Informatie

Wat voor soort microscoop moet worden gebruikt om biologische structuren (zoals sporen) met een lengte van ongeveer 5 µm te bekijken?


Ik zou graag geslachten van schimmels willen kunnen identificeren op basis van de vorm, grootte en kleur van sporen. Dus de eisen zijn:

  • Moet een object van 5 micrometer duidelijk kunnen zien met een redelijke resolutie
  • Moet de ware kleur zijn
  • Moet de meting van een object met een redelijke nauwkeurigheid vergemakkelijken (500 nanometer zou mooi zijn)
  • Moet goedkoop zijn ($100-$400) duimen
  • Bonus: foto's kunnen maken

Welk type microscoop heb ik nodig? Welke vergroting/resolutie? Is er een goede vuistregel om de grootte van het object te relateren aan de vergroting?

Hoe vind en koop ik een degelijke microscoop nadat ik mijn vereisten heb bepaald? Enige tips?

Blauw licht is ~450 nm, dus betekent dat dat ik geen erg goede resolutie krijg?

(Voor de context: ik heb absoluut geen formele ervaring in biologie, maar ik heb onlangs een amateur-interesse in mycologie gekregen en zou me op een bepaald moment kunnen inschrijven voor een bacheloropleiding als onderdeel van mijn studie.)


Ik denk dat je een goede vraag hebt, maar als je een goed begrip wilt krijgen van de problemen die je ermee opwerpt, dan zou je echt moeten overwegen om wat tijd te besteden aan het lezen van deze optische microscoop-primer. Naar mijn mening hoef je je geen zorgen te maken over het volgen van een bacheloropleiding aan een fysieke universiteit. Als inleiding tot biologie (wat niet echt nodig is als je alleen maar naar kleine dingen in een microscoop wilt kijken en wilt begrijpen wat je ziet), kun je overwegen om je in te schrijven voor deze gratis les, maar als alles wat je wilt om te doen is naar kleine dingen kijken en een basisbegrip hebben van wat je ziet, ik denk dat je alleen de inleiding hoeft te lezen.

Als ik het was, zou ik op zijn minst een deel van de inleiding lezen voordat ik het geld in een microscoop investeerde. Anders neem je gewoon een blinde sprong van vertrouwen van iemands (misschien bevooroordeelde) suggestie.


Ik ben het eens met Kevin F, als ik jou was, zou ik een beetje training volgen voordat ik iets koop of zelfs maar probeert. Biologiedocenten of medewerkers van de universiteit geven je meestal graag een microscoop om iets te testen, dus vraag het maar. Als je zo'n hoge resolutie wilt, zijn er veel aanpassingen te doen, ook wel "Köhler-verlichting" genoemd, omdat je anders geen mooi beeld krijgt.

Om je vraag te beantwoorden, je kunt in die prijsklasse voor deze resolutie in principe microscopen vergeten, laat staan ​​de mogelijkheid om foto's te maken. Je zou meer dan $ 1000 moeten uitgeven om iets goed genoeg te krijgen. Net als bij fotografie komt dit grotendeels door de lenzen. Ik heb niet veel ervaring met schimmels, maar misschien wil je een fasecontrastmicroscoop hebben om de preparaten goed te kunnen zien. Je kunt microscopen kopen met een poort voor een DSLR-camera, waarmee ik goede ervaringen heb opgedaan.

Voor een object van 5 µm kunt u een lens van $60 imes$ gebruiken (die samen met een $ 10 imes$ oculair een vergroting van $600 imes$ oplevert), of zelfs een lens van $ 100 imes$, als je wilt oplossen oppervlaktestructuren, maar geen idee, of dat laatste echt werkt met jouw specimens, dus dat zou je moeten testen voordat je het koopt.

Dus: volg eerst een beetje formele training, zoals voorgesteld door Kevin F. Probeer het dan zelf zonder te kopen, en probeer het met je eigen exemplaren! Bespaar dan geld en koop. :-)


Bladstructuur onder de microscoop

Net als elk ander meercellig levend wezen, bestaat de bladstructuur uit cellagen. Als je het blad onder de microscoop bekijkt, zie je verschillende soorten cellen die verschillende functies hebben. Met behulp van een microscoop is het mogelijk om deze cellen te bekijken en te identificeren en hoe ze zijn gerangschikt (epidermale cellen, sponsachtige cellen, enz.). Hiervoor is een samengestelde microscoop nodig, aangezien deze een hogere vergroting mogelijk maakt.

Terwijl een samengestelde microscoop ideaal is voor het bekijken van de interne bladstructuur, zou een stereomicroscoop het ideale hulpmiddel zijn voor het observeren van de externe structuur van een blad (ader, lamina enz.).


Microscoop Vergroting

Bij gebruik van een krachtige microscoop (ook bekend als een samengestelde microscoop) is het het beste om te beginnen met de laagste vergroting, uw preparaat scherp te stellen en vervolgens één voor één naar de hogere vergrotingen te gaan. Dit is de gemakkelijkste manier om ervoor te zorgen dat u zich snel op uw object kunt concentreren. Bij een vergroting van 400x kun je bacteriën, bloedcellen en protozoën zien rondzwemmen. Bij een vergroting van 1000x kun je dezelfde items zien, maar je kunt ze nog dichterbij zien. Hieronder vindt u een lijst van uw gezichtsveld bij verschillende vergrotingen. Gezichtsveld is hoeveel van uw exemplaar of object u door de microscoop kunt zien.

  • Bij een vergroting van 40x kun je 5 mm zien.
  • Bij een vergroting van 100x kun je 2 mm zien.
  • Bij een vergroting van 400x kun je 0,45 mm of 450 micron zien.
  • Bij een vergroting van 1000x kun je 0,180 mm of 180 micron zien.

Wat kun je zien onder een microscoop met een laag vermogen?


Gezichtsveld

7x vergroting


Gezichtsveld

10x vergroting


Gezichtsveld

20x vergroting


Gezichtsveld

30x vergroting


Gezichtsveld

40x vergroting

Gezichtsveld

45x vergroting

De hierboven getoonde muntafbeeldingen zijn vastgelegd met behulp van de FZ6 stereozoommicroscoop en een DCM3.2-microscoopcamera met 3 megapixels.


Wat voor soort microscoop moet worden gebruikt om biologische structuren (zoals sporen) met een lengte van ongeveer 5 µm te bekijken? - Biologie

1. Cellen van een uienschil

1. De cellen van een uienschil zijn over het algemeen rechthoekig van vorm en variëren in grootte van 0,25 tot 0,4 millimeter lang (250-400 micrometer). Een millimeter wordt afgekort door mm en een micrometer door de Griekse letter mu (12e letter van het Griekse alfabet) gevolgd door een m:

Links: Microscopische opname van een uienschil met verschillende rechthoekige cellen, elk met een kleine bolvormige kern (rode pijl). Het objectglaasje werd gekleurd met een druppel geelbruin gramjodium. Rechts: sterk uitvergroot beeld van een cel van de meristeemwortelpunt van een ui met een vergrote kern met 16 chromosomen. De cel bevindt zich in de profase van de mitose, met duidelijke chromosomen (chromosoomdoubletten) en een desintegrerend kernmembraan.

2. Diameter van het gezichtsveld

Samengestelde microscoop met het 10x oculair (oculair) en vier objectieven (4x, 10x, 40x en 100x). [Eén objectief is niet in beeld.] Om de vergroting te berekenen, vermenigvuldigt u eenvoudig de oculaire lens (10x) met de objectieflens. Met deze microscoop kunt u vier verschillende vergrotingen verkrijgen: 40x, 100x, 400x en 1000x.

Het gezichtsveld bij gebruik van het 10x objectief (100x totale vergroting) is 2 mm. Als 8 plantencellen zich over het gezichtsveld uitstrekken (2 mm), dan is elke cel 2/8 of 0,25 mm lang. Houd er rekening mee dat de diameter van het gezichtsveld verandert afhankelijk van de sterkte van het objectief volgens de volgende tabel:

De oorspronkelijke diameters van het gezichtsveld (fov) werden bepaald met een transparante mm-liniaal. Dit is als het meten van de lengte van je vingernagels met een meetlat. De waarden tussen haakjes zijn nauwkeuriger. Ze werden bepaald met behulp van een B & L-stadiummicrometer.

Als je de diameter van de fov bij de ene vergroting weet, kun je de diameter van de fov bij een andere vergroting bepalen met de volgende formule:

diameter van fob#2 = diameter van fov#1 x vergroting#1 gedeeld door vergroting #2

Als u bijvoorbeeld de diameter van fov weet bij een vergroting van 100x, is de diameter van de fov
bij 1000x vergroting = 1,78 mm x 100 gedeeld door 1000 = 0,178 mm of 178 micrometer.

