התא – יחידת החיים
חיה גרוס
יהודית עתידיה
המרכז להוראת המדעים
האוניברסיטה העברית בירושלים
תשס"א, 2000
בשבעה כרכים
כרך ראשון
עמודים xvi
עמודי דפוס 11-35
עמודי בראיל 1-
העתיקה: אורלי שרף
הספריה המרכזית לעיוורים
נתניה ישראל 2013
אל הקוראים,
הספר שלפניכם מיועד לתלמידי החטיבה העליונה של בית-הספר התיכון, הלומדים ביולוגיה.
ספר זה עוסק הן בתאי-בעלי חיים והן בתאי צמחים, וכולל רק אזכורים קצרים הנוגעים לתאי חיידקים.
(חיידק (בקטריה) – קבוצת יצורים חד-תאיים פרוקריוטים קטנים (אורך גופם 2.0-0.5 מיקרומטר). החיידקים רבגוניים הן בצורתם והן בדרישותיהם התזונתיות (יש ביניהם אוטוטרופים והטרוטרופים מטיפוסים שונים). תא החיידק פשוט בהשוואה לתא איקריוטי: אין בתאים אברונים מוקפי קרום. החומר התורשתי הוא מולקולת DNA טבעתית – שאינה מוקפת בקרום. כן נמצאים בתא ריבוזומים. הציטופלסמה מוקפת בקרום תא ועל-פי-רוב גם בדופן חיצונית.)
בכתיבת הספר השתדלנו להדגיש את המשותף לכל התאים; ניסינו לתאר את הקשר שבין המבנה של מרכיבי התא לבין תפקודם, וכן להציג את הפעילות המתואמת בתא, פעילות המאפשרת את תפקוד יחידת החיים הבסיסית.
כמו כן ניסינו להציג ידע מעודכן ומדויק ככל האפשר, מתוך היכרות עם מחקר מדעי ובלי לטבוע בפרטי מידע.
אפשר לחלק את פרקי הספר לשלוש קבוצות:
בראשונה, הכוללת את פרקים א-ב-ג, נידונים נושאים כלליים הנוגעים לתאים; השנייה, המקיפה את רוב פרקי הספר, פרקים ד-ה-ו-ז-ח, עוסקת במבנים בתא ובתפקודם; והשלישית, ובה פרקים ט-י, נוגעת לדורות הבאים של התאים ולדורות שעברו.
לאורך הפרקים שזורות שאלות למחשבה, ובסוף כל פרק מובא סיכום קצר, המרכז את עיקר הנושאים והמונחים שנידונו בפרק; הסיכום מאפשר לקורא לוודא שתוכן הפרק ברור לו. כמו-כן מסתיים כל פרק בשאלות מתאימות, ובסוף הספר מרוכזות תשובות נבחרות. בפרקים מסוימים משולבים במסגרות קטעי הרחבה וכן נקודות הקשורות לחיי היום-יום.
רקע כימי הנוגע באופן ישיר לכתוב בפרק משולב בגוף הפרק. נוסף לכך נלווה לספר נספח שבוא מובא רקע כימי רחב קצת יותר, מתוך מחשבה שהבנה נאותה של תהליכים ביולוגיים מותנית בהכרה של הבסיס הכימי – לפחות בקווים כלליים. עיון בנספח זה. לפני תחילת הלימוד או על-פי הפניות בגוף הספר, מומלץ לכל התלמידים – ובמיוחד לאלה שאינם מכירים את מושגי הכימיה הבסיסיים.
דפדוף מהיר בעמודים 73-193 יאפשר לכם לצפות ב"סרט" המתאר תא מתחלק.
לימוד מהנה.
בספר הדפוס יש מילון מונחים.
בספר הבראיל מופיע ההסבר של כל ערך בפעם הראשונה בו הוא מופיע בגוף הספר בתוך סוגריים.
תוכן העניינים
(התוכן ערוך כך: שם הפרק ועמוד דפוס)
תוכן כרך ראשון
(התוכן ערוך כך: שם הפרק עמוד דפוס עמוד בראיל)
*11*
יצורים רבים יש בעולמנו – ורב השוני ביניהם. רבים ההבדלים בין צמח לבעל-חיים, בין צמח לצמח ובין בעל-חיים אחד למשנהו השוני בא לידי ביטוי בגודל, בצורה, בצבע, באורח החיים ועוד. עם זאת, רבים גם קווי הדמיון בין כל היצורים החיים: כולם גדלים ומתפתחים, מתנועעים, מגיבים לסביבתם, מתרבים, מרכיבים חומרים ומפרקים אותם.
האם יש בקווי דמיון אלה, המאפיינים את היצורים החיים, כדי להבדילם מ"שאינו חי"? השאלה נראית פשוטה, לכאורה. אולם בבואנו לאפיין "חיים" אנו נתקלים בקשיים לא מעטים. בדקו בעצמכם:
נסו למצוא הגדרה ל"חיים", או לציין את המאפיין "תכונה" זו. תוכלו להיעזר במאפיינים שהוזכרו ובדיון שלהלן.
נרחיב מעט על כל אחד מהמאפיינים שהזכרנו.
יצורים חיים גדלים; במהלך החיים מתרחש שינוי בגודל היצור: זרע שנבט מתפתח לעץ, ותינוק גדל ומתפתח לאדם מבוגר. הגדילה מבוססת על צריכת מזון. הצמחים מרכיבים את מזונם בעצמם – בעזרת אנרגיית האור – מחומרים פשוטים הנמצאים בסביבתם, ואילו אספקת מזונם של היצורים האחרים תלויה בתוצרי הצמחים. אלה וגם אלה גדלים ומתפתחים על-ידי כך שהם מפרקים את מזונם ומשתמשים בתוצרי פירוק זה להרכבת מולקולות חדשות, המשתלבות בגופם.
אפשר להכליל ולומר שפעילויות המתרחשות ביצורים חיים ניתנות לתיאור במונחים של תגובות כימיות: הרכבה ופירוק. תגובות כימיות אלה נקראות חילוף חומרים (או – מטבוליזם, metaboli שווה שינוי, חילוף), והן כרוכות בהשקעה ובשחרור של אנרגיה.
(חילוף חומרים (מטבוליזם) – metabole שווה שינוי, חילוף, כלל התהליכים של שינוי חומרים המתרחשים ביצור החי. תהליכים אלה כוללים הרכבה ופירוק של תרכובות אורגניות. תהליכי חילוף החומרים מלווים בהשקעה ובשחרור של אנרגיה.)
(אנרגיה – למושג זה אין הגדרה מוסכמת; יש המגדירים אנרגיה כ"כושר לבצע עבודה". אנרגיה משתחררת או מושקעת במהלך שינויים בגוף או במערכת; אנרגיה יכולה להופיע בצורות רבות, כגון: אנרגיית חום, אנרגיה כימית ואנרגיית אור. בתנאים מסוימים צורה אחת של אנרגיה יכולה להפוך לצורה אחרת.)
מאפיין בולט נוסף של חיים הוא תנועה: הסוס דוהר, עלי הכותרת בפרחים נסגרים לעת ערב, ומבעד לעדשת המיקרוסקופ ניתן להבחין ביצורים חד-תאיים הנעים בתוך טיפת נוזל.
