细胞结构

细胞(cells)非常小,所以你不能只用眼睛看到它们。你用一台显微镜(microscope)把它们做成一幅更大的图像。你遇到的第一种是光学显微镜(light microscope)。它让光穿过一个薄的标本(specimen,你观察的材料)并用玻璃透镜放大视野。

Making a slide and drawing what you see

要观察活的材料,你制作一个临时装片(temporary preparation)。你把一小片薄的材料放在一块玻璃载玻片(slide)上、加一滴染色剂(stain,一种使各部分更容易看到的有色液体),然后在上面放下一块薄的盖玻片(cover slip)以把它压平并挡住空气。

当你从一块载玻片或一张照片画细胞时,遵循简单的规则:

• 用一支尖的铅笔和清晰、单一的线条(不涂阴影)。
• 只画你真正能看到的,各部分用正确的大小。
• 用不交叉的直线标注各部分。

Magnification and actual size

放大倍数(magnification)告诉你图像比真实物体大多少倍。它没有单位。你用一个方程求它:

你可以重排它,从另外两个值求任何一个值:

分数的上面和下面必须用同样的单位。细胞很小,所以你用小单位工作:

• $1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ 微米(µm)
• $1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ 纳米(nm)
• 所以 $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$。

例题。 在一张放大倍数 $5000$ 的显微照片中,一个叶绿体(chloroplast)横向量得 $25\ \text{mm}$。它的实际大小是

同样的方程适用于图画、显微照片(photomicrographs,通过光学显微镜拍的照片)和电子显微照片(electron micrographs,最详细的照片,下面解释)。总是先转换成同样的单位,然后相除。

Eyepiece graticule and stage micrometer

要测量显微镜下一个真实的细胞,你用一个目镜测微尺(eyepiece graticule)——目镜里面的一个微小刻度。它的分度没有固定的大小,所以你必须先校准(calibrate)它们(算出一个分度值多少)。

你用一个载物台测微尺(stage micrometer)校准——一块带精确刻度的特殊载玻片(常常是 $1\ \text{mm}$ 分成 $100$ 份,所以每份是 $10\ \text{µm}$)。你把两个刻度对齐,数有多少个测微尺分度对上一个已知长度,并相除。一旦校准好,你可以换上你的标本并用测微尺测量它。

Resolution and magnification

这两个词容易混淆。考官为这个区别给分。

• 放大倍数是图像比物体大多少倍。
• 分辨率(resolution)是两个点之间仍能让你把它们看成两个分开的点的最小距离。

把一个图像做大并不总是显示更多细节。过了某一点你只会得到一个更大、更模糊的图像。分辨率设定细节的真实极限。

一台光学显微镜有较低的分辨率,因为光有相当长的波长(wavelength)。一台电子显微镜(electron microscope)用电子(electrons)束而不是光。电子有短得多的波长,所以分辨率高得多,你能看到细胞内部非常小的结构。有两种:扫描(scanning,以 3D 显示表面)和透射(transmission,让电子穿过一个薄切片以显示内部细节)。

植物和动物细胞是真核细胞(eukaryotic cells):它们的 DNA 被保存在一个细胞核(nucleus)里面。细胞内部有许多叫细胞器(organelles)的小部件,每个有它自己的工作。它们周围果冻状的液体是细胞质(cytoplasm)。

在一张显微照片或电子显微照片中,你按细胞器的形状、大小和位置识别它们;在一张图画中,你显示它们的轮廓并标注它们。

细胞把呼吸作用中制造的 ATP 用作它们每项需要能量的工作的能量供应,例如制造蛋白质、移动东西和分裂。

Comparing plant and animal cells

两者都有一个细胞膜、细胞质、一个细胞核、线粒体、核糖体、ER 和一个高尔基体。

一个原核细胞(prokaryotic cell),如一个细菌(bacterium),比一个真核细胞小得多、简单得多。它的关键特征是:

• 单细胞(unicellular)——它是一个单一的细胞。
• 一般横向 $1$–$5\ \text{µm}$。
• 一个由肽聚糖(peptidoglycan,不是纤维素)构成的细胞壁。
• 自由地躺在细胞质中的环状 DNA——没有细胞核。
• $70\text{S}$ 核糖体(比真核生物细胞质中的 $80\text{S}$ 的小)。
• 没有被双层膜围绕的细胞器——所以没有细胞核、没有线粒体、没有叶绿体。

Comparing prokaryotic and eukaryotic cells

所有病毒(viruses)都是非细胞(non-cellular)的——它们根本不是由细胞构成的。每个病毒只由两三个部分构成:

• 一个核酸(nucleic acid)核心,它是 DNA 或 RNA(从不两者都有)。
• 核心周围一个叫衣壳(capsid)的蛋白质外壳。
• 在一些病毒中,一个由磷脂(phospholipids)构成的外包膜(envelope)。

一个病毒没有细胞质、没有细胞器、没有核糖体。它不能呼吸或制造它自己的蛋白质。它只能在一个活的宿主(host)细胞里面复制自己,所以它坐在我们称为"有生命"的边缘。

• 放大倍数 $=$ 图像大小 $\div$ 实际大小——先转换单位($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$),然后重排以求未知的那个。
• 区分放大倍数(大多少倍)和分辨率(仍被看成两个点的最小距离);电子显微镜分辨更多,因为电子有更短的波长。
• 给每个细胞器一个结构 + 功能对(例如线粒体:折叠的内膜 → 有氧呼吸)。
• 精确地陈述原核对真核的区别:无细胞核、更小的(70S)核糖体、无膜结合细胞器、环状 DNA。
• 病毒是无生命的——只用衣壳、遗传物质和(有时)一个包膜来描述它们。