細胞の大きさと顕微鏡

赤血球の直径は約8 µmなので、2 mmの待ち針の頭の幅に約250個並びます。

見えないものを測る

定規の目盛りはミリメートルまでですが、細胞はそれよりずっと小さいものです。生物学者は、1ミリメートルの千分の一であるマイクロメートル（µm）と、1マイクロメートルの千分の一であるナノメートル（nm）を使います。つまり 1 mm = 1,000 µm、1 µm = 1,000 nm です。ヒトの典型的な赤血球の直径は約8 µm、待ち針の頭は約2 mmです。2,000 µmを8 µmで割ると250になります。それだけの数の赤血球が、待ち針の頭一つの幅に並ぶのです。

細胞の大きさはさまざまです。細菌などの原核細胞は直径約0.1〜5.0 µmです。植物や動物の体をつくる真核細胞の多くは約10〜100 µmです。その中で、核は直径およそ5 µm、ミトコンドリアはふつう長さ1〜2 µmです。リボソームはわずか20〜30 nmで、学校の顕微鏡で見える大きさをはるかに下回ります。肉眼で見える最も小さいものは約0.1 mmなので、ヒトの卵細胞のようなごく大きな細胞は、レンズなしで見えるかどうかのちょうど境目にあります。

光学顕微鏡

学校の顕微鏡のほとんどは光学顕微鏡です。可視光が試料を通り、続いて二組のレンズを通ります。学生用の顕微鏡はふつう最大約400倍、油浸レンズを使えば約1,000倍まで拡大できます。ただし、倍率だけでは十分ではありません。同じくらい大切なのが分解能、つまり近くにある二つの点を別々の二点として見分ける能力です。よい学生用光学顕微鏡の分解能は約200 nmです。それより近い二つのつくりは、像をどれだけ大きくしても一つにぼやけてしまいます。

光学顕微鏡には、生きた細胞を観察できるという大きな利点があります。ほとんどの細胞はほぼ透明なので、色素で染色しないと中のつくりを見分けにくいのですが、染色するとふつう細胞は死んでしまいます。また、二組のレンズによって像は上下左右が逆になります。プレパラートを左に動かすと像は右に動くように見え、プレパラートの「e」の文字は逆さまに見えます。

電子顕微鏡

電子顕微鏡は光の代わりに電子線を使います。電子は光よりずっと波長が短いので、約100,000倍の倍率に達し、約50ピコメートルの細かさまで見分けられます。その代わり、電子は真空中でしかうまく進まず、試料の処理で試料が死んでしまうので、この方法では生きた細胞を観察できません。走査型電子顕微鏡は電子線で表面をなぞり、その形を見せます。透過型電子顕微鏡は電子線を薄い切片に通して中のつくりを見せます。次の単元に出てくる細胞小器官は、こうしてはじめて詳しく観察されました。

細胞が小さいままである理由

なぜ巨大な細胞が一つではいけないのでしょうか。細胞が使うものはすべて表面から入り、捨てるものもすべて同じ表面から出ていきます。一辺1 mmの立方体の細胞を考えてみましょう。表面積は6 mm²、体積は1 mm³で、比は6対1です。一辺を2倍の2 mmにすると、表面積は24 mm²、体積は8 mm³になり、比はわずか3対1です。細胞が大きくなると体積は表面積より速く増え、膜の一部分ごとにより多くの細胞の中身をまかなわなければなりません。ある大きさを超えると、膜が追いつかなくなります。細胞は、分裂する、平たくまたは細長くなる、膜を折りたたむ、細胞小器官で仕事を分担する、といった方法でこの問題に対処しています。