אפיון אחר הוא תגובה לסביבה: יצורים חיים מגיבים לשינויים בסביבה שבה הם חיים. כולנו מכירים תהליכים של תגובה לגירוי: כלב שמירה מגיב בנביחות למראהו ולריחו של אדם זר, וחמנייה "מפנה את ראשה" לכיוונה של השמש. תגובה חלה גם לגירויים שמקורם בסביבה הפנימית של היצור; כך לדוגמה, תינוק רעב פורץ בבכי, וחתול חולה יתכרבל בפינה.
*12*
אחד ממאפייני החיים הוא דו-שיח מתמיד בין הסביבה החיצונית ובין הסביבה הפנימית, תוך שמירה על סביבה פנימית יציבה;
הומאוסטזיס (homos שווה שווה, דומה; stasis שווה יציב) הוא מונח המבטא את כושרו של יצור חי לשמור על סביבה פנימית יציבה (בגבולות מוגדרים), השונה מהסביבה החיצונית.
מאפיין בולט נוסף המבדיל יצורים חיים מעצמים שאינם חיים הוא הרבייה. היכולת להתרבות מאפיינת את כל היצורים החיים – חיידקים, צמחים ובעלי-חיים. עם זאת, אין פירוש הדבר שיצור שאינו מתרבה הוא חסר חיים. לצורך האפיון די בכך שיצור זה בא לעולם בתהליך רבייה. כך לדוגמה, רוב הנמלים הפועלות בקן הן עקרות, כלומר: אינן יכולות להתרבות, אך ללא ספק הן יצורים חיים.
תופעה נוספת המאפיינת את עולם החי, שלא ניתן להבחין בה מתוך הסתכלות בפרט הבודד, היא ההתפתחות של מינים – או האבולוציה. לו יכולנו לראות את העולם לפני מאות, אלפי או מיליוני שנים, היינו מגלים יצורים שונים מאלה המוכרים לנו כיום. המידע המצטבר מלמדנו שמיני היצורים בעולם משתנים במהלך הדורות, השתנות אטית – אך מתמדת, וכל המינים בעולמנו התפתחו ממינים שקדמו להם, בסדרה ארוכה מאוד של שלבים.
(אבולוציה – (אבולוציה ביולוגית) evolvere שווה לפרוס, להתפתח) תהליך ההשתנות של מינים. שינויים תורשתיים הצטברים במהלך הדורות, ומביאים להתפתחותם של מינים חדשים ממינים שקדמו להם.)
המאפיינים שהזכרנו (חוץ מאבולוציה) מתאימים על-פי רוב לכל יצור חי, אך רק "על-פי רוב": אין לחפש את הופעתם של כולם בכל זמן ובכל שלב בחייו של כל יצור חי, שהרי גם הצמח שאינו משנה את מקומו – חי הוא, והחתול שנשאר להתחמם בשמש ולא הגיב לקריאתנו – לא בהכרח מת.
נשוב לשאלת המוצא: האם אפשר להשתמש במאפיינים אלה כדי להבדיל בין חי לשאינו חי?
לפני שתענו על השאלה, בדקו כמה מהמאפיינים שדנו בהם קיימים גם באש "חיה"...
לסיכום, לא נוכל לקבוע שכל יצור חי מקיים את כל המאפיינים הללו, ואף לא שרק יצור חי מקיים אותם.
הוא אשר אמרנו – קשה מאוד לאפיין חיים.
*13*
דיוננו עד עתה התמקד בתפקוד של היצור השלם. ומה באשר למבנה של יצורים חיים? ככל הידוע כיום, כל היצורים מורכבים מיחידות מבנה הנקראות תאים. כפי שנראה בהמשך, גם בתא הבודד מתקיימים מאפייני החיים שהזכרנו. משמע:
התא הוא הן יחידת מבנה והן יחידת תפקוד.
בספר זה נערוך היכרות עם המשותף לכל התאים החיים ועם המבדיל ביניהם. נעמוד על מבנם, הרכבם ותפקודיהם, ונכיר כיצד מתבטאים בהם מאפייני החיים שהכרנו. אך לפני-כן נלמד כיצד התגבשה ההכרה בקיומם של תאים כיחידות החיים הבסיסיות.
משימה לסיכום
נסו להשלים את הטבלה הבאה. היעזרו בפרק המבוא וכן בידע אישי.
האמנם מאפייני חיים?
המאפיין, דוגמה מעולם החי שבה נעדר המאפיין, דוגמה מעולם הדומם שבה המאפיין בא לידי ביטוי
גדילה, אדם בגיל העמידה, גידול גבישים
חילוף חומרים, --, --
צריכת אנרגיה, --, --
תנועה, --, --
תגובה לסביבה, --, --
רבייה, --, --
אבולוציה, --, --
האם הצלחתם למלא את כל משבצות הטבלה? מה אפשר להסיק מכך?
*14*
חי או דומם?
(בספר ציור)
כוס ואגסים פול סזאן (1906-1839)
*15*
*15*
(פרק זה מבוסס על "התא – אחידות בעולם החי" שנכתב על-ידי עליזה סיוון, ד"ר שלמה כהן, בלהה נחמן ודליה קווה, בהוצאת המרכז לתוכניות לימודים – משרד החינוך והתרבות, והמרכז להוראת המדעים באוניברסיטה העברית בירושלים, תשמ"ו.)
*15*
תחילתו של הסיפור לפני יותר מ-300 שנה. רוברט הוק (R. Hook, 1703-1635), אנגלי שחי במאה ה-17, בנה מיקרוסקופ שבו שתי עדשות. מיקרוסקופ זה היה משוכלל מהמיקרוסקופים שבהם השתמשו בתקופתו, שרובם היו בעלי עדשה אחת. בעזרת המיקרוסקופ שבנה בדק הוק עצמים שונים: גבישים, אריגים, צמחים ובעלי-חיים זעירים. אחד הפריטים שבדק היה פקק שעם, שמקורו בקליפת הגזע של העץ אלון השעם. בספרו "מיקרוגרפיה", שפורסם בשנת 1665, תיאר וצייר הוק את אשר ראה (איור א1). להלן קטע מדבריו בתרגומם העברי. שימו לב לדרך עבודתו ולניסוחיו הזהירים:
"נטלתי חתיכת שעם נקייה, ובסכין לחידוד קולמוסים, חדה כתער, פרסתי ממנה פרוסה שפניה החיצוניים היו חלקים מאוד. אחר כך בדקתי שעם זה בדייקנות מרובה במיקרוסקופ. נדמה היה לי שראיתיו נקבובי במקצת, אך לא יכולתי להבחין בנקבים בבהירות מספיקה כדי שאוכל לקבוע אם באמת נקבוביות הן אלה ומה צורתן. אך על סמך גמישותו של השעם וקלילותו לא נראה לי מבנה זה מוזר. קיוויתי, שבמאמץ נוסף אוכל להבחיו במבנהו במיקרוסקופ. באותה סכין מושחזת פרסתי מאותה חתיכת שעם פרוסה דקיקה ביותר. הואיל והפרוסה הייתה בהירה, הנחתי אותה תחת המיקרוסקופ על זכוכית כהה, וכשהטיתי לעברה את האור בעזרת עדשה שטוחה-קמורה, יכולתי להבחין בבהירות רבה שהפרוסה מנוקבת ומחוררת, בדומה לחלת דבש, אך החורים בה לא היו אחידים".
