sein oder ihr Genom.) Forscher haben im Rahmen dieses Projekts andere weniger komplexe Organismen untersucht, um ein besseres Verständnis der menschlichen Chromosomen zu erlangen. Das Human Genome Project (Abbildung 1.9) stützte sich auf Grundlagenforschung mit einfachen Organismen und später mit dem menschlichen Genom. Ein wichtiges Endziel wurde schließlich, die Daten für die angewandte Forschung zu verwenden, um Heilungen und Frühdiagnosen für genetisch bedingte Krankheiten zu suchen.

Während Wissenschaftler ihre Forschungsbemühungen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft normalerweise sorgfältig planen, beachten Sie, dass einige Entdeckungen durch Zufall gemacht werden, dh durch einen glücklichen Zufall oder eine glückliche Überraschung. Der schottische Biologe Alexander Fleming entdeckte Penicillin, als er versehentlich eine Petrischale mit Staphylokokken Bakterien geöffnet. Auf der Schüssel wuchs ein unerwünschter Schimmel, der die Bakterien abtötete. Flemings Neugier, den Grund für den Bakterientod zu erforschen, gefolgt von seinen Experimenten, führten zur Entdeckung des Antibiotikums Penicillin, das vom Pilz produziert wird Penicillium. Selbst in der hochorganisierten Welt der Wissenschaft kann Glück – in Kombination mit einem aufmerksamen, neugierigen Geist – zu unerwarteten Durchbrüchen führen.

Berichterstattung über wissenschaftliche Arbeiten

Unabhängig davon, ob wissenschaftliche Forschung Grundlagenwissenschaft oder angewandte Wissenschaft ist, müssen Wissenschaftler ihre Erkenntnisse teilen, damit andere Forscher ihre Entdeckungen erweitern und darauf aufbauen können. Die Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern – bei der Planung, Durchführung und Analyse von Ergebnissen – ist für die wissenschaftliche Forschung wichtig. Wichtige Aspekte der Arbeit eines Wissenschaftlers sind daher die Kommunikation mit Gleichaltrigen und die Weitergabe der Ergebnisse an Gleichgesinnte. Wissenschaftler können Ergebnisse austauschen, indem sie sie auf einer wissenschaftlichen Tagung oder Konferenz präsentieren, aber dieser Ansatz kann nur die wenigen anwesenden Personen erreichen. Stattdessen präsentieren die meisten Wissenschaftler ihre Ergebnisse in Peer-Review-Manuskripten, die in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht werden. Peer-reviewed Manuskripte sind wissenschaftliche Arbeiten, die von Kollegen oder Peers begutachtet werden. Bei diesen Kollegen handelt es sich um qualifizierte Personen, oft Experten auf demselben Forschungsgebiet, die beurteilen, ob die Arbeit des Wissenschaftlers für eine Veröffentlichung geeignet ist oder nicht. Das Peer-Review-Verfahren trägt dazu bei, sicherzustellen, dass die Forschung in einer wissenschaftlichen Arbeit oder einem Förderantrag originell, aussagekräftig, logisch und gründlich ist. Auch Förderanträge, also Anträge auf Forschungsförderung, unterliegen der Begutachtung durch Fachkollegen. Wissenschaftler veröffentlichen ihre Arbeit, damit andere Wissenschaftler ihre Experimente unter ähnlichen oder anderen Bedingungen reproduzieren können, um die Ergebnisse zu erweitern.

Eine wissenschaftliche Arbeit unterscheidet sich stark vom kreativen Schreiben. Obwohl Kreativität gefragt ist, um Experimente zu gestalten, gibt es feste Richtlinien, wenn es um die Präsentation wissenschaftlicher Ergebnisse geht. Erstens muss wissenschaftliches Schreiben kurz, prägnant und genau sein. Eine wissenschaftliche Arbeit muss prägnant, aber detailliert genug sein, damit Kollegen die Experimente reproduzieren können.

Die wissenschaftliche Arbeit besteht aus mehreren spezifischen Abschnitten – Einführung, Materialien und Methoden, Ergebnisse und Diskussion. Diese Struktur wird manchmal als „IMRaD“-Format bezeichnet. Am Anfang der Arbeit stehen in der Regel Anerkennungs- und Referenzabschnitte sowie ein Abstract (eine prägnante Zusammenfassung). Abhängig von der Art der Arbeit und der Zeitschrift, in der sie veröffentlicht wird, können zusätzliche Abschnitte vorhanden sein. Zum Beispiel erfordern einige Übersichtsartikel eine Gliederung.