Toneelmicrometer bij 1000x vergroting met Olympus Compound Microscope. De diameter van het gezichtsveld (fov) is 0,184 millimeter (184 micrometer). Dit komt overeen met een fov van 0,46 millimeter bij een vergroting van 400 x.

3. Wayne's woord relatieve grootte van cellen en virussen

Diameter van een individueel mimivirus

Met uitzondering van enkele bacteriofagen, vallen virussen in twee hoofdmorfologische groepen, die met kubische symmetrie en die met spiraalvormige symmetrie. Tot 1960 waren de enige bekende voorbeelden van virussen met spiraalvormige symmetrie die van plantenvirussen. Het best bestudeerde voorbeeld is het tabaksmozaïekvirus. De capside geeft de eiwitschil aan die het nucleïnezuur omsluit. Het is samengesteld uit talrijke herhalende structurele eenheden. "Lineaire" virale capsiden hebben RNA-genomen die zijn ingekapseld in een helix van identieke eiwitsubeenheden. De lengte van het spiraalvormige virale nucleocapside wordt bepaald door de lengte van het nucleïnezuur.

Kubische virussen hebben de algemene moleculaire symmetrie van een icosaëder. Hoewel de meeste virussen niet zichtbaar zijn onder een gewone lichtmicroscoop, ziet mimivirus eruit als een minuscuul bolvormig object onder een samengestelde microscoop met behulp van een olie-immersieobjectief (1000x vergroting). Een icosaëder heeft 20 identieke gelijkzijdige driehoeken (facetten), elk onderverdeeld in meer gelijkzijdige triagulaire facetten. Er zijn elektronenmicrofoto's van mimivirus beschikbaar op internet. Zoek eenvoudig naar mimivirus met behulp van een van de uitstekende zoekmachines, zoals google.com.

Het mimivirusgenoom bevat 1,2 miljoen basen, meer dan veel bacteriën. De basen vormen 1.260 genen, wat het zo complex maakt als sommige bacteriën. De meeste virussen gebruiken DNA of RNA om hun genetische informatie over te dragen, maar mimivirus heeft beide nucleïnezuren. Bovendien kan het mimivirus ongeveer 150 van zijn eigen eiwitten maken en kan het zelfs zijn eigen DNA repareren als het beschadigd raakt. Normale virussen zijn zelf niet in staat tot eiwitsynthese of DNA-herstel, ze moeten voor deze activiteiten vertrouwen op de organellen van hun gastheercellen. Of mimivirus in een bestaand domein (superkoninkrijk) of in zijn eigen domein moet worden geplaatst, valt nog te bezien. Voor meer informatie, zie D. Raoult, et al. "De 1,2 Mb-genoomsequentie van Mimivirus." Wetenschap online gepubliceerd, DOI: 10.1126/Science.1101485 (2004) B. La Scola et al. "Een gigantisch virus in amoeben." Wetenschap 299 (5615): 2033 (2003).

Sommige wetenschappers hebben gespeculeerd dat de evolutie van eukaryote cellen het samenvoegen van twee of meer genomen omvatte, een fenomeen dat symbiogenese wordt genoemd. Eukaryotische cellen worden gekenmerkt door de aanwezigheid van membraangebonden organellen, waaronder chloroplasten, mitochondriën en kernen. De oorsprong van een complexe cel intrigeert wetenschappers al tientallen jaren en is een sterk bediscussieerd onderwerp tussen evolutionisten en creationisten. Volgens de endosymbiont-hypothese kunnen bacteriën de voorlopers zijn van cellulaire organellen zoals chloroplasten en mitochondriën. Een primitieve kern (protonucleus) kan zijn geëvolueerd uit een intracellulair virus, maar een zwakte van deze hypothese is dat virussen over het algemeen enkele van de sleutelgenen die in eukaryoten worden gevonden, missen. Het complexe genoom van mimivirus omvat deze genen en ondersteunt de evolutie van een protonucleus uit een virus.

Typische virussen worden niet in de drie belangrijkste domeinen van het leven geplaatst. Ze zijn veel kleiner en veel minder complex dan cellen. Het zijn macromoleculaire eenheden die zijn samengesteld uit DNA of RNA omgeven door een buitenste eiwitschil. Ze hebben geen membraangebonden organellen, geen ribosomen (organel van eiwitsynthese), geen cytoplasma (levende inhoud van een cel) en geen eigen bron van energieproductie. Ze vertonen geen autopoiesis - d.w.z. ze hebben niet de zelfonderhoudende metabolische reacties van levende systemen. Virussen missen cellulaire ademhaling, ATP-productie, gasuitwisseling, enz. Ze reproduceren zich echter wel, maar ten koste van de gastheercel. Net als obligate parasieten kunnen ze zich alleen voortplanten in levende cellen. In zekere zin kapen virussen de gastheercel en dwingen deze om meer virussen te produceren door middel van DNA-replicatie en eiwitsynthese. Buiten hun gastheercellen kunnen virussen overleven als minuscule macromoleculaire deeltjes. Virussen kunnen dieren en planten aanvallen. Besmettelijke menselijke virussen kunnen worden verspreid via de lucht (virussen in de lucht) of lichaamsvloeistoffen (hiv-virus). Epidemische virussen (zoals HIV) die van persoon op persoon worden overgedragen via seksuele conjugatie, lijken opmerkelijk veel op computervirussen. Helaas is er bij mensen geen antivirusprogramma dat u waarschuwt voor een mogelijke infectie, of om snel uw lichaam te scannen en de indringer te verwijderen zodra deze uw systeem is binnengedrongen. Mensen moeten vertrouwen op hun verbazingwekkende antilichaam- en celgemedieerde immuunresponsen, enkele van de meest complexe en opmerkelijke prestaties in de evolutie van levende systemen.

De naam "coronavirus" is afgeleid van het Latijnse corona, wat kroon of halo betekent. De naam verwijst naar het karakteristieke uiterlijk van virionen (de infectieuze vorm van het virus buiten een gastheercel) door elektronenmicroscopie, die een rand van grote, bolvormige oppervlakteprojecties hebben die een beeld creëren dat doet denken aan een kroon of zonnecorona. In deze illustratie van een coronavirusvirion creëren de knotsvormige virale spike-peplomeren, rood gekleurd, het uiterlijk van een corona die het virion omringt, wanneer bekeken met een elektronenmicroscoop. Voor gezondheidswerkers die in contact komen met coronaviruspatiënten, beveelt de CDC een meer gespecialiseerd type gezichtsmasker aan, N95 genaamd - een die individueel op het gezicht van een persoon wordt aangebracht om een ​​afdichting te creëren en die 95 procent van de deeltjes filtert die ten minste 0,3 zijn micrometer in doorsnee. Dit is de diameter van een coronavirusvirion. [Een micron (micrometer) is 1/1.000ste van een millimeter of 0,001 mm]

2. Dit is de breedte van een ovale (elliptische) spore. Sporen van dit formaat kunnen gemakkelijk ontsnappen uit een gevouwen (gesloten) papieren envelop die niet luchtdicht is. Miltvuur (Bacillus anthracis) is een van de micro-organismen die in biologische oorlogsvoering worden gebruikt, omdat er stammen zijn ontwikkeld die extreem besmettelijk zijn via de huid en door inademing. Bovendien vormt het zeer resistente sporen die lang kunnen overleven. Ongeveer één theelepel of twee gram miltvuur kan tot 20 miljard sporen bevatten. Met een gemiddelde besmettingsgraad van 10.000 sporen per persoon zijn dit in theorie genoeg sporen om 2 miljoen mensen te besmetten met inademing van miltvuur.

Links: sterk vergroot beeld (2000x) van menselijke pus met witte bloedcellen (neutrofielen genaamd) met diep gelobde paarse kernen. De minuutgepaarde stippen (rode pijl) zijn diplococcus gonorroe-bacteriën (Neisseria gonorrhoeae). Elke stip (kokkenbacterie) is slechts ongeveer 0,5 micrometer in diameter. Sommige neutrofielen hebben de bacteriën opgenomen via fagocytose. Rechts: Een kweek van staafvormige miltvuurbacteriën ( Bacillus anthracis ). Sommige bacteriën zijn gedeeld door splijting (rode pijl). [Beide afbeeldingen zijn afkomstig van oude (circa 1960) geprepareerde objectglaasjes verbeterd met Adobe PhotoShop door W.P. Armstrong.]

3. Een menselijke kern bevat 46 chromosomen (enkele chromosomen tijdens interfase). Deze 46 chromosomen omvatten ongeveer 6 voet DNA (2 meter). Vroeger dacht men dat deze hoeveelheid DNA ongeveer 100.000 functionele genen bevatte, maar dat aantal is nu teruggebracht tot ongeveer 30.000 genen (één procent van het totale DNA in de kern). In termen van informatieopslag is de genetische informatie in een cel ongeveer gelijk aan 500 gedrukte delen van Encyclopedia Brittanica (12 tekens per inch).