*16*
בכתביו של הוק לא היה כל רמז שלתגליתו תהיה חשיבות כה רבה בביולוגיה. הוק טבע את המונח "תא", אך הוא לא ידע על חשיבותם של תאים כיחידות מבנה ותפקוד המשותפות לכל היצורים. הוק ראה בתאים את צורת המבנה של השעם, שסייעה להסביר את תכונותיו: השעם קל היות שהוא עשוי תאים המלאים באוויר, השעם גמיש, כי התאים הזעירים המכילים אוויר יכולים להילחץ ולצמצם את נפחם, ולחזור לצורתם המקורית עם הרפיית הלחץ.
למעשה, מה שראה הוק בשעם היו רק דפנות של תאים מתים – דפנות שאופייניות לתאי צמחים.
(בספר שני איורים העזר במנחה)
איור א1:
ימין – אחד מהמיקרוסקופים של רוברט הוק
שמאל – שני חתכים ברקמת תאי שעם שצוירו בידי הוק
התיאורים והציורים המפורטים של הוק בספרו "מיקרוגרפיה" המריצו חוקרים שבאו אחריו לבדוק ולהבין את מבנה גופם של יצורים שונים; ההתלהבות מהעולם שנגלה מבעד למיקרוסקופ הייתה גדולה. מבעד לעדשות נתגלו ממצאים מעניינים ומבנים מפתיעים, שלפני-כן לא עלה על הדעת דבר קיומם. התווספו תיאורים רבים של יצורים זעירים, של חלקי צמחים, של איברי בעלי-חיים ועוד.
כשלושים שנה לאחר שפורסמו תגליותיו של הוק, בדק סוחר הבדים ההולנדי א' ואן לבנהוק (A. van Leeuwenhoek, 1723-1632) דגימות ממי שלולית וממי הנחל שבעירו דלפט; להפתעתו גילה שהמים מכילים בתוכם מגוון של יצורים זעירים. לבנהוק צייר את המיקרואורגניזמים שראה (micro שווה זעיר, יצור חי) ושלח דוח על ממצאיו לחברה המלכותית בלונדון. מעט לאחר פרסום עבודותיו החלו אנשים נוספים לחפש מיקרואורגניזמים במקומות אחרים, כמו בקרקע ובמזון מקולקל.
*17*
התיאורים המפורטים – אלה הנוגעים לצמחים, לבעלי-חיים ולמיקרואורגניזמים – נשארו בלתי קשורים זה לזה: לא תוארו קווים משותפים לתצפיות השונות, ולא נעשתה כל הכללה באשר לטיבם של היצורים החיים.
*17*
חלפו כמאה וחמישים שנה מאז דיווח הוק על התאים הראשונים שראה. חקירת היצורים החיים נמשכה, והועלתה התאוריה שגופיהם של כל הצמחים ושל כל בעלי-החיים בנויים תאים. כלומר: התאים הם יחידות החיים הבסיסיות של כל היצורים החיים.
כיצד התפתח רעיון זה? רעיונות, בדרך-כלל, אינם תלויים בחלל הריק, הם נובעים מהלך רוחות, מתפיסות וממחשבות המקובלות בחברה באותה תקופה, ומושפעים מהם.
בראשית המאה ה19- הייתה מקובלת הדעה שניתן לפרק עצמים ליחידות קטנות, ואת אלה ליחידות קטנות עוד יותר, עד ליחידות בסיסיות שאינן ניתנות לחלוקה נוספת.
באותה תקופה התגבשה התאוריה לפיה כל החומרים בנויים מיסודות, וכל יסוד בנוי מחלקיקים זעירים שווי גודל וצורה, הנקראים "אטומים". תאוריה זו נוסחה על-ידי ג' דלטון (Dalton J, 1766-1844) בשנת 1808, אם כי המונח אטום נטבע כבר על-ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס (Democritus, 370-460 לפני הספירה).
כיוון המחשבה בדבר קיומן של יחידות בסיסיות בולט בעבודות מדעיות רבות מאותם ימים. בעבודות אלו נעשה חיפוש אחר הדומה והמשותף, האחיד. הרעיון שאפשר להסביר מבנים מורכבים ומסובכים על בסיס חלקיקים יסודיים קסם לחוקרים בתחומי מדע שונים, בכללם הביולוגיה: האם ייתכן שבגופם של יצורים שונים קיימת אותה יחידת מבנה בסיסית?
באותה תקופה שוכללו המיקרוסקופים, וכך גם שיטות הכנת החומר להסתכלות בהם. תיאורים של תצפיות רבות הופיעו בספרות המדעית של אותם ימים. מספר הצמחים שנבדקו הלך וגדל, ובכולם נמצאו תאים. בין הדיווחים היה גם זה של הבוטנאי הסקוטי, רוברט בראון (R. Brown, 1773-1858), שבדק צמחי סחלב. בתאי הסחלב ראה בראון אזור עגלגל, שהיה מגורגר ופחות שקוף משאר החלקים שבתאים. בראון כינה אזור זה בשם נוקלאוס (nucleus), שמשמעו גרעין. בבדיקות נוספות גילה בראון גרעין גם בתאים של צמחים אחרים. בהשוואה לדופנות התאים לא היו הגרעינים כה בולטים לעין, ומכאן מובן מדוע המשיכו לזהות את תאי הצמחים על-פי דופנותיהם.
*18*
גם חלקים מגופם של בעלי-חיים נבדקו במיקרוסקופ, אך בהם קשה היה להבחין במבנים ברורים ומוגדרים. לא נראו בהם אותן צורות דמויות תיבה שנתגלו בצמחים.
מדוע קשה היה להבחין בתאים של בעלי-חיים?
הסיבה לכך היא שתאי בעלי-חיים אינם מוקפים בדפנות.
*18*
ניסוח תאוריית התא מיוחס לשני חוקרים גרמניים, הבוטנאי מ' שליידן (Schleiden .,M 1804-1881) והזואולוג ת' שוואן (Schwann .T, 1810-1882), שעבדו במקביל במחצית המאה ה-19.
שליידן יצא מתוך הנחה שיש בטבע חוקים וחוקיות. הוא האמין שהטבע כולו חייב להיות מאורגן על-פי כמה עקרונות יסוד, גישה זו הנחתה אותו בחיפוש אחר המשותף ליצורים החיים. דרך מחשבה זו מנחה גם כיום חוקרים, והיא קידמה לא פעם את המחקר המדעי (מצד אחר, היצמדות מוחלטת לגישה מסוימת עלולה למנוע חשיבה מקורית).
שליידן היה הראשון שייחס חשיבות לגרעין ולנוזל העוטף אותו, הוא ראה גרעינים בכל סוגי התאים שבדק, לפחות בשלבים הראשונים של היווצרות התאים, ולכן סבר שהתאים נוצרים מהגרעין – סברה שהסתברה לאחר מכן כמוטעית.