Die Einführung beginnt mit kurzen, aber breiten Hintergrundinformationen über das, was auf diesem Gebiet bekannt ist. Eine gute Einführung gibt auch die Begründung der Arbeit. Es begründet die durchgeführte Arbeit und erwähnt auch kurz das Ende des Papiers, in dem der Forscher die Hypothese oder Forschungsfrage vorstellt, die die Forschung antreibt. Die Einleitung bezieht sich auf veröffentlichte wissenschaftliche Arbeiten anderer und erfordert daher Zitate im Stil der Zeitschrift. Die Verwendung von Werken oder Ideen anderer ohne korrektes Zitieren ist ein Plagiat.

Der Abschnitt Materialien und Methoden enthält eine vollständige und genaue Beschreibung der von den Forschern verwendeten Substanzen sowie der Methoden und Techniken, mit denen sie Daten sammeln. Die Beschreibung sollte gründlich genug sein, um es einem anderen Forscher zu ermöglichen, das Experiment zu wiederholen und ähnliche Ergebnisse zu erzielen, aber sie muss nicht ausführlich sein. Dieser Abschnitt enthält auch Informationen darüber, wie die Forscher Messungen vorgenommen haben und welche Arten von Berechnungen und statistischen Analysen sie zur Untersuchung der Rohdaten verwendet haben. Obwohl der Abschnitt Materialien und Methoden eine genaue Beschreibung der Experimente enthält, werden sie nicht erörtert.

Einige Zeitschriften erfordern einen Ergebnisteil gefolgt von einem Diskussionsteil, aber es ist üblicher, beides zu kombinieren. Wenn die Zeitschrift die Kombination beider Abschnitte nicht zulässt, werden im Ergebnisteil die Ergebnisse ohne weitere Interpretation einfach erzählt. Die Forscher präsentieren die Ergebnisse mit Tabellen oder Grafiken, aber sie präsentieren keine doppelten Informationen. Im Diskussionsteil werden die Forscher die Ergebnisse interpretieren, beschreiben, wie die Variablen zusammenhängen und versuchen, die Beobachtungen zu erklären. Eine umfangreiche Literaturrecherche ist unabdingbar, um die Ergebnisse in den Kontext der bereits veröffentlichten wissenschaftlichen Forschung zu stellen. Daher nehmen Forscher auch in diesem Abschnitt korrekte Zitate auf.

Schließlich fasst der Schlussabschnitt die Bedeutung der experimentellen Ergebnisse zusammen. Während die wissenschaftliche Arbeit mit ziemlicher Sicherheit eine oder mehrere wissenschaftliche Fragen beantwortet, die die Forscher angegeben haben, sollte jede gute Forschung zu mehr Fragen führen. Daher ermöglicht eine gut gemachte wissenschaftliche Arbeit den Forschern und anderen, die Ergebnisse fortzusetzen und zu erweitern.

Übersichtsartikel folgen nicht dem IMRAD-Format, da sie keine wissenschaftlichen Originalergebnisse oder Primärliteratur präsentieren. Stattdessen fassen und kommentieren sie Ergebnisse, die als Primärliteratur veröffentlicht wurden und enthalten in der Regel umfangreiche Referenzabschnitte.


Einführung

Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass Krankheitserreger eine bedeutende Rolle beim Artenrückgang spielen können (Bunbury et al. 2007). Hämosporidiane Parasiten, einschließlich Plasmodium, bekannt als Vogelmalaria, und verwandte Malaria-ähnliche Krankheitserreger Leukozytozoon und Untergattungen Hämoproteus und Parahämoproteus haben einen negativen Einfluss auf die Dynamik der Vogelpopulation (Yanga et al. 2011 Yoshimura et al. 2014). Mehrere Studien zeigten unterschiedliche Kosten für Lebensverlaufsmerkmale im Zusammenhang mit Hämosporidien-Infektionen, wie z. und geringere Überlebenschancen (Earle et al. 1993 Sol et al. 2003 Bunbury et al. 2007 Lachish et al. 2011).

Hämosporidiane Parasiten sind weit verbreitet und infizieren eine Vielzahl von Vogelwirten (Valkiūnas 2005 Bondenga et al. 2017). Dennoch haben sich die meisten Studien speziell mit aviären Hämosporiden von Sperlingsvögeln befasst, während die Forschung zu Nicht-Sperrvogel-Wirtsarten unterrepräsentiert ist (Santiago-Alarcon et al. 2010 Clark et al. 2014). Es gibt nur wenige neuere Veröffentlichungen, die sich mit hämosporidischen Parasiten bei wildlebenden columbiformen Vögeln, insbesondere in Europa, außer der Wildtaube befassen Columba livia domestica (z. B. Sol et al. 2003 Foronda et al. 2004 Scaglione et al. 2015).