4. Rijpe zaadcellen (spermatozoa) zijn samengesteld uit drie verschillende delen: een kop, een middenstuk (middenstuk) en een staart (flagellum). Het middenstuk en de staart bevatten microtubuli in het kenmerkende 9 + 2 patroon van trilharen en flagellen (zie afbeelding dierlijke cel). In het middenstuk zijn mitochondria verpakt rond de microtubuli en leveren ze de energie voor beweging. De reis van een enkele zaadcel in het vrouwelijke voortplantingsstelsel is analoog aan een zalm die tien mijl stroomopwaarts zwemt om te paaien. De kop bevat een kern bedekt door een buitenste dop, het acrosoom genaamd, die enzymen opslaat die nodig zijn om de cellulaire en glycoproteïnelagen rond het ei te penetreren.

Chirurgische sterilisatie van een man wordt een vasectomie genoemd. Elk van de twee zaadleiders (spermakanalen) van de linker en rechter testikels wordt op twee plaatsen doorgesneden en vastgebonden, en het gedeelte tussen de banden wordt verwijderd. Resterend sperma kan tot een maand na een vasectomie in de zaadleider aanwezig zijn. Daarom worden periodieke microscopische onderzoeken aanbevolen totdat sperma niet langer zichtbaar is in spermamonsters.

Microscoopopname van menselijk sperma in sperma (1000x). Het inzetstuk van de afbeelding toont het acrosoom, het hoofd en het middenstuk van een menselijke zaadcel.

5. Een puffball ter grootte van een honkbal (Calvatia gigantea) in San Diego County, Californië. De binnenkant is gevuld met een donkere massa sporen vermengd met draadachtige hyfen (capillitium). De close-up van de sporen (rechts) is 1.000x genomen. Elke bolvormige spore heeft een diameter van ongeveer 1/200 mm (5 µ m), iets kleiner dan een menselijke rode bloedcel (7,5 µ m). Afhankelijk van de soort variëren puffballs in grootte van een honkbal tot een basketbal. Als ze volwassen zijn, laat de puffball miljoenen sporen in de lucht vrij in een wolk van zwart stof. Dit kan eenvoudig worden aangetoond als je er per ongeluk tegenaan trapt. Volgens David Arora ( Mushrooms Demystified , 1986), kan een grote puffball 7 biljoen sporen bevatten. In één rij opgesteld, zou dit aantal sporen zich uitstrekken rond de evenaar van de aarde. Als elke spore een puffball zou produceren ter grootte van een basketbal, zouden de resulterende puffballs zich uitstrekken van de aarde naar de zon en terug!

6. Korstmossen zijn een symbiotische relatie tussen algen en schimmels. Het hoofdlichaam van een korstmos bestaat uit schimmelweefsel (meestal klasse Ascomycota) met fotosynthetische algencellen (meestal deling Chlorophyta) ingebed in deze schimmelmassa (mycelium). De sporen worden geproduceerd door de schimmelcomponent of mycobiont, meestal in een komvormig lichaam dat een ascocarp wordt genoemd. Korstmossporen kunnen 1-2 micrometer zijn in Acarospora chlorophana, of tot 40 micrometer lang in Diploschistes scruposus (links). De grootte, kleur en vorm van sporen zijn nuttige eigenschappen bij het scheiden van verschillende soorten korstmossen. Sporen tot 40 micrometer of langer worden als groot beschouwd.

7. De breedte (diameter) van een mensenhaar varieert van zeer fijn (0,017 mm) tot zeer grof (0,181 mm). De rechter afbeelding toont een fijn mensenhaar bij een vergroting van 1000 x. De haarbreedte is 0,070 mm of 70 micrometer. Met het blote oog is de enkele haarschacht zichtbaar wanneer deze op een vel wit papier wordt geplaatst.

A. Twee fijne mensenharen worden 70 micrometer uit elkaar geplaatst. Elk haar is ongeveer 70 micrometer breed (diameter). Met 20-20 vision zou je in staat moeten zijn om onderscheid te maken tussen de twee haren op de juiste brandpuntsafstand. B. Wanneer ze dichter bij elkaar worden geplaatst (ongeveer 15 micrometer uit elkaar), lijken de twee haren in elkaar over te lopen en kunnen ze niet met het blote oog worden onderscheiden. Een handlens of vergrootglas is nodig om onderscheid te maken tussen de twee haren. Hoewel de haren op een witte achtergrond te zien zijn, kunnen ze niet worden opgelost als ze dicht bij elkaar worden geplaatst. De minimale resolutie voor een computermonitor is 72 dots per vierkante inch (dpi), anders wordt het beeld korrelig. Afgedrukte foto's zijn ook samengesteld uit puntpatronen. Boven 150 dpi lopen de stippen over het algemeen in elkaar over en kunnen ze niet worden opgelost. Onder een handlens of microscoop zijn de stippen goed waar te nemen.

"De diameter van de kegelcellen neemt geleidelijk af naar het centrum van de fovea [waar de gezichtsscherpte het hoogst is.] In het meest dicht opeengepakte gebied van dit centrum van gezichtsscherpte is de gemiddelde hart-op-hart afstand tussen kegelcellen één en een half tot twee micron. Wanneer het diffractiepatroon van een drijver op een stukje van de centrale fovea valt, verlicht het enkele kegels in het mozaïek en laat het andere donker achter. De ruimte van vier micron tussen de buitenste ringen van het patroon dat wordt opgelost door de fovea ongeveer gelijk is aan twee kegelbreedtes. Het lijkt erop dat twee lijnen in een patroon twee kegelbreedtes van elkaar moeten zijn als ze als gescheiden moeten worden gezien. Deze anatomische vereiste zou specifiek de resolutie waartoe het oog in staat is, beperken. "

9. Bepaalde epifytische orchideeën van het tropische regenwoud produceren 's werelds kleinste zaden met een gewicht van slechts één 35 miljoenste van een ounce (1/35.000.000) of 0,81 microgram. Sommige zaden zijn slechts ongeveer 1/300ste inch lang (85 micrometer). Eén zaadcapsule van een enkele bloem kan tot vier miljoen zaden bevatten. Ze worden als minuscule stofdeeltjes of eencellige sporen in de lucht verspreid en komen uiteindelijk tot rust in het bovenste bladerdak van regenwoudbomen.

10. Deze minuscule vrucht met één zaadje is ongeveer 1/100 inch lang en weegt ongeveer 70 microgram of 1/40.000 van een ounce. Vergelijk deze kleine vrucht met de meest massieve pompoen die meer dan 1000 pond weegt (meer dan 450.000 gram).

11. Het plantenlichaam van de Australische soort Wolffia angusta is slechts 0,6 mm lang (1/42 inch). Het weegt ongeveer 150 microgram of 1/190.000 van een ounce. Dit is 's werelds kleinste bloeiende plant, in minutie geëvenaard door de Aziatische soort W. globosa.

12. De Australische boom (Eucalyptus regnans) is 's werelds hoogste bloeiende plant. Enkele van de grootste bomen zijn meer dan 300 voet lang en wedijveren in grootte met de Californische kustsequoia (Sequoia sempervirens).

13. De planeet aarde heeft een diameter van ongeveer 8.000 mijl (13.000 kilometer) of 13 miljard (13.000.000.000) millimeter. Het heeft een volume van ongeveer één nonillion (1 X 10 30) kubieke millimeter. Dit verbazingwekkende volume is ongeveer gelijk aan het volume van één niet-miljoen Wolffia-planten die samengepakt zijn na 4 maanden ongeslachtelijke ontluiking!

Als een watermolecuul wordt voorgesteld door 10 0 , dan is een wolffia-plant ongeveer 10 20 macht groter dan het watermolecuul. De aarde is ongeveer 10 20 macht groter dan een wolffia plant, of 10 40 macht groter dan het watermolecuul.

14. Een haarzakjesmijt (Demodex brevus) in je neus!

H luchtfollikelmijten van het geslacht Demodex behoren tot de kleinste meercellige dieren. Ze werden voor het eerst beschreven bij mensen in 1841 door Frederick Henle die deze minuscule parasiet van "miliaire klieren" van de gehoorgang meldde. Hij was onzeker over de taxonomische positie van de parasiet in het dierenrijk. [Henle staat ook bekend om de lus van Henle in de gewervelde nefron.] Een andere wetenschapper uit deze periode met de naam Berger (1845) dacht dat het een lid was van de phylum Tardigrada. Tardigrades zijn minuscule dieren die vaak worden aangetroffen op korstmossen en mossen. Volgens Desch en Nutting (The Journal of Parasitology 58 (1): 169-177, 1972) zijn er twee soorten follikelmijten op mensen. Demodex folliculorum is 0,3 tot 0,4 mm lang en neemt typisch de haarzakjes in beslag. Het wordt ook wel een "wimpermijt" genoemd omdat het vaak voorkomt in follikels aan de basis van wimpers. Demodex brevis is ongeveer half zo groot (0,15 tot 0,2 mm) en leeft meestal in talgklieren naast de haarzakjes. De laatste mijt is slechts ongeveer zo groot als een eencellige Paramecium en lijkt de soort te zijn die ik in mijn neus vond. Afbeelding (links) gewijzigd van T. Ross en foto's van de dorsale zijde van D. brevus door W.P. Armstrong.