שוואן ושליידן נהגו להיפגש מדי פעם, באחת ההזדמנויות שמע שוואן את דעתו של שליידן על חשיבותו של הגרעין כגופיף פעיל בתאי צמחים. בשעת השיחה נזכר שוואן שגם הוא ראה "שלפוחיות" שבהיקפן קרום דק ובתוכן גרעין, כאשר הסתכל במיקרוסקופ בחתכים דקים של רקמות של בעלי-חיים. באותו רגע, כפי שהוא מעיד על עצמו, הבין שוואן את חשיבותו של הרעיון שתאים של צמחים ושל בעלי-חיים נוצרים באותה דרך, שבכל תא יש גרעין, ושלגרעין אותו תפקיד בצמחים ובבעלי-חיים. כדי לאשש את הרעיון שעלה בדעתו, בדק שוואן רקמות מבעלי-חיים רבים: צפרדע, עגל, חזיר, עובר תרנגולת, דגים, זחלי חרקים ועוד. בכולם ראה תאים בעלי גרעין (חלק מממצאיו תוכלו לראות באיור א2).
(בספר איור העזר במנחה) איור א2. ציורים של תאים שונים כפי שנצפו במיקרוסקופ על-ידי החוקר שוואן
*19*
שואן ושליידן ביססו את מושג התא, והדגישו כי החלק העיקרי בתא הוא תוכנו: הגרעין ן והחומר המקיף אותו – ולא הדופן העבה, שבולטת בצמחים ואינה קיימת בתאי בעלי-חיים. מכאן קצרה הדרך לניסוח תאוריית התא ב-1838, שזו תמציתה:
היצורים החיים למיניהם, צמחים, ובעלי-חיים, על אף היותם שונים בצורתם החיצונית, הם בעלי מבנה בסיסי דומה. כולם בנויים מיחידות יסוד זעירות – תאים – שבהם יש ציטופלסמה,וגרעין.
ציטופלסמה (kytos שווה תא, plasma שווה בעל צורה) היא כל תכולת התא בלי הגרעין. בראשית חקר התאים נראה החומר התוך-תאי כנוזל צמיג מגורגר. לימים התברר, כפי שנראה בהמשך, שבציטופלסמה כלולים מבנים מדהימים בתחכומם, ומתחוללות בה פעילויות מרשימות, שעד היום טרם התבררו עד תום.
תרומתם של שליידן ושוואן איננה גילוי התאים, שהרי כבר כ-150 שנים קודם לכן הציע הוק את המושג תא ל"תיבות" הזעירות שאת דופנותיהן ראה בשעם. לזכותם של שליידן ושוואן נזקף ניסוח התאוריה, המציגה את התא כיחידת יסוד של כל היצורים החיים ומדגישה את חשיבותו של תוכן התא לעומת הדופן.
חוקרים רבים הבחינו שתאים מתחלקים ונוצרים תאים חדשים. הרופא והביולוג ר' וירכוב (Virchow R., 1821-1902) הכליל בשנת 1858 ממצא זה לכל התאים, וניסח זאת בלטינית:
omnis cellula ex cellula
ובתרגום לעברית:
כל התאים מוצאם מתאים
בכך הורחבה תאוריית התא, שעסקה בתיאור המבנה והארגון של היצורים החיים, ונוספו לה גם היבטים של הורשה, התפתחות ואף אבולוציה: שכן אם אמנם כל התאים הקיימים כיום מוצאם מתאים שקדמו להם, וגם לאלה קדמו תאים אחרים, הרי ייתכן שכל התאים בעולמנו אינם אלא תולדה של תא קדמון אחד.
*20*
מילים ומונחים – והפעם: שמות מדעיים
כמעט כל תחום מתחומי ההתעניינות האנושית מצטיין במונחים ובמושגים המיוחדים לו. במקרים רבים החוקר המתאר לראשונה ממצא או תופעה הוא זה הקובע את השם לתגליתו. הקביעה יכולה להיעשות על סמך שיקולים שונים, ולהיות מושפעת מאופיו, מצב רוחו ודמיונו של החוקר. יש,מונחים שהיו טובים לזמנם, ועם הצטברות הידע התברר שהם, אינם מתאימים, ויש מונחים שמקומם שריר וקיים מרגע שנטבעו ועד היום. מדי פעם, כשמתעורר הצורך, מתכנסת ועדה מקצועית, לעתים בין-לאומית, "עושה סדר" בקבוצת מונחים זו או אחרת, וקובעת כללים למתן שמות בתחום מסוים.
לעתים, לאותה מילה יש משמעויות שונות.
כדוגמה לכך חשבו על "פרי": עגבנייה, פלפל ומלפפון הם פירות מובהקים כאשר מדובר בחלקי צמח (נקודת מבט בוטנית), אולם ספק אם תהיו שבעי רצון, כאשר סלט הפירות שהזמנתם לקינוח במסעדה יהיה מורכב משלושת אלה...
ולענייננו? המונח "תא" אינו שמור ליחידה ביולוגית בלבד: תא הוא חדר קטן (ויש טוענים שהתיבות, שראה הוק בשעם הזכירו לו את התאים הקטנים שבהם ישבו הנזירים בימי הביניים, וזה מקור המונח), אך קיים גם תא חשמלי, תא מחתרת ועוד.
המשותף לכל הללו? – יחידה קטנה ותחומה.
דומה לכך גם המונח "גרעין": מלבד גרעין התא אנו מדברים גם על גרעין בפרי (חרצן, גלעין), על גרעין האטום, על גרעין התיישבות ועוד.
המשותף לכל הללו? – "לב" העניין.
המסקנה מהאמור לעיל: יש חשיבות רבה להקשר שבו מופיע מונח זה או אחר.
דרך מקובלת למתן שמות או, לקביעת מונחים מדעיים היא צירוף של מילים, כשברדך כלל מקורן הוא לטיני או יווני. במהלך לימודנו נפגוש דוגמאות רבות לכך.
כך, למשל, עמדנו על מקורה של המילה "ציטופלסמה". וכן: הוק קרא לספרו "מיקרוגרפיה", שהוא צירוף של micros שווה קטן, זעיר, ו-graphos שווה כתוב (שתי המילים – ביוונית).
האם יש במידע זה כדי לעזור בהבנת המקור של: מיקרוסקופ? גרפיקה? גאוגרפיה?
*21*
*21*
- רוברט הוק, שחי במאה ה-17, היה הראשון שתיאר מבנים של תאים בצמח.
- שוואן ושליידן ראו בתא גם יחידת מבנה וגם יחידת תפקוד, וב-1838 ניסחו את תאוריית התא, לפיה כל היצורים החיים בנויים מתאים, שבהם יש ציטופלסמה וגרעין.
- ב-1858 קבע וירכוב ש"כל התאים מוצאם מתאים", ובכך הוסיף לתאוריית התא היבט של קשר בין הדורות.
- כיווני מחקר מדעי והשקפות מדעיות מושפעים מהלכי הרוח של התקופה.
שאלות ומשימות לפרק א
1. תארו את הרקע התרבותי והטכנולוגי להתפתחות תאוריית התא.
2. הסבירו את תרומת הרעיון שבבסיס הביטוי "כל התאים מוצאם מתאים" לתאוריית התא.
*22*
(עמוד ריק)
*23*
*23*
*23*
בטבע קיים מגוון רב של תאים (איור ב1), ואף לא אחד מהם הוא "תא טיפוסי". עם זאת קיימים מרכיבים משותפים אופייניים לתאים השונים. הדבר דומה לפני אדם "טיפוסיים": יש מגוון עצום בפניהם של בני האדם, אך לכולם אותו מבנה בסיסי: בכל אחד מהם זוג עיניים, אף, פה, מצח וגבות.
