Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Automatizovaná analýza textů nebo dat ve smyslu čl. 4 směrnice 2019/790/EU a použití této knihy k trénování AI jsou bez souhlasu nositele práv zakázány.

RNDr. Eduard Kočárek, Ph.D.
Ústav biologie a lékařské genetiky 2. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Fakultní nemocnice v Motole, Praha

BIOLOGIE
pro studenty lékařských fakult a zdravotnických oborů

Recenze:
Mgr. et Mgr. Marek Vácha, Ph.D.

Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s.

© Grada Publishing, a.s., 2025
Cover Photo © depositphotos.com, 2025
© RNDr. Eduard Kočárek, Ph.D., 2025 – obrázky kromě níže uvedených
© MUDr. Jiří Uhlík, Ph.D., 2025 – obrázky 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.12, 6.7, 7.1 až 7.5, 8.1 až 8.4, 32.1, 32.5 a 37.7

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
jako svou 10 286. publikaci
Odpovědná redaktorka Bc. Gabriela Glezgová
Sazba a zlom Jan Šístek
Obrázek 4.8 Mgr. Daniel Vondrák, Ph.D., obr. 26.4 a 27.4 poskytla RNDr. Šárka Bendová, Ph.D., obr. 42.4 poskytl Mgr. Petr Lonský, obrázky 44.16, 44.18 a 61.4 poskytla doc. RNDr. Zuzana Zemanová, CSc.
Počet stran 952
1. vydání, Praha 2025

Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod a.s.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků, což není zvláštním způsobem vyznačeno.

Postupy a příklady v této knize, rovněž tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlepším vědomím autorů. Z jejich praktického uplatnění však pro autory ani pro nakladatelství nevyplývají žádné právní důsledky.

ISBN 978-80-271-8264-0 (ePub)
ISBN 978-80-271-8263-3 (pdf)
ISBN 978-80-271-3036-8 (print)

Knihu věnuji všem maminkám a tatínkům, jiným rodinným příslušníkům i ostatním lidským bytostem se srdcem na dlani, které pečují o děti se závažným genetickým postižením.

Předmluva

K výzkumu skutečností lékařských jest přírodovědecký výcvik vysoké ceny přípravné. Jím lékař učí se cvičiti smysly, zostřovati jich a včas vyzbrojovati, vyhledávati znaky rozpoznávací, a to, co k sobě patří a snad i souvisí, dobře rovnati a ukládati. Vliv methody přírodovědecké viděti jest z děl vynikajících lékařů. Ne darmo řekl Rokitanský1 v mottu svém: Der Adel der Heilkunde ist dieser, dass sie einer Tochter der Naturwissenschaft ist.2

BOHUSLAV RAÝMAN (1852–1910), český organický chemik a biochemik

I když úryvek z díla BOHUSLAVA RAÝMANA, dnes neprávem pozapomenutého českého vědce světového formátu, působí poněkud archaicky, ani v současné době neztratilo jeho poselství nic ze své platnosti. Mnoho studentů přicházejících každým rokem na lékařské fakulty pokládá tzv. teoretické obory, k nimž patří i biologie, za zbytečnou a nepotřebnou brzdu, která jim brání v rozletu k té „pravé a nefalšované“ medicíně. Teprve v průběhu studií klinických disciplín si mnozí z nich uvědomí, jak potřebná je k pochopení činnosti lidského těla i k objasnění vzniku a léčby nemocí právě ona zdánlivě „zbytečná“ teorie, kterou se učili na počátku studia. O významu přírodních věd pro rozvoj lékařského myšlení píše velmi výstižně ve své stati i B. RAÝMAN.

Publikace, kterou držíte v ruce, se snaží přesvědčit budoucí lékaře i ostatní pracovníky ve zdravotnictví o důležitosti biologických poznatků pro studium medicínských oborů. Je určena nejen pro budoucí doktory medicíny, ale také pro farmaceuty, fyzioterapeuty, zdravotní laboranty, zdravotní sestry, optometry, radiologické laboranty a další. Věřím také, že si k této knize najdou cestu i někteří studenti přírodovědeckých fakult a studenti biochemie, bioinženýrství a bioinformatiky na vysokých školách technického zaměření. Další významnou „cílovou skupinou“ jsou středoškolští studenti, kteří mají hlubší zájem o biologii a rádi by se biologickým, lékařským či jiným zdravotnickým oborům věnovali i na vysoké škole. Kniha by jim měla také napomoci při kvalitní přípravě na přijímací zkoušky z biologie.