15. De blauwe vinvis ( Balaenoptera musculus ) is het grootste dier dat ooit op aarde heeft bestaan. Met een lengte van 30 meter en een gewicht van bijna 200 ton is hij groter dan de grootste plantenetende dinosauriërs. Fossiel bewijs uit Patagonië geeft aan dat titanosauriërs van 70 ton de grootste dieren waren die ooit op het land hebben gelopen.

16. Californische kustsequoia ( Sequoia sempervirens ) is de hoogste gedocumenteerde levende boom op 379 voet (116 m).

17. Diameter van maïszijde (Zea mays) waar elke stuifmeelbuis doorheen gaat.

De vrouwelijke bloeiwijze van moderne maïs (Zea mays) vertoont talrijke rode, draadachtige stijlen (gezamenlijk de zijde genoemd), en de groene, bladachtige schil die talrijke eierstokken van vrouwelijke bloemen omsluit die zich tot de korrels ontwikkelen. Een stuifmeelbuis moet door elke zijde (stijl) gaan om elke korrel te bevruchten.

4. Vogeleieren: 's werelds grootste cellen in volume

Het typische vogelei bevat een vergrote dooier omgeven door een eiwitrijke hulpvloeistof die het eiwit of albumine wordt genoemd. De dooier is in wezen de vergrote eicel of eicel. Terwijl deze cel mitose ondergaat, worden de dochtercellen kleiner en kleiner totdat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog. Eierleggende (ovipaar) vogels hebben grote dooiers die rijk zijn aan eiwitten en lipiden om het embryo in stand te houden. Het ontwikkelende kuiken krijgt lucht door minuscule poriën in de calciumcarbonaat-eierschaal. Poriën in de schaal zijn verstopt door collageen, maar zijn nog steeds luchtdoorlatend. Kippeneierschalen kunnen bruin of wit zijn, afhankelijk van het ras (variëteit). De soorten Rhode Island Red, New Hampshire en Plymouth Rock leggen bijvoorbeeld bruine eieren. De meeste eieren die op uw lokale markt worden gekocht, zijn onbevrucht (haploïde). Vruchtbare (diploïde) eieren worden gelegd door kippen die regelmatig worden blootgesteld aan een haan. De dooier bevat een roodachtig geel carotenoïde pigment (astaxanthine) dat zijn heldere kleur produceert. In feite krijgen kippen over de hele wereld astaxanthine in hun dieet om de dooierkleur te intensiveren.

Een gigantische vogel die tot 900 na Christus in het zuiden van Madagaskar leefde, produceerde het grootste ei van alle dieren. Bekend als de olifantsvogel (Aepyornis maximus), is het een uitgestorven lid van de Rattae, een clade van loopvogels die de struisvogel, emu, casuaris, kiwi en nandoes omvat, evenals de uitgestorven moa van Nieuw-Zeeland. Een enorm ei woog ongeveer 27 pond (13,6 kg) met een volume van 2,4 gallon (9 liter). Dit is ongeveer even groot als 180 kippeneieren of 10.000 kolibrie-eieren. Het ei was veel groter dan enig bekend dinosaurusei. Er wordt geschat dat de olifantsvogel drie meter lang was en 450 kg woog. Een ei bewaard in het British Museum of Natural History meet 33,7 inch (85,6 cm) rond de lange as, met een omtrek van 28,5 inch (72,4 cm). De dooier van zijn ei was waarschijnlijk de grootste enkele cel die ooit heeft bestaan. Helaas werd het uitsterven van deze prachtige vogel ongetwijfeld versneld door vroege mensen die Madagaskar binnenvielen.

Het onbetwiste grootste nog bestaande vogelei op aarde wordt tegenwoordig gelegd door een struisvogel. Een gemiddeld ei weegt ongeveer 1,4 kg en is ongeveer gelijk aan ongeveer twee dozijn kippeneieren. Het duurt ongeveer 40 minuten om een ​​struisvogelei hard te koken. De dooier van een struisvogelei is qua volume de grootste cel, maar zenuwcellen van het ruggenmerg van een groot hoefdier kunnen bijna 0,6 m lang zijn.

Een eierdoos van een walvishaai (Rhincodon typus) van 12 inch (30 cm) bij 5,5 inch (14 cm) bij 3,5 inch (9 cm) werd ontdekt in de Golf van Mexico in 1953 op een diepte van 186 voet (56,6 m) ). Het ei bevatte een perfect embryo van een walvishaai van 35 cm lang. Dit zou zeker het record zijn voor het grootste nog bestaande embryo-bevattende ei, maar het zou niet de grootste enkele cel zijn omdat het al in een meercellig embryo is verdeeld.

Levendbarende dieren met een levende geboorte en embryo-ontwikkeling in de baarmoeder van de moeder hebben minuscule eieren met zeer kleine dooiers. Er is geen grote, voedingsrijke dooier nodig omdat het embryo voedingsstoffen van de moeder krijgt. De meeste zoogdieren zijn levendbarend, met uitzondering van het eierleggende eendenbekvogelbekdier. Een onbevrucht menselijk ei (eicel) heeft ongeveer de grootte van een gedrukte punt aan het einde van deze zin. Na de bevruchting bevat het 46 chromosomen en ongeveer 30.000 functionele genen, alle genetische informatie voor een compleet menselijk organisme. In termen van gedrukte informatie met een Romeins alfabet van 26 letters en 12 tekens per inch, vertegenwoordigt deze opgeslagen informatie ongeveer 500 delen van de Encyclopedia Brittanica.

Het struisvogelei is qua volume de grootste cel ter wereld. Het eigenlijke celgedeelte is de opgeblazen dooier (eicel) in het albumine (zie kippenei op de volgende foto).

Een kippenei met de dooier en witte hulpvloeistof (albumine). De dooier is in wezen de vergrote eicel of eicel. De gele kleur wordt versterkt door carotenoïde pigmenten (astaxanthine) in het kippenvoer. Terwijl deze cel mitose ondergaat, worden de dochtercellen kleiner en kleiner totdat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog. Eierleggende (ovipaar) vogels hebben grote dooiers die rijk zijn aan eiwitten en lipiden om het embryo in stand te houden. Het voedende eiwit is ook rijk aan eiwitten. Tijdens de embryonale ontwikkeling krijgt het kuiken lucht door minuscule poriën in de calciumcarbonaat-eierschaal. Poriën in de schaal zijn verstopt door collageen, maar zijn nog steeds luchtdoorlatend.

5. Zoutkorrels en metrisch systeem

Microscopische opname van drie kubusvormige korrels van gewoon keukenzout (natriumchloride of NaCl). Alle drie de korrels zijn iets meer dan een millimeter lang (rode balk). Korrels tafelzout variëren enigszins in grootte, maar drie op elkaar gestapelde gemiddelde korrels komen neer op ongeveer één mm. Als drie korrels gelijk zijn aan één millimeter lang, dan is een enkele korrel ongeveer 0,3 mm of 0,03 cm aan een kant. Door de decimaal één plaats naar links te verplaatsen, worden millimeters (mm) omgezet in centimeters (cm).

Hoeveel weegt het graan?

Het volume van een enkele korrel in kubieke centimeters is (0,03) 3 = 0,000027 cm 3 .

De dichtheid van NaCl is 2,165 gram per kubieke centimeter. Vermenigvuldig de dichtheid van NaCl met het volume van een enkele korrel om het gewicht van de korrel te verkrijgen:

2,165 g/cm3 x 0,000027 cm3 = 0,000058 g. Deze waarde kan worden afgerond op ongeveer 0.00006 g, het gewicht van één korrel.

Hoewel niet precies (vanwege de variabiliteit in korrels), maakt de grootte en het gewicht van een korrel keukenzout een mooie vergelijking bij het bespreken van minuscule organismen of doseringen. De vrucht met één zaadje van Wolffia angusta en W. globosa ('s werelds kleinste bloeiende planten) is bijvoorbeeld ongeveer zo groot als een korrel keukenzout:

De minuutvruchten met één zaadje van Wolffia angusta vergeleken met korrels gewoon keukenzout (NaCl). De kubusvormige zoutkorrels zijn ongeveer 0,3 mm aan een kant. De vruchten van W. globosa zijn vergelijkbaar in grootte.