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב1: מגוון תאים
א. חיידקים, הגדלה בערך פי 1,500
ב. החד-תא עינן ירוק, הגדלה בערך פי 70
ג. תאי דם לבנים, הגדלה בערך פי 2,000
ד. יונקות בשורש אפונה, הגדלה בערך פי 35
ה. החד-תא אמבה, הגדלה בערך פי 50
ו. תא מעלה של מלוח, הגדלה בערך פי 2,500
ז. חתך בעלה של ורד (ניתן לראות תאים מסוגים שונים), הגדלה בערך פי 40
ח. חלק מתא במעי של דג, הגדלה בערך פי 3,000
ט. החד-תא סנדלית, הגדלה בערך פי 70
י. תא ביצה (כדורי) ותא זרע (מאורך) של אוגר זהוב, הגדלה בערך פי 200
יא. תאים מרירית הלחי של אדם, הגדלה בערך פי 150
יב. תאי דם אדומים מאדם, הגדלה בערך פי 850
*24*
קצת כימיה
חומרים בתא
עובדה מעניינת היא, שבתא נמצאים אלפי חומרים שונים – אך מספר היסודות המרכיבים אותם הוא קטן: בעיקר פחמן (C) מימן (H) וחמצן (O).
מהם אפוא חומרים אלה?
מים (O2H) מהווים כ 70 אחוז ממסת התא (יש אף תאים שבהם המים מהווים 95 אחוז ממסתם!) והתגובות בתא מתרחשות בין חומרים המומסים במים.
פרט למים, קבוצת החומרים הגדולה והחשובה היא קבוצת החומרים האורגניים, או התרכובות האורגניות (organon שווה מכשיר).אלה הן תרכובות פחמן, שבהן הפחמן קשור למימן ועל-פי-רוב גם לחמצן. במקרים רבים תרכובת אורגנית כוללת גם אטומים נוספים, כמו חנקן (N), גפרית (S) וזרחן (P). (רק תרכובות פחמן בודדות, ביניהן פחמן-דו-חמצני CO2, אינן נכללות בין התרכובות האורגניות.)
מה מקור המונח, "תרכובות אורגניות"? מונח זה נטבע כאשר סברו שתרכובות אלה יכולות להיווצר רק בגופם של יצורים (שווה אורגניזמים) חיים. בינתיים הצליחו לייצר במעבדה מליוני תרכובות אורגניות, אך המונח נשמר...
אטומי פחמן יוצרים שרשרות ארוכות. שרשרות אלה מהוות את "עמוד השדרה", הנקרא שלד פחמני, של מולקולות גדולות ומורכבות. אל שלד זה יכולים להיות קשורים אטומים שונים או מולקולות שונות, כל שמתקבלות מולקולות שונות במבנן – ובהתאם גם בתפקודן.
(שלד פחמני – שרשרת או טבעת של אטומי פחמן, המהוות מעין שלד במולקולות של תרכובות אורגניות, ואליהן קשורים אטומים נוספים.)
בין התרכובות האורגניות הרבות מבחינים בארבע קבוצות עקריות: פחמימות, ליפידים, חלבונים וחומצות גרעין. על כל אחת מקבוצות אלה נרחיב במסגרת "קצת כימיה", בפרק הדן בתפקודה בתא: פחמימות – בפרק ז, ליפידים – בפרק ה, חלבונים בפרק ג וחומצות גרעין בפרק ד.
(פחמימות (carbohydrates) – קבוצה של תרכובות אורגניות שנוסחתן הכללית CH2On (העזר במנחה). הפחמימות כוללות חד-סוכרים כמו גלוקוז, דו-סוכרים כמו סוכרוז ורב-סוכרים כגון תאית ועמילן. רוב הפחמימות מקורן בתהליך הפוטוסינתזה והן משמשות מקור אנרגיה לתאים.)
(ליפידים – lipos שווה שומן) קבוצת תרכובות אורגניות, שאינן מסיסות במים. הליפידים מהווים מרכיב חשוב של קרומים בתא (פוספוליפידים) וכן נמצאים ברקמות אגירה (שומנים ושמנים.).
ובכן, מה מאפיין את התאים השונים?
כל תא מוקף בקרום (ממברנה שווה membrane), התוחם אותו ומפריד בינו לבין סביבתו. הודות למבנה המיוחד ולתכונות המיוחדות של הקרום, שעליהם נלמד בהמשך, נשמר התא כיחידת מבנה ותפקוד.
(קרום תא ממברנה – קרום המקיף את תוכן התא לבין סביבתו, מווסת מעבר של חומרים שונים אל התא וממנו ומקבל אותות מסביבתו; מורכב בעיקר מליפידים, חלבונים וסוכרים. קרומים מקיפים גם אזורים ואברונים בתוך התא. לכל הקרומים בתא יש אותו מבנה בסיסי.)
אם נתבונן מבעד למיקרוסקופ בתאים כלשהם מצמח או מבעל-חיים, יתכן שנבחין במה שהבחינו שוואן ושליידן במאה ה-19: בגרעין, שעשוי לתפוס חלק ניכר מנפח התא.
(גרעין התא (nucleus) אברון בתא איקריוטי המכיל את החומר התורשתי (DNA). תחום במעטפת שבה שני קרומים, המפרידה בינו לבין הציטופלסמה. בגרעין מוכפל ה-DNA וכן מתועתק ל-RNA.)
*25*
התאים בעלי הגרעין שייכים לקבוצת התאים האיקריוטים (ביוונית: eu שווה אמיתי, karyon שווה גרעין, אגוז). לעומת זאת בקבוצת התאים הפרוקריוטים (pro שווה לפני), שבה נכללים החיידקים, אין גרעין מוקף קרום. זהו אחד ההבדלים הבולטים בין שתי קבוצות התאים.
שימו לב: משתמשים במונח "איקריוט" גם כשמתכוונים ליצור הבנוי מתאים איקריוטים.
הבדלים נוספים בין תא חיידק לתא איקריוט ראו בפרק י. על מיון בעולם החי – ראו בנספח 3.
בספר זה נעסוק בעיקר בתא איקריוטי.
(איקריוט – eu) שווה טוב, אמיתי; karyon שווה אגוז, גרעין) יצור (חד-תאי או רב-תאי) שהחומר התורשתי בתאיו נמצא בגרעין עטוף במעטפת. ה-DNA בתא איקריוטי קשור לחלבונים מיוחדים ומאורגן בכרומוזומים בעלי מבנה אופייני. תא
איקריוטי מאופיין במידור; נוסף לגרעין נמצאים בו עוד אברונים עטופים בקרום, כמו מיטוכונדריה, ובתאי צמחים – כלורופלסטים. כן נמצאים בתא רשת תוך-תאית ומבנים קרומיים נוספים. להשוואה: פרוקריוט.)
(פרוקריוט – (pro שווה לפני; karyon שווה אגוז, גרעין) יצור שהחומר התורשתי (DNA) שלו אינו עטוף בקרום גרעין. בתא פרוקריוטי אין אברונים מוקפי קרום כמו מיטוכונדריה וכלורופלסטים. כל החיידקים הם פרוקריוטים. להשוואה: איקריוט.