Při psaní publikace jsem vycházel především ze svých přednášek pro studenty bakalářských oborů a také z úvodních přednášek věnovaných buněčné a lékařské biologii pro studenty medicíny na 2. lékařské fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Třebaže text knihy předpokládá základní znalost středoškolské biologie a chemie, řada důležitějších témat je zde probrána téměř od základů.

Jsem si vědom toho, že text může některým čtenářům připadat jako maximalistický, jiným čtenářům s hlubším zájmem o věc bude naopak chybět detailní rozpracování některých témat. Těžko lze však vyhovět každému. Pokusil jsem se o široký tematický záběr a především o návaznost na některé pasáže středoškolské biologie. Snažil jsem se také upozornit na různé aspekty probírané látky, tedy i takové, které již leží mimo lékařskou biologii v jejím klasickém pojetí. Je třeba si uvědomit, že bez viru tabákové mozaiky, bakteriofágů, bakterií, kvasinek, plísní, rostliny huseníčku, much octomilek, myší a mnoha dalších zdánlivě „nemedicínských“ objektů bychom jen těžko pochopili procesy, které se odehrávají v lidských buňkách, orgánech a tkáních. Jsem navíc přesvědčen, že širší uchopení biologických témat by mělo napomoci ke splnění dalšího úkolu, který si tato kniha klade. Tím není nic menšího než se naučit žasnout nad životem. Domnívám se, že právě onen úžas z poznání života v jeho neobyčejné pestrosti a složitosti a s tím úzce související uvědomění si nesamozřejmosti lidské existence patří k základním pilířům zdravotnické etiky.

Publikace se snaží shrnout převážnou část látky tvořící základy lékařské biologie. S ohledem na aktuální situaci jsem však některým tématům věnoval větší pozornost (např. molekulární genetice, parazitismu a biologii virů). Některá témata jsem naopak z různých důvodů zredukoval, vypustil nebo rozptýlil ve více kapitolách. Tak např. problematika evoluce není pojednána odděleně, ale pasáže věnované evoluci najdeme v různých kapitolách, vždy uvedené do souvislosti s probíranou látkou. Stejně tak je v různých kapitolách věnován dostatečný prostor historii a etice, a proto nepovažuji za účelné zpracovávat specializované kapitoly na stejné téma. Po úvaze jsem vyřadil většinu textů týkající se ontogeneze, stárnutí a kmenových buněk. Předpokládám, že kapitoly o těchto a mnoha dalších tématech souvisejících s medicínou se stanou náplní jiné publikace, jejímž ústřední tématem bude lidský organismus ve zdraví a v nemoci.

Aby bylo možné s textem lépe pracovat, jsou jeho jednotlivé části odlišeny dvěma typy písma. Pasáže obsahující základní poznatky, doporučené k zapamatování, jsou tištěny obyčejným písmem. Jde o texty určené zejména pro středoškoláky a pro studenty bakalářských oborů.

Naproti tomu oddíly obsahující rozšiřující učivo a zajímavosti jsou tištěny kurzívou. Věřím, že tyto pasáže ocení především studenti medicíny a odborné biologie. Pro ně by měla tato kniha sloužit nejen jako úvod do studia, ale i jako inspirace k tomu, aby si dohledali další poznatky ve specializovaných publikacích.

Říká se, že každá učebnice biologie je v době vydání již zastaralá. Nárůst poznatků z biologie v posledních desetiletích je skutečně překotný, až dramatický. Uvědomuji si to velmi dobře každým rokem při přípravě či aktualizaci přednášek a cvičení a snad ještě intenzivněji jsem to pocítil při psaní této knihy. I když jsem se snažil o maximální aktuálnost všech poznatků, nemohu vyloučit, že některé zde uvedené údaje budou zastaralé ve chvíli, kdy se tato publikace objeví na pultech knihkupců. Takový už bývá osud učebnic. Budu proto vděčen každému čtenáři za jakékoli připomínky a náměty ke zkvalitnění textu po odborné i formální stránce.

Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří mi jakkoli napomohli ke zpracování této knihy. Děkuji MUDr. Jiřímu Uhlíkovi, Ph.D. z 2. lékařské fakulty UK, doc. RNDr. Zuzaně Zemanové, CSc. z Všeobecné fakultní nemocnice v Praze a RNDr. Šárce Bendové, Ph.D. z 2. lékařské fakulty UK i několika dalším kolegům za poskytnutí kvalitních obrázků. Za podnětnou recenzi jsem vděčný Mgr. et Mgr. Marku Váchovi, Ph.D. ze 3. lékařské fakulty UK. Mé díky patří také všem kolegyním a kolegům z Ústavu biologie a lékařské genetiky 2. LF UK a FN Motol, jakož i mnohým našim studentům, bez jejichž chytrých a zajímavých námětů by byl tento text v mnohém ochuzen. Za čas, trpělivost, vstřícnost i pomoc děkuji paním redaktorkám z nakladatelství GRADA Publishing. V neposlední řadě zůstávám velice vděčen mojí mamince Mgr. Věře Kočárkové a mojí manželce Mgr. Silvii Kočárkové, DiS., které mě nejen všestranně podpořily při psaní textů, ale také jejich podstatnou část přečetly a upozornily mě na nejeden prohřešek vůči stylistice i jazyku českému. Na závěr si neodpustím ještě jedny jmenovité díky, a to mému již nežijícímu otci RNDr. Eduardovi Kočárkovi, CSc., který ve mně vzbudil zájem o psaní učebnic a předal mi mnoho ze svých zkušeností.

Přeji všem čtenářům hodně radosti z poznávání fascinujícího světa biologie, plného tajemství, překvapivých paradoxů i netušených objevů.

Quod bonum, felix, faustum, fortunatumque sit.3

Eduard Kočárek

Ve Statenicích u Prahy, dne 26. září 2023 na svátek svatých Kosmy a Damiána, patronů všech lékařů, ranhojičů a dalších zdravotnických profesí

1 KARL VON ROKITANSKY (1804–1878) byl významný česko-rakouský lékař, spoluzakladatel patologické anatomie. Překlad jeho citovaného výroku zní: Ušlechtilost medicíny je v tom, že je dcerou přírodovědy.

2 RAÝMAN B. Přírodozpytec a otázky dne. Praha: Český čtenář 1913; 137.

3 Kéž je to k dobru, zdaru, štěstí a požehnání.

1Typické znaky živých organismů

Není jiného zasvěcení v mystérium krásy nežli život.4

OTOKAR BŘEZINA (1868–1929), český básník a spisovatel

1.1Hledání života

Snad každý z nás si někdy položil otázku: „Co je život?“ Mnozí myslitelé a badatelé vynaložili značné úsilí, aby třeba jen zčásti rozluštili tento zapeklitý problém. Např. český biolog VLADIMÍR ÚLEHLA (1888–1947) sepsal na toto téma dvoudílný spis nazvaný Zamyšlení nad životem a čítající dohromady 676 stran. Citát v úvodu kapitoly ukazuje, že tato otázka jitřila také fantazii básníků a spisovatelů. K problému definice života se vyjádřilo mnoho dalších vynikajících mozků. Je samozřejmé, že úkolem této učebnice není podat ucelený přehled všech těchto názorů. Nebude však na škodu, když se i my zamyslíme nad tím, co mají živé systémy společného. Jistě nebude v našich silách uvést na následujících řádcích vyčerpávající odpověď tuto otázku. Mnohé horizonty nám zůstanou utajeny a nepovšimnuty už proto, že text, který nyní držíte v ruce, není spisem filozofickým ani dílem uměleckým. Není ale na škodu připomenout alespoň některá, typicky biologická kritéria, podle nichž je možné konkrétní organismus označit adjektivem „živý“.