In general, given their common evolutionary background, closely related host species (i.e. species belonging to the same family) are expected to be similar in their susceptibility to parasitic infestations and exposure to vectoring dipterans and their parasite community (Ricklefs and Fallon 2002 Dubiec et al. 2016 Ciloglu et al. 2020a Ellis et al. 2020). However, only few studies have presented data on the prevalence and diversity of haemosporidian parasites in closely related bird species. Differences in prevalence between species are associated with several factors and the interactions between those, including life-history traits and ecology of the hosts and vectors, parasite characteristics and environmental conditions, that may affect the activity of vectors and the development of parasites (Sol et al. 2000 Gupta et al. 2011 Quillfeldt et al. 2011 Hellard et al. 2016 Chakarov et al. 2020 Ciloglu et al. 2020b Ellis et al. 2020). Also different behavioural characteristics (e.g. cavity-nesting vs. open-nesting or migrant vs. resident species) may influence haemosporidian prevalence and community (Dunn et al. 2017 Emmenegger et al. 2018), whereas no evidence that closely related host species share parasites due to overlapping geographic ranges was found (Ciloglu et al. 2020a). Cavity-nesting species may be shielded from vector exposure due to their enclosed surroundings, while open-nesting birds should be more susceptible to flying dipteran vectors. Migratory species, particularly long-distance migrants, are expected to host a higher diversity of parasites (Walther et al. 2016 Emmenegger et al. 2018 Ciloglu et al. 2020b) as they encounter parasites and their vectors in multiple ecosystems each year, whereas residents only encounter parasites in one ecosystem (Møller and Erriyzøe 1998). The European turtle dove Streptopelia turtur (henceforth turtle dove) is the only long-distance migrant among the columbiform birds we tested. The European population follows three main migration flyways (western, central and eastern) between Europe and sub-Saharan Africa (Marx et al. 2016). The population trend of turtle doves across Europe declined by almost 80% since the 1970s, whereas population trends of other columbiform species, like Common woodpigeon C. palumbus (henceforth woodpigeon) and stock dove C. oenas, are increasing (PECBMS 2020). Stock doves and woodpigeons from Central Europe are partial migrants. Migratory individuals are mainly wintering in France and Iberia (Cramp 1985 von Blotzheim and Bauer 1994). The main reasons for the turtle dove population decline are the loss of good-quality habitats as well as illegal and unsustainable legal hunting. Additional threats were identified, but these are either considered to have a small or unknown impact or need further research (Fisher et al. 2018) among these are diseases like haemosporidian infections.

We used molecular and microscopic techniques to screen the columbiform species for haemosporidian infections and to identify genetic lineages in order to test the following hypotheses: (i) the prevalence of haemosporidian parasites is higher in long-distance compared to short-distance migratory or resident species, (ii) the diversity of lineages differs among related species and (iii) the prevalence and lineage occurrence in turtle doves varies across their flyways due to possible differing parasite-vector-communities at different breeding, stopover and wintering areas.