איפיון נוסף של תאים הוא חילוף חומרים (מטבוליזם) המתרחש בהם: בכל אחד מהתאים מתקיימים באופן רציף ובו בזמן אלפי תהליכים ביוכימיים שונים, כמו נשימה, יצירת חלבונים, פירוק חלבונים ועוד, שבהם חומרים נבנים ומתפרקים.
קיומו של כל אחד מהתהליכים מותנה בקיום תנאים ייחודיים (כמו רמת חומציות, ריכוז חומרים מסוימים), ותנאים אלה לעתים שונים מתהליך אחד למשנהו.
כיצד מתאפשר קיום תנאי סביבה שונים באותו תא עצמו?
תא איקריוטי מתאפיין במידור – קיום מדורים שונים בתא. המידור מאפשר חלוקת עבודה בתוך התא, ומשפר את יעילות התהליכים. המידור מושג הודות לקיומם של אברונים, שהם מבנים תוך-תאיים בעלי תפקוד ייחודי. האברונים המופרדים משאר התא בקרום התוחם אותם, יוצרים "סביבה בתוך סביבה": סביבה בתוך האברון, ובה תנאים ייחודיים השונים מהתנאים מחוץ לאברון.
התהליכים המתרחשים בתוך האברונים ומחוץ להם מתואמים ביניהם, ותיאום זה חיוני לתפקוד התקין של התא כיחידה אחת.
(מידור (בתא) – קיום מדורים בתא האיקריוטי. המדורים שונים בתנאים השוררים בהם (כמו רכוזי חומרים, PH) מידור יוצר הפרדה בין תהליכים מטבוליים שונים בתא, ומתאפשר הודות לקיומם של אברונים תוך-תאיים המוקפים בקרום (לדוגמה מיטוכונדריון וליזוזום).
(אברון (organelle) – מבנה תוך – תאי בעל תפקוד ייחודי באחד מהתהליכים המתרחשים בתא. יש המייחדים את המונח אברון רק למבנים המוקפים בקרום. דוגמה לאברון: כלורופלסט.
יש לחזור ולהדגיש, שעל-אף מבנם הבסיסי המשותף, התאים בעולם החי מגוונים בממדיהם, בצורתם ובתכולתם, ומגוון זה נמצא בהתאמה עם מגוון תפקודיהם של התאים.
באיור ב2 מוצגים זה לצד זה שני תאים איקריוטים: תא "טיפוסי" של צמח ותא "טיפוסי" של בעל-חיים, ובהם מצוינים אברונים שונים. בפרקים הבאים נכיר ביתר פירוט את האברונים ואת התהליכים העיקריים המתרחשים בהם.
*26*
(בספר איור – היעזר במנחה)
איור ב2: בעמוד זה – תא "טיפוסי" של בעל-חיים. בעמוד ממול – תא "טיפוסי" של צמח יחסי הגודל בין המבנים באיור אינם מתאימים בדיוק ליחסי הגודל בתא החי.
איור כזה מלווה בהסברים מפורטים – ראו בעמודים 255-254.
(באיור תא בעל-חיים) קרום התא, מערכת גולג'י, רשת תוך-תאית, ריבוזום, גרעין התא, שלד תוך-תאי, מיטוכונדריון, ציטופלסמה, צנטריול, ליזוזם
*27*
(בספר איור תא של צמח – היעזר במנחה)
דופן, קרום תא, מערכת גולג'י, רשת תוך-תאית, ריבוזום, גרעין התא, שלד תוך-תאי, מיטוכונדריון, ציטופלסמה, חלולית, כלורופלסט
*28*
*28*
מהו טווח הגדלים בעולם החי הסובב אותנו?
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב3 ממדים בעולם החי
התבוננו באיור ב3 והתרשמו מהאורכים היחסיים של הפריטים המוצגים בו. שימו לב שב"סרגל הגודל" המצויר יחידת המידה היא מטר, וההבדל בין שתי שנתות סמוכות הוא פי 10.
חשבו: פי כמה "ארוך" אדם, יחסית לאורך אמבה? ואמבה – יחסית לנגיף? וביצת תרנגולת – יחסית לריבוזום?
(נגיף (וירוס) – חלקיק דמוי-חי, הבנוי מחלבון ומ-DNA או מחלבון ו-RNA, ומתרבה רק בתא חי.)
*29*
באילו יחידות מודדים תאים?
ממדיהם של רוב התאים קטנים בהרבה מ-10 בחזקת מינוס 3 מטר (מילימטר), לפיכך לתיאורם נוח להשתמש ביחידות מידה קטנות יותר. בטבלה ב1 מוצגות יחידות המשמשות למדידת אורכים של גופים קטנים.
טבלה ב1: יחידות למדידות אורך
יחידה, סימול, קידומת, פירוש, כמה יש במטר?
סנטימטר, cm, סנטי, מאית, 100
מילימטר, mm, מילי, אלפית, 1000
מיקרומטר, (העזר במנחה) מיקרו, מיליונית, 1,000,000
ננומטר, nm, ננו, ביליונית, 1,000,000,000
שימו לב שיחידת הייחוס של מידות אורך היא המטר, גם כאשר עוסקים בסדרי-גודל קטנים ממיליונית המטר.
יחידת המידה המתאימה למדידת תאים היא מיקרומטר. (את המילה היוונית "מיקרון הכרנו כבר: פירושה "קטן" או "זעיר", והיא משמשת גם לציון מיליונית של יחידות מידה נוספות, כמו מיקרוגרם ומיקרוליטר. סימול מיליונית הוא על-ידי האות היוונית הנקראת מיו.) (האות לא הועתקה העזר במנחה)
ככל הגופים, גם תאים הם תלת-ממדיים: בעלי אורך, רוחב וגובה.
אורכם של רוב התאים נע בין 5 ל-20 מיקרומטר. בתאים רבים גודל גרעין התא הוא מחצית או רבע מזה (10-5 מיקרומטר). כדי להמחיש לעצמכם את גודלם (או קוטנם) של תאים, תארו לעצמכם שלאורכו של מילימטר אחד אפשר לסדר כ-50 תאים! בין התאים בני גודל כזה נכללים התאים הירוקים שבעלה ובגבעול, תאי השורש ותאי עלי הכותרת של צמחים, וכן גם תאים בעור, במעיים ובאיברים אחרים בגופם של בעלי-חיים. התאים הקטנים ביותר בגוף האדם הם תאי הדם האדומים (קוטרם כ-7 מיקרומטר).
בגופם של בעלי-חיים, כמו גם בצמחים, אפשר למצוא גם תאים גדולים במיוחד:
תא גדול מאוד המוכר לנו נמצא בביצים המוטלות על-ידי עופות וזוחלים, שרוב נפחו הוא חומר תשמורת – חלמון הביצה. (מעניין, "חלבון" הביצה אינו חלק של תא הביצה.)
בין התאים הארוכים בבעלי-חיים נמנים תאי העצב. לתאי עצב הנמצאים במוח השדרה יש שלוחות דקיקות וארוכות, שמגיעות עד קצות האצבעותי אורכן של השלוחות הארוכות ביותר בגוף האדם יכול להגיע למטר, ואף יותר! תארו לעצמכם מה אורכה של שלוחת עצב כזו בגוף של ג'ירף!
