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Gibt es eine Grenze, wie groß ein frei lebender einzelliger einkerniger Organismus sein kann?

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Als ich nach dem größten Einzeller suchte, fand ich den Namen Syringammina fragilissima. Laut Wikipedia "… Syringammina fragilissima gehört zu den größten bekannten Coenozyten und erreicht einen Durchmesser von bis zu 20 Zentimetern." Der Haken ist, dass es sich um einen mehrkernigen Organismus handelt, nicht genau das, was ich im Sinn hatte. Der Grund, warum ich mich für die Obergrenze der Größe des frei lebenden einzelligen Organismus interessiere, ist, dass ich ein Gefühl für die Grenzen einzelner Zentren beim Senden und Empfangen von Informationen über einen großen Raum haben möchte. Mein Interesse gilt nicht der Nicht-Kompartimentierung (wie im Fall der mehrkernigen Einzelligkeit), sondern dem einzelnen Zentrum.


Struktur der größten Einzelzelle der Welt spiegelt sich auf molekularer Ebene

Daniel Chitwood, Ph.D., stellvertretendes Mitglied, und seine Forschungsgruppe am Donald Danforth Plant Science Center in St. Louis in Zusammenarbeit mit dem Labor von Neelima Sinha, Ph.D., an der University of California, Davis, sind mit dem weltweit größten einzelligen Organismus, einer Wasseralge namens Caulerpa taxifolia, um die Natur der Struktur und Form von Pflanzen zu untersuchen. Über die Ergebnisse ihrer Arbeit haben sie kürzlich im Online-Journal PLOS Genetics berichtet.

"Caulerpa ist ein einzigartiger Organismus", sagte Chitwood. „Es ist ein Mitglied der Grünalgen, die Pflanzen sind. Bemerkenswert ist, dass es sich um eine einzelne Zelle handelt, die eine Länge von 15 bis 12 Zoll erreichen kann. Sie hat unabhängig eine Form entwickelt, die den Organen von Landpflanzen ähnelt. Ein Ausläufer läuft entlang der Oberfläche dass die Zelle auf und aus dem Ausläufer wächst, entstehen blattartige Wedel und wurzelartige Verklebungen, die die Zelle verankern und Phosphor aus dem Substrat aufnehmen. All diese Strukturen sind nur eine Zelle.“

„Seit vielen Jahren interessiere ich mich für Struktur und Form von Pflanzen, insbesondere für Tomaten, die Landpflanze, die ich am meisten untersucht habe“, fuhr Chitwood fort. „Wie Sie sich vorstellen können, ist es ein anspruchsvolles Ziel herauszufinden, was die Struktur und Form einer komplexen Tomatenpflanze bestimmt. Es ist wichtig zu wissen, wie Pflanzen wachsen und sich entwickeln, um mehr Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, um sie zu verbessern und letztendlich die Nahrungsmittelproduktion zuverlässiger zu machen. Mehrzelligkeit ist eine wichtige Voraussetzung, die komplexe Architekturen in Nutzpflanzen ermöglicht. Doch Caulerpa ist auch eine Pflanze und hat unabhängig einen landpflanzenähnlichen Körperbau entwickelt, aber ohne Vielzelligkeit und als Einzelzelle.

Chitwood und seine Gruppe argumentierten, dass sich die Struktur von Caulerpa in den RNAs in verschiedenen Teilen der Zelle widerspiegeln könnte. (RNAs sind die molekularen Produkte, die gefunden werden, wenn Gene exprimiert oder "angeschaltet" werden.) Zum Beispiel kann der Wedelteil der Zelle andere RNAs aufweisen als der Halteteil der Zelle. Auf Caulerpa durchgeführt, würde diese Art der Analyse auch Einblicke in die Verteilung von RNAs innerhalb einzelner Zellen liefern, eine Leistung, die normalerweise schwer zu erreichen ist, weil Zellen in mehrzelligen Organismen so klein sind.

"Das Ergebnis war noch interessanter, als wir gehofft hatten", sagte Chitwood. „Nicht nur verschiedene Teile der Caulerpa-Zelle zeigen deutlich unterschiedliche RNAs, sondern es gibt auch eine gewisse Korrelation zwischen RNAs, die zusammen in verschiedenen Teilen der Caulerpa-Zelle exprimiert werden, mit denen, die zusammen in den mehrzelligen Organen der Tomate exprimiert werden Caulerpa gehört wahrscheinlich zu denjenigen, die vor mehr als 500 Millionen Jahren Landpflanzen hervorbrachten, in vielerlei Hinsicht zeigt Caulerpa Muster der RNA-Ansammlung, die heute mit Landpflanzen geteilt werden.

"Unsere Arbeit an Caulerpa hat mir und meinem Team eine völlig neue Denkweise über Pflanzenstruktur und -entwicklung ermöglicht", fuhr Chitwood begeistert fort. „Es ist klar, dass die Grundform, die wir mit Landpflanzen assoziieren, mit und ohne Vielzelligkeit entstehen kann. Tatsächlich sind höhere Pflanzenzellen durch Kanäle, die Plasmodesmata genannt werden, miteinander verbunden, und es wurde argumentiert, dass mehrzellige Landpflanzen ähnliche Eigenschaften aufweisen wie einzellige Organismen wie Caulerpa. Was wäre, wenn wir uns höhere Pflanzen wie Tomaten wirklich als eine Zelle statt als Massen vorstellen könnten? Diese Vorstellung, an vielzellige Landpflanzen wie Tomaten und riesige einzellige Algen wie Caulerpa zu denken, ähnlich? wird durch unsere Ergebnisse unterstützt, die ein gemeinsames Muster der RNA-Akkumulation zeigen. Ehrlich gesagt haben unsere Ergebnisse dazu geführt, dass wir über die Pflanzenstruktur aus einer ganz anderen Perspektive nachdenken, was das wichtigste Ergebnis dieser Forschung ist."


9.4 Signalübertragung in einzelligen Organismen

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Wie kommunizieren einzellige Hefen über Zellsignale miteinander?
  • Wie ermöglicht Quorum Sensing einigen Bakterien die Bildung von Biofilmen?

Anschluss für AP ® Kurse

Zellsignalisierung ermöglicht es Bakterien, auf Umweltreize wie Nährstoffgehalt und Quorum Sensing (Zelldichte) zu reagieren. Hefen sind Eukaryoten (Pilze), und die Komponenten und Prozesse, die in Hefesignalen gefunden werden, ähneln denen von Zelloberflächenrezeptorsignalen in mehrzelligen Organismen. Angehende Hefen setzen beispielsweise oft Paarungsfaktoren frei, die es ihnen ermöglichen, an einem Prozess teilzunehmen, der der sexuellen Fortpflanzung ähnelt.

Die vorgestellten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen Konzepte und Lernziele, die in Big Idea 3 des AP ® Biology Curriculum Framework skizziert sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Unterrichtsaktivitäten und AP ® Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken.