DISKUSSION

Adipose tissue is perhaps the most structurally dynamic tissue in the adult human body. Its capacity to grow and shrink in size by large magnitudes is fundamental to human metabolism, health, fitness, and adaptation. Unraveling the mechanisms of this process has become increasingly important because of the growing obesity epidemic, afflicting more than 40% of the adult U.S. population and an increasing fraction of the worldwide population, including countries at all levels of development (41). Tissue microenvironments and macrophage cells are believed to be essential to adipose dynamics, with CLSs believed to be the histopathological inflammatory connection to obesity comorbidities, including metabolic disorders, glucose intolerance, and cardiovascular events (9). The counterintuitive necessity to pare and kill off cells to grow tissue in the obese state is not yet fully understood, partly because of our incomplete ability to correlate microscopic tissue structures with global tissue metabolism. Our current understanding has been limited to analyses from 2D adipose tissue sections with limited 3D structural information, and nonlinear changes have been observed in the progressive development of obesity (42). 3D analysis is needed to accurately assess CLS features such as cell composition, size, and shape, while rare events such as large CLS structures may not be possible to identify in 2D datasets. Whether these additional features will further improve correlation with clinical conditions or predict progression to comorbidities will be the focus of further studies. Time course microscopy in living tissues has revealed important dynamic processes in adipose tissues (43) however, there are considerable limitations to these techniques, as the spatial depth of confocal imaging only allows observations at the tissue periphery and with low throughput. Tissue clearing and deep learning–based image processing instead provide the capacity to comprehensively map all CLS structures and to further evaluate cell-cell interactions with much richer detail, albeit without the capacity for longitudinal analysis of individual structures (15, 44). Further studies will be needed to analyze cell subclassifications involved, as single-cell sequencing in lean and obese adipose tissues revealed seven distinct subclasses of macrophages (45). Adipocytes, while not directly probed in this work, can also be evaluated using related image analysis workflows, which may yield further insights into factors modulating organism-level metabolism, such as adipokines (e.g., adiponectin and leptin) or free fatty acids. Advanced forms of multiplexed immunolabeling, potentially applying technologies like quantum dots, will be necessary to identify numerous additional cell types and phenotype markers in heterogeneous tissue microenvironments (46) to help understand their spatial relationships, contributions to pathologies, and response to interventions. These workflows may similarly contribute to the development of novel bioengineering technologies in adipose tissue, which is a common source of stem cells, a target for novel biopharmaceuticals, and a potential depot for drug delivery (47, 48). While applications in the sciences are clear, there are still challenges that prevent the use of 3D imaging techniques in the clinic for histopathological analyses, such as long immunolabeling times and low-throughput analysis methods for terabyte-sized data (44). Deep learning in the most recent 10 years has led to streamlined procedures for image processing and analysis, with particularly impactful contributions for object recognition and localization, processes that have traditionally been manual bottlenecks in image analysis. Nevertheless, the coordinated development of tissue clearing and labeling approaches, microscopy modalities, and advanced deep learning algorithms can together drive solutions to the challenges in 3D structural biology of tissue.


Technology Aids in Important Discovery

One enzyme that&rsquos crucial to the assembly of Hedgehog proteins is known as Hedgehog acetyltransferase, or HHAT. It acts like a machine on an assembly line to link two components together and form the final Hedgehog product. Once HHAT completes this assembly step, the finished Hedgehog protein acts as a messenger. For this reason, inhibitors of HHAT, which prevent it from completing its assembly, could potentially be useful for the treatment of certain cancers that depend on Hedgehog messages.

MSK scientists are able to probe the shapes of proteins more completely than ever before thanks to an advanced imaging technology called cryogenic electron microscopy (cryo-EM), which MSK acquired in 2016.

Older methods of looking at proteins&rsquo structures, such as X-ray crystallography, require molecules to be crystallized in a repeating array, similar to a salt crystal. This can limit the ability to study proteins that are flexible. For the HHAT enzyme, it&rsquos particularly challenging because the protein is normally embedded within a membrane inside a cell.

&ldquoMembrane proteins are generally more difficult to study in the laboratory than other types of proteins, and, consequently, we know less about how they work,&rdquo Dr. Long says. Because cryo-EM doesn&rsquot require proteins to be crystallized, researchers can now decipher what the proteins look like more easily.


A Review of All Cell Organelles Through Q&As

Viruses are considered the only living organisms that do not have cells. Viruses are made up of genetic material (DNA or RNA) enclosed in a protein capsule. They do not have membranes, cell organelles, or own metabolism.

3. In 1665, Robert Hooke, an English scientist, published his book Micrographia, in which he described that pieces of cork viewed under a microscope presented small cavities, similar to pores and filled with air. Based on knowledge discovered later on, what do you think those cavities were composed of? What is the historical importance of this observation?

The walls of the cavities observed by Hooke were the walls of the plant cells that form the tissue. This observation led to the discovery of cells, a fact only possible after the invention of the microscope. In that book, Hooke established the term “cell", which is now widely used in biology, to designate those cavities seen under the microscope.

Eukaryotic and Prokaryotic Cells

4. What are the two main groups into which cells are classified?

Cells can be classified as eukaryotic or prokaryotic.

Prokaryotic cells are those that do not have an enclosed nucleus. Eukaryotic cells are those with a nucleus enclosed by a membrane.

5. Do the cells of bacteria have a nucleus?

In bacteria, genetic material is contained in the cytosol and there is no internal membrane that encloses a nucleus.

6. Are any bacteria made of more than one cell?

There are no pluricellular bacteria. All bacteria are unicellular and prokaryotic.

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Plasma Membran

7. What is the plasma membrane of the cell? What are its main functions?

The plasma membrane is the outer membrane of a cell, it encloses the cell itself, maintaining specific conditions for cellular function within the cell. Since it is selectively permeable, the plasma membrane plays an important role in the entrance and exit of substances.