*30*
גם בצמחים אפשר למצוא תאים ארוכים: בצמח הכותנה, לדוגמה, יש תאים שאורכם 5-1 סנטימטרים, ויש אף מיני צמחים שבהם יש תאים המגיעים לאורך של חצי מטר! תוכלו להתרשם מטווח הגדלים של תאים כאשר תעיינו בטבלה ב2.
טבלה ב2: ממדים של תאים שונים
סוג התא, מידה ממוצעת, במיקרומטרים
תא מהחלק הפנימי של לחי אדם (אורך), 30-50
תא ביצה של אישה (קוטר), 100
תא זרע של גבר (קוטר הראש), 4
שלוחת תא עצב של אדם (אורך), 1,000,000-1,000
שלוחת תא עצב של אדם (קוטר), 10
החד-תא סנדלית (אורך), 200
חיידק (קוטר), '3-0.1
בין התאים אפשר למצוא צורות שונות. תא עצב הוא דוגמה לתא צר וארוך: שימו לב להבדל בין הקוטר לבין האורך של תא זה!
פינת הפרוקריוט – החיידקים, שהם יצורים הבנויים מתא אחד, (שמבנהו פשוט – לעומת תאי הצמחים ובעלי החיים) הם קטנים במיוחד, וקוטרם בדרך-כלל פחות מרבע מקוטרו של תא דם אדום.
על-אף מגוון הגדלים המוצג בטבלה ב2, רוב התאים בעולם החי אחידים למדי בגודלם, והתאים בגופו של יתוש דומים בגודלם לתאים שבגופו של פיל!
איך אפשר להסביר אחידות יחסית זו?
אחד ההסברים מבוסס על הקשר שבין שטח הפנים של התא לבין נפחו.
- דרך שטח הפנים של התא – למעשה דרך שטח פני הקרום העוטף אותו – מתבצע מעבר מבוקר של חומרים פנימה והחוצה, ודרכו מתנהלים הקשרים של התא עם סביבתו.
- בנפח התא נכלל כל מה שתחום בתוך התא.
אחד הגורמים החשובים לתפקוד תאים הוא היחס שבין שטח הפנים שלהם לנפח שלהם: מאזן תקין בין מעבר חומרים דרך הקרום לבין רמת הפעילות בתא מותנה ביחס מתאים בין שטח פני התא לנפחו.
בדיקת היחס בין שטח לנפח בגופים שונים מגלה שככל שגוף קטן יותר – היחס בין שטח הפנים שלו לבין נפחו גדול יותר.
*31*
נבדוק כיצד שינוי בנפח (ללא שינוי בצורה המרחבית) משפיע על היחס שבין שטח הפנים לנפח. כדוגמה תשמש צורת קובייה שאורכה, רוחבה וגובהה 2 סנטימטרים. נחלק קובייה זו ל-8 קוביות זהות בעלות אורך, רוחב וגובה של סנטימטר אחד.
מהו היחס שבין שטח הפנים לנפח, בקובייה הגדולה ובכל אחת מהקוביות הקטנות?
(בספר איור של שתי קוביות, העזר במנחה)
אורך ורוחב פאה של קובייה
שטח פאה של קובייה
שטח הפנים של קובייה
נפח קובייה
יחס שטח הפנים לנפח
אפשר לראות שנפח הקובייה הקטנה קטן פי 8 (8 חלקי 1) מנפח הקובייה הגדולה, אך שטח פני הקובייה הקטנה קטן רק פי 4 (24 חלקי 6) משטח פני הקובייה הגדולה. בהתאם, היחס בין שטח הפנים לנפח בקובייה הקטנה גדול מיחס זה בקובייה הגדולה פי 2 (6 חלקי 3).
מהו הקשר בין עובדה זו לבין גודלם של התאים?
בתא גדול מאוד עלול להיווצר מצב שבו שטח הפנים יהיה קטן מכדי לקיים כראוי את מעבר החומרים הנדרש בין התא לבין סביבתו. ייתכן שזה הגורם המגביל את גדילתם של רוב התאים: כאשר תא מגיע לגודל סף מסוים – הוא מתחלק.
על-אף האמור, קיימים בטבע תאים בעלי נפח דומה, שלהם שטח פנים גדול במיוחד או קטן במיוחד, ולפיכך יש בהם יחסי שטח-נפח שונים. דוגמה לכך הם תאים במעי: בצד הפונה אל חלל המעי, יש לתאים שלוחות הנראות כעין אצבעות (איור ב4). שלוחות אלה, שדרכן עוברים חומרי המזון או מיצי העיכול, יוצרות שטח פנים גדול ללא הגדלה משמעותית בנפח התא. שטח הפנים הגדול מייעל את מעבר החומרים.
איור ב4 (העזר במנחה): חלק מתא במעי דג
צילום במיקרוסקופ אלקטרונים. הגדלה בערך פי 6,600.
התרשמו מהתרומה של הבליטות להגדלת שטח הפנים של התא.
*32*
*32*
הוק לא היה יכול לגלות את קיומם של תאים בשעם, אלמלא הצליח לבנות מיקרוסקופ. גם הצלחתם של חוקרי התא שבאו אחריו הייתה מותנית במכשור שעמד לרשותם.
ראוי לשים לב לתלות ההדדית ולשילוב ההדוק שבין הטכנולוגיה לבין תגליות וממצאים. קשר זה מוכר לכל אורך התפתחות המחקר: פיתוח טכנולוגיה מביא לתגליות, הללו מעוררות שאלות ,שתשובה עליהן, דורשת,טכנולוגיה מפותחת יותר, וחוזר חלילה. זאת ועוד: לא,אחת,פיתוח טכנולוגיה מסוימת השפיע על כיוון המחקר ואף התווה את כיוונו.
נסו למצוא דוגמאות משטחי מדע שונים, לתלות שבין תגלית לבין הטכנולוגיה הקשורה בה.
דוגמה הדומה להתקדמות חקר התא הודות לפיתוח טכנולוגי מצויה בתחום האסטרונומיה: פיתוחם של טלסקופים משוכללים הביא לגילוי כוכבים שלא היו מוכרים קודם לכן.
שכלול מיקרוסקופ האור כך שיגדיל פי 1,000 ופיתוח מכשור ושיטות להסתכלות בתאים חיים הביאו לצבירת ידע רב על אודות התא. אולם בגלל מגבלות פיזיקליות הקשורות באורכי הגל של האור הנראה, גם מיקרוסקופ האור המודרני (איור ב5) אינו יכול לחשוף את כל פרטי המבנה העדינים של התאים.
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב5: מיקרוסקופ אור
חלקי המיקרוסקופ:
1. עינית (אוקולר)
2. זרוע
3. תוף העדשות
4. עצמית (אובייקטיב)
5. שולחן המיקרוסקופ
6. צמצם
7. בורג כיוונון גס
8. בורג כיוונון עדין
9. מנורה
10. בסיס
*33*
בשנות השלושים של המאה ה-20 פותח מיקרוסקופ האלקטרונים (איור ב6). במיקרוסקופ זה קרן אלקטרונים ממלאה את מקום קרן האור במיקרוסקופ האור, והודות לכך כושר ההגדלה מגיע עד פי מיליון!
בעזרת מיקרוסקופ האלקטרונים ניתן לראות מבנים זעירים בתוך התא ואף מולקולות גדולות (בגודל של כ-0.5 ננומטר, ראו טבלה ב1).
