4.1 細胞の研究
このセクションを読み終える頃には、あなたは次のことができるようになるでしょう。
- 生物における細胞の役割を説明できる。
- 光学顕微鏡と電子顕微鏡を比較対照できる。
- 細胞説を要約できる。
細胞は、生物の最小単位です。細菌のように一つの細胞で構成されている生物も、人間のように多くの細胞で構成されている生物も、私たちはそれを個体 (organism) と呼びます。したがって、細胞はすべての生物の基本的な構成要素なのです。
同じ種類の細胞がいくつか互いに連結し、共通の機能を果たすことで組織 (tissue) を形成します。これらの組織が組み合わさって器官 (organ)（あなたの胃、心臓、脳など）を形成し、いくつかの器官が器官系 (organ system)（消化器系、循環器系、神経系など）を構成します。そして、いくつかのシステムが連携して機能することで、個体（人間など）が形成されます。ここでは、細胞の構造と機能について詳しく見ていきましょう。
細胞には多くの種類があり、科学者はそれらを原核細胞 (prokaryotic cell) と真核細胞 (eukaryotic cell) という2つの大きなカテゴリーに分類します。たとえば、動物細胞と植物細胞はどちらも真核細胞に分類されますが、細菌細胞は原核細胞に分類されます。細胞が原核細胞か真核細胞かを決定する基準について議論する前に、まず生物学者がどのように細胞を研究するかを見てみましょう。
顕微鏡
細胞の大きさはさまざまです。ごく一部の例外を除いて、個々の細胞を肉眼で見ることはできません。そのため、科学者は顕微鏡 (microscope)（micro- = “小さい”; -scope = “見る”）を使って細胞を研究します。顕微鏡は物体を拡大する装置です。ほとんどの細胞は顕微鏡で撮影されるため、これらの画像を顕微鏡写真 (micrograph) と呼ぶことができます。
顕微鏡のレンズの光学系は、使用者が目にする像の向きを変えます。顕微鏡のスライド上で正立し右を向いている標本は、顕微鏡を通して見ると上下逆さまになり左を向いているように見え、その逆もまた同様です。同様に、顕微鏡を覗きながらスライドを左に動かすと右に動いているように見え、下に動かすと上に動いているように見えます。これは、顕微鏡が2組のレンズを使って像を拡大するためです。光がレンズを通過する方法のため、この2レンズシステムは倒立像を生成します（双眼顕微鏡または解剖顕微鏡も同様に機能しますが、最終像が正立して見えるようにする追加の倍率システムが含まれています）。
光学顕微鏡
細胞の大きさを実感していただきましょう。典型的なヒトの赤血球は直径約800万分の1メートル、つまり8マイクロメートル（8 μmと略記）です。ピンの頭は約1000分の2メートル（2 mm）の直径です。つまり、ピンの頭には約250個の赤血球が収まることになります。
ほとんどの学生用顕微鏡は光学顕微鏡 (light microscope) です（図4.2a）。可視光がレンズシステムを通過して曲がり、使用者が標本を見ることができるようになります。光学顕微鏡は生きた生物を観察するのに有利ですが、個々の細胞は一般的に透明であるため、特殊な染色液 (stain) で色付けしない限り、その構成要素を区別することはできません。しかし、染色すると通常、細胞は死んでしまいます。
学部生が実験室で一般的に使用する光学顕微鏡は、約400倍まで拡大できます。顕微鏡検査で重要な2つのパラメータは、倍率 (magnification) と分解能 (resolving power) です。倍率とは、物体の見た目を拡大するプロセスです。分解能とは、隣接する2つの構造を別個のものとして区別する顕微鏡の能力のことです。分解能が高いほど、画像の鮮明さと詳細が向上します。小さな物体を研究するために油浸レンズ (oil immersion lens)（対物レンズとカバーガラスの間に特殊な油を満たして使用するレンズで、光の屈折を減らし分解能を高める）を使用する場合、倍率は通常1,000倍に増加します。細胞の構造と機能をよりよく理解するために、科学者は通常、電子顕微鏡を使用します。
電子顕微鏡
光学顕微鏡とは対照的に、電子顕微鏡 (electron microscope)（図4.2b）は光線ではなく電子線を使用します。これにより、より高い倍率、したがってより詳細な観察が可能になるだけでなく（図4.3）、より高い分解能も提供されます。電子顕微鏡で観察するために標本を準備する方法は、標本を殺してしまいます。電子は短い波長（光子よりも短い）を持ち、真空中を最もよく移動するため、生きた細胞を電子顕微鏡で観察することはできません。