Een van de dodelijkste zaden op aarde is de castorboon (Ricinus communis). De zaden bevatten ricine, een zeer giftige eiwitverbinding die bekend staat als lectine. Volgens de Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals (1997), een dosis ricine met een gewicht van slechts 70 microgram of twee miljoenste van een ounce (ongeveer gelijk aan het gewicht van een enkele korrel tafelzout uit een zoutvaatje ) is voldoende om een ​​persoon van 150 pond (68 kg) te doden. De kleurrijke zaden van gebedskralen (Abrus precatorius) bevatten nog een giftige lectine, abrin genaamd. Een dosis abrine gelijk aan het gewicht van ongeveer 20 korrels tafelzout kan dodelijk zijn voor een volwassen mens die 150 pond weegt. Volgens de Merck Index kan een grondig gekauwd zaadje van gebedskralen (A. precatorius) dodelijke vergiftiging veroorzaken.

In 1978 werd een Bulgaarse dissident, Georgi Markov, vermoord in Londen nadat hij was geprikt door een paraplu met ricine. Ricine veroorzaakt een langzame en pijnlijke dood door bloedvergiftiging en een afbraak van de bloedsomloop. Er is geen antidotum bekend voor ricinevergiftiging. Even before the tragic terrorist plane crashes into the Trade Center Twin Towers in New York, some airports hand-inspected umbrellas packed in carry-on luggage. Following the Gulf War, UN investigator teams (UNSCOM) discovered that Iraq was purifying ricin for possible use in biological warfare, along with anthrax ( Bacillus anthracis ), botulism toxin ( Clostridium botulinum ), gas gangrene ( C. perfringens ), and aflatoxin ( Aspergillus parasiticus ). From: Facts on File News Services (23 January and 13 February 1998).

According to The Washington Post Online (16 November 2001), Osama bin Ladens's al-Qaida network also had working plans for making ricin. Instructions for preparing the poison were found in the cellar of an abandoned house once used as a terrorist training center. According to the article, the ricin may be ingested, injected and inhaled. The article also states that the laxative effect of castor oil is due to ricin, but this is doubtful. Castor oil is derived from the seeds of the castor bean. It contains 87 percent ricinoleic acid, a fatty acid with many industrial uses, along with small amounts of several other fatty acids including oleic (7%), linoleic (3%), palmitic (2%) and stearic (1%). The deadly protein ricin is not a component of purified castor oil.

Seeds of prayer bead ( left ) and castor bean ( right ).

6. Elodea Leaf Cell & Properties

1. Depth of Field: When using a compound microscope this term refers to the thickness of the subject that is in focus. The Elodea leaf is composed of two layers of cells. Only one layer of cells is in focus when using the high power (40x) objective. Therefore, the depth of field is limited to only one layer of cells. You must focus up and down using the fine adjustment knob on the microscope to see both layers of cells.

2. Plasmolysis: Shrinkage of the protoplast or cell contents due to water loss when a drop of salt water (NaCl) is added to the Elodea slide. Because of all the salt ions (Na+ and Cl- ions) outside the cell membrane of each Elodea cell, water molecules move out of the cell membrane causing the cell membrane and it contents to shrink into a blob in the center of the cell wall. The porous, cellulose wall does not shrink because the salt ions easily pass through the wall but cannot pass through the membrane. Therefore, the cell membrane (not the cell wall) loses water molecules and shrinks.

Waterweed ( Elodea densa ) a submersed South American aquarium plant that is naturalized in ponds, streams and lakes throughout North America. It belongs to the frog's-bit family (Hydrocharitaceae) along with the troublesome Old World aquatic weed called hydrilla ( Hydrilla verticillata ) that literally clogs the waterways of canals and reservoirs. The highly magnified view of a leaf ( right ) shows a living photosynthetic cell. Because most of the cell is occupied by a water-filled, large central vacuole, the chloroplasts are displaced around the periphery of the cell, just inside the cell wall and membrane. The chloroplast shown by top red arrow is actually on the outside of this vacuole. Due to the limited depth of field at this magnification (400x), only portions of the viewing plane are in focus at any one time. To see additional chloroplasts you must focus up and down with the fine adjustment knob of the compound microscope. The transparent nucleus is not visible in this image. Please refer to the following illustration:

Elodea leaf cell illustration from a microscope slide. A drop of 10 percent NaCl (sodium chloride) solution was added to the slide. Left: The cell membrane has pulled away from the cell wall marking the onset of plasmolysis called "incipient plasmolysis." Right: The entire cell contents (protoplast) within the membrane has shrunk into a blob in the center of the cell. This phenomenon is called plasmolysis. Salt ions (Na+ and Cl-) have passed through pores in the cellulose cell wall. The ions do not pass through the protein-lipid cell membrane because it is impermeable to them. Due to the concentration differential inside and outside of the membrane, water molecules (shown by blue arrows) move out of the cell membrane, thus causing the cell contents to shrink into a blob. This concentration differential does not occur outside the porous, rigid cell wall, therefore its rectangular shape remains intact.

Microscopic view of the plasmolyzed cells of an Elodea leaf. A. Cell wall composed of cellulose. B. The contents (protoplast) of a cell that has shrunk into a ball after losing water. C. The faint cell wall of another layer of cells. Since only one layer of cells is in focus due to the depth of field at this magnification, the second layer of cells is blurry and faint.

7. Salt Intake & Decrease In Urine Output At A Movie Theatre

    Visit the restroom during the latter part of the half-hour commercial/preview period, just before the movie starts.

Note: If you are concerned about consuming large quantities of unhealthy theatre popcorn, try carrying a small Himalayan rock salt plate and lick it during the movie. You might even get some valuable trace elements in this slab of halite mined in Pakistan. See image of salt plate below.

8. Important Definitions For The Cell Exam

1. Depth of Field: When using a compound microscope this term refers to the thickness of the subject that is in focus. The Elodea leaf is composed of two layers of cells. Only one layer of cells is in focus when using the high power (40x) objective. Therefore, the depth of field is limited to only one layer of cells. You must focus up and down using the fine adjustment knob on the microscope to see both layers of cells.

Another hands-on demonstration for depth of field utilizes the wing of a common house fly (Musca domestica). These were plentiful in the windows of old biology lab rooms at Palomar College. Students are asked to determine whether there are hairs on both sides of the wing. This requires careful focusing up and down because depth of field is limited to one layer of hairs when using the compound microscope. [Fly image from Wikipedia.]

2. Plasmolysis: Shrinkage of the protoplast or cell contents due to water loss when a drop of salt water (NaCl) is added to the Elodea slide. Because of all the salt ions (Na+ and Cl- ions) outside the cell membrane of each Elodea cell, water molecules move out of the cell membrane causing the cell membrane and it contents to shrink into a blob in the center of the cell wall. The porous, cellulose wall does not shrink because the salt ions easily pass through the wall but cannot pass through the membrane. Therefore, the cell membrane (not the cell wall) loses water molecules and shrinks.

3. Hypertonic and Hypotonic: When comparing two solutions, such as the inside of a red blood cell (RBC) with the solution they are placed in, the solution with the greater salt concentration is hypertonic, while the solution with the lower salt concentration is hypotonic. Compared with the RBCs, a 10% NaCl solution is hypertonic while a 0.1 % NaCl is hypotonic. Since the latter solution is almost pure water, the blood cells are actually hypertonic by comparison.

4. Osmose: Movement of water molecules from a region of high concentration to a region of lower concentration through a differentially permeable cell membrane. In biology, this definition should include water molecules and cell membrane.

5. Diffusie: Movement of molecules or ions (charged atoms) from a region of high concentration to a region of lower concentration. This definition does not include a cell membrane and refers to molecules of any substance, not specifically water. Examples of diffusion include perfume molecules in the air, ether molecules in a classroom, sugar molecules in a cup of coffee, methylene blue molecules in a bowl of clear gelatin, etc.

6. Active Transport : Movement of molecules and ions through a cell membrane against a diffusion gradient (i.e. from a low to a higher concentration). This movement involves carrier proteins (channels) in the cell membrane and requires energy in the form of ATP (adenosine triphosphate). Active transport occurs during a nerve impulse or action potential (wave of depolarization) when a nerve cell membrane suddenly becomes permeable to sodium ions. The inflow of sodium ions moves quickly along the nerve cell axon, activating an adjacent nerve cell or muscle. As sodium ions rapidly move across the membrane to the inside of the axon, the polarity of the membrane changes. This reversal in polarity causes the sodium channels to close and the potassium channels to open. Now potassium ions move from inside the axon to the outside of the axon in a wave of repolarization.

During a lethal injection, a fatal dosage of potassium chloride is administered intravenously. The large influx of potassium ions interrupts the wave of depolarization (action potential) to the heart muscle resulting in cardiac arrest. A paralyzing agent, such as pancuronium bromide or tubocurarine chloride, plus a lethal dosage of a general anesthetic, such as sodium thiopental (sodium pentothal) are usually given before the potassium chloride is administered. Tubocurarine is the active ingredient of curare, an extract from the bark and stems of the South American vine ( Chondodendron tomentosum ). Amazonian Indians use the gummy extract to coat the poison darts of their blowguns. The alkaloid D-tubocurarine blocks acetylcholine receptor sites at neuromuscular junctions, causing relaxation and paralysis of muscles, including respiratory organs and the heart.

6. Halophyte: A plant adapted to soil or water containing a high salt concentration. The root cells contain a salt concentration higher than the water they are growing in. Since they are hypertonic compared with the water or soil, the root cells can take in water molecules and do not become plasmolyzed. Good examples of halophytes are the seagrasses (see link below), red and black mangroves ( Rhizophora and Avicennia ), salt grass ( Distichlis ) and salt bush ( Atriplex ). There are also species of bacteria and algae that are extremely halophilic (salt-loving), living in saturated brine and salt crust (see link below).

7. Imbibition: The movement of water molecules into a porous, colloidal substance causing it to swell. Enormous pressures can be produced by imbibition, sufficient to split boulders apart.

When a seed of Sterculia lychnophora is soaked in water for several days, it imbibes water and swells to more than eight times its original volume. The seed coat expands into an edible gelatinous mass (carbohydrate gum) that is used for a beverage in Cambodia. According to S. Facciola ( Cornucopia II , 1998), the cooling beverage is called "sam-rong," and the flavor is enhanced with sugar and a flavoring such as jasmine or banana water.

8. Light Reactions of photosynthesis: The production of ATP and NADPH 2 within the grana region (thylakoid membranes) of a chloroplast using light energy.

9. Dark Reactions of photosynthesis (also known as the Calvin Cycle): The conversion of carbon dioxide into glucose within the stroma region of a chloroplast. This complex series of reactions requires ATP and NADPH 2 from the light reactions.

10. Fluorescence : The emission of a reddish glow when a beam of light is directed on a chlorophyll solution.

11. Bioluminescence : The emission of light by an organism or population of organisms. This phenomenon involves the oxidation of luciferin in the presence of ATP and the enzyme luciferase. Examples of bioluminesence include dinoflagellates causing "red tide," lightning "bugs" (beetles), glow worms (beetle larvae), comb jellies (phylum Ctenophora), the deep sea angler fish, and a remarkable fungus called the jack-o-lantern mushroom.

9. Potato Tubers & Banana Fruit

T he thin-walled parenchyma cells of a potato tuber are filled with membrane-bound, starch-storage organelles called amyloplasts. They are also referred to as "starch grains" in most general biology textbooks. Since iodine stain (gram's iodine) makes starch turn purplish-black, the amyloplasts can easily be viewed with a compound microscope (400x). Insoluble starch (amylopectin) is deposited in concentric layers within the amyloplasts. Unlike the long, coiled molecules of soluble starch (amylose), the molecules of amylopectin are much shorter, with only 40-60 glucose subunits. Amylopectin molecules consist of highly branched chains that do not coil. Starch grains of different plant species have characteristic shapes, such as maize (corn), oats, bananas, potatoes and wheat. For example, banana starch grains are more elongate than potato starch grains. Starch is hydrolyzed (broken down) by amylase enzymes (including B-amylase and maltase). During hydrolysis a water molecule is inserted between each glucose subunit. Starch is typically stored in underground organs, including storage roots, rhizomes, tubers, corms and bulbs.

Magnified view (400x) of several parenchyma cells of a potato tuber showing the thin, transparent cell walls and clusters of amyloplasts (starch grains). The starch grains were stained black with gram's iodine.

10. Oak Wood & Specific Gravity

1. As a tree grows in girth, the marked difference in the size and density of spring and summer cells produces concentric annual rings. Because the summer wood cells in pine trunks are smaller and more dense, they appear as dark bands in a cross section of a log. Each concentric band of spring and summer cells is called an annual ring. By counting the rings (dark bands of summer cells in pine wood), the age of the tree can be determined. Other data, such as fire and climatic data, can be determined by the appearance and spacing of the rings. Some of the oldest bristlecone pines ( Pinus longaeva ) in the White Mountains of eastern California have more than 4,000 rings. Annual rings also produce the characteristic grain of the wood, depending on how the boards are cut at the saw mill.

2. To calculate the specific gravity of a block of wood, divide the numerical value for its weight by the numerical value for its volume. Specific gravity is expressed as a number, without any units of measurements. For more information about this subject, refer to the Wayne's Word article about hardwoods.

Specific Gravity

11. Human Cheek Squamous Epithelial Cells

Magnified view (400x) of squamous epithelial cells from the buccal mucosa (cheek cells from inside the mouth). The cells are stained with a dye called methylene blue. The nucleus and cell membrane are clearly visible. Plant structures such as a cell wall, chloroplasts and large central vacuole are absent. Because they don't have a rigid (firm) cellulose cell wall, these cells are flimsy and irregular in shape, unlike the rectangular shape of the onion cells. Although they were photographed in fall of 2001, these cells actually came from a student in a previous biology lab three years before.

1. The cells of eukaryotic plants, protists, and animals are basically similar because they have many structures in common. They both have a cell membrane, nucleus and a cytoplasm composed of many of the same organelles. The term cytoplasm refers to the region of a cell outside of the nucleus. Some of the organelles they have in common are ribosomes (site of protein synthesis), mitochondria (site of cellular respiration and ATP production), Golgi apparatus (vesicles involved in the secretion of macromolecules from cells), and lysosomes (vesicles involved in the intracellular digestion of macromolecules). In addition, they both have complex networks of intracellular canals called the endoplasmic reticulum through which macromolecules move.

2. Three obvious characteristics of plant cells that are not found in typical animal cells are: a cellulose cell wall, a large central vacuole, and chloroplasts (site of photosynthesis).

3. The cells within an organism are basically similar. They differ in their size, shape and function. Cells are organized into tissues (nerve, muscle, adipose, epithelial, etc.) and tissues are organized into organs (heart, liver, brain, kidneys, etc.). Although they are not as anatomically complex, plants also have organs (leaf, root, flower, etc.). Plants probably equal or exceed the complexity of animals when it comes to their incredible number of diverse biochemical reactions and products.

13. Prokaryotic Cells Of Cyanobacteria

1. Nitrogen Fixation: A remarkable prokaryotic skill in which inert atmospheric nitrogen gas (N 2) is combined with hydrogen to form ammonia (NH 3). This process occurs in the root nodules of legumes, and is the main reason why farmers often rotate their crops with leguminous species (such as alfalfa). This process also occurs in a number of species of microscopic cyanobacteria, some of which live symbiotically in the leaves and roots of plants. The actual sites of nitrogen fixation in the cyanobacteria are special cells called heterocysts.

Unlike other cells in the filaments of cyanobacteria, the heterocyst is nonphotosynthetic. As the heterocyst matures, the photosynthetic membranes (thylakoid membranes) become contorted or reticulate compared to regular photosynthetic cells of cyanobacteria, and they become non-photosynthetic (and do not produce oxygen). This fact is especially noteworthy because nitrogen fixation requires the essential enzyme nitrogenase, and the activity of nitrogenase is greatly inhibited by the presence of oxygen.

N2 + 8 H+ + 8e- +16 ATP + 16 H2O = 2 NH3 + H2 + 16 ADP +16 Pi

The fowing explanation is from Jim Deacon of the Institute of Cell and Molecular Biology, The University of Edinburgh.

Two molecules of ammonia are produced from one molecule of nitrogen gas. The reaction requires 16 molecules of ATP and a supply of electrons and protons (hydrogen ions) plus the enzyme nitrogenase. Nitrogenase consists of two proteins, an iron protein and a molybdenum-iron protein. The reaction occurs while N2 is bound to the nitogenase enzyme complex. The Fe protein is first reduced by electrons donated by ferredoxin. Then the reduced Fe protein binds ATP and reduces the molybdenum-iron protein, which donates electrons to N2, producing HN=NH. In two futher cycles of this process (each requiring electrons donated by ferredoxin) HN=NH is reduced to H2N-NH2, and this in turn is reduced to 2 NH3. Depending on the type of microorganism, the reduced ferredoxin which supplies electrons for this process in generated by photosynthesis, respiration or fermentation.

Filamentous cyanobacteria (Anabaena azollae) live inside cavities within the leaves of the ubiquitous water fern (Azolla filiculoides). The larger, oval cells are heterocysts (red arrow), the site of nitrogen-fixation where atmospheric nitrogen (N 2) is converted into ammonia (NH 3). Polar nodules are visible in some of the heterocysts. The water fern benefits from its bacterial partner by an "in house" supply of usable nitrogen. The cellular structure of these bacteria has changed very little in the past one billion years.