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב6: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר
ומה באשר למבנה התלת-ממדי של התאים? במיקרוסקופ אלקטרונים "רגיל" אפשר להסתכל רק בפרוסות דקות מאוד, היות שקרן האלקטרונים עוברת דרך. החומר הנבדק. לפיכך הוא נקרא גם מיקרוסקופ אלקטרונים חודר. לעומת זאת במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (איור ב7) הקרן "מטיילת" על-פני החומר הנבדק, וכך אפשר להבחין במבנה התלת-ממדי של שטח הפנים שלו.
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב7: מיקרוסקופ אלקטרונים סורק
התבוננו בתצלומים שלהלן, והבחינו בתלת-ממדיות של התאים: (בספר תצלומים העזר במנחה)
איור ב8: צילומים של תאים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק ימין – גרגרי אבקה (ממערכת הרבייה הזכרית של צמחים), הגדלה בערך פי 1,500
שמאל – תאי דם אדומים של אדם, הגדלה בערך פי 1,600, התאים נראים כדסקיות עם שקעים במרכזן.
*34*
אחת המגבלות בחקר תאים בעזרת מיקרוסקופ היא שעל-פי-רוב הכנת התאים לצורך ההסתכלות במיקרוסקופ גורמת למותם. לכן במקרים רבים אין אפשרות לעקוב אחר תנועת תאים ופעילותם. יתר על-כן קיים גם חשש שבתהליך הכנת התאים להסתכלות יינזק המבנה העדין שלהם, והתמונה שתיראה תהיה שונה מהקיים בתאים החיים.
הרחבה
כאמור בעזרת מיקרוסקופים אפשר להכיר את מבנה התא, את מבנם של אברונים שונים בתוך התא ואפילו את צורתן של מולקולות גדולות בתא. אולם לצורך הבנתם של תהליכים בתוך התא ולשם היכרות עם תכונותיהן של מולקולות שונות בתאים, דרושות שיטות מחקר נוספות המאפשרות, כל אחת בנפרד ובשילוב ביניהן, "לחדור לנבכי התא".
כל תא הוא יחידה קטנה ומורכבת מאוד; בעולם החי קיימים טיפוסי תאים רבים ושונים זה מזה. כדי לעקוב אחר תגובות ותהליכים המתרחשים בתא מטיפוס כלשהו, דרוש מספר רב,של תאים זהים ונדרשת הפרדה בין מרכיבים שונים בתאים אלה. ואכן, במהלך השנים פותחו שיטות שונות הן לריבוי תאים והן להפרדה בין מרכיבי תא.
גידול תאים בתרבית – אחת מפריצות הדרך במחקר הביולוגי הייתה האפשרות לגדל תאים בתנאי מעבדה: התברר שטיפוסי תאים רבים, הן של בעלי-חיים והן של צמחים, יכולים לחיות, להתרבות ולעתים אף לבטא את תכונותיהם הייחודיות, גם כאשר מגדלים אותם מחוץ לגוף – אם נותנים להם תנאים מתאימים. התנאים הנדרשים לשם גידול תרבית תאים משתנים בהתאם לטיפוס התאים: לגידול תרבית של תאי צמחים נדרשים תנאים שונים מהנדרש לגידול תאי בעלי-חיים, ותנאי הגידול של תאי דם שונים מאלה של תאי שריר אך תמיד התנאים כוללים הספקת חומרי מזון, פיקוח על טמפרטורה, על רמת חומציות ועל ריכוז חמצן ופחמן דו-חמצני בתמיסת הגידול.
כיום משתמשים לצורכי מחקר בתרביות תאים ממקורות שונים, החל מרקמות עובריות וכלה ברקמות של יצור בוגר או ברקמות סרטניות.
(תרבית תאים – גידול תאים של אורגניזמים במעבדה, בתנאים מבוקרים.)
כפי שהזכרנו, במקרים רבים תאים בתרבית שומרים על התכונות הייחודיות של רקמת המוצא, עובדה המאפשרת להשתמש בתרביות לחקר תכונות אלה. כך, לדוגמה, תאים הנלקחים משריר עוברי יכולים ליצור בתרבית תאים מתכווצים – בדומה להתכווצות תאי שריר בגוף, ותאי עצב הגדלים בתרבית שולחים שלוחות היוצרות קשרים עם תאי עצב סמוכים – בדומה לקשרים הנוצרים בגוף השלם.
*35*
בתרביות כאלה ניתן לעקוב אחרי שלבים של תהליכים, לבצע מדידות כמותיות של מרכיבים שונים וכן לערוך ניסויים, כמו אלה הבודקים כיצד מושפעים התאים מהוספה או מהחסרה של חומרים ייחודיים.
הפרדה בין מרכיבי תא – במהלך השנים פותחו שיטות לפירוק תאים ולהפרדה בין המרכיבים השונים שבהם. בשיטות אלה אפשר לשמור על המבנים והתפקודים של המרכיבים שהופרדו.
אחת משיטות ההפרדה בין חלקי תא השונים בגודלם, במשקלם ובצפיפותם בתהליך של סרכוז (או צנטריפוגציה.)
(סרכוז (צנטריפוגציה) שיטה להשקעת מרכיבים של תערובת נוזלית תוך-כדי סיבוב סביב ציר מרכזי. שיטה זו משמשת להפרדה בין המרכיבים על-פי משקלם, גודלם או צפיפותם. המכשיר שבו נעשה הסרכוז נקרא צנטריפוגה.)
בשיטה זו מוכנסת מבחנה ובה תערובת תאים מפורקים למכשיר הנקרא צנטריפוגה (איור ב9). מכשיר זה מסובב את המבחנות סביב ציר מרכזי ובמהלך הסיבוב שוקעים המרכיבים במבחנה. זוהי פעולת הסרכוז.
כדי להכיר את העיקרון של שיטה זו, נסו לבדוק מה יקרה אם תכניסו מים לדלי, ותוסבבו את הדלי במהירות רבה בידיים מושטות.
המים "יידחפו" לקרקעית הדלי, הרחק מציר הסיבוב.
על עיקרון זה מבוססת שיטת הסרכוז
(בספר איור העזר במנחה)
איור ב9: סרכוז בצנטריפוגה
שמאל – צנטריפוגה, (באיור) מקום להכנסת מבחנה, "ראש מסתובב", כפתורים לוויסות מהירות הסיבוב. ימין – תרשים המתאר את המתרחש במבחנות: א. בתחילת הסרכוז – פיזור אחיד של המרכיבים בנוזל שבמבחנה ב. בתום הסרכוז – המרכיבים הכבדים שקעו לתחתית המבחנה
בצנטרפוגה אפשר לשלוט במהירות הסיבוב של המבחנות ולשנותה לפי הצורך, כך שתכולת המבחנות תיפרד למרכיביה באופן מבוקר, ולא כגוש אחד: מרכיבים גדולים (כמו גרעין התא) שוקעים לתחתית המבחנות כבר במהירות סיבוב שאינה גבוהה במיוחד, ואילו לצורך השקעתם של מרכיבים קטנים נדרשת מהירות סיבוב גבוהה יותר. באמצעות כמה מחזורי סרכוז והפרדה בין המשקע לנוזל, או בדרכים מתוחכמות יותר, ניתן להפריד בין מרכיבי התא השונים ולחקור כל אחד מהם בנפרד.
סוף כרך ראשון