8. What chemical substances compose the plasma membrane?

The main components of the plasma membrane are phospholipids, proteins and carbohydrates. Phospholipids are amphipathic molecules that are regularly organized in the membrane according to their polarity: two layers of phospholipids form the lipid bilayer, with the polar part of the phospholipids pointing to the exterior part of the layer and the non-polar phospholipid chains toward the interior. Proteins can be found embedded in the lipid bilayer. In addition, there are also some carbohydrates bound to proteins and to phospholipids in the outer surface of the membrane.

9. What is the difference between a plasma membrane and a cell wall?

A plasma membrane and a cell wall are not the same thing. The plasma membrane, also called the cell membrane, is the outer membrane common to all living cells, made of a phospholipid bilayer, embedded proteins and some bound carbohydrates.

Because cell membranes are fragile, in some types of cells, there are also external structures to support and protect the membrane, like the cellulose wall of plant cells and the chitin wall of some fungi cells. Most bacteria also have an outer cell wall made of peptidoglycans and other organic substances.

Cell Structure Review - Image Diversity: cell wall

10. What are the main respective components of cell walls in bacteria, protists, fungi and plants?

In bacteria, the cell wall is made of peptidoglycans among protists, algae have cell walls made of cellulose in fungi, the cell wall is made of chitin (the same substance that makes the exoskeleton of arthropods) and in plants, the cell wall is also made of cellulose.

11. Are membranes only present as the outside of cells?

Lipid membranes do not only form the outer layer of cells. Cell organelles, such as the Golgi complex, mitochondria, chloroplasts, lysosomes, the endoplasmic reticula and the nucleus, are also enclosed by membranes.

Cell Structure Review - Image Diversity: cell nucleus

Zellkern

12. Which type of cell evolved first, the eukaryotic cell or the prokaryotic cell?

This is an interesting problem of biological evolution. The most accepted hypothesis claims that the simpler cell, the prokaryotic cell, appeared earlier in evolution than the more complex eukaryotic cell. The endosymbiotic hypothesis, for example, claims that aerobic eukaryotic cells appeared from the mutualistic ecological interaction between aerobic prokaryotes and primitive anaerobic eukaryotes.

13. Regarding the presence of the nucleus, what is the difference between animal and bacterial cells?

Animal cells (the cells of organisms of the kingdom Animalia) have an interior membrane that encloses a cell nucleus and are therefore eukaryotic cells. In these cells, the genetic material is located within the nucleus. Bacterial cells (the cells of living organisms of the kingdom Monera) do not have organized cellular nuclei and are therefore prokaryotic cells. Their genetic material is found in the cytosol.

14. What are the three main parts of a eukaryotic cell?

Eukaryotic cells can be divided into three main parts: the cell membrane that physically separates the intracellular space from the outer space by enclosing the cell the cytoplasm, the interior portion filled with cytosol (the aqueous fluid inside the cell) and the nucleus, the membrane-enclosed internal region that contains genetic material.

15. What are the main structures within the nucleus of a cell?

Within the nucleus of a cell, the main structures are: the nucleolus, an optically dense region, sphere shaped region, which contains concentrated ribosomal RNA (rRNA) bound to proteins (there may be more than one nucleolus in a nucleus) the chromatin, made of DNA molecules released into the nuclear matrix during cell interphase and the karyotheca, or nuclear membrane, which is the membrane that encloses the nucleus.

16. What substances is chromatin made up of? What is the difference between chromatin and a chromosome?

Chromatin, dispersed in the nucleus, is a set of filamentous DNA molecules attached to nuclear proteins called histones. Each DNA filament is a double helix of DNA and therefore a chromosome.

17. What is the fluid that fills the nucleus called?

The aqueous fluid that fills the nuclear region is called karyolymph, or the nucleoplasm. This fluid contains proteins, enzymes and other important substances for nuclear metabolism.

18. What substances make up the nucleolus? Is there a membrane around the nucleolus?

The nucleolus is a region within the nucleus made of ribosomal RNA (rRNA) and proteins. It is not enclosed by a membrane.

19. What is the name of the membrane that encloses the nucleus? Which component of cell structure is contiguous to this membrane?

The nuclear membrane is also called the karyotheca. The nuclear membrane is contiguous to the endoplasmic reticulum membrane.

The Cytoplasm

20. What are the main structures of the cytoplasm present in animal cells?

The main structures of the cytoplasm of a cell are centrioles, the cytoskeleton, lysosomes, mitochondria, peroxisomes, the Golgi apparatus, the endoplasmic reticula and ribosomes.

21. What are cytoplasmic inclusions?

Cytoplasmic inclusions are foreign molecules added to the cytoplasm, such as pigments, organic polymers and crystals. They are not considered cell organelles.