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Dauerhaftes Verständnis 3.D Zellen kommunizieren, indem sie chemische Signale erzeugen, senden und empfangen.
Grundlegendes Wissen 3.D.1 Zellkommunikationsprozesse haben gemeinsame Merkmale, die eine gemeinsame Evolutionsgeschichte widerspiegeln.
Wissenschaftliche Praxis 1.5 Der Schüler kann Schlüsselelemente von Naturphänomenen über mehrere Darstellungen in der Domäne hinweg neu ausdrücken.
Lernziel 3.36 Der Student ist in der Lage, ein Modell zu beschreiben, das die Schlüsselelemente von Signalübertragungswegen ausdrückt, durch die ein Signal in eine zelluläre Antwort umgewandelt wird.
Grundlegendes Wissen 3.D.1 Zellkommunikationsprozesse haben gemeinsame Merkmale, die eine gemeinsame Evolutionsgeschichte widerspiegeln.
Wissenschaftliche Praxis 6.1 Der Student kann Ansprüche mit Beweisen begründen.
Lernziel 3.37 Der Student ist in der Lage, Behauptungen auf der Grundlage wissenschaftlicher Beweise zu begründen, dass Veränderungen der Signalübertragungswege die zelluläre Reaktion verändern können.

Lehrerunterstützung

Es wurde angenommen, dass einzellige Organismen auf einer sehr primitiven Ebene kommunizieren, aber aktuelle Forschungen enthüllen die Existenz komplexerer Signalsysteme. Beispiele für diese Kommunikationsformen sind die Bildung von Biofilmen und Quorum Sensing. Biofilme haben aus mehreren historischen und technischen Gründen erst in jüngster Zeit die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Seit der Etablierung der Keimtheorie der Krankheit bestand das Interesse darin, Krankheitserreger zu isolieren und zu charakterisieren, nicht Mikroorganismen als Gemeinschaft zu untersuchen.

Es ist viel einfacher, Bakterien als Reinkulturen zu züchten, als Biofilme aus gemischten Populationen zu replizieren, was es schwierig macht, letztere im Labor zu untersuchen. Es hat sich herausgestellt, dass solche Schleimschichten, die früher als willkürliche Ansammlungen von Mikroorganismen galten, hoch organisierte Ökosysteme sind. Die Schleimschicht besteht aus extrazellulären Polymeren, die mit Kanälen für Gase, Nährstoffe und Abfallaustausch durchzogen sind. Mikroben heften sich in einer Folge von Populationen an das feste Substrat an.

Quorum Sensing existiert sowohl innerhalb einer Art als auch artenübergreifend. Es ermöglicht Mikroben, sich als mehrzellige Populationen zu verhalten und Reaktionen zu koordinieren. Ein solches Beispiel ist die Expression von Genen, die Toxine in kodieren Staphylococcus aureus. Dr. Bonnie Bassler präsentiert Quorum Sensing Communication in Vibrio harveyi in diesem Ted-Talk. Ihr Enthusiasmus und ihre klaren Erklärungen machen dieses Video zu einem durch und durch fesselnden Erlebnis. Dies ist eine Gelegenheit, ein starkes weibliches Vorbild in der Wissenschaft zu zeigen.

Ebenfalls verfügbar ist dieser Videoclip: Quorum Sensing Molecules präsentiert von Dr. Bonnie Bassler:

Und eine Animation zum Quorum Sensing in Vibrio harveyi finden Sie hier.

Weiterführende Literatur: Maler, Kimberley L. et al. (2014). Welche Rolle spielt das Quorum-sensing akzessorische Gen-Regulator-System während Staphylococcus aureus Bakteriämie? Trends in der Mikrobiologie 22:676–685

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 3.31][APLO 3.37]

Die Signalübertragung innerhalb der Zelle ermöglicht es Bakterien, auf Umweltreize wie den Nährstoffgehalt zu reagieren. Einige einzellige Organismen setzen auch Moleküle frei, um sich gegenseitig zu signalisieren.

Signalisierung in Hefe

Hefen sind Eukaryoten (Pilze), und die Komponenten und Prozesse, die in Hefesignalen gefunden werden, ähneln denen von Zelloberflächenrezeptorsignalen in mehrzelligen Organismen. Angehende Hefen (Abbildung 9.16) können an einem Prozess teilnehmen, der der sexuellen Fortpflanzung ähnelt, bei dem sich zwei haploide Zellen (Zellen mit der Hälfte der normalen Chromosomenzahl) zu einer diploiden Zelle (einer Zelle mit jeweils zwei Sätzen) verbinden Chromosom, das ist, was normale Körperzellen enthalten). Um eine weitere haploide Hefezelle zu finden, die darauf vorbereitet ist, sich zu paaren, sezernieren knospende Hefen ein Signalmolekül namens Paarungsfaktor. Wenn der Paarungsfaktor an Zelloberflächenrezeptoren in anderen Hefezellen in der Nähe bindet, stoppen sie ihre normalen Wachstumszyklen und initiieren eine Zellsignalkaskade, die Proteinkinasen und GTP-bindende Proteine ​​umfasst, die G-Proteinen ähnlich sind.

Signalisierung in Bakterien

Die Signalübertragung in Bakterien ermöglicht es Bakterien, extrazelluläre Bedingungen zu überwachen, sicherzustellen, dass ausreichende Mengen an Nährstoffen vorhanden sind und sicherzustellen, dass gefährliche Situationen vermieden werden. Es gibt jedoch Umstände, unter denen Bakterien miteinander kommunizieren.

Der erste Nachweis einer bakteriellen Kommunikation wurde in einem Bakterium beobachtet, das eine symbiotische Beziehung mit dem Hawaii-Tintenfisch hat. Wenn die Populationsdichte der Bakterien ein bestimmtes Niveau erreicht, wird eine spezifische Genexpression initiiert und die Bakterien produzieren biolumineszierende Proteine, die Licht emittieren. Da die Anzahl der in der Umwelt vorhandenen Zellen (Zelldichte) der entscheidende Faktor für die Signalübertragung ist, wurde die bakterielle Signalübertragung als Quorum Sensing bezeichnet. In Politik und Wirtschaft ist ein Quorum die Mindestanzahl von Mitgliedern, die erforderlich sind, um über ein Thema abzustimmen.

Quorum Sensing verwendet Autoinduktoren als Signalmoleküle. Autoinduktoren signalisieren Molekülen, die von Bakterien abgesondert werden, um mit anderen Bakterien der gleichen Art zu kommunizieren. Die sekretierten Autoinduktoren können kleine hydrophobe Moleküle sein, wie Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) oder größere Moleküle auf Peptidbasis, wobei jeder Molekültyp eine andere Wirkungsweise hat. Wenn AHL in Zielbakterien eindringt, bindet es an Transkriptionsfaktoren, die dann die Genexpression ein- oder ausschalten (Abbildung 9.17). Die Peptid-Autoinduktoren stimulieren kompliziertere Signalwege, zu denen bakterielle Kinasen gehören. Die Veränderungen der Bakterien nach Exposition gegenüber Autoinduktoren können sehr umfangreich sein. Das pathogene Bakterium Pseudomonas aeruginosa hat 616 verschiedene Gene, die auf Autoinduktoren reagieren.

Visuelle Verbindung

  1. Autoinduktoren müssen an Rezeptoren binden, um die Transkription von Genen zu aktivieren, die für die Produktion weiterer Autoinduktoren verantwortlich sind.
  2. Autoinduktoren können nur auf eine andere Zelle wirken. Es kann nicht auf die Zelle einwirken, in der es hergestellt wird.
  3. Autoinduktoren aktivieren Gene, die es den Bakterien ermöglichen, einen Biofilm zu bilden.
  4. Der Rezeptor bleibt in der Bakterienzelle, aber die Autoinduktoren diffundieren aus.

Einige Bakterienarten, die Quorum Sensing nutzen, bilden Biofilme, komplexe Bakterienkolonien (oft mit mehreren Arten), die chemische Signale austauschen, um die Freisetzung von Toxinen zu koordinieren, die den Wirt angreifen. Bakterielle Biofilme (Abbildung 9.18) können manchmal auf medizinischen Geräten gefunden werden, wenn Biofilme in Implantate wie Hüft- oder Kniegelenkersatz oder Herzschrittmacher eindringen und lebensbedrohliche Infektionen verursachen können.

