از کجا می دانیم ساختار سلول ها چگونه است؟

وقتی میکروسکوپ اختراع شد، دانشمندان ماجراجویی هایی علمی را در راه کشف دنیاهای کوچک آغاز کردند؛ ماجراجویی هایی که اوج آن در درک بشر از آجرهای سازنده بدن خودش نمود پیدا می کند.

در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها که ما را به دانش امروز رسانده است، آشنا شوید.

نخستین میکروسکوپ حدود سال 1590 و در شهر میدلبورگ هلند اختراع شد. آن سال ها، عصر طلایی عدسی ها بود که منجر به ساخت ابزارهای گوناگون با استفاده از آنها شد؛ از عینک طبی و ذره بین گرفته تا تلسکوپ و میکروسکوپ. بعضی دانشمندان از عدسی ها برای خیره شدن به ژرفای آسمان استفاده کردند؛ در حالی که بعضی دیگر آن را به سوی دنیای درون گرفتند و با استفاده از میکروسکوپ، به کاوش درباره دنیای سلول های بدن انسان مشغول شدند.

نخستین گام ها

طی دهه 1600، دانشمندان شروع به آزمایش انواع مختلف مواد زیر میکروسکوپ هایشان کردند. یکی از این افراد، رابرت هوک (Robert Hooke) انگلیسی بود که در سال 1661، به ماموریتی سلطنتی برای مطالعه حشرات گماشته شد. برای این کار، هوک میکروسکوپی جدید طراحی کرد و ساخت که با استفاده از سه عدسی خود، توان بزرگنمایی 50 برابری اجسام را داشت.

با مطالعه حشرات و مواد گوناگون، هوک ترسیم های فنی درخشانی برای کتاب Micrographia خود که در سال 1665 منتشر شد، تهیه کرد. این کتاب همچنین نقش مهم هوک را در زمینه زیست شناسی سلولی در خود داشت. وقتی هوک از پشت میکروسکوپش به ورقه نازکی از چوپ پنبه خیره شد، چیزی را مشاهده کرد که شبیه تعداد زیادی فضای خالی بود که با ساختارهایی دیوار مانند به هم پیوند خورده بودند. به یاد اتاق های کوچکی که راهبان صومعه ها در آن سکنی می گزیدند، هوک آنها را «سلول» (برگرفته از واژه ای لاتین به معنی «اتاقک») نامید.

راهنمایی: واحد پایه ای حیات هر چیز زنده ای از سلول ساخته شده است. سلول های انسانی حاوی مواد ژنتیکی ای هستند که از یک هسته و مجموعه ای از اندامک ها ساخته شده اند. محتوای سلول درون ماده ای آبکی موسوم به سیتوزول قرار دارد و همه اینها با غشاء سلولی احاطه شده اند.

بازرگان هلندی آنتونی فان لیوونهوک (Antonie van Leeuwenhoek) که به مطالعات میکروسکوپی هوک روی پارچه علاقه مند شده بود، اقدام به ساخت عدسی های خودش کرد و توانست با چنان مهارتی آنها را تراش دهد که می توانستند اجسام را تا 270 برابر بزرگ کنند. میکروسکوپ های او تنها از یک عدسی کروی ریز بهره می بردند، اما توانستند دسترسی بی سابقه ای به دنیای پنهان ریزمقیاس را برای او به ارمغان بیاورند.

سال 1675، فان لیوونهوک جانداری تک سلولی (که امروزه تک یاختگان نامیده می شوند) را در قطرات باران کشف کرد و در سال 1683 با مطالعه تکه های دندان شکسته خودش موفق به کشف باکتری ها شد؛ جانداران ریز متحرکی که او آنها را انیمالکیول (Animalcules) به معنای حیوانات کوچک نامید. سلول ها عموماً شفاف هستند که باعث می شود تمیز دادن محتوای آنها حتی با میکروسکوپ ها بهبود یافته کاری دشوار باشد. فان لیوونهوک نخستین کسی بود که از رنگ آمیزی سلولی استفاده کرد؛ او با اضافه کردن رنگ زعفران به سلول های ماهیچه ای تلاش کرد همجنسی (کنتراست) بین اجزای سازنده سلول را افزایش دهد.

امروزه هوک و فان لیوونهوک را در کنار هم، کاشفان سلول می دانند، شاهکاری که بدون میکروسکوپ های آنها امکان پذیر نبود.

زندگی درون

بشر موفق به کشف سلول شده بود، اما آنها چه بودند؟ در حقیقت، کشف نخستین جزء تشکیل دهنده سلول بود که درکی ژرف تر از نقش آنها را به ارمغان آورد و مشخص کرد چه چیز مشترکی بین سلول های مرده چوب پنبه ی هوک و سلول های زنده حیوانات کوچگ فان لیوونهوک وجود دارد. اگرچه افراد بی شمار دیگری باید متوجه آن شده باشند؛ اما گیاه شناس اسکاتلندی به نام رابرت براون بود که برای نخستین بار، هسته سلول را در گیاه ارکیده در سال 1831 نامگذاری و توصیف کرد. امروزه می دانیم هسته سلول محتوی کروموزوم های DNA است که از آنجا، ژن های ما دیگر بخش های سلول را کنترل می کنند.

سال 1837 بود که دانشمند آلمانی تئودور شوان (Theodor Schwann) مشغول صرف ناهار با دوست گیاه شناسش، ماتیاس شلایدن (Matthias Schleiden) بود که بحث به هسته سلول رسید؛ چیزی که تا آن زمان تنها در گیاهان مشاهده شده بود. مشاهده های شلایدن نشان می داد سلول های جدید گیاهی ظاهراً به نوعی از هسته های موجود زاده می شوند. شوان که به مطالعه سلول های جانوری مشغول بود، به یاد آورد ساختارهایی را مشاهده کرده است که ممکن است هسته سلول باشند. هیجان زده از نتیجه بحث، هر دو نفر به سوی آزمایشگاه شوان دویدند تا نگاهی به بافت بچه قورباغه های او بیندازند. هسته ها آنجا بودند؛ سلول های جانوری هم هسته داشتند. هر دو دانشمند نتایج یافته هایشان را منتشر کردند و شلایدن سلول ها را با عنوان «آجرهای سازنده حیات» توصیف کرد و شوان اظهار کرد: «همه موجودات زنده از سلول و محصولات سلولی ساخته شده اند.» شاید امروزه بدیهی به نظر برسد، اما «نظریه سلولی» در آن زمان نظریه ای انقلابی بود: همه حیات از جلبک ها گرفته تا فیل ها، از باکتری ها گرفته تا بگونیاها، همگی از سلول ساخته شده اند.

اندامک های داخلی

با بهبود میکروسکوپ ها، دهه های بعدی قرن نوزدهم میلادی زمان شکوفایی کشف اجزای سلول ها بودند و همچنین کمک کردند تفاوت های بین سلول های جانوران، گیاهان و باکتری ها شناخته شود. چیزی که هوک مشاهده و بر اساس آن واژه سلول را ابداع کرده بود، در اصل دیواره سلولی بود. بر خلاف گیاهان و بعضی باکتری ها، سلول های انسانی فاقد دیواره سلولی هستند و به جای آن، پوسته (غشاء) سلولی دارند؛ لایه ای که از لیپیدها (مولکول های چربی)، پروتئین ها و اجزاء دیگر ساخته شده است. اگرچه مشخص بود چیزی باید سلول های جانوری را احاطه کرده باشد، اما تا سال 1855 طول کشید تا دکتر رابرت ریماک توانست راهی برای سخت کردن پوسته پیدا و آن را به وضوح مشاهده کند.

70 درصد حجم سلول را سیتوزول تشکیل داده است؛ مایعی بی رنگ که عمدتاً از آب، انواع نمک ها و مولکول های آلی ساخته شده است. در کنار اجزای موسوم به اندامک، سیتوزول تشکیل دهنده سیتوپلاسم است؛ هر چیز جز هسته که درون پوسته سلول قرار دارد. حدود سال 1835 بود که زیست شناس فرانسوی فلیکس دوژاردین (Felix Dujardin) این ماده حیات را درون جانواران تک سلولی مشاهده کرد و آن را سارکود (به معنی گوشت سلول) نامید.

راهنمایی: اندامک جزء سازنده سلول است که عملکرد اختصاصی خودش را دارد، بسیار شبیه اینکه یک اندام، وظیفه خاصی را در بدن ما بر عهده دارد. اندامک ها معمولاً با غشاء خودشان از باقی اجزای سلول جدا می شوند.

در میانه قرن نوزدهم، کار برای رشته های نوپای زیست شناسی مولکولی کمی راحت تر شده بود. در این زمان، مجموعه ای از رنگینه های طبیعی مثل ید، قرمزدانه و همچنین زعفران برای رنگ آمیزی سلول ها استفاده می شدند. اما در سال 1856، ویلیام پرکین که شیمیدانی جوان بود، بنفش آنیلین (Mauveine) را به عنوان نخستین رنگینه مصنوعی اختراع کرد. این رنگینه اگرچه برای سلول ها طراحی نشده بود، اما یکی از نخستین رنگینه های مصنوعی مفیدی بود که برای مطالعه سلولی بکار گرفته شد.

بسیاری از فرآیندهای سوخت و ساز سلولی درون سیتوزول رخ می دهند، اما بعضی از این فرآیندها هم درون اندامک های اختصاصی انجام می شوند. یکی از شناخته شده ترین اندامک ها «میتوکندری» است که نیروگاه سلول است، چرا که مولکولی تولید می کند که به عنوان منبعی برای تولید انرژی شیمیایی استفاده می شود. این احتمال وجود دارد میتوکندری نخستین بار در سال 1857 و بوسیله فیزیولوژیست سوئیسی، آلبرت فان کولیکر مشاهده شده باشد. اما این ریچارد آلتمن آلمانی بود که در سال 1894 نشان داد که آنها اندامک هستند و آنها را «بیوبلاست» نامید. چهار سال بعد، زیست شناس سلولی آلمانی، کارل بندا، نام آنها را به میتوکندری تغییر داد.

راهنمایی: میتوکندری، اندامکی است که وظیفه تنفس سلولی را بر عهده دارد. همچنین، میتوکندری ها نوعی دستگاه انتقال انرژی هستند که باعث می شوند انرژی شیمیایی موجود در مواد غذایی به صورت پیوندهای پُر انرژی فسفات (ATP) ذخیره شود.

اندامک دیگری هم مستقیماً در نتیجه رنگ آمیزی سلولی کشف شد و تنها اندامکی است که نام کاشفش را روی خود دارد. در سال 1897، کامیلو گلژی (Camillo Golgi) اندامکی را کشف کرد که به افتخار خود او، دستگاه گلژی نامگذاری شده است. گلژی که با رنگ آمیزی سلول با نقره نیترات شناسایی شد، به شکل شبکه ای ظریف و در هم رفته کنار هسته سلول است که امروزه می دانیم در بسته بندی پروتئین ها و لیپیدهای تولیدی سلول نقش دارد.

نگاه ژرف تر

با فرا رسیدن قرن بیستم، بیشتر اجزای درشت سلول شناسایی و نامگذاری شده بودند. با وجود این، تشخیص اینکه هر بخش سلول چه کاری انجام می دهد، به چیزی بیش از مشاهده تنها نیاز داشت. همچنین، میکروسکوپ نوری که پنجره زیست شناسان برای مشاهده درون سلول بود، به آخر خط سودمندی رسیده بود و قادر نبود اجزای کوچک تر از طول موج نور مرئی را آشکار کند.

دو شگردی که در نیمه نخست قرن بیستم، توسعه داده شدند به نجات زیست شناسی مولکولی آمدند و با آشکارسازی ساختارهایی که برای میکروسکوپ های نوری نادیدنی بودند، مهر تاییدی بر یافته های پیشین زدند و همچنین نقش بیوشیمیایی اندامک ها را شناسایی کردند. نخستین شگرد «شکنش سلولی» (Cell Fractionation) بود که به دانشمندان اجازه می داد به اجزای سلول دسترسی پیدا کنند. این روش که در سال 1930 و بوسیله آلبرت کلود (Albert Claude) توسعه داده شد، شامل مخلوط کردن سلول ها و سپس استفاده از فرآیند سانتریفیوژ برای جداسازی زیرواحدهای آنها بود. شگرد حیاتی دوم هم استفاده از میکروسکوپ الکترونی بود.

سال 1943، کلود کار را با یکی از معدود میکروسکوپ های الکترونی موجود در آمریکا آغاز کرد تا نگاهی به ذرات زیرسلولی بیندازد که با شکنش سلولی تولید شده بودند. دو سال بعد، او و همکارانش نخستین تصویر از یک سلول کامل را تهیه کردند. جورج پالاده (George Palade) که جایزه نوبل پزشکی 1974 را همراه با کلود و کریستیان دو دوو (Christian de Duve) برنده شده بود، بعدها این عکس را «شناسنامه ی زیست شناسی سلولی» نامید.

آزمایشگاه کلود با ترکیب این دو روش موفق شد عملکرد میتوکندری را شناسایی کند. کلود دریافت این اندامک ها محتوی آنزیم های بسیاری هستند که علاوه بر همراهی در فرآیند شیمیایی تنفس، بی شک نقش نیروگاه سلولی را هم ایفا می کنند. همچنین کلود در سال 1945 و با همکاری کیت پورتر موفق به کشف شبکه آندوپلاسمی (ER) شدند؛ سامانه غشایی بزرگی درون سلول که در تولید پروتئین ها و لیپیدها دخالت دارد و همچنین آنها را درون سلول جابجا می کند. این ساختار تور مانند در سال 1902 و بوسیله دانشمند ایتالیایی امیلیو وراتی ردگیری شده بود، اما جامعه علمی آن زمان ایده آن را نپذیرفتند.

راهنمایی: شبکه آندوپلاسمی، اندامکی سلولی است که تسهیلات ارتباط های داخل سلولی را فراهم می کند. شبکه آندوپلاسمی از چین خوردگی های فراوانی تشکیل شده است و وظیفه دارد پروتئین ها و دیگر کربوهیدرات ها را به دستگاه گلژی، غشاء سلولی، لیزوزوم و هر جای دیگری که لازم باشد، منتقل کند.

سال 1946، جورج پالاده به آزمایشگاه کلود پیوست و پالایش روش های او را آغاز کرد. پالاده بود که متوجه شد میکروزوم کشف شده بوسیله کلود ممکن است بخشی از ER باشد. سال 1955 او نام آنها را به ریبوزم تغییر داد و کشف کرد آنها نقش پروتئین سازی دارند. امروزه می دانیم غشای شبکه آندوپلاسمی با غشای خارجی هسته پیوند می خورد و بزرگراهی را شکل می دهد که از طریق آن، DNA به پروتئین ترجمه می شود.

دفع پسماندها

کریستین دو دوو محققی بلژیکی بود که نقش انکار ناپذیری در توسعه این دو روش ایفا کرد. او همچنین موفق شد بدون داشتن میکروسکوپ الکترونی، یک اندامک جدید را در آزمایشگاهش کشف کند. سال 1949 و هنگامی که مشغول مطالعه انسولین در سلول های جگر موش صحرایی بود، دو دوو بطور تصادفی موفق به کشف لیزوزوم شد؛ واحد دفع پسماند سلول. با استفاده از شکنش سلولی و سپس آزمایش های بیوشیمیایی، دو دوو مشخص کرد سیتوپلاسم حاوی مقدار بی شماری لیزوزوم است؛ ذراتی غشایی از آنزیم ها که در ارتباطات سلولی و سوخت و ساز انرژی نقش دارند و همچنین وظیفه تجزیه اجزای سلول را بر عهده دارند.

از میانه قرن بیستم به این سو، دانشمندان اطلاعات زیادی را درباره سلول ها کشف کرده اند. اما منصفانه است بگوییم امروزه زیست شناسان سلولی بیش از آنکه یافته های تازه ای را کشف کنند، از قبل به خوبی با نحوه عملکرد اجزای سلول آشنایی دارند و فقط آن را تکمیل می کنند. آنها رابطه بین این زیرواحدهای سلولی را مشخص کرده اند؛ اینکه چگونه با هم ارتباط برقرار می کنند تا تعادل ظریف عملکرد سلول را حفظ کنند، چگونه در شرایط خاص و وضعیت های اضطراری با هم رفتار می کنند و اینکه چگونه این دانش می تواند برای توسعه داروها و روش های درمانی جدید مورد استفاده قرار گیرد. امروزه می توانیم عملکرد سلول ها را به صورت زنده مشاهده کنیم. تصویر امروزی سلول کاملاً پویا و دینامیک است.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «از کجا می دانیم ساختار سلول ها چگونه است؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.