Fat droplets and glycogen granules are examples of cytoplasmic inclusions.

Ribosomen

22. Where in the cell can ribosomes be found? What is the main biological function of ribosomes?

Ribosomes can be found unbound in the cytoplasm, attached to the outer side of the nuclear membrane or attached to the endoplasmic reticulum membrane that encloses the rough endoplasmic reticulum. Ribosomes are the structures in which protein synthesis takes place.

The Endoplasmic Reticulum

23. What is the difference between the smooth and rough endoplasmic reticulum?

The endoplasmic reticulum is a delicate membrane structure that is contiguous to the nuclear membrane and which is present in the cytoplasm. It forms an extensive net of channels throughout the cell and is classified into rough or smooth types.

The rough endoplasmic reticulum has a large number of ribosomes attached to the external side of its membrane. The smooth endoplasmic reticulum does not have ribosomes attached to its membrane.

The main functions of the rough endoplasmic reticulum are the synthesis and storage of proteins made in the ribosomes. The smooth endoplasmic reticulum plays a role in lipid synthesis and, in muscle cells, it is important in carrying out of contraction stimuli.

The Golgi Apparatus

24. A netlike membrane complex of superposed flat saccules with vesicles detaching from its extremities seen is observed during electron microscopy. What is the observed structure called? What is its biological function?

What is being observed is the Golgi complex, or Golgi apparatus. This cytoplasmic organelle is associated with chemical processing and the modification of proteins made by the cell as well as with the storage and marking of these proteins for later use or secretion. Vesicles seen under an electronic microscope contain materials already processed, ਊnd which are ready to be exported (secreted) by the cell. The vesicles detach from the Golgi apparatus, travel across the cytoplasm and fuse with the plasma membrane, secreting their substances to the exterior.

Lysosomes and Peroxysomes

25. Which organelle of the cell structure is responsible for intracellular digestion? What is the chemical content of those organelles?

Intracellular digestion occurs through the action of lysosomes. Lysosomes contain digestive enzymes (hydrolases) that are produced in the rough endoplasmic reticulum and stored in the Golgi apparatus. Lysosomes are hydrolase-containing vesicles that detach from the Golgi apparatus.

26. Why are lysosomes known as “the cleaners” of cell waste?

Lysosomes carry out autophagic and heterophagic digestion. Autophagic digestion occurs when residual substances of the cellular metabolism are digested. Heterophagic digestion takes place when substances that enter the cell are digested. Lysosomes enfold the substances to be broken down, forming digestive vacuoles or residual vacuoles, which later migrate toward the plasma membrane, fusing with it and releasing (exocytosis) the digested material to the exterior.

27. What are the morphological, chemical and functional similarities and differences between lysosomes and peroxisomes?

Similarities: lysosomes and peroxisomes are small membranous vesicles that contain enzymes and enclose residual substances of an internal or external origin to break them down. Differences: lysosomes have digestive enzymes (hydrolases) that break down substances to be digested into smaller molecules whereas peroxisomes contain enzymes that mainly break down long-chain fatty acids and amino acids, and which inactivate toxic agents including ethanol. In addition, within peroxisomes, the enzyme catalase is present. It is responsible for the oxidation of organic compounds by hydrogen peroxide (H₂O₂) and, when this substance is present in excess, it is responsible for the breaking down of the peroxide into water and molecular oxygen.

Centriolen

28. Which cell organelles participate in cell division and in the formation of the cilia and flagella of some eukaryotic cells?

The organelles that participate in cell division and in the formation of the cilia and flagella of some eukaryotic cells are centrioles. Some cells have cilia (paramecium, the bronchial ciliated epithelium, etc.) or flagella (flagellate protists, sperm cells, etc.). These cell structures are composed of microtubules that originate from the centrioles. Centrioles also produce the aster microtubules that are very important for cell division.

Mitochondrien

29. What are mitochondria? What is the basic morphology of these organelles and in which cells can they be found?

Mitochondria are the organelles in which the most important part of cellular respiration occurs: ATP production.

Mitochondria are organelles enclosed by two lipid membranes. The inner membrane invaginates to the interior of the organelle, forming the cristae that enclose the internal space known as the mitochondrial matrix, in which mitochondrial DNA (mtDNA), mitochondrial RNA (mt RNA), mitochondrial ribosomes and respiratory enzymes can be found. Mitochondria are numerous in eukaryotic cells and they are even more abundant in cells that use more energy, such as muscle cells. Because they have their own DNA, RNA and ribosomes, mitochondria can self-replicate.