1.2Znaky, vlastnosti a projevy živých organismů

Navzdory značné rozdílnosti vykazují všechny živé organismy některé společné znaky, které můžeme rovněž označit jako základní znaky života. Patří k nim zejména:

1.Specifické látkové složení. Těla živých organismů jsou tvořena převážně organickými sloučeninami, jejichž základními stavebními kameny jsou atomy tzv. biogenních prvků. Nejvýznamnějšími biogenními prvky jsou uhlík, kyslík, vodík, dusík, síra a fosfor. První čtyři z těchto prvků, resp. jejich sloučeniny, tvoří dohromady 96,5 % hmotnosti lidského těla. K dalším takovým makrobiogenním prvkům patří sodík, draslík, vápník, hořčík, železo a chlór. V menším množství nacházíme v tělech živých organismů také tzv. mikrobiogenní prvky, např. měď, zinek, mangan, molybden, chrom, kobalt, bór, fluor, jód, selen, křemík, vanad a cín. Mikrobiogenní prvky jsou nezbytné pro správnou funkci některých bílkovin (např. zinek je součástí tzv. proteinů zinkových prstů) anebo jsou součástí jiných biologicky významných molekul (např. selen je součástí aminokyseliny selenocysteinu, kobalt je součástí vitaminu B12, jód je součástí hormonů štítné žlázy). Stejné prvky jsou však ve vyšší koncentraci pro organismus většinou toxické.

Z chemických sloučenin tvoří převážnou část (až 70 % hmotnosti) živých těl voda (H2O). Na fyzikálních a chemických vlastnostech vody jsou závislé všechny živé organismy. S ohledem na polární kovalentní vazbu mezi kyslíkem a vodíkem je voda polárním rozpouštědlem, v němž se dobře rozpouštějí všechny látky označované jako hydrofilní. Mezi tyto sloučeniny patří zejména molekuly s iontovou vazbou, které se při rozpouštění štěpí neboli disociují na ionty (proto jsou jejich roztoky elektricky vodivé). Příkladem je chlorid sodný, který ve vodě disociuje podle rovnice:

NaCl → Na+ + Cl–

Ve vodě se však rozpouštějí i mnohé látky s polárními kovalentními vazbami. Jejich molekuly jsou v roztoku obklopeny molekulami vody, avšak zachovávají si svoji chemickou strukturu a neštěpí se na ionty. Proto jsou jejich roztoky elektricky nevodivé. Příkladem je močovina [CO(NH2)2] anebo glukóza (C6H12O6).

Existují však také látky hydrofobní, jejichž molekuly obsahují převážný podíl nepolárních vazeb, a proto k nim molekuly vody nejsou přitahovány. Tyto sloučeniny jsou ve vodě nerozpustné. Patří k nim např. většina tuků a olejů.

U větších molekul, jakými jsou např. bílkoviny, nukleové kyseliny nebo fosfolipidy (viz dále), existují úseky, které jsou hydrofobní, a jiné úseky, které jsou naopak hydrofilní. Zatímco mezi hydrofilními úseky a molekulami vody dochází k četným interakcím, u hydrofobních domén k vazbě na molekuly vody nedochází. Podle toho zaujímají velké molekuly ve vodných roztocích charakteristické prostorové uspořádání.

Na druhém místě co do početnosti nacházíme v živých organismech organické látky. Pod tímto pojmem rozumíme všechny sloučeniny, jejichž strukturu lze odvodit od uhlovodíků. Jak napovídá název, jde o látky tvořené atomy uhlíku a vodíku, přičemž uhlíkové atomy jsou čtyřvazné a mohou se navzájem spojovat anebo mohou na ně být napojeny atomy vodíkové. Nejjednodušším uhlovodíkem je methan (CH4). O jeden atom uhlíku více obsahuje ethan (C2H6) (obr. 1.1). Molekuly uhlovodíků však mohou tvořit mnohem delší, v některých případech dokonce rozvětvené řetězce, popř. kruhové neboli cyklické molekuly. K uhlovodíkům s cyklickou molekulou patří např. cyklopentan (C5H10) nebo benzen (C6H6) (obr. 1.2).

