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Welche Art von Mikroskop sollte verwendet werden, um biologische Strukturen (wie Sporen) mit einer Länge von etwa 5 µm zu betrachten?


Ich würde gerne Gattungen von Pilzen anhand der Form, Größe und Farbe der Sporen identifizieren können. Die Anforderungen sind also:

  • Muss in der Lage sein, ein 5-Mikrometer-Objekt mit angemessener Auflösung klar zu sehen
  • Muss farbecht sein
  • Muss die Messung eines Objekts mit angemessener Genauigkeit ermöglichen (500 Nanometer wären schön)
  • Sollte günstig sein ($100-$400) Daumen drücken
  • Bonus: Fotos machen können

Welche Art von Mikroskop benötige ich? Welche Vergrößerung/Auflösung? Gibt es eine gute Faustregel für die Größe des Objekts mit der Vergrößerung?

Wie finde und kaufe ich ein anständiges Mikroskop, nachdem ich meine Anforderungen definiert habe? Irgendwelche Tipps?

Blaues Licht ist ~450 nm, bedeutet das also, dass ich keine sehr gute Auflösung erhalte?

(Der Kontext halber: Ich habe absolut keine formale Erfahrung in Biologie, aber ich interessiere mich kürzlich für Mykologie und könnte mich irgendwann im Rahmen meines Studiums für einen Bachelor-Studiengang einschreiben.)


Ich denke, Sie haben eine gute Frage, aber wenn Sie die Probleme, die Sie damit aufwerfen, besser verstehen möchten, sollten Sie wirklich in Erwägung ziehen, diese Einführung in das optische Mikroskop zu lesen. Meiner Meinung nach brauchen Sie sich nicht die Mühe zu machen, ein grundständiges Studium an einer physischen Universität zu belegen. Als Einführung in die Biologie (was nicht wirklich notwendig ist, wenn Sie nur kleine Dinge in einem Mikroskop betrachten und verstehen möchten, was Sie sehen), möchten Sie vielleicht in Betracht ziehen, sich für diesen kostenlosen Kurs anzumelden, aber wenn Sie nur wollen zu tun ist, sich kleine Dinge anzusehen und ein grundlegendes Verständnis dessen zu haben, was Sie sehen. Ich denke, Sie müssen nur die Einführung lesen.

Wenn ich es wäre, würde ich zumindest einen Teil der Fibel lesen, bevor ich das Geld in ein Mikroskop investiert habe. Andernfalls machen Sie nur einen blinden Vertrauensvorschuss von jemandem (vielleicht voreingenommen) Vorschlag.


Ich stimme Kevin F zu, wenn ich du wäre, würde ich ein bisschen trainieren, bevor ich etwas kaufe oder es überhaupt probiere. Biologielehrer oder Mitarbeiter der Universität stellen dir in der Regel gerne ein Mikroskop zur Verfügung, um etwas zu testen, also frag einfach nach. Will man eine so hohe Auflösung, muss man viele Einstellungen vornehmen, gemeinhin als "Köhler Beleuchtung" bezeichnet, da man sonst kein schönes Bild bekommt.

Um Ihre Frage zu beantworten, können Sie Mikroskope in dieser Preisklasse für diese Auflösung im Grunde vergessen, geschweige denn die Möglichkeit, Fotos zu machen. Sie müssten mehr als 1000 US-Dollar ausgeben, um etwas Gutes zu bekommen. Das liegt wie in der Fotografie vor allem an den Objektiven. Ich habe nicht viel Erfahrung mit Pilzen, aber vielleicht möchten Sie ein Phasenkontrastmikroskop haben, um die Präparate richtig sehen zu können. Man kann Mikroskope kaufen die einen Anschluss für eine DSLR-Kamera haben, mit denen ich gute Erfahrungen gemacht habe.

Für ein 5 µm großes Objekt könnten Sie ein $60 imes$-Objektiv verwenden (das zusammen mit einem $10 imes$-Okular eine Vergrößerung von $600 imes$ ergibt) oder sogar ein $100 imes$-Objektiv, wenn Sie eine Auflösung wünschen Oberflächenstrukturen, aber keine Ahnung, ob letzteres bei deinen Exemplaren wirklich funktioniert, also müsstest du das vor dem Kauf testen.

Also: Zuerst ein bisschen formelles Training, wie von Kevin F vorgeschlagen. Dann probieren Sie es selbst aus, ohne es zu kaufen, und probieren Sie es mit Ihren eigenen Exemplaren! Dann Geld sparen und kaufen. :-)


Blattstruktur unter dem Mikroskop

Wie jedes andere vielzellige Lebewesen besteht die Blattstruktur aus Zellschichten. Das Betrachten des Blattes unter dem Mikroskop zeigt verschiedene Arten von Zellen, die verschiedene Funktionen erfüllen. Mit einem Mikroskop ist es möglich, diese Zellen und ihre Anordnung (Epidermiszellen, Schwammzellen usw.) zu betrachten und zu identifizieren. Dazu ist ein zusammengesetztes Mikroskop erforderlich, da es eine höhere Vergrößerung ermöglicht.

Während ein zusammengesetztes Mikroskop ideal ist, um die innere Blattstruktur zu betrachten, wäre ein Stereomikroskop das ideale Werkzeug, um die äußere Struktur eines Blattes (Ader, Lamina usw.) zu beobachten.


Mikroskop-Vergrößerung

Bei Verwendung eines Hochleistungsmikroskops (auch als zusammengesetztes Mikroskop bekannt) ist es am besten, mit der niedrigsten Vergrößerung zu beginnen, Ihre Probe scharf zu stellen und dann nacheinander zu den höheren Vergrößerungen zu wechseln. Dies ist der einfachste Weg, um sicherzustellen, dass Sie Ihr Objekt schnell scharfstellen können. Bei 400-facher Vergrößerung können Sie Bakterien, Blutkörperchen und Protozoen schwimmen sehen. Bei 1000-facher Vergrößerung können Sie dieselben Elemente sehen, aber Sie können sie noch näher sehen. Unten finden Sie eine Liste Ihres Sichtfelds bei verschiedenen Vergrößerungen. Das Sichtfeld gibt an, wie viel von Ihrer Probe oder Ihrem Objekt Sie durch das Mikroskop sehen können.

  • Bei 40-facher Vergrößerung können Sie 5 mm sehen.
  • Bei 100-facher Vergrößerung sehen Sie 2 mm.
  • Bei 400-facher Vergrößerung können Sie 0,45 mm oder 450 Mikrometer sehen.
  • Bei 1000-facher Vergrößerung können Sie 0,180 mm oder 180 Mikrometer sehen.

Was können Sie unter einem Mikroskop mit geringer Leistung sehen?


Sichtfeld

7-fache Vergrößerung


Sichtfeld

10-fache Vergrößerung


Sichtfeld

20-fache Vergrößerung


Sichtfeld

30-fache Vergrößerung


Sichtfeld

40-fache Vergrößerung

Sichtfeld

45-fache Vergrößerung

Die oben gezeigten Münzbilder wurden mit dem Stereozoom-Mikroskop FZ6 und einer DCM3.2-Mikroskopkamera mit 3 Megapixeln aufgenommen.


Welche Art von Mikroskop sollte verwendet werden, um biologische Strukturen (z. B. Sporen) mit einer Länge von etwa 5 µm zu betrachten? - Biologie

1. Zellen aus einer Zwiebelschale

1. Die Zellen einer Zwiebelschale haben im Allgemeinen eine rechteckige Form und eine Größe von 0,25 bis 0,4 Millimeter Länge (250-400 Mikrometer). Ein Millimeter wird mit mm und ein Mikrometer mit dem griechischen Buchstaben mu (12. Buchstabe des griechischen Alphabets) gefolgt von einem m abgekürzt:

Links: Mikroskopische Ansicht einer Zwiebelschale mit mehreren rechteckigen Zellen mit jeweils einem kleinen, kugelförmigen Kern (roter Pfeil). Der Objektträger wurde mit einem Tropfen gelblich-braunem Grammjod gefärbt. Rechts: Stark vergrößerte Ansicht einer Zelle aus der meristematischen Wurzelspitze einer Zwiebel mit vergrößertem Kern mit 16 Chromosomen. Die Zelle befindet sich in der Prophase der Mitose mit unterschiedlichen Chromosomen (Chromosom-Dubletts) und einer zerfallenden Kernmembran.

2. Durchmesser des Sichtfeldes

Verbundmikroskop mit 10x Okular (Okular) und vier Objektiven (4x, 10x, 40x und 100x). [Ein Objektiv ist nicht zu sehen.] Um die Vergrößerung zu berechnen, multiplizieren Sie einfach die Okularlinse (10x) mit der Objektivlinse. Mit diesem Mikroskop können Sie vier verschiedene Vergrößerungen erzielen: 40x, 100x, 400x und 1000x.

Das Sehfeld bei Verwendung des 10-fach-Objektivs (100-fache Gesamtvergrößerung) beträgt 2 mm. Wenn sich 8 Pflanzenzellen über das Sichtfeld (2 mm) erstrecken, ist jede Zelle 2/8 oder 0,25 mm lang. Denken Sie daran, dass sich der Durchmesser des Sehfelds je nach Stärke des Objektivs gemäß der folgenden Tabelle ändert:

Die ursprünglichen Durchmesser des Sehfeldes (fov) wurden mit einem transparenten mm-Lineal bestimmt. Dies ist, als ob Sie die Länge Ihrer Fingernägel mit einem Meterstab messen. Die Werte in Klammern sind genauer. Sie wurden unter Verwendung eines B&L-Tischmikrometers bestimmt.

Wenn Sie den Durchmesser des Sichtfelds bei einer Vergrößerung kennen, können Sie den Durchmesser des Sichtfelds bei einer anderen Vergrößerung mit der folgenden Formel bestimmen:

Durchmesser von fob#2 = Durchmesser von fov#1 x Vergrößerung#1 geteilt durch Vergrößerung#2

Wenn Sie beispielsweise den Durchmesser des Sichtfelds bei 100-facher Vergrößerung kennen, ist der Durchmesser des Sichtfelds
bei 1000-facher Vergrößerung = 1,78 mm x 100 geteilt durch 1000 = 0,178 mm oder 178 Mikrometer.

Tischmikrometer bei 1000-facher Vergrößerung mit Olympus Compound Microscope. Der Durchmesser des Sichtfeldes (fov) beträgt 0,184 Millimeter (184 Mikrometer). Dies entspricht einem Sichtfeld von 0,46 Millimeter bei 400-facher Vergrößerung.

3. Waynes Wort Relative Größe von Zellen und Viren 1

Durchmesser eines einzelnen Mimivirus

Mit Ausnahme einiger Bakteriophagen fallen Viren in zwei morphologische Hauptgruppen, solche mit kubischer Symmetrie und solche mit helixförmiger Symmetrie. Bis 1960 waren die einzigen bekannten Beispiele für Viren mit Helixsymmetrie die von Pflanzenviren. Das am besten untersuchte Beispiel ist das Tabakmosaikvirus. Das Kapsid bezeichnet die Proteinhülle, die die Nukleinsäure umschließt. Es besteht aus zahlreichen sich wiederholenden Struktureinheiten. "Lineare" virale Kapside haben RNA-Genome, die in einer Helix aus identischen Proteinuntereinheiten eingeschlossen sind. Die Länge des helikalen viralen Nukleokapsids wird durch die Länge der Nukleinsäure bestimmt.

Kubische Viren haben die allgemeine molekulare Symmetrie eines Ikosaeders. Obwohl die meisten Viren unter einem gewöhnlichen Lichtmikroskop nicht sichtbar sind, erscheint Mimivirus unter einem zusammengesetzten Mikroskop mit einem Ölimmersionsobjektiv (1000-fache Vergrößerung) wie ein winziges kugelförmiges Objekt. Ein Ikosaeder hat 20 identische gleichseitige Dreiecke (Facetten), die jeweils in gleichseitige dreieckige Facetten unterteilt sind. Im Internet sind elektronenmikroskopische Aufnahmen des Mimivirus verfügbar. Suchen Sie einfach mit einer der hervorragenden Suchmaschinen wie google.com nach Mimivirus.

Das Genom des Mimivirus enthält 1,2 Millionen Basen, mehr als viele Bakterien. Die Basen bestehen aus 1.260 Genen und sind damit so komplex wie manche Bakterien. Die meisten Viren verwenden entweder DNA oder RNA, um ihre genetische Information zu tragen, aber Mimivirus enthält beide dieser Nukleinsäuren. Darüber hinaus kann das Mimivirus etwa 150 eigene Proteine ​​herstellen und sogar seine eigene DNA reparieren, wenn sie beschädigt wird. Normale Viren sind weder zur Proteinsynthese noch zur DNA-Reparatur in der Lage, sie sind für diese Aktivitäten auf die Organellen ihrer Wirtszellen angewiesen. Ob mimivirus in eine bestehende Domäne (Superkönigreich) oder in eine eigene Domäne gestellt werden sollte, bleibt abzuwarten. Für weitere Informationen siehe D. Raoult et al. "Die 1,2-Mb-Genomsequenz des Mimivirus." Wissenschaft Online veröffentlicht, DOI: 10.1126/Science.1101485 (2004) B. La Scola et al. "Ein Riesenvirus in Amöben." Wissenschaft 299 (5615): 2033 (2003).

Einige Wissenschaftler haben spekuliert, dass die Evolution eukaryontischer Zellen die Verschmelzung von zwei oder mehr Genomen beinhaltete, ein Phänomen, das als Symbiogenese bezeichnet wird. Eukaryotische Zellen sind durch das Vorhandensein von membrangebundenen Organellen gekennzeichnet, einschließlich Chloroplasten, Mitochondrien und Zellkernen. Der Ursprung einer komplexen Zelle fasziniert Wissenschaftler seit Jahrzehnten und ist ein heftig diskutiertes Thema zwischen Evolutionisten und Kreationisten. Nach der Endosymbionten-Hypothese können Bakterien die Vorläufer von Zellorganellen wie Chloroplasten und Mitochondrien sein. Ein primitiver Kern (Protonukleus) kann sich aus einem intrazellulären Virus entwickelt haben, eine Schwäche dieser Hypothese besteht jedoch darin, dass Viren im Allgemeinen einige der Schlüsselgene fehlen, die in Eukaryoten vorkommen. Das komplexe Genom des Mimivirus umfasst diese Gene und unterstützt die Evolution eines Protonukleus aus einem Virus.

Typische Viren werden nicht in die drei Hauptbereiche des Lebens eingeordnet. Sie sind viel kleiner und weniger komplex als Zellen. Sie sind makromolekulare Einheiten, die aus DNA oder RNA bestehen, die von einer äußeren Proteinhülle umgeben sind. Sie besitzen keine membrangebundenen Organellen, keine Ribosomen (Organelle der Proteinsynthese), kein Zytoplasma (lebender Zellinhalt) und keine eigene Energiequelle. Sie zeigen keine Autopoiesis, d.h. sie haben nicht die selbsterhaltenden Stoffwechselreaktionen lebender Systeme. Viren fehlt es an Zellatmung, ATP-Produktion, Gasaustausch usw. Sie vermehren sich jedoch, aber auf Kosten der Wirtszelle. Wie obligate Parasiten können sie sich nur in lebenden Zellen vermehren. In gewisser Weise entführen Viren die Wirtszelle und zwingen sie, durch DNA-Replikation und Proteinsynthese mehr Viren zu produzieren. Außerhalb ihrer Wirtszellen können Viren als winzige makromolekulare Partikel überleben. Viren können Tiere und Pflanzen befallen. Infektiöse menschliche Viren können durch die Luft (luftgetragene Viren) oder Körperflüssigkeiten (HIV-Virus) verbreitet werden. Epidemische Viren (wie HIV), die durch sexuelle Konjugation von Mensch zu Mensch übertragen werden, sind Computerviren bemerkenswert ähnlich. Leider gibt es beim Menschen kein residentes Antivirenprogramm, das Sie vor einer möglichen Infektion warnt oder Ihren Körper schnell scannt und den Eindringling löscht, sobald er in Ihr System eingedrungen ist. Der Mensch muss sich auf seine erstaunlichen Antikörper- und zellvermittelten Immunantworten verlassen, einige der komplexesten und bemerkenswertesten Errungenschaften in der Evolution lebender Systeme.

Der Name "Coronavirus" leitet sich vom lateinischen Corona ab, was Krone oder Heiligenschein bedeutet. Der Name bezieht sich auf das charakteristische Erscheinungsbild von Virionen (der infektiösen Form des Virus außerhalb einer Wirtszelle) durch Elektronenmikroskopie, die einen Rand großer, bauchiger Oberflächenvorsprünge aufweisen, die ein Bild erzeugen, das an eine Krone oder Sonnenkorona erinnert. In dieser Illustration eines Coronavirus-Virions erzeugen die rot gefärbten keulenförmigen viralen Spike-Peplomere bei Betrachtung mit dem Elektronenmikroskop das Aussehen einer das Virion umgebenden Korona. Für Beschäftigte im Gesundheitswesen, die mit Coronavirus-Patienten in Kontakt stehen, empfiehlt die CDC eine speziellere Art von Gesichtsmaske namens N95 – eine, die individuell an das Gesicht einer Person angepasst wird, um eine Abdichtung zu schaffen und 95 Prozent der Partikel mit einer Mindestgröße von 0,3 herausfiltert Mikrometer im Durchmesser. Dies ist der Durchmesser eines Coronavirus-Virions. [Ein Mikron (Mikrometer) ist 1/1000stel Millimeter oder 0,001 mm]

2. Dies ist die Breite einer ovalen (elliptischen) Spore. Sporen dieser Größe können leicht aus einem gefalteten (geschlossenen) Papierumschlag, der nicht luftdicht ist, entweichen. Milzbrand ( Bacillus anthracis ) ist einer der Mikroorganismen, die in der biologischen Kriegsführung verwendet werden, da Stämme entwickelt wurden, die durch die Haut und durch Einatmen extrem infektiös sind. Außerdem bildet es sehr resistente Sporen, die lange überleben können. Ungefähr ein Teelöffel oder zwei Gramm Milzbrand können bis zu 20 Milliarden Sporen enthalten. Bei einer durchschnittlichen Infektionsrate von 10.000 Sporen pro Person sind dies theoretisch genug Sporen, um 2 Millionen Menschen mit Lungenmilzbrand zu infizieren.

Links: Stark vergrößerte Ansicht (2000x) von menschlichem Eiter mit weißen Blutkörperchen (genannt Neutrophile) mit tief gelappten violetten Kernen. Die winzigen gepaarten Punkte (roter Pfeil) sind Diplococcus gonorrhoeae-Bakterien (Neisseria gonorrhoeae). Jeder Punkt (Coccus-Bakterium) hat nur einen Durchmesser von etwa 0,5 Mikrometer. Einige der Neutrophilen haben die Bakterien durch Phagozytose aufgenommen. Rechts: Eine Kultur von stäbchenförmigen Milzbrandbakterien ( Bacillus anthracis ). Einige der Bakterien haben sich durch Spaltung geteilt (roter Pfeil). [Beide Bilder stammen von alten (ca. 1960) vorbereiteten Objektträgern, die mit Adobe PhotoShop von W.P. Armstrong.]

3. Ein menschlicher Kern enthält 46 Chromosomen (Einzelchromosomen während der Interphase). Diese 46 Chromosomen umfassen etwa 6 Fuß DNA (2 Meter). Früher dachte man, dass diese DNA-Menge etwa 100.000 funktionelle Gene enthält, aber diese Zahl wurde jetzt auf etwa 30.000 Gene (ein Prozent der gesamten DNA im Zellkern) reduziert. In Bezug auf die Informationsspeicherung entspricht die genetische Information in einer Zelle ungefähr 500 gedruckten Bänden der Encyclopedia Brittanica (12 Zeichen pro Zoll).

4. Reife Spermien (Spermatozoen) bestehen aus drei verschiedenen Teilen: einem Kopf, einem Mittelstück (Mittelstück) und einem Schwanz (Flagellum). Mittelstück und Schwanz enthalten Mikrotubuli im charakteristischen 9+2-Muster von Flimmerhärchen und Geißeln (siehe Abbildung Tierzelle). Im Mittelstück sind Mitochondrien um die Mikrotubuli gepackt und liefern die Energie für die Bewegung. Die Reise eines einzelnen Spermiums im weiblichen Fortpflanzungstrakt ist analog zu einem Lachs, der zehn Meilen stromaufwärts schwimmt, um zu laichen. Der Kopf enthält einen Kern, der von einer äußeren Kappe bedeckt ist, die als Akrosom bezeichnet wird und Enzyme speichert, die benötigt werden, um die Zell- und Glykoproteinschichten um das Ei herum zu durchdringen.

Die chirurgische Sterilisation eines Mannes wird als Vasektomie bezeichnet. Jeder der beiden Samenleiter (Samenwege) des linken und rechten Hodens wird durchtrennt und an zwei Stellen zusammengebunden und der Teil zwischen den Bindungen entfernt. Nach einer Vasektomie können bis zu einem Monat Spermienreste im Samenleiter vorhanden sein, daher werden regelmäßige mikroskopische Untersuchungen empfohlen, bis keine Spermien mehr in der Samenprobe sichtbar sind.

Mikroskopaufnahme von menschlichen Spermien im Samen (1000x). Die Abbildungsbeilage zeigt das Akrosom, den Kopf und das Mittelstück eines menschlichen Spermatozoen.

5. Ein Baseball-großer Puffball (Calvatia gigantea) in San Diego County, Kalifornien. Das Innere ist mit einer dunklen Sporenmasse gefüllt, die mit fadenförmigen Hyphen (Capillitium) vermischt ist. Die Nahansicht der Sporen (rechts) wurde mit 1000x aufgenommen. Jede kugelförmige Spore hat einen Durchmesser von etwa 1/200 mm (5 µm), etwas kleiner als ein menschliches rotes Blutkörperchen (7,5 µm). Je nach Art reichen Puffballs von einem Baseball bis hin zu einem Basketball. Wenn sie reif sind, gibt der Puffball Millionen von Sporen in einer schwarzen Staubwolke in die Luft ab. Dies kann leicht nachgewiesen werden, wenn Sie versehentlich einen treten. Laut David Arora (Mushrooms Demystified, 1986) kann ein großer Puffball 7 Billionen Sporen enthalten. In einer Reihe aufgereiht würde sich diese Anzahl von Sporen um den Äquator der Erde erstrecken. Wenn jede Spore einen Puffball von der Größe eines Basketballs produzieren würde, würden sich die resultierenden Puffballs von der Erde zur Sonne und zurück erstrecken!

6. Flechten sind eine Symbiose zwischen Algen und Pilzen. Der Hauptkörper einer Flechte besteht aus Pilzgewebe (normalerweise Klasse Ascomycota) mit photosynthetischen Algenzellen (normalerweise Division Chlorophyta), die in diese Pilzmasse (Myzel) eingebettet sind. Die Sporen werden von der Pilzkomponente oder Mykobionten produziert, normalerweise in einem becherförmigen Körper, der als Ascocarp bezeichnet wird. Flechtensporen können bei Acarospora chlorophana 1-2 Mikrometer oder bei Diploschistes scruposus bis zu 40 Mikrometer lang sein (links). Die Größe, Farbe und Form der Sporen sind nützliche Merkmale bei der Trennung verschiedener Flechtenarten. Sporen bis zu 40 Mikrometer oder länger gelten als groß.

7. Die Breite (Durchmesser) eines menschlichen Haares reicht von sehr fein (0,017 mm) bis sehr grob (0,181 mm). Das rechte Bild zeigt ein feines menschliches Haar bei 1.000-facher Vergrößerung. Die Haarbreite beträgt 0,070 mm oder 70 Mikrometer. Mit bloßem Auge ist der einzelne Haarschaft sichtbar, wenn er auf ein weißes Blatt Papier gelegt wird.

A. Zwei feine menschliche Haare werden 70 Mikrometer voneinander entfernt platziert. Jedes Haar ist ungefähr 70 Mikrometer breit (Durchmesser). Mit 20-20 Sehkraft sollten Sie in der Lage sein, die beiden Haare in der richtigen Brennweite zu unterscheiden. B. Wenn sie näher beieinander platziert werden (etwa 15 Mikrometer voneinander entfernt), scheinen die beiden Haare miteinander zu verschmelzen und können mit bloßem Auge nicht unterschieden werden. Zur Unterscheidung der beiden Haare ist eine Handlinse oder eine Lupe erforderlich. Obwohl die Haare auf einem weißen Hintergrund zu sehen sind, können sie nicht aufgelöst werden, wenn sie nahe beieinander platziert werden. Die Mindestauflösung für einen Computermonitor beträgt 72 Punkte pro Quadratzoll (dpi), ansonsten wird das Bild verpixelt. Gedruckte Fotos bestehen ebenfalls aus Punktmustern. Oberhalb von 150 dpi vermischen sich die Punkte im Allgemeinen und können nicht aufgelöst werden. Unter einer Handlinse oder einem Mikroskop können die Punkte leicht beobachtet werden.

„Der Durchmesser der Zapfenzellen nimmt zum Zentrum der Fovea hin zunehmend ab [wo die Sehschärfe am höchsten ist.] Im dicht gepackten Bereich dieses Zentrums der Sehschärfe beträgt der durchschnittliche Mittenabstand zwischen den Zapfenzellen eins und a halbe bis zwei Mikrometer. Wenn das Beugungsmuster eines Floaters auf einen Fleck der zentralen Fovea fällt, beleuchtet es einige der Kegel im Mosaik und lässt andere dunkel. Der Abstand von vier Mikrometern zwischen den äußeren Ringen des Musters wird aufgelöst durch die Fovea ungefähr gleich zwei Kegelbreiten ist. Es scheint, dass zwei Linien in einem Muster zwei Kegelbreiten voneinander entfernt sein müssen, um als getrennt betrachtet zu werden. Diese anatomische Anforderung würde die Auflösung, zu der das Auge fähig ist, speziell einschränken. "

9. Bestimmte epiphytische Orchideen des tropischen Regenwaldes produzieren die kleinsten Samen der Welt, die nur eine 35 Millionstel Unze (1/35.000.000) oder 0,81 Mikrogramm wiegen. Einige Samen sind nur etwa 1/300 Zoll lang (85 Mikrometer). Eine Samenkapsel einer einzelnen Blüte kann bis zu vier Millionen Samen enthalten. Sie werden wie winzige Staubpartikel oder einzellige Sporen in der Luft verteilt und kommen schließlich im oberen Blätterdach der Regenwaldbäume zur Ruhe.

10. Diese winzige einsamige Frucht ist ungefähr 1/100 Zoll lang und wiegt ungefähr 70 Mikrogramm oder 1/400.000 Unze. Vergleichen Sie diese winzige Frucht mit dem massivsten Kürbis, der über 1000 Pfund (über 450.000 Gramm) wiegt.

11. Der Pflanzenkörper der australischen Art Wolffia angusta ist nur 0,6 mm lang. Es wiegt etwa 150 Mikrogramm oder 1/190.000 Unze. Dies ist die kleinste blühende Pflanze der Welt, die in ihrer Kleinheit von der asiatischen Art W. globosa konkurriert wird.

12. Der australische Baum (Eucalyptus regnans) ist die höchste blühende Pflanze der Welt. Einige der größten Bäume sind über 300 Fuß hoch und konkurrieren in der Größe mit dem kalifornischen Küstenmammutbaum ( Sequoia sempervirens ).

13. Der Planet Erde hat einen Durchmesser von ungefähr 8.000 Meilen (13.000 Kilometer) oder 13 Milliarden (13.000.000.000) Millimeter. Es hat ein Volumen von etwa einer Milliarde (1 × 10 30 ) Kubikmillimeter. Dieses erstaunliche Volumen entspricht ungefähr dem Volumen von einer Million Wolffia-Pflanzen, die nach 4 Monaten asexueller Knospung zusammengepackt sind!

Wenn ein Wassermolekül durch 10 0 repräsentiert wird, dann ist eine Wolffia-Pflanze etwa 10 20 Potenzen größer als das Wassermolekül. Die Erde ist etwa 10 20 Power größer als eine Wolffia-Pflanze oder 10 40 Power größer als das Wassermolekül.

14. Eine Haarfollikelmilbe ( Demodex brevus ) in deiner Nase!

H Luftfollikelmilben der Gattung Demodex gehören zu den kleinsten vielzelligen Tieren. Sie wurden erstmals 1841 beim Menschen von Frederick Henle beschrieben, der über diesen winzigen Parasiten aus "Miliardrüsen" des Gehörgangs berichtete. Er war sich über die taxonomische Stellung des Parasiten im Tierreich unsicher. [Henle ist auch für die Henle-Schleife im Wirbeltier-Nephron bekannt.] Ein anderer Wissenschaftler aus dieser Zeit namens Berger (1845) hielt ihn für ein Mitglied des Stammes Tardigrada. Bärtierchen sind winzige Tiere, die oft auf Flechten und Moosen zu finden sind. Nach Desch und Nutting (The Journal of Parasitology 58 (1): 169-177, 1972) gibt es beim Menschen zwei Arten von Follikelmilben. Demodex folliculorum misst 0,3 bis 0,4 mm in der Länge und besetzt typischerweise Haarfollikel. Sie wird auch als "Wimpernmilbe" bezeichnet, da sie häufig in Follikeln an der Basis der Wimpern auftritt. Demodex brevis ist etwa halb so groß (0,15 bis 0,2 mm) und lebt typischerweise in Talgdrüsen neben den Haarfollikeln. Letztere Milbe ist nur etwa so groß wie ein einzelliges Paramecium und scheint die Art zu sein, die ich in meiner Nase gefunden habe. Abbildung (links) modifiziert von T. Ross und Fotografien der Rückenseite von D. brevus von W.P. Armstrong.

15. Der Blauwal (Balaenoptera musculus) ist das größte Tier, das es je auf der Erde gegeben hat. Mit einer Länge von 30 Metern und einem Gewicht von fast 200 Tonnen ist er größer als die größten pflanzenfressenden Dinosaurier. Fossile Beweise aus Patagonien zeigen, dass 70 Tonnen schwere Titanosaurier die größten Tiere waren, die jemals an Land gegangen sind.

16. Der kalifornische Küstenmammutbaum ( Sequoia sempervirens ) ist mit 116 m der höchste dokumentierte lebende Baum.

17. Durchmesser der Maisseide (Zea mays), durch die jede Pollenröhre wandert.

Der weibliche Blütenstand des modernen Maises ( Zea mays ) zeigt zahlreiche rote, fadenförmige Griffel (gemeinsam als Seide bezeichnet) und die grüne, blattartige Schale, die zahlreiche Fruchtknoten weiblicher Blüten umschließt, die sich zu den Körnern entwickeln. Ein Pollenschlauch muss durch jede Seide (Stil) wandern, um jedes Korn zu befruchten.

4. Vogeleier: Die größten Zellen der Welt nach Volumen

Das typische Vogelei enthält ein vergrößertes Eigelb, das von einer proteinreichen Begleitflüssigkeit umgeben ist, die als Eiweiß oder Eiweiß bezeichnet wird. Das Eigelb ist im Wesentlichen die vergrößerte Eizelle oder Eizelle. Während diese Zelle eine Mitose durchmacht, werden die Tochterzellen immer kleiner, bis sie für das bloße Auge unsichtbar sind. Eierlegende (eierlegende) Vögel haben große Eigelbe, die reich an Proteinen und Lipiden sind, um den Embryo zu erhalten. Das sich entwickelnde Küken erhält Luft durch winzige Poren in der Eierschale aus Kalziumkarbonat. Poren in der Schale werden durch Kollagen verstopft, sind aber noch luftdurchlässig. Hühnereierschalen können je nach Rasse (Sorte) braun oder weiß sein. Zum Beispiel legen die Sorten Rhode Island Red, New Hampshire und Plymouth Rock braune Eier. Die meisten auf Ihrem lokalen Markt gekauften Eier sind unbefruchtet (haploid). Fruchtbare (diploide) Eier werden von Hennen gelegt, die regelmäßig einem Hahn ausgesetzt sind. Das Eigelb enthält ein rötlich-gelbes Carotinoid-Pigment (Astaxanthin), das seine helle Farbe erzeugt. Tatsächlich wird Hühnern auf der ganzen Welt Astaxanthin in ihrer Nahrung zugeführt, um die Dotterfarbe zu intensivieren.

Ein riesiger Vogel, der bis 900 n. Chr. im Süden Madagaskars lebte, produzierte das größte Ei aller Tiere. Bekannt als Elefantenvogel (Aepyornis maximus), ist er ein ausgestorbenes Mitglied der Rattae, einer Gruppe flugunfähiger Vögel, zu der Strauß, Emu, Kasuar, Kiwi und Nandus sowie der ausgestorbene Moa von Neuseeland gehören. Ein riesiges Ei wog etwa 27 Pfund (13,6 kg) mit einem Volumen von 2,4 Gallonen (9 Liter). Dies entspricht in etwa 180 Hühnereiern oder 10.000 Kolibrieiern. Das Ei war viel größer als jedes bekannte Dinosaurier-Ei. Es wurde geschätzt, dass der Elefantenvogel drei Meter groß war und 450 kg wog. Ein im British Museum of Natural History aufbewahrtes Ei misst 33,7 Zoll (85,6 cm) um die Längsachse und hat einen Umfang von 28,5 Zoll (72,4 cm). Das Eigelb seines Eies war wahrscheinlich die größte Einzelzelle, die je existierte. Leider wurde das Aussterben dieses großartigen Vogels zweifellos durch die frühen Menschen beschleunigt, die in Madagaskar einfielen.

Das unbestritten größte heute noch existierende Vogelei der Erde wird von einem Strauß gelegt. Ein durchschnittliches Ei wiegt etwa 1,4 kg und entspricht ungefähr zwei Dutzend Hühnereiern. Es würde ungefähr 40 Minuten dauern, ein Straußenei hart zu kochen. Das Eigelb eines Straußenei ist die volumenmäßig größte Zelle, jedoch können Nervenzellen aus dem Rückenmark eines großen Hufsäugers fast 0,6 m lang sein.

Ein Eikasten eines Walhais (Rhincodon typus) mit den Maßen 30 cm x 14 cm x 9 cm wurde 1953 im Golf von Mexiko in einer Tiefe von 56,6 m² entdeckt ). Das Ei enthielt einen perfekten Embryo eines 35 cm langen Walhais. Dies wäre sicherlich der Rekord für das größte erhaltene Embryo enthaltende Ei, aber es wäre nicht die größte Einzelzelle, da es sich bereits in einen mehrzelligen Embryo geteilt hat.

Lebendgebärende Tiere mit Lebendgeburt und Embryonalentwicklung in der Gebärmutter der Mutter haben winzige Eier mit sehr kleinem Eigelb. Es ist kein großes, nährstoffreiches Eigelb erforderlich, da der Embryo Nährstoffe von der Mutter erhält. Die meisten Säugetiere sind lebendgebärend, mit Ausnahme des eierlegenden Entenschnabelschnabeltiers. Eine unbefruchtete menschliche Eizelle (Eizelle) hat ungefähr die Größe einer gedruckten Periode am Ende dieses Satzes. Nach der Befruchtung enthält es 46 Chromosomen und ca. 30.000 funktionelle Gene, die gesamte Erbinformation für einen kompletten menschlichen Organismus. In Bezug auf gedruckte Informationen, die ein lateinisches Alphabet mit 26 Buchstaben und 12 Zeichen pro Zoll verwenden, repräsentieren diese gespeicherten Informationen etwa 500 Bände der Encyclopedia Brittanica.

Das Straußenei ist die volumenmäßig größte Zelle der Welt. Der eigentliche Zellanteil ist das aufgeblasene Eigelb (Eiweiß) im Eiweiß (siehe Hühnerei im folgenden Foto).

Ein Hühnerei mit Eigelb und weißer Begleitflüssigkeit (Albumin). Das Eigelb ist im Wesentlichen die vergrößerte Eizelle oder Eizelle. Die gelbe Farbe wird durch Carotinoidpigmente (Astaxanthin) im Hühnerfutter verstärkt. Während diese Zelle eine Mitose durchmacht, werden die Tochterzellen immer kleiner, bis sie für das bloße Auge unsichtbar sind. Eierlegende (eierlegende) Vögel haben große Eigelbe, die reich an Proteinen und Lipiden sind, um den Embryo zu erhalten. Das pflegende Eiweiß ist zudem reich an Proteinen. Während der Embryonalentwicklung erhält das Küken Luft durch winzige Poren in der Eierschale aus Kalziumkarbonat. Poren in der Schale werden durch Kollagen verstopft, sind aber noch luftdurchlässig.

5. Salzkörner & metrisches System

Mikroskopische Ansicht von drei quaderförmigen Körnern gewöhnlichen Kochsalzes (Natriumchlorid oder NaCl). Alle drei Körner sind knapp über einen Millimeter lang (roter Balken). Die Körner von Speisesalz variieren leicht in der Größe, aber drei durchschnittliche Körner, die zusammen gestapelt sind, ergeben ungefähr einen mm. Wenn drei Körner einer Länge von einem Millimeter entsprechen, hat ein einzelnes Körnchen eine Seitenlänge von ungefähr 0,3 mm oder 0,03 cm. Wenn Sie die Dezimalstelle um eine Stelle nach links verschieben, werden Millimeter (mm) in Zentimeter (cm) umgewandelt.

Wie viel wiegt das Getreide?

Das Volumen eines einzelnen Korns in Kubikzentimetern beträgt (0,03) 3 = 0,00027 cm 3 .

Die Dichte von NaCl beträgt 2,165 Gramm pro Kubikzentimeter. Multiplizieren Sie die Dichte von NaCl mit dem Volumen eines einzelnen Korns, um das Gewicht des Korns zu erhalten:

2,165 g/cm 3 x 0,00027 cm 3 = 0,00058 g. Dieser Wert kann auf etwa 0,0006 g, das Gewicht eines Korns, abgerundet werden.

Obwohl es nicht genau ist (aufgrund der Variabilität der Körner), sind Größe und Gewicht eines Kochsalzkorns ein schöner Vergleich, wenn es um winzige Organismen oder Dosierungen geht. Zum Beispiel hat die einsamige Frucht von Wolffia angusta und W. globosa (kleinste Blütenpflanzen der Welt) ungefähr die Größe eines Kochsalzkorns:

Die winzigen einsamigen Früchte von Wolffia angusta verglichen mit Körnern von gewöhnlichem Speisesalz (NaCl). Die kubischen Salzkörner haben eine Seitenlänge von etwa 0,3 mm. Die Früchte von W. globosa sind ähnlich groß.

Einer der tödlichsten Samen der Erde ist die Rizinusbohne (Ricinus communis). Die Samen enthalten Ricin, eine sehr giftige Proteinverbindung, die als Lektin bekannt ist. Laut Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals (1997) ist eine Dosis Ricin mit einem Gewicht von nur 70 Mikrogramm oder zwei Millionstel Unzen (entspricht etwa dem Gewicht eines einzelnen Körnchens Kochsalz aus einem Salzstreuer) ) reicht aus, um eine 68 kg schwere Person zu töten. Die bunten Samen der Gebetsperle (Abrus precatorius) enthalten ein weiteres giftiges Lektin namens Abrin. Eine Dosis Abrin, die dem Gewicht von etwa 20 Körnern Kochsalz entspricht, könnte für einen erwachsenen Menschen mit einem Gewicht von 150 Pfund tödlich sein. Laut Merck-Index kann ein durchgekauter Samen der Gebetsperle (A. precatorius) tödliche Vergiftungen verursachen.

1978 wurde der bulgarische Dissident Georgi Markov in London ermordet, nachdem er von einem Regenschirm mit Rizinusspitze gestochen worden war. Ricin verursacht einen langsamen und schmerzhaften Tod durch Blutvergiftung und einen Zusammenbruch des Kreislaufsystems. Es gibt kein bekanntes Gegenmittel für eine Rizin-Vergiftung. 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. Diffusion: 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. Denitrifikation: 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.


Abstrakt

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 vor Ort. 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.


Hintergrund

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 oder 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.

ein, 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. ein, 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.


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