30. Why can mitochondria be considered the "power plants" of aerobic cells?

Mitochondria are the “power plants” of aerobic cells because, within them, the final stages of the cellular respiration process occur. Cellular respiration is the process of using an organic molecule (mainly glucose) and oxygen to produce carbon dioxide and energy. The energy is stored in the form of ATP (adenosine triphosphate) molecules and is later used in other cellular metabolic reactions. In mitochondria, the two last steps of cellular respiration take place: the Krebs cycle and the respiratory chain.

31. What is the endosymbiotic hypothesis regarding the origin of mitochondria? What molecular facts support this hypothesis? To which other cellular organelles can the hypothesis also be applied?

It is presumed that mitochondria were primitive aerobic prokaryotes that were engaged in mutualism with primitive anaerobic eukaryotes, receiving protection from these organisms and providing them with energy in return. This hypothesis is called the endosymbiotic hypothesis of the origin of mitochondria.

This hypothesis is strengthened by some molecular evidence, such as the fact that mitochondria have their own independent DNA and protein synthesis machinery, as well as their own RNA and ribosomes, and that they can self-replicate.

The endosymbiotic theory can also be applied to chloroplasts. It is assumed that these organelles were primitive photosynthetic prokaryotes because they have their own DNA, RNA and ribosomes, and can also self-replicate.

Das Zytoskelett

32. What are the main components of the cytoskeleton?

The cytoskeleton is a network of very small tubules and filaments distributed throughout the cytoplasm of eukaryotic cells. It is made of microtubules, microfilaments and intermediate filaments.

Microtubules are formed by molecules of a protein called tubulin. Microfilaments are made of actin, the same protein that is involved in the contraction of muscle cells. Intermediate filaments are also made of protein.

33. What are the functions of the cytoskeleton?

As the name indicates, the cytoskeleton is responsible for maintaining of the normal shape of the cell. It also facilitates the transport of substances across the cell and the movement of cellular organelles. For example, the interaction between actin-containing filaments and the protein myosin creates pseudopods. In the cells of the phagocytic defense system, such as macrophages, the cytoskeleton is responsible for the plasma membrane projections that engulf the external material to be interiorized and attacked by the cell.

Chloroplasten

34. What are chloroplasts? What is the main function of chloroplasts?

Chloroplasts are organelles present in the cytoplasm of plant and algae cells. Like mitochondria, chloroplasts have two boundary membranes and many internal membranous sacs. Within the organelle, DNA, RNA ribosomes and also the pigment chlorophyll are present. The latter is responsible for the absorption of the light photic energy used in photosynthesis.

The main function of chloroplasts is photosynthesis: the production of highly energetic organic molecules (glucose) from carbon dioxide, water and light.

35. What is the molecule responsible for the absorption of light energy during photosynthesis? Where is that molecule located in photosynthetic cells?

Chlorophyll molecules are responsible for the absorption of light energy during photosynthesis. These molecules are found in the internal membranes of chloroplasts.

36. What colors (of the electromagnetic spectrum) are absorbed by plants? What would happen to photosynthesis if the green light waves that reach a plant were blocked?

Chlorophyll absorbs all other colors of the electromagnetic spectrum, but it does not absorb green. Green is reflected and such reflection is the reason for that characteristic color of plants. If the green light that reaches a plant was blocked and exposure of the plant to other colors was maintained, there would be no harm to the photosynthesis process. This appears to be a paradox: green light is not important for photosynthesis.

There is a difference between the optimum color frequency for the two main types of chlorophyll, chlorophyll A and the chlorophyll B. Chlorophyll A has an absorption peak at a wavelength of approximately 420 nm (indigo) and chlorophyll B has its major absorption at a wavelength of 450 nm (blue).

37. What path is followed by the energy absorbed by plants to be used in photosynthesis?

The energy source of photosynthesis is the sun, the unique and central star of our solar system. In photosynthesis, solar energy is transformed into chemical energy, the energy of the chemical bonds of the produced glucose molecules (and of the molecular oxygen released). The energy of glucose is then stored as starch (a glucose polymer) or it is used in the cellular respiration process and transferred to ATP molecules. ATP is consumed during metabolic processes that require energy (for example, in active transport across membranes).

Plant Cell Wall and Vacuoles

38. What substance are plant cell walls made of? Which monomer is this substance made of?

Pflanzenzellwände bestehen aus Zellulose. Cellulose is a polymer whose monomer is glucose. There are other polymers of glucose, such as glycogen and starch.

39. What is the function of plant cell walls?

Plant cell walls have structural and protective functions. They play an important role in limiting cell size, and stopping cells from bursting, when they absorb a lot of water.

40. What are plant cell vacuoles? What are their functions? What is the covering membrane of vacuoles called?

Plant cell vacuoles are cell structures enclosed by membranes within which there is an aqueous solution made of various substances such as carbohydrates and proteins. In young plant cells, many small vacuoles can be seen within adult cells, the majority of the internal area of the cell is occupied by a central vacuole.

The main function of vacuoles is the osmotic balance of the intracellular space. They act as “an external space” inside the cell. Vacuoles absorb or release water in response to cellular metabolic necessities by increasing or lowering the concentration of osmotic particles dissolved in the cytosol. Vacuoles also serve as a place for the storage of some substances.

The membrane that encloses vacuoles is called the tonoplast, named after the osmotic function of the structure.

Now that you have finished studying Cell Structure, these are your options:


Danksagung

This research was largely supported by the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) Genomes to Watershed Scientific Focus Area funded by the US Department of Energy (DOE), Office of Science, Office of Biological and Environmental Research (OBER) under contract no. DE-AC02-05CH11231. Additional support was provided by LBNL EFRC award no. DE-AC02-05CH11231, NASA NESSF grant no. 12-PLANET12R-0025 and NSF DEB grant no. 1406956, DOE OBER grant no. DOE-SC10010566, Office of Naval Research grants nos. N00014-07-1-0287, N00014-10-1-0233 and N00014-11-1-0918, and by the Thomas C. and Joan M. Merigan Endowment at Stanford University. In addition, funding was provided by the Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan. The authors thank J. Eisen for comments, S. Venn-Watson, K. Carlin and E. Jensen (US Navy Marine Mammal Program) for dolphin samples, K.W. Seitz for sequence submission assistance, and the DOE Joint Genome Institute for generating the metagenome sequence via the Community Science Program.


Reproduktion

Reproduction in the Protozoa may be asexual, as in the amebas and flagellates that infect humans, or both asexual and sexual, as in the Apicomplexa of medical importance. The most common type of asexual multiplication is binary fission, in which the organelles are duplicated and the protozoan then divides into two complete organisms. Division is longitudinal in the flagellates and transverse in the ciliates amebas have no apparent anterior-posterior axis. Endodyogeny is a form of asexual division seen in Toxoplasma and some related organisms. Two daughter cells form within the parent cell, which then ruptures, releasing the smaller progeny which grow to full size before repeating the process. In schizogony, a common form of asexual division in the Apicomplexa, the nucleus divides a number of times, and then the cytoplasm divides into smaller uninucleate merozoites. In Plasmodium, Toxoplasma, and other apicomplexans, the sexual cycle involves the production of gametes (gamogony), fertilization to form the zygote, encystation of the zygote to form an oocyst, and the formation of infective sporozoites (sporogony) within the oocyst.

Some protozoa have complex life cycles requiring two different host species others require only a single host to complete the life cycle. A single infective protozoan entering a susceptible host has the potential to produce an immense population. However, reproduction is limited by events such as death of the host or by the host's defense mechanisms, which may either eliminate the parasite or balance parasite reproduction to yield a chronic infection. For example, malaria can result when only a few sporozoites of Plasmodium falciparum—perhaps ten or fewer in rare instances𠅊re introduced by a feeding Anopheles mosquito into a person with no immunity. Repeated cycles of schizogony in the bloodstream can result in the infection of 10 percent or more of the erythrocytes�out 400 million parasites per milliliter of blood.


Zusammenfassung

Cells dissociated from various tissues of vertebrate embryos preferentially reassociate with cells from the same tissue when they are mixed together. This tissue-specific recognition process in vertebrates is mediated mainly by a family of Ca 2+ -dependent cell-cell adhesion proteins called cadherins, which hold cells together by a homophilic interaction between these transmembrane proteins on adjacent cells. For this interaction to be effective, the cytoplasmic part of the cadherins must be linked to the cytoskeleton by cytoplasmic anchor proteins called catenins.

Two other families of transmembrane adhesion proteins have major roles in cell-cell adhesion. Selectins function in transient Ca 2+ -dependent cell-cell adhesions in the bloodstream by binding to specific oligosaccharides on the surface of another cell. Members of the immunoglobulin superfamily, including N-CAM, mediate Ca 2+ -independent cell-cell adhesion processes that are especially important during neural development.

Even a single cell type uses multiple molecular mechanisms in adhering to other cells (and to the extracellular matrix). Thus, the specificity of cell-cell (and cell-matrix) adhesion seen in embryonic development must result from the integration of several different adhesion systems, of which some are associated with specialized cell junctions, while others are not.


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