Die Fähigkeit bestimmter Bakterien, Biofilme zu bilden, hat sich aufgrund einer Auswahl von Genen, die die Zell-Zell-Kommunikation ermöglichen, entwickelt, was einen evolutionären Vorteil bietet. Wenn Bakterienkolonien Biofilme bilden, bilden sie Barrieren, die verhindern, dass Toxine und antibakterielle Medikamente die im Biofilm lebende Bevölkerung beeinflussen. Infolgedessen überleben diese Populationen auch in Gegenwart von antibakteriellen Mitteln mit größerer Wahrscheinlichkeit. Dies bedeutet oft, dass Bakterien, die in Biofilmen leben, eine höhere Fitness haben als allein lebende Bakterien.

Wissenschaftliche Praxisverbindung für AP®-Kurse

Denk darüber nach

Warum ist die Signalübertragung bei vielzelligen Organismen komplizierter als die Signalübertragung bei einzelligen Organismen wie Mikroben?

Lehrerunterstützung

Diese Frage ist eine Anwendung von LO 3.36 und Science Practice 1.5, da die Studierenden Modelle von Signalwegen in verschiedenen Arten von Organismen beschreiben und vergleichen.

Alltagsverbindung

  1. Der Tintenfisch liefert bestimmte Nährstoffe, die es den Bakterien ermöglichen, zu leuchten.
  2. Der Tintenfisch produziert das lumineszierende Luciferase-Enzym, so dass Bakterien, die außerhalb des Tintenfischs leben, nicht lumineszieren.
  3. Die Fähigkeit zur Lumineszenz kommt frei lebenden Bakterien nicht zugute, daher produzieren frei lebende Bakterien keine Luciferase.
  4. Luciferase ist für frei lebende Bakterien giftig, daher produzieren frei lebende Bakterien dieses Enzym nicht.

Die Forschung zu den Details des Quorum-Sensing hat zu Fortschritten bei der Züchtung von Bakterien für industrielle Zwecke geführt. Jüngste Entdeckungen legen nahe, dass es möglich sein könnte, bakterielle Signalwege auszunutzen, um das Bakterienwachstum zu kontrollieren. Dieser Prozess könnte Antibiotika ersetzen oder ergänzen, die in bestimmten Situationen nicht mehr wirksam sind.

Link zum Lernen

Sehen Sie sich die Genetikerin Bonnie Bassler an, wie sie ihre Entdeckung des Quorum Sensing in Biofilmbakterien in Tintenfischen diskutiert.

  1. Bakterien interagieren durch physikalische Signale zwischen einer Kolonie.
  2. Bakterium interagiert durch chemische Signale, wenn es allein ist.
  3. Bakterien interagieren durch physikalische Signale, wenn sie allein sind.
  4. Bakterien interagieren durch chemische Signale zwischen einer Kolonie.

Evolution-Verbindung

Das erste Leben auf unserem Planeten bestand aus einzelligen prokaryotischen Organismen, die nur eine begrenzte Interaktion miteinander hatten. Während einige externe Signale zwischen verschiedenen Arten einzelliger Organismen auftreten, betrifft die Mehrheit der Signale innerhalb von Bakterien und Hefen nur andere Mitglieder derselben Art. Die Evolution der zellulären Kommunikation ist eine absolute Notwendigkeit für die Entwicklung mehrzelliger Organismen, und es wird angenommen, dass diese Innovation ungefähr 2,5 Milliarden Jahre benötigt hat, um in frühen Lebensformen zu erscheinen.

Hefen sind einzellige Eukaryoten und haben daher einen Kern und Organellen, die für komplexere Lebensformen charakteristisch sind. Vergleiche der Genome von Hefen, Fadenwürmern, Fruchtfliegen und Menschen veranschaulichen die Entwicklung immer komplexer werdender Signalsysteme, die ein effizientes Innenleben ermöglichen, das den Menschen und andere komplexe Lebensformen korrekt funktioniert.

Kinasen sind ein wichtiger Bestandteil der zellulären Kommunikation, und Studien dieser Enzyme veranschaulichen die evolutionäre Konnektivität verschiedener Spezies. Hefen haben 130 Arten von Kinasen. Komplexere Organismen wie Nematodenwürmer und Fruchtfliegen haben 454 bzw. 239 Kinasen. Von den 130 Kinasetypen in Hefe gehören 97 zu den 55 Kinasenunterfamilien, die in anderen eukaryontischen Organismen vorkommen. Der einzige offensichtliche Mangel bei Hefen ist das völlige Fehlen von Tyrosinkinasen. Es wird vermutet, dass die Phosphorylierung von Tyrosinresten erforderlich ist, um die komplexeren Funktionen der Entwicklung, Differenzierung und zellulären Kommunikation zu kontrollieren, die in mehrzelligen Organismen verwendet werden.

Da Hefen viele der gleichen Klassen von Signalproteinen wie der Mensch enthalten, sind diese Organismen ideal für die Untersuchung von Signalkaskaden. Hefen vermehren sich schnell und sind viel einfachere Organismen als Menschen oder andere vielzellige Tiere. Daher sind die Signalkaskaden auch einfacher und leichter zu studieren, obwohl sie ähnliche Gegenstücke zur menschlichen Signalgebung enthalten. 2

  1. Die Tyrosinkinasen entwickelten sich, bevor Hefe von anderen Eukaryoten divergierte, aber die anderen fünfundfünfzig Unterfamilien von Kinasen entwickelten sich, nachdem Hefe divergierte.
  2. Fünfundfünfzig Unterfamilien von Kinasen entwickelten sich, bevor Hefe von anderen Eukaryoten divergierte, aber die Tyrosinkinasen entwickelten sich, nachdem Hefe divergierte.
  3. Alle Kinasen entwickelten sich in Hefe, aber Hefe verlor später die Tyrosinkinasen, weil sie sie nicht brauchte.
  4. Die Entwicklung von Tyrosinkinasen, die an der zellulären Kommunikation beteiligt sind, fand vor etwa 2,5 Milliarden Jahren statt.

Link zum Lernen

Sehen Sie sich diese Sammlung von Interviewclips mit Biofilmforschern in „Was sind bakterielle Biofilme?“ an.

  1. Bakterien bilden bei wiederkehrenden Infektionen oft Biofilme und diese können antibiotikaresistenter sein.
  2. Bakterien bilden bei wiederkehrenden Infektionen selten Biofilme, was sie resistenter gegen Antibiotika macht, als wenn sie sich nicht in einem Biofilm befinden würden.
  3. Bakterien produzieren Biofilme, die sich wie ein einzelliger Organismus verhalten.
  4. Bakterien produzieren bei wiederkehrenden Infektionen keine Biofilme, sondern werden durch wiederholte Antibiotika-Exposition resistent.

Fußnoten

    G. Manning, G. D. Plowman, T. Hunter, S. Sudarsanam, „Evolution of Protein Kinase Signaling from Yeast to Man“, Trends in den biochemischen Wissenschaften 27, nein. 10 (2002): 514–520.

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    • Autoren: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Herausgeber/Website: OpenStax
    • Buchtitel: Biologie für AP®-Kurse
    • Erscheinungsdatum: 8. März 2018
    • Ort: Houston, Texas
    • Buch-URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • Abschnitts-URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/9-4-signaling-in-single-celled-organisms

    © 12.01.2021 OpenStax. Von OpenStax produzierte Lehrbuchinhalte sind unter einer Creative Commons Attribution License 4.0-Lizenz lizenziert. Der OpenStax-Name, das OpenStax-Logo, die OpenStax-Buchcover, der OpenStax CNX-Name und das OpenStax CNX-Logo unterliegen nicht der Creative Commons-Lizenz und dürfen ohne die vorherige und ausdrückliche schriftliche Zustimmung der Rice University nicht reproduziert werden.


    Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung

    • Protisten sind ein vielfältiges, polyphyletisch Gruppe eukaryotischer Organismen.
    • Protisten können einzellig oder mehrzellig sein. Sie unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie ihre Ernährung, Morphologie, Fortbewegungsmethode und Fortpflanzungsart erhalten.
    • Wichtige Strukturen von Protisten sind kontraktile Vakuolen, Zilien, Geißeln, Häutchen, und Pseudopodien fehlen einigen Organellen wie Mitochondrien.
    • Die Taxonomie von Protisten ändert sich schnell, da Beziehungen mit neueren Techniken neu bewertet werden.
    • Zu den Protisten zählen wichtige Krankheitserreger und Parasiten.

    Zelltheorie

    Wissenschaftler dachten einmal, dass das Leben spontan aus unbelebten Dingen entsteht. Dank Experimenten und der Erfindung des Mikroskops ist heute bekannt, dass Leben aus bereits existierendem Leben und Zellen aus bereits existierenden Zellen entstehen.

    Mikrographie-Abdeckung

    Englischer Wissenschaftler Robert Hooke veröffentlicht Mikrographie 1665. Darin illustrierte er die kleinsten vollständigen Teile eines Organismus, die er Zellen nannte.

    Foto von Universal History Archive/Universal Images Group über Getty Images

    1665 veröffentlichte Robert Hooke Mikrographie, ein Buch voller Zeichnungen und Beschreibungen der Organismen, die er unter dem kürzlich erfundenen Mikroskop betrachtete. Die Erfindung des Mikroskops führte zur Entdeckung der Zelle durch Hooke. Beim Betrachten von Kork beobachtete Hooke kastenförmige Strukturen, die er „Zellen&rdquo nannte, da sie ihn an Zellen oder Räume in Klöstern erinnerten. Diese Entdeckung führte zur Entwicklung der klassischen Zelltheorie.

    Die klassische Zelltheorie wurde 1839 von Theodor Schwann vorgeschlagen. Diese Theorie besteht aus drei Teilen. Der erste Teil besagt, dass alle Organismen aus Zellen bestehen. Der zweite Teil besagt, dass Zellen die Grundeinheiten des Lebens sind. Diese Teile basierten auf einer Schlussfolgerung von Schwann und Matthias Schleiden aus dem Jahr 1838, nachdem sie ihre Beobachtungen von Pflanzen- und Tierzellen verglichen hatten. Der dritte Teil, der behauptet, dass Zellen aus bereits bestehenden Zellen stammen, die sich vermehrt haben, wurde 1858 von Rudolf Virchow beschrieben, als er feststellte: omnis cellula e cellula (alle Zellen kommen aus Zellen).

    Seit der Entstehung der klassischen Zelltheorie hat sich die Technologie verbessert und ermöglicht detailliertere Beobachtungen, die zu neuen Entdeckungen über Zellen geführt haben. Diese Erkenntnisse führten zur Bildung der modernen Zelltheorie, die drei wesentliche Ergänzungen enthält: erstens, dass DNA während der Zellteilung zwischen Zellen weitergegeben wird, zweitens, dass die Zellen aller Organismen innerhalb einer ähnlichen Spezies sowohl strukturell als auch chemisch weitgehend gleich sind und schließlich findet dieser Energiefluss innerhalb der Zellen statt.

    Englischer Wissenschaftler Robert Hooke veröffentlicht Mikrographie 1665. Darin illustrierte er die kleinsten vollständigen Teile eines Organismus, die er Zellen nannte.

    Foto von Universal History Archive/Universal Images Group über Getty Images


    Gibt es eine Grenze, wie groß ein frei lebender einzelliger einkerniger Organismus sein kann? - Biologie

    Lebende Organismen haben eine Vielzahl von Technologien entwickelt, um eine Bestandsaufnahme der Bedingungen in ihrer Umgebung vorzunehmen. Einige der bekanntesten und beeindruckendsten Beispiele stammen aus unseren fünf Sinnen. Die von vielen Organismen verwendeten „Detektoren“ zeichnen sich besonders durch ihre Empfindlichkeit (Fähigkeit, „schwache“ Signale zu erkennen) und ihren Dynamikbereich (Fähigkeit, sowohl sehr schwache als auch sehr starke Signale zu erkennen) aus. Haarzellen im Ohr können auf Geräusche reagieren, die über mehr als 6 Größenordnungen in der Druckdifferenz zwischen der Erkennbarkeitsschwelle (so niedrig wie 2 x 10 -10 Atmosphären Schalldruck) und dem Einsetzen des Schmerzes (6 x 10 -4 Atmosphären) variieren des Schalldrucks). Abgesehen davon, dass der atmosphärische Druck dem Druck von 10 Metern Wasser entspricht, würde sich aus der Masse eines Films von nur 10 nm Dicke, dh einigen Dutzend Atomen, eine Nachweisschwelle von 2 x 10 -10 Atmosphären ergeben in der Höhe. Tatsächlich ist es der enorme Dynamikbereich unseres Hörvermögens, der dazu führt, dass zur Beschreibung der Schallintensität (das Quadrat der Druckamplitudenänderung) logarithmische Skalen (z. B. Dezibel) verwendet werden. Die Verwendung einer logarithmischen Skala erinnert an die Richter-Skala, die es uns ermöglicht, den sehr weiten Bereich der mit Erdbeben verbundenen Energien zu beschreiben. Die Verwendung der logarithmischen Skala ist auch aufgrund des Weber-Fechner-Gesetzes angemessen, das besagt, dass die subjektive Wahrnehmung vieler verschiedener Arten von Sinnen, einschließlich des Gehörs, proportional zum Logarithmus der Reizintensität ist. Insbesondere wenn ein Ton um den Faktor 10 n intensiver ist als ein anderer Ton, sagen wir, dass dieser Ton 10 n Dezibel intensiver ist. Laut diesem Gesetz nehmen wir als gleich unterschiedliche Geräusche wahr, die sich um die gleiche Anzahl von Dezibel unterscheiden. Einige gängige Schallpegel, gemessen in Dezibel-Einheiten, sind in Abbildung 1 dargestellt. Bei einem Bereich von 0 bis etwa 130 bedeutet dies schillernde 13 Größenordnungen. Neben diesem weiten Dynamikbereich in der Intensität reagiert das menschliche Ohr auf Geräusche in einem Frequenzbereich von 3 Größenordnungen zwischen etwa 20 Hz und 20.000 Hz, während es gleichzeitig den Unterschied zwischen 440 Hz und 441 Hz wahrnehmen kann.

    Abbildung 1: Intensitäten üblicher Geräusche in Druck- und Dezibeleinheiten.

    Ähnlich eindrucksvoll können Stäbchen-Photorezeptorzellen die Ankunft eines einzelnen Photons registrieren (BNID 100709, für Zapfen wird ein Wert von ≈100 beobachtet, BNID 100710). Auch hier wird die akute Empfindlichkeit durch einen Dynamikumfang ergänzt, der es uns erlaubt, nicht nur an hellen Sonnentagen, sondern auch in mondlosen Sternennächten mit einer 10 9 -fach geringeren Beleuchtungsstärke zu sehen. Ein Blick in den Nachthimmel der nördlichen Hemisphäre begrüßt uns mit Blick auf den Nordstern (Polaris). In diesem Fall beträgt die durchschnittliche Entfernung zwischen den Photonen, die von dieser entfernten Lichtquelle auf unsere Netzhaut eintreffen, etwa einen Kilometer, was die extrem schwache Lichtintensität zeigt, die unsere Augen erreicht (und wie schnell die Lichtgeschwindigkeit ist….).

    Abbildung 2: Durchbiegung eines Masse-Feder-Systems. In der oberen Platte gibt es keine Krafteinwirkung und die Masse bewegt sich aufgrund von Temperaturschwankungen spontan auf dem reibungsfreien Tisch. Im unteren Paneel wird das Masse-Feder-System mit einem Gewicht beaufschlagt. Die Graphen zeigen die Position der Masse als Funktion der Zeit und zeigen sowohl den stochastischen als auch den deterministischen Ursprung der Bewegung. Wie in der unteren Abbildung gezeigt, muss die mittlere Verschiebung über der Amplitude der thermischen Bewegungen liegen, um ein detektierbares Signal zu haben.

    Durch das Studium der beobachteten minimalen Reize, die von Zellen erkannt werden, können wir fragen, ob die Evolution die Organismen bis an die von der Physik diktierte Grenze getrieben hat. Um zu sehen, wie sich die Herausforderung beim Bau von Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und großem Dynamikbereich darstellt, betrachten wir die Auswirkungen der Temperatur auf ein idealisiertes winziges reibungsfreies Masse-Feder-System wie in Abbildung 2 gezeigt, wobei die Feder durch eine Federkonstante k . charakterisiert ist . Ziel ist es, die auf die Masse ausgeübte Kraft zu messen. Es ist wichtig zu verstehen, wie Lärm unsere Fähigkeit, diese Messung durchzuführen, beeinflusst. Die Masse wird infolge von Kollisionen mit den Molekülen der Umgebung sowie anderen internen Prozessen innerhalb der Feder selbst einem ständigen thermischen Rütteln ausgesetzt. Als Erweiterung der Diskussion in der Vignette „Was ist die thermische Energieskala und wie ist sie für die Biologie relevant?“ beträgt die aus diesen Stößen resultierende Energie ½ kBT, wobei kB ist die Boltzmann-Konstante und T ist die Temperatur in Grad Kelvin. Dies bedeutet, dass die Masse spontan um ihre Gleichgewichtsposition schwingt, wie in Abbildung 2 gezeigt, wobei die Auslenkung x durch die Bedingung festgelegt wird, dass

    Wie oben erwähnt, messen wir die Kraft genau wie eine altmodische Waage, die verwendet wird, um das Gewicht von Früchten oder Menschen zu messen, indem wir die Verschiebung der Masse. Damit wir die Kraft messen können, muss die Verschiebung also einen durch das thermische Rütteln eingestellten Schwellenwert überschreiten. Das heißt, wir können nur sagen, dass wir die interessierende Kraft gemessen haben, wenn die Verschiebung die Verschiebungen überschreitet, die spontan durch thermische Fluktuationen entstehen oder

    Das Auferlegen dieser Einschränkung führt zu xMindest=(kBT/k) 1/2 , was eine Kraftgrenze F . ergibtMindest=(kkBT) 1/2 . Dieser Grenzwert besagt, dass wir kleinere Kräfte nicht messen können, da die dadurch erzeugten Verschiebungen genauso gut von thermischer Bewegung stammen könnten. Eine Möglichkeit, diese Grenzen zu überwinden, besteht darin, die Messzeit (abhängig von der Federkonstante) zu erhöhen. Viele der cleversten Werkzeuge der modernen Biophysik wie die optische Falle und das Rasterkraftmikroskop sind darauf ausgelegt, diese Effekte zu überwinden und auszunutzen.

    Abbildung 3: Reaktion von Haarzellen auf mechanische Stimulation. (A) Bündel von Stereozilien in der Cochlea eines Ochsenfrosches. (B) Schema des Experiments, das zeigt, wie das Haarbündel mechanisch durch die Kapillarsonde manipuliert wird und wie die elektrische Reaktion mit einer Elektrode gemessen wird. (C) Mikroskopiebild von Cochlea-Haarzellen einer Schildkröte und der Kapillarsonde, die verwendet wurde, um sie zu stören. (D) Spannung als Funktion der Bündelverschiebung für die in Teil (C) gezeigten Haarzellen. (Angepasst von (A) AJ Hudspeth, Nature, 341:398, 1989. (B) AJ Hudspeth und DP Corey, Proc. Nat. Acad. Sci., 74:2407, 1977. (C) und (D) AC Crawford und R. Fettiplace, J. Physiol. 364: 359, 1985.)

    Um ein konkretes Beispiel zu geben, betrachten wir den Fall der Haarzellen des Ohrs. Jede dieser Haarzellen weist ein Bündel von ungefähr 30-300 Stereozilien auf, wie in Abbildung 3 gezeigt. Diese Stereozilien sind ungefähr 10 Mikrometer lang (BNID 109301, 109302). Diese kleinen zellulären Anhängsel dienen als Federn, die dafür verantwortlich sind, den mechanischen Reiz vom Schall umzuwandeln und in elektrische Signale umzuwandeln, die vom Gehirn interpretiert werden können. Als Reaktion auf Änderungen des Luftdrucks werden die Stereozilien Verschiebungen ausgesetzt, die zum Ansteuern von Ionenkanälen führen, was wiederum zu einer weiteren Signalübertragung führt. Verschiedene Stereozilien reagieren auf unterschiedlichen Frequenzen, was es uns ermöglicht, die Melodien von Beethovens Fünfter Symphonie von der Kakophonie einer Autohupe zu unterscheiden. Die mechanischen Eigenschaften der Stereozilien ähneln denen der Feder, die im Zusammenhang mit Abbildung 2 diskutiert wurde. Durch Aufschieben einzelner Stereozilien mit einer kleinen Glasfaser wie in Abbildung 3 gezeigt, ist es möglich, die minimalen Verschiebungen der Stereozilien zu messen die eine nachweisbare Spannungsänderung auslösen können. Eine Drehung des Haarbündels um nur 0,01 Grad, entsprechend Verschiebungen im Nanometerbereich an der Spitze, ist ausreichend, um eine Spannungsantwort im mV-Bereich hervorzurufen (BNID 111036, 111038). Wie vergleichen sich diese Zahlen mit denen, die man beim thermischen Wackeln der Stereozilien erwartet? Sowohl die beobachtete Brownsche Bewegung als auch einfache theoretische Schätzungen mit Federmodellen wie dem oben beschriebenen zeigen thermische Bewegungen der Stereozilienspitzen, die mehrere Nanometer groß sind. Allerdings scheint die Hörschwelle einer Verschiebung von nur 0,1 nm zu entsprechen, wie in Abbildung 3 zu sehen die Stereozilien sind gekoppelt, Effekte bei der einfachen Schätzung nicht berücksichtigt.

    Abbildung 4: Einzelphotonenantwort einzelner Photorezeptoren. (A) Der Versuchsaufbau zeigt eine einzelne Stabzelle aus der Netzhaut einer Kröte in einer Glaskapillare und wird einem Lichtstrahl ausgesetzt. (B) Stromspuren als Funktion der Zeit für Photorezeptoren, die in einem Experiment wie dem in Teil (A) gezeigten Lichtimpulsen ausgesetzt waren. (Angepasst von (A) D. A. Baylor et al., J. Physiol., 288: 589, 1979 (B) F. Rieke und D. A. Baylor, Rev. Mod. Phys., 70: 1027, 1998.)

    Dieselbe Art der Argumentation bestimmt auch die physischen Grenzen für unsere anderen Sinne. Es kommt nämlich zu den Eigenschaften des von uns gemessenen Systems ein gewisses Eigenrauschen hinzu. Um eine „Auslesung“ einer Eingabe zu erhalten, muss die resultierende Ausgabe daher größer sein als die natürlichen Schwankungen der Ausgabevariablen. Zum Beispiel ist die Erkennung und Nutzung der von Photonen getragenen Energie mit einigen der wichtigsten Prozesse des Lebens verbunden, darunter Photosynthese und Sehvermögen. Wie viele Photonen reichen aus, um den physiologischen Zustand einer Zelle oder eines Organismus zu verändern? In mittlerweile klassischen Sehexperimenten wurden die elektrischen Ströme einzelner durch Licht stimulierter Photorezeptorzellen gemessen. Abbildung 4 zeigt, wie ein Lichtstrahl auf einzelne Photorezeptoren aufgebracht wurde und wie elektrische Stromspuren aus solchen Experimenten gemessen wurden. Die Experimente ergaben zwei wichtige Erkenntnisse. Erstens feuern Photorezeptoren selbst in Abwesenheit von Licht spontan und zeigen genau die Art von Rauschen, mit der reale Ereignisse (d. h. die Ankunft eines Photons) konkurrieren müssen. Insbesondere wird angenommen, dass diese Ströme aus der spontanen thermischen Isomerisierung einzelner Rhodopsin-Moleküle resultieren, wie in der Vignette „Wie viele Rhodopsin-Moleküle in einer Stabzelle?“ diskutiert wird. Diese Isomerisierungsreaktion wird normalerweise durch die Ankunft eines Photons induziert und führt zu der Signalkaskade, die wir als Sehen wahrnehmen. Zweitens zeigt die Untersuchung der quantisierten Natur der Ströme, die von Photorezeptoren ausgehen, die sehr schwachem Licht ausgesetzt sind, dass solche Photorezeptoren auf die Ankunft eines einzelnen Photons reagieren können. Dieser Effekt wird explizit in 4B gezeigt.

    Eine weitere Klasse von Parametern, die von Zellen mit hoher Empfindlichkeit „gemessen“ werden, sind die absoluten Zahlen, Identitäten und Gradienten verschiedener chemischer Spezies. Dies ist eine Schlüsselanforderung im Entwicklungsprozess, bei dem ein Morphogengradient in ein Rezept für die Musterbildung übersetzt wird. Eine ähnliche Interpretation molekularer Gradienten ist für bewegliche Zellen wichtig, da sie durch die komplizierte chemische Landschaft ihrer wässrigen Umgebung navigieren. Diese beeindruckenden Leistungen sind nicht auf große und denkende vielzellige Organismen wie den Menschen beschränkt. Selbst einzelne Bakterien haben „Wissen“ über ihre Umwelt, wie das exemplarische System der Chemotaxis bereits in der Vignette „Was sind die absoluten Zahlen von Signalproteinen“ vorgestellt hat. Dieses „Wissen“ führt zu einer gezielten Unterscheidungskraft, bei der sogar wenige Lockstoffmoleküle pro Zelle nachgewiesen und verstärkt und Konzentrationsunterschiede über einen weiten Dynamikbereich von etwa 5 Größenordnungen verstärkt werden können (BNID 109306, 109305). Dies ermöglicht einzelliges Verhalten, bei dem einzelne Bakterien einen Konzentrationsgradienten des Chemoattraktans hinaufschwimmen. Um ein Gefühl für die hervorragende Empfindlichkeit dieser Systeme zu bekommen, zeigt Abbildung 5 eine einfache Berechnung der Konzentrationen, die von einem Bakterium während des Chemotaxis-Prozesses gemessen werden, und schätzt die Veränderungen der Besetzung eines Oberflächenrezeptors, der die Gradienten erkennt. Wenn wir insbesondere an den chemischen Nachweis durch membrangebundene Proteinrezeptoren denken, wird die Anwesenheit eines Liganden durch eine gewisse Änderung der Besetzung dieses Rezeptors ausgelesen. Wie die Abbildung zeigt, führt eine geringe Konzentrationsänderung des Liganden zu einer entsprechenden Änderung der Besetzung des Rezeptors. Für den Fall einer bakteriellen Chemotaxis kann ein typischer Gradient, der von Bakterien in einem Mikroskopieexperiment nachgewiesen wird, wie folgt begründet werden. Betrachtet man Bakterien, die ungefähr 1 mm von einer Pipette mit 1 mM Konzentration an Chemolockstoff schwimmen, liegt der Gradient in der Größenordnung von 10-2 µM/µm (BNID 111492). Ist ein solcher Farbverlauf groß oder klein? Ein Schwellenwert für die Erkennung von Einzelmoleküldifferenzen kann wie folgt definiert werden:

    Interessanterweise haben neuere Arbeiten gezeigt, dass Bakterien sogar kleinere Gradienten erkennen können (obwohl eine begleitende Erkenntnis ist, dass die von den Zellen tatsächlich „gemessene“ Menge tatsächlich der Gradient des Logarithmus der Konzentration ist). Wie oben erwähnt, kann dieser kleine Gradient über einen sehr weiten Bereich absoluter Konzentrationen gemessen werden, was sowohl die Empfindlichkeit als auch den Dynamikbereich dieses Prozesses veranschaulicht, aber auch einen differenzierteren Mechanismus aufdeckt als die in Abbildung 5 beschriebene einfache Besetzungshypothese, da wie bei der Haarzellen-Beispiel, das zuvor in der Vignette diskutiert wurde, sind Chemotaxis-Rezeptoren adaptiv. Die gleiche Art von Argumenten taucht im Kontext der Entwicklung auf, wo die Interpretation des Morphogengradienten auf der Messung von Konzentrationsunterschieden von Kern zu Kern basiert. Bei der Etablierung der anterior-posterioren Musterung des Fliegenembryos „messen“ beispielsweise benachbarte Kerne ungefähr 500 und 550 Moleküle pro Kernvolumen und verwenden diese Differenz, um Entscheidungen über das Entwicklungsschicksal zu treffen.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Evolution Zellen dazu gebracht hat, Umweltsignale sowohl mit hervorragender Empfindlichkeit als auch mit beeindruckendem Dynamikbereich zu erkennen. Dabei müssen physikalische Grenzen eingehalten werden, aber Zellen finden kreative Lösungen. Photorezeptoren können einzelne Photonen erkennen, das olfaktorische System nähert sich der Nachweisgrenze für Einzelmoleküle, Haarzellen können Druckunterschiede von nur 10 -9 atm erkennen und Bakterien können Gradienten erkennen, die weniger als einem Molekül pro Zelle pro Zelllänge entsprechen, ein blendender Darstellung subtiler und schöner Mechanismen.


    Wie unterscheiden sich Protozoen von Bakterien?

    Protozoen können mit vielen anderen mikroskopischen Organismen verwechselt werden, insbesondere mit Bakterien. Im Allgemeinen unterscheidet sich die Größe von Protozoen erheblich von Bakterien, da Protozoen größer und strukturell komplexer sind. Bakterien sind prokaryotisch, das heißt, sie haben keine membranumhüllten Organellen und keinen definierten Zellkern.

    Protozoen sind eukaryontisch und haben fortschrittlichere Eigenschaften in Bezug auf Nahrungsaufnahme, Motilität und Gesamtüberleben. Denken Sie daran, dass die Hauptmerkmale von Eukaryoten, die bei Prokaryoten fehlen, das Vorhandensein membrangebundener Organellen und eines echten Zellkerns sind.

    Paramecium (links). Bakterien (rechts)

    Was sind Stammzellen und was tun sie?

    Zellen im Körper haben einen bestimmten Zweck, aber Stammzellen sind Zellen, die noch keine bestimmte Rolle spielen und die fast jede benötigte Zelle werden können.

    Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich in bestimmte Zellen verwandeln können, wenn der Körper sie braucht.

    Wissenschaftler und Ärzte interessieren sich für Stammzellen, da sie helfen zu erklären, wie einige Funktionen des Körpers funktionieren und wie sie manchmal schief gehen.

    Stammzellen sind auch vielversprechend für die Behandlung einiger Krankheiten, für die es derzeit keine Heilung gibt.

    Stammzellen stammen aus zwei Hauptquellen: adultem Körpergewebe und Embryonen. Wissenschaftler arbeiten auch an Möglichkeiten, Stammzellen aus anderen Zellen zu entwickeln, indem sie genetische „Reprogrammierungs“-Techniken verwenden.

    Adulte Stammzellen

    Auf Pinterest teilen Stammzellen können sich in jede Art von Zelle verwandeln, bevor sie sich differenzieren.

    Der Körper eines Menschen enthält sein Leben lang Stammzellen. Der Körper kann diese Stammzellen verwenden, wann immer er sie braucht.

    Auch als gewebespezifische oder somatische Stammzellen bezeichnet, existieren adulte Stammzellen ab der Entwicklung eines Embryos im ganzen Körper.

    Die Zellen befinden sich in einem unspezifischen Zustand, sind aber spezialisierter als embryonale Stammzellen. Sie bleiben in diesem Zustand, bis der Körper sie für einen bestimmten Zweck benötigt, etwa als Haut- oder Muskelzellen.

    Das tägliche Leben bedeutet, dass der Körper sein Gewebe ständig erneuert. In einigen Teilen des Körpers, wie dem Darm und dem Knochenmark, teilen sich Stammzellen regelmäßig, um neues Körpergewebe für den Erhalt und die Reparatur zu produzieren.

    Stammzellen sind in verschiedenen Gewebearten vorhanden. Wissenschaftler haben Stammzellen in Geweben gefunden, darunter:

    • das Gehirn
    • Knochenmark
    • Blut und Blutgefäße
    • Skelettmuskeln
    • Haut
    • die Leber

    Stammzellen können jedoch schwer zu finden sein. Sie können jahrelang unteilbar und unspezifisch bleiben, bis der Körper sie auffordert, zu reparieren oder neues Gewebe zu bilden.

    Adulte Stammzellen können sich auf unbestimmte Zeit teilen oder sich selbst erneuern. Das heißt, sie können aus dem Ursprungsorgan verschiedene Zelltypen generieren oder sogar das Ursprungsorgan vollständig regenerieren.

    Durch diese Teilung und Regeneration heilt eine Hautwunde, oder ein Organ wie zum Beispiel die Leber kann sich nach einer Schädigung selbst reparieren.

    In der Vergangenheit glaubten Wissenschaftler, adulte Stammzellen könnten sich nur anhand ihres Ursprungsgewebes differenzieren. Einige Hinweise deuten jedoch darauf hin, dass sie sich auch zu anderen Zelltypen differenzieren können.

    Embryonische Stammzellen

    Ab dem frühesten Stadium der Schwangerschaft, nachdem das Spermium die Eizelle befruchtet hat, bildet sich ein Embryo.

    Etwa 3–5 Tage nachdem ein Spermium eine Eizelle befruchtet hat, nimmt der Embryo die Form einer Blastozyste oder eines Zellballens an.

    Die Blastozyste enthält Stammzellen und wird später in die Gebärmutter implantiert. Embryonale Stammzellen stammen aus einer Blastozyste, die 4–5 Tage alt ist.

    Wenn Wissenschaftler Embryonen Stammzellen entnehmen, handelt es sich in der Regel um zusätzliche Embryonen, die durch In-vitro-Fertilisation (IVF) entstehen.

    In IVF-Kliniken befruchten die Ärzte mehrere Eizellen in einem Reagenzglas, um sicherzustellen, dass mindestens eine überlebt. Sie werden dann eine begrenzte Anzahl von Eizellen implantieren, um eine Schwangerschaft zu beginnen.

    Wenn ein Spermium eine Eizelle befruchtet, verbinden sich diese Zellen zu einer einzigen Zelle, die als Zygote bezeichnet wird.

    Diese einzellige Zygote beginnt sich dann zu teilen und bildet 2, 4, 8, 16 Zellen usw. Jetzt ist es ein Embryo.

    Bald und bevor sich der Embryo in die Gebärmutter einnistet, ist diese Masse von etwa 150–200 Zellen die Blastozyste. Die Blastozyste besteht aus zwei Teilen:

    • eine äußere Zellmasse, die Teil der Plazenta wird
    • eine innere Zellmasse, die sich zum menschlichen Körper entwickelt

    In der inneren Zellmasse befinden sich embryonale Stammzellen. Wissenschaftler nennen diese Zellen totipotente Zellen. Der Begriff totipotent bezieht sich auf die Tatsache, dass sie das gesamte Potenzial haben, sich zu jeder Zelle des Körpers zu entwickeln.

    Mit der richtigen Stimulation können die Zellen zu Blutzellen, Hautzellen und allen anderen Zelltypen werden, die ein Körper braucht.

    In der frühen Schwangerschaft dauert das Blastozystenstadium etwa 5 Tage an, bevor sich der Embryo in der Gebärmutter oder Gebärmutter einnistet. In diesem Stadium beginnen die Stammzellen sich zu differenzieren.

    Embryonale Stammzellen können sich in mehr Zelltypen differenzieren als adulte Stammzellen.

    Mesenchymale Stammzellen (MSCs)

    MSCs stammen aus dem Bindegewebe oder Stroma, das die Organe des Körpers und andere Gewebe umgibt.

    Wissenschaftler haben MSCs verwendet, um neues Körpergewebe wie Knochen, Knorpel und Fettzellen zu erzeugen. Sie können eines Tages eine Rolle bei der Lösung einer Vielzahl von Gesundheitsproblemen spielen.

    Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)

    Wissenschaftler stellen diese in einem Labor her, indem sie Hautzellen und andere gewebespezifische Zellen verwenden. Diese Zellen verhalten sich ähnlich wie embryonale Stammzellen und könnten daher für die Entwicklung einer Reihe von Therapien nützlich sein.

    Allerdings ist mehr Forschung und Entwicklung notwendig.

    Um Stammzellen zu züchten, entnehmen Wissenschaftler zunächst Proben aus adultem Gewebe oder einem Embryo. Dann bringen sie diese Zellen in eine kontrollierte Kultur, wo sie sich teilen und vermehren, aber nicht weiter spezialisieren.

    Stammzellen, die sich in einer kontrollierten Kultur teilen und vermehren, werden als Stammzelllinie bezeichnet.

    Forscher verwalten und teilen Stammzelllinien für verschiedene Zwecke. Sie können die Stammzellen zu einer bestimmten Spezialisierung anregen. Dieser Vorgang wird als gerichtete Differenzierung bezeichnet.

    Bisher war es einfacher, eine große Anzahl embryonaler Stammzellen zu züchten als adulte Stammzellen. Bei beiden Zelltypen machen die Wissenschaftler jedoch Fortschritte.

    Forscher kategorisieren Stammzellen nach ihrem Potenzial, sich in andere Zelltypen zu differenzieren.

    Embryonale Stammzellen sind die stärksten, da ihre Aufgabe darin besteht, jede Art von Zelle im Körper zu werden.

    Die vollständige Klassifizierung umfasst:

    Totipotent: Diese Stammzellen können sich in alle möglichen Zelltypen differenzieren. Die ersten Zellen, die erscheinen, wenn sich die Zygote zu teilen beginnt, sind totipotent.

    Pluripotent: Diese Zellen können sich in fast jede Zelle verwandeln. Zellen des frühen Embryos sind pluripotent.

    Multipotent: Diese Zellen können sich in eine eng verwandte Zellfamilie differenzieren. Ausgewachsene hämatopoetische Stammzellen können beispielsweise zu roten und weißen Blutkörperchen oder Blutplättchen werden.

    Oligopotent: Diese können sich in einige verschiedene Zelltypen differenzieren. Erwachsene lymphoide oder myeloische Stammzellen können dies tun.

    Unipotent: Diese können nur Zellen einer Art produzieren, nämlich ihres eigenen Typs. Sie sind jedoch immer noch Stammzellen, weil sie sich selbst erneuern können. Beispiele sind adulte Muskelstammzellen.

    Embryonale Stammzellen gelten als pluripotent statt totipotent, weil sie nicht Teil der extraembryonalen Membranen oder der Plazenta werden können.

    Stammzellen selbst erfüllen keinen einzigen Zweck, sind aber aus mehreren Gründen wichtig.

    Erstens können viele Stammzellen mit der richtigen Stimulation die Rolle eines beliebigen Zelltyps übernehmen und beschädigtes Gewebe unter den richtigen Bedingungen regenerieren.

    Dieses Potenzial könnte Leben retten oder Wunden und Gewebeschäden bei Menschen nach einer Krankheit oder Verletzung reparieren. Wissenschaftler sehen viele Anwendungsmöglichkeiten für Stammzellen.

    Geweberegeneration

    Die Geweberegeneration ist wahrscheinlich die wichtigste Verwendung von Stammzellen.

    Bisher musste eine Person, die beispielsweise eine neue Niere benötigte, auf einen Spender warten und sich dann einer Transplantation unterziehen.

    Es gibt einen Mangel an Spenderorganen, aber durch die Anweisung der Stammzellen, sich auf eine bestimmte Weise zu differenzieren, könnten Wissenschaftler sie verwenden, um einen bestimmten Gewebetyp oder ein bestimmtes Organ zu züchten.

    Ärzte haben beispielsweise bereits Stammzellen direkt unter der Hautoberfläche verwendet, um neues Hautgewebe herzustellen. Sie können dann eine schwere Verbrennung oder eine andere Verletzung reparieren, indem sie dieses Gewebe auf die geschädigte Haut transplantieren, und neue Haut wächst nach.

    Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen

    Im Jahr 2013 berichtete ein Forscherteam des Massachusetts General Hospital in PNAS Frühe Ausgabe dass sie mit menschlichen Stammzellen Blutgefäße in Labormäusen geschaffen hatten.

    Innerhalb von 2 Wochen nach der Implantation der Stammzellen hatten sich Netzwerke von blutdurchströmten Gefäßen gebildet. Die Qualität dieser neuen Blutgefäße war genauso gut wie die der nahegelegenen natürlichen.

    Die Autoren hofften, dass diese Art von Technik schließlich dazu beitragen könnte, Menschen mit Herz-Kreislauf- und Gefäßerkrankungen zu behandeln.

    Behandlung von Gehirnerkrankungen

    Ärzte können eines Tages möglicherweise Ersatzzellen und -gewebe verwenden, um Gehirnerkrankungen wie Parkinson und Alzheimer zu behandeln.

    Bei Parkinson beispielsweise führt eine Schädigung von Gehirnzellen zu unkontrollierten Muskelbewegungen. Wissenschaftler könnten Stammzellen verwenden, um das geschädigte Hirngewebe wieder aufzufüllen. Dies könnte die spezialisierten Gehirnzellen zurückbringen, die die unkontrollierten Muskelbewegungen stoppen.

    Forscher haben bereits versucht, embryonale Stammzellen in diese Zelltypen zu differenzieren, daher sind Behandlungen vielversprechend.

    Zellmangeltherapie

    Wissenschaftler hoffen, eines Tages in einem Labor gesunde Herzzellen entwickeln zu können, die sie Menschen mit Herzerkrankungen transplantieren können.

    Diese neuen Zellen könnten Herzschäden reparieren, indem sie das Herz wieder mit gesundem Gewebe bevölkern.

    Ebenso könnten Menschen mit Typ-I-Diabetes Pankreaszellen erhalten, um die insulinproduzierenden Zellen zu ersetzen, die ihr eigenes Immunsystem verloren oder zerstört hat.

    Die einzige aktuelle Therapie ist eine Bauchspeicheldrüsentransplantation, und es stehen nur sehr wenige Bauchspeicheldrüsen für eine Transplantation zur Verfügung.

    Behandlungen von Blutkrankheiten

    Ärzte verwenden heute routinemäßig adulte hämatopoetische Stammzellen zur Behandlung von Krankheiten wie Leukämie, Sichelzellenanämie und anderen Immunschwächeproblemen.

    Hämatopoetische Stammzellen kommen im Blut und im Knochenmark vor und können alle Arten von Blutkörperchen produzieren, einschließlich roter Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren, und weißer Blutkörperchen, die Krankheiten bekämpfen.

    Menschen können Stammzellen spenden, um einem geliebten Menschen zu helfen oder möglicherweise für den eigenen Gebrauch in der Zukunft.

    Spenden können aus folgenden Quellen stammen:

    Knochenmark: Diese Zellen werden unter Vollnarkose entnommen, normalerweise aus dem Hüft- oder Beckenknochen. Techniker isolieren dann die Stammzellen aus dem Knochenmark zur Aufbewahrung oder Spende.

    Periphere Stammzellen: Eine Person erhält mehrere Injektionen, die dazu führen, dass ihr Knochenmark Stammzellen ins Blut freisetzt. Next, blood is removed from the body, a machine separates out the stem cells, and doctors return the blood to the body.

    Umbilical cord blood: Stem cells can be harvested from the umbilical cord after delivery, with no harm to the baby. Some people donate the cord blood, and others store it.

    This harvesting of stem cells can be expensive, but the advantages for future needs include:


    The smallest protist

    © Hervé Moreau, Laboratoire Arago

    The smallest known free-living eukaryotes are marine picoplankton, of which the best-studied is Ostreococcus tauri. These organisms are so small (about 1 micrometer in diameter) that they are near the limit of resolution of ordinary light microscopes. O. tauri has a single chloroplast and a single mitochondrion. Despite their size, these organisms are extremely important contributors to the productivity of the oceans.

    M-J. Chrétiennot-Dinet, C. Courties, A. Vaquer, J. Neveux, H. Claustre, J. Lautier and M. C. Machado .
    A new marine picoeucaryote: Ostreococcus tauri gen et sp. Nov. (Chlorophyta, Prasinophyceae).
    Phycologia vol. 34, pages 285-292 ( 1995 ).