Obr. 1.1 Zjednodušené modely molekul methanu a ethanu

Obr. 1.2 Strukturní vzorce cyklických uhlovodíků cyklopentanu a benzenu

Volné uhlovodíky však v živých systémech nacházíme jen vzácně. Daleko častěji se zde vyskytují deriváty uhlovodíků, v jejichž molekulách jsou vodíkové atomy nahrazeny jinými chemickými skupinami. Vzácností nejsou ani sloučeniny obsahující v základních řetězcích či v kruhových molekulách tzv. heteroatomy, tj. jiné atomy než uhlík (např. kyslík, dusík nebo síru). K tzv. heterocyklickým sloučeninám patří např. furan, od něhož jsou odvozeny některé cukry, a pyrimidin, od něhož jsou odvozeny některé dusíkaté báze, které jsou základními složkami nukleových kyselin (obr. 1.3).

Obr. 1.3 Strukturní vzorce heterocyklických sloučenin furanu a pyrimidinu

K organickým sloučeninám, které hojně nacházíme v tělech živých organismů, patří zejména sacharidy (cukry), mastné kyseliny, lipidy, aminokyseliny, bílkoviny (neboli proteiny) a nukleové kyseliny. Mnohé z těchto látek (např. bílkoviny a nukleové kyseliny) mají charakter polymerů. Znamená to, že vytvářejí velmi rozměrné molekuly (tzv. makromolekuly) tvořené velkým počtem základních chemických jednotek, tzv. monomerů. Tak např. molekuly bílkovin vznikají spojením velkého počtu aminokyselin (viz oddíl 19.3) a molekuly nukleových kyselin jsou tvořeny mnoha nukleotidy (viz oddíly 13.1 a 18.1).

Tato pasáž představuje pouze stručný úvod do problematiky či spíše připomenutí některých základních pojmů. Zájemce o bližší charakteristiku jednotlivých molekul odkazuji na specializované učebnice organické chemie a biochemie.

2.Uspořádanost, strukturovanost a organizovanost živých systémů. Každý živý jedinec i jednotlivé části jeho těla mají svoji nezaměnitelnou, často velmi komplikovanou stavbu. Říkáme, že živé systémy mají vysokou uspořádanost. S jistými výhradami lze říci, že mají nízkou entropii.5 Tuto fascinující uspořádanost, resp. strukturovanost, lze dobře pozorovat již na úrovni molekulární (specifické utváření jednotlivých molekul a molekulových komplexů), ale i na vyšších stupních organizace: tj. na úrovni buněčné, tkáňové, orgánové atd. (viz oddíl 1.3). Podle některých definic je právě existence buněk tím základním kritériem, které odlišuje živé organismy od neživých systémů.

Problém s uspořádaností živých systémů výstižně, byť poněkud netradičně komentuje australsko-izraelský biochemik ADDY PROSS (*1945) ve své knize příznačně nazvané „Co je život?“: „Abychom podstatu problému vyjádřili co nejjednodušeji, podívejme se na následující hypotetický příběh: Jdete po poli a zničehonic narazíte na ledničku – plně funkční lednička na poli, v níž je navíc několik dokonale vychlazených lahví piva. Jak by ale mohla lednice fungovat uprostřed pole? Očividně není připojena k žádnému vnějšímu zdroji energie, a přesto zůstává uvnitř chladná. […] Podíváte se blíže a všimnete si, že má na vrchní straně solární panel připojený k baterii, jež udržuje v chodu kompresor, který ke svému fungování potřebují všechny ledničky. Takže záhada, jak lednice funguje, je vyřešena. Lednička zachytává sluneční energii pomocí fotovoltaického panelu. Zdrojem energie, která ji udržuje v chodu, je Slunce, jež umožňuje přečerpávat teplo z chladného prostředí do horkého – v opačném směru, než jak tomu je u tepelného toku běžně. […] Ovšem záhada, jak se lednice dostala doprostřed pole, zůstává. