Zellgröße und Mikroskope

Ein rotes Blutkörperchen hat etwa 8 µm Durchmesser, also passen etwa 250 davon nebeneinander über einen 2 mm großen Stecknadelkopf.

Etwas messen, das man nicht sieht

Lineale hören bei Millimetern auf, und Zellen sind viel kleiner. Biologen benutzen den Mikrometer (µm), ein Tausendstel Millimeter, und den Nanometer (nm), ein Tausendstel Mikrometer. Also gilt 1 mm = 1000 µm und 1 µm = 1000 nm. Ein typisches rotes Blutkörperchen des Menschen hat etwa 8 µm Durchmesser, und ein Stecknadelkopf etwa 2 mm. Teilst du 2000 µm durch 8 µm, erhältst du 250: So viele rote Blutkörperchen könnten sich über einen einzigen Stecknadelkopf aufreihen.

Zellen sind sehr unterschiedlich. Bakterien und andere prokaryotische Zellen haben etwa 0.1 bis 5.0 µm Durchmesser. Die meisten eukaryotischen Zellen, aus denen Pflanzen und Tiere bestehen, haben etwa 10 bis 100 µm. In ihnen hat ein Zellkern ungefähr 5 µm Durchmesser, und ein Mitochondrium ist meist 1 bis 2 µm lang. Ein Ribosom misst nur 20 bis 30 nm, weit unter dem, was ein Schulmikroskop zeigen kann. Die kleinsten Dinge, die das bloße Auge sehen kann, sind etwa 0.1 mm groß, deshalb liegen einige sehr große Zellen, etwa eine menschliche Eizelle, genau an der Grenze dessen, was du ohne Linse sehen kannst.

Lichtmikroskope

Die meisten Schulmikroskope sind Lichtmikroskope. Sichtbares Licht geht durch das Präparat und dann durch zwei Linsensysteme. Schülermikroskope vergrößern meist bis etwa 400-fach, mit einem Ölimmersionsobjektiv etwa 1000-fach. Die Vergrößerung allein reicht aber nicht. Genauso wichtig ist das Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit, zwei nah beieinanderliegende Punkte als zwei getrennte Punkte zu zeigen. Ein gutes Schul-Lichtmikroskop löst etwa 200 nm auf. Zwei Strukturen, die näher beieinanderliegen, verschwimmen zu einer, egal wie groß man das Bild macht.

Lichtmikroskope haben einen großen Vorteil: Man kann lebende Zellen beobachten. Die meisten Zellen sind fast durchsichtig, ihre Teile sind also schwer zu unterscheiden, wenn man sie nicht mit Farbstoffen anfärbt, und das Färben tötet die Zellen meist. Das System aus zwei Linsen dreht außerdem das Bild um. Ein Objektträger, den man nach links schiebt, scheint sich nach rechts zu bewegen, und ein Buchstabe „e“ auf dem Objektträger erscheint auf dem Kopf.

Elektronenmikroskope

Elektronenmikroskope verwenden statt Licht einen Elektronenstrahl. Elektronen haben eine viel kürzere Wellenlänge als Licht, deshalb erreichen diese Geräte Vergrößerungen um 100 000-fach und lösen Details bis etwa 50 Pikometer auf. Der Preis dafür: Elektronen bewegen sich nur im Vakuum gut, und die Vorbereitung tötet das Präparat, man kann so also keine lebende Zelle beobachten. Ein Rasterelektronenmikroskop führt den Strahl über eine Oberfläche und zeigt ihre Form. Ein Transmissionselektronenmikroskop schickt den Strahl durch einen dünnen Schnitt und zeigt die Teile im Inneren. So wurden die Organellen aus den nächsten Einheiten zum ersten Mal genau gesehen.

Warum Zellen klein bleiben

Warum nicht eine riesige Zelle? Alles, was eine Zelle braucht, kommt durch ihre Oberfläche herein, und alles, was sie loswird, geht auf demselben Weg hinaus. Stell dir eine würfelförmige Zelle mit 1 mm Kantenlänge vor. Ihre Oberfläche beträgt 6 mm² und ihr Volumen 1 mm³, ein Verhältnis von 6 zu 1. Verdoppelt man die Kante auf 2 mm, wird die Oberfläche 24 mm² und das Volumen 8 mm³, ein Verhältnis von nur noch 3 zu 1. Wenn eine Zelle wächst, wächst ihr Volumen schneller als ihre Oberfläche, und jedes Stück Membran muss mehr Zelle versorgen. Ab einer gewissen Größe kommt die Membran nicht mehr hinterher. Zellen lösen das, indem sie sich teilen, flach oder lang und dünn werden, ihre Membranen falten oder die Arbeit auf Organellen verteilen.