2. Nitrification: A prokaryotic skill in which the ammonia from nitrogen fixation is converted into nitrites (NO 2-) and nitrates (NO 3-).

3. Ammonification: A prokaryotic skill in which ammonia is formed from the decay of protein.

Although our atmosphere is almost 80% nitrogen gas (N 2), the element nitrogen is unavailable to plants in the inert gaseous state. Nitrogen fixation, nitrification, and ammonification make nitrogen available to autotrophic plants and ultimately to all members of the ecosystem. Symbiotic relationships such as the water fern (Azolla) are especially interesting because this little aquatic fern obtains a rich supply of nitrogen in the form of ammonia from the cyanobacteria (Anabaena) living within cavities in its leaves.

4. denitrificatie: A prokaryotic skill in which nitrites and nitrates are converted back into unusable, inert, nitrogen gas by bacteria in the soil and water. Luckily for plants and animals on the earth, natural nitrogen fixation exceeds denitrification. However, the serious problem today is that humans have greatly accelerated nitrogen fixation by the tremendous production of chemical fertilizers. These fertilizers eventually get into lakes and ponds resulting in excessive growth (blooms) of filamentous algae which form scummy masses on the water surface. Although algae produce oxygen through photosynthesis, the decay (oxidation) of these massive algal blooms actually depletes the oxygen supply in the water, resulting in massive fish kills and putrefaction of lakes and ponds. The biological term for this process is called eutrophication. Although eutrophication is a natural process it has been accelerated by humans to an alarming rate. It is even beginning to be noticeable in clear mountain lakes, such as Lake Tahoe, where the water is not quite as clear.

5. The three major types of archaebacteria are: (1) Methanogens (methane-producers) which are responsible for swamp gas (2) Extreme Thermophiles that live in hot springs and black smokers (heat vents) at the bottom of the ocean and (3) Extreme Halophiles (halobacteria) that live in saturated brine and salt crust.

6. The archaebacteria have some characteristics that are very different from the true bacteria (eubacteria) and cyanobacteria in the kingdom Monera. Lipids of archaebacterial cell membranes differ considerably from those of both prokaryotic and eukaryotic cells, as do the composition of their cell walls and the sequence of their ribosomal RNA subunits. In addition, recent studies have shown that archaebacterial RNA polymerases resemble the eukaryotic enzymes, not the eubacterial RNA polymerase. Some authorities hypothesize that eukaryotic organisms may have evolved from ancient archaebacteria (archae = ancient) rather than from the common and cosmopolitan eubacteria. The archaebacteria could have flourished more than 3 billion years ago under conditions previously thought to be uninhabitable to all known life forms. Although many conservative references place the archaebacteria in a separate division within the kingdom Monera, some authorities now recognize them as a new 6th kingdom--The kingdom Archaebacteria. [Some references state that the genes of archaebacteria are edited before they are translated into protein, a complex pathway known to occur in eukaryotic cells however, more scholarly references do not mention this DNA similarity with eukaryotic cells, so it will not be postulated here.]

The vacuoles of some members of the duckweed family (Lemnaceae) contain calcium oxalate crystals that are visible under 400x magnification. Crystals of calcium oxalate may be needle-like ( raphide crystals ) or many faceted like a glistening diamond ( druse crystals ). The raphide crystals in the plant body of Lemna species appear like minute microscopic needles. Needlelike raphide crystals are also found in members of the arum family (Araceae), including the common house plant called Dieffenbachia . The crystals may cause irritation and swelling of the tongue if you chew on the leaves of this plant. Comparative DNA studies have shown that arums are closely related to the duckweed family. For more information about this remarkable family of flowering plants, refer to the following link:


WHAT IS RESOLUTION?

The term ‘resolution’ has to be discriminated from ‘sensitivity’, ‘sampling’ and ‘precision’. Subsequently we will try to clarify the meaning of these terms.

One can have a very sensitive light microscopic system which makes it possible to see single virus particles or even single fluorescent molecules [ 6–9]. This only means we would have single molecule sensitivity, but the size of such a molecule in the image could, for example, still correspond to 0.5 µm in the sample coordinate system, which would be a relatively poor optical resolution.

Another common confusion is the difference between resolution and sampling, which relates to magnification. It is easy to magnify an image of the sample by optical means to any desired degree, however, the process of magnification does not increase the optical resolution at best it preserves it. When an image of the sample is detected by our eyes or for example a CCD camera, it gets ‘sampled’ into a discrete set of measured intensity values, one for each detector element (such as a photosensitive cell in the brain). These sampling points correspond to nominal positions in the coordinate system of the object under investigation, without a limit to their density. The magnification has to be adjusted such that the finest level of detail present in the image is still measured (sampled) by at least two such detector elements, but any denser sampling will not yield new information about the sample. For a detailed discussion on sampling in optical microscopy see [ 10, 11]. Magnification significantly beyond this limit is sometimes called ‘empty magnification’. When there is a noise attributable to the readout process of the detector (‘read noise’), such empty magnification should be avoided as it deteriorates the image quality.

In many cases there can be very specific questions in biology which are to be answered by microscopic imaging. Such questions could be: ‘What is the spatial distance between two specific genetic loci in the nucleus or between two molecules on the cell surface?’ To answer these questions, there is no need for a resolution in the order of this distance, but the error of localization (the reciprocal of the localization precision) needs to be below this expected distance. That means that the distance between the estimated and the true centre position of the object has to be below the distance between the two objects. Localization precision can be far higher than the optical resolution [ 12, 13] (e.g. the localization error of single molecules can be smaller than 10 nm on a system of 200 nm optical resolution), and we can use this even for relative position determination between multiple loci, as long as we are able to discriminate between the target genes (or other small structures) in our image. Such discrimination can be achieved by using multiple colours [ 14–16], differences in fluorescence lifetime [ 17], photo-bleaching [ 12, 18], the individuality of statistical blinking events [ 19] and photoactivation [ 8, 9]. The higher the resolution the better the localization precision, but how much better than the optical resolution depends strongly (with a square-root dependence) on the number of photons collected from each target. An impressive application of the localization idea was to observe the molecular steps of Myosin V [ 20, 21]. Another interesting application was to follow the kinetics of the receptor-mediated entry of NTF2 and transport of NTF2 and transportin 1, with and without transport substrate, into the nucleus [ 6]. The method of speckle microscopy [ 22] uses precise localization for the tracking of molecular clusters to reveal their temporal behaviour. Nanosizing [ 23] can be used to address the question of the size of biological particles of known shape.

Even when objects are not point-like structures, the position of features like straight edges (e.g. tubulin fibres) or planes (e.g. plasma membrane) can often be determined very precisely by microscopy methods. All of these methods are based on localization precision, which should not be confused with the term resolution as discussed subsequently.

When we talk about high resolution of an optical instrument in this article, we mean the ability to see a structure at a high level of detail. There are various ways to define the term resolution more precisely which are discussed in the two separate boxed sections.

Although, the definitions of resolution [FWHM (Full Width of the point spread function measured at Half its Maximum) see Figure 1, Rayleigh and Sparrow limit] mentioned in the boxed section ‘The PSF’ may be useful in some cases, we would like to use a different limit called the Abbe limit (see other boxed section) within this article, as this limit has a very direct relationship to which light rays are captured by the objective lens of the microscope.

The Point Spread Function (PSF). Two PSFs are shown, one for high numerical aperture (NA = 1.3 in grey) and one for NA = 0.3 (slightly transparent shades). As can be seen the low NA PSF is wide and has well-defined positions of zero intensity, leading to the definition of the Rayleigh limit. For this PSF also the definition of full width measured at half the maximum (FWHM) is shown. The high NA PSF (uniformly grey peak in the middle) is much finer, but does not have the rings of zero intensity. The colour version of this figure can be found in www.bfgp.oxfordjournals.org

The Point Spread Function (PSF). Two PSFs are shown, one for high numerical aperture (NA = 1.3 in grey) and one for NA = 0.3 (slightly transparent shades). As can be seen the low NA PSF is wide and has well-defined positions of zero intensity, leading to the definition of the Rayleigh limit. For this PSF also the definition of full width measured at half the maximum (FWHM) is shown. The high NA PSF (uniformly grey peak in the middle) is much finer, but does not have the rings of zero intensity. The colour version of this figure can be found in www.bfgp.oxfordjournals.org

It is interesting to note that the ability to precisely localize can be turned into a genuine ‘resolution’ when many closely spaced particles can be discriminated. From the precise localization of these particles a picture can be constructed by painting dots at each localized position. A method termed ‘Pointillism’ [ 19]. A very successful way of discriminating closely spaced molecules is using a repetitive cycle of faint photo-activation followed by bleaching of the activated molecules [ 8, 9]. In every cycle only very few molecules get activated, so the chance of PSF overlap is small, and the localization thus very precise. In fixed samples it was possible to reconstruct impressive images of cryo-prepared thin section from a COS-7 cell expressing CD63 (lysosomal transmembrane protein) tagged with Kaede and dEosFP-tagged cytochrome-C oxidase import sequence in mitochondria of COS-7 cells down to a resolution of about 20 nm [ 8]. Currently a problem is the rather long imaging time well above an hour for a single slice image, but further development should obviate this.