走査型電子顕微鏡 (scanning electron microscope, SEM) では、電子線が細胞の表面を前後に移動し、細胞表面の特徴の詳細な画像を作成します。透過型電子顕微鏡 (transmission electron microscope, TEM) では、電子線が細胞を透過し、細胞の内部構造の詳細を提供します。ご想像のとおり、電子顕微鏡は光学顕微鏡よりもかなり大きく、高価です。
学びへのリンク
細胞の大きさに関する別の視点については、このサイト () のHowBigインタラクティブを試してみてください。
細胞説
今日私たちが使用している顕微鏡は、1600年代にオランダの店主アントニ・ファン・レーウェンフック (Antony van Leeuwenhoek) が使用したものよりもはるかに複雑です。レンズ作りに長けていたレーウェンフックは、単細胞生物の動きを観察し、それらを総称して「アニマルクル（微小動物）」と名付けました。
1665年の出版物『ミクログラフィア』の中で、実験科学者のロバート・フック (Robert Hooke) は、レンズを通してコルク組織を観察したときに見えた箱のような構造に対して「細胞」という用語を作り出しました。1670年代に、レーウェンフックは細菌と原生動物を発見しました。その後のレンズ、顕微鏡構造、染色技術の進歩により、他の科学者は細胞内部のいくつかの構成要素を見ることができるようになりました。
1830年代後半までに、植物学者のマティアス・シュライデン (Matthias Schleiden) と動物学者のテオドール・シュワン (Theodor Schwann) は組織を研究し、統一細胞説 (unified cell theory) を提唱しました。これは、すべての生物は一つ以上の細胞で構成されており、細胞は生命の基本単位であり、新しい細胞は既存の細胞から生じる、というものです。ルドルフ・フィルヒョウ (Rudolf Virchow) は後にこの理論に重要な貢献をしました。
キャリアコネクション
細胞検査士
パップスミア（図4.4）という医学検査について聞いたことがありますか？この検査では、医師が患者の子宮頸部から細胞の小さなサンプルを採取し、それを医学研究所に送ります。そこで細胞検査士が細胞を染色し、子宮頸がんや微生物感染を示す可能性のある変化がないか調べます。
細胞検査士（cyto- = “細胞”）は、顕微鏡検査やその他の臨床検査を通じて細胞を研究する専門家です。彼らは、どの細胞変化が正常範囲内であり、どれが異常であるかを判断するように訓練されています。彼らの焦点は子宮頸部細胞に限定されません。彼らはすべての器官から来る細胞検体を研究します。異常に気づくと、彼らは病理医、つまり体組織や体液の病気によって引き起こされる変化を解釈し診断する医師に相談します。
細胞検査士は人々の命を救う上で重要な役割を果たします。医師が異常を早期に発見すれば、患者の治療をより早く始めることができ、それは通常、成功する可能性を高めます。
4.1 Glossary
- Cell: 細胞
- Electron microscope: 電子顕微鏡 (Scanning electron microscope (SEM): 走査型電子顕微鏡, Transmission electron microscope (TEM): 透過型電子顕微鏡)
- Epithelial cell: 上皮細胞
- Eukaryotic cell: 真核細胞
- Immune system cell: 免疫系細胞
- Light microscope: 光学顕微鏡
- Magnification: 倍率
- Micrograph: 顕微鏡写真
- Microscope: 顕微鏡
- Oil immersion lens: 油浸レンズ
- Organ: 器官
- Organ system: 器官系
- Organism: 個体
- Prokaryotic cell: 原核細胞
- Resolving power: 分解能
- Stain: 染色液
- Tissue: 組織
- Unified cell theory: 統一細胞説
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