High pressure treated Bacillus subtilis spores — Structural analysis by means of synchrotron and laboratory based soft X-ray microscopy

Measurements were carried out on high pressure treated (HPT) bacterial endospores of the Bacillus subtilis strain PS832 by means of laboratory (LTXM) and synchrotron based transmission soft X-ray microscopy (SynchTXM). Using LTXM at 500 eV HPT spores could be identified by a higher transparency, due to dipicolinic acid (DPA) release from the spore's core, and their shriveled appearance caused by air-drying.

Dormant spores were investigated at different photon energies at SynchTXM. Inner structures were visualized and it was shown that at a photon energy of 280 eV the micrographs yielded bigger absorption differences, and thus better contrast between the core/coat and the peptidoglycan-rich cortex.

Tilt series of dormant and HPT spores were reconstructed. Virtual sections revealed the dormant spores' core, cortex and coat without the need to physically slice the sample. It was also possible to visualize the inside of the HPT spores, which proved to be void of DPA.

Industrial relevance

Isostatic high pressure processing (HPP) is often regarded as the major recent technological innovation in food preservation. However, this technology is only applied in large scale for pasteurization and not for sterilization, which is largely due to the unknown inactivation mechanisms of highly resistant bacterial endospores. The structural analysis of high pressure treated endospores by X-ray microscopy could be used to study the progress of spore germination and inactivation under pressure and may add to the information already gathered in previous studies such as (Reineke et al., 2013) to establish the high pressure thermal sterilization at industrial scale. This technology in combination with different extrinsic factors like chemical or thermal preservation may open up new possibilities for a multi-target spore inactivation strategy for food sterilization.


Abstract

Electron cryotomography (ECT) enables intact cells to be visualized in 3D in an essentially native state to 'macromolecular' ( ∼ 4 nm) resolution, revealing the basic architectures of complete nanomachines and their arrangements ter plaatse. Since its inception, ECT has advanced our understanding of many aspects of prokaryotic cell biology, from morphogenesis to subcellular compartmentalization and from metabolism to complex interspecies interactions. In this Review, we highlight how ECT has provided structural and mechanistic insights into the physiology of bacteria and archaea and discuss prospects for the future.


Achtergrond

Atomic Force Microscopy (AFM) has been extensively used to study biological samples. Researchers take advantage of its ability to image living samples to increase our fundamental knowledge (biophysical properties/biochemical behavior) on living cell surface properties, at the nano-scale.

Scope of review

AFM, in the imaging modes, can probe cells morphological modifications induced by drugs. In the force spectroscopy mode, it is possible to follow the nanomechanical properties of a cell and to probe the mechanical modifications induced by drugs. AFM can be used to map single molecule distribution at the cell surface. We will focus on a collection of results aiming at evaluating the nano-scale effects of drugs, by AFM. Studies on yeast, bacteria and mammal cells will illustrate our discussion. Especially, we will show how AFM can help in getting a better understanding of drug mechanism of action.

Major conclusions

This review demonstrates that AFM is a versatile tool, useful in pharmacology. In microbiology, it has been used to study the drugs fighting Candida albicans of Pseudomonas aeruginosa. The major conclusions are a better understanding of the microbes' cell wall and of the drugs mechanism of action. In cancerology, AFM has been used to explore the effects of cytotoxic drugs or as an innovative diagnostic technology. AFM has provided original results on cultured cells, cells extracted from patient and directly on patient biopsies.

General significance

This review enhances the interest of AFM technologies for pharmacology. The applications reviewed range from microbiology to cancerology.


Probing low-copy-number proteins in single living cells using single-cell plasmonic immunosandwich assays

Cellular heterogeneity is pervasive and of paramount importance in biology. Single-cell analysis techniques are indispensable for understanding the heterogeneity and functions of cells. Low-copy-number proteins (fewer than 1,000 molecules per cell) perform multiple crucial functions such as gene expression, cellular metabolism and cell signaling. The expression level of low-copy-number proteins of individual cells provides key information for the in-depth understanding of biological processes and diseases. However, the quantitative analysis of low-copy-number proteins in a single cell still remains challenging. To overcome this, we developed an approach called single-cell plasmonic immunosandwich assay (scPISA) for the quantitative measurement of low-copy-number proteins in single living cells. scPISA combines in vivo microextraction for specific enrichment of target proteins from cells and a state-of-the-art technique called plasmon-enhanced Raman scattering for ultrasensitive detection of low-copy-number proteins. Plasmon-enhanced Raman scattering detection relies on the plasmonic coupling effect (hot-spot) between silver-based plasmonic nanotags and a gold-based extraction microprobe, which dramatically enhances the signal intensity of the surface-enhanced Raman scattering of the nanotags and thereby enables sensitivity at the single-molecule level. scPISA is a straightforward and minimally invasive technique, taking only

6–15 min (from in vivo extraction to Raman spectrum readout). It is generally applicable to all freely floating intracellular proteins provided that appropriate antibodies or alternatives (for example, molecularly imprinted polymers or aptamers) are available. The entire protocol takes

4–7 d to complete, including material fabrication, single-cell manipulation, protein labeling, signal acquisition and data analysis.


Integrated supplementary information

Supplementary Fig. 1 How objective magnification affects the brightness of a CLSM image.

een, Schematic showing illumination and light collection for 40×/1.4 NA and 63×/1.4 NA objective lenses. The same objective is used for both illumination and collection in an epifluorescence geometry, but for clarity, the beampath has been unfolded. The incoming laser beam is focused to a small point in the specimen plane: the PSF. The shape of the PSF is determined by the NA of the objective. The intensity of the PSF depends on the size of the back aperture of the objective, which changes with the magnification of the lens. The incoming laser beam overfills the back aperture of the objective, with the result that the back aperture crops the outer rays of the laser beam, reducing the intensity of the incoming laser beam accordingly. For example, when switching from a 40×/1.4 NA objective to a 63×/1.4 NA objective, the aperture area is reduced by a factor of 40 2 /63 2 = 0.40. Hence, we would expect a CLSM image through the 63× objective to be

40% of the intensity compared to using the 40× objective, if the NA and quality of the lenses are identical. Does this mean that a 40×/1.4 NA objective is more sensitive than a 63×/1.4 NA objective because of the increased brightness through the 40× lens? No. The increased brightness for the 40× lens stems from the fact that more of the laser beam passes through the aperture and hits the sample: this change in intensity by means of a physical aperture is no more helpful than changing the laser power in the software. On the other hand, a higher NA is always helpful for confocal microscopy since the collection efficiency of the objective increases with the NA 2 independent of magnification. B, CLSM image of a mouse kidney slide labeled with Alexa Fluor 488-WGA (Molecular Probes Prepared Slide #3) taken with a 40×/1.4 NA objective. C, CLSM image of the same field of view as B, taken with a 63×/1.4 NA objective using the same imaging parameters as B. The mean intensity of the image is reduced by

36% in the 63× lens compared to the 40× lens. However, the power of the laser beam, which was measured using an oil immersion–compatible power meter (Thorlabs PM400 console with S170C sensor), was also reduced by 34%. This demonstrates that the dominant effect of changing magnification is to crop out a portion of the laser beam, for which one could easily compensate by increasing the laser power accordingly. The scale bar is 10 μm.

Supplementary Fig. 2 Focus drift.

Focus drift affects most microscope stands for 2–3 h after turning the microscope on, even when no incubators are used. A thin, fixed fluorescently labeled slide (Fluocells Prepared Slide #1, Molecular Probes) was placed on the stage of several confocal microscopes that had been turned off overnight (≥12 h). An optimized image was captured, and the focus position was recorded 10 min after turning power on to the instrument. For subsequent time points, the focus was adjusted manually so that the new image exactly matched the first image of the time series (the saturation LUT was helpful for evaluating when the images matched). There were no microscope incubators installed on these microscopes. een, Focus drift measured three times on the same Leica SP8 equipped with STED superresolution and a Super Galvo Z-stage demonstrates that the stand should be turned on 2–3 h before beginning confocal acquisition (particularly if STED is employed, as the acquisition times tend to be longer than regular confocal imaging). The Leica DMi8 microscope stand’s closed-loop focus feedback was enabled. B, Focus drift on a similar Leica SP8, both with and without the Super Galvo Z-stage, and both with and without the DMi8 closed-loop focus enabled. C, Focus drift on four other microscopes, demonstrating that the problem is not limited to any particular brand but is widespread.


Bekijk de video: Biologie practicum: Onderdelen van de microscoop (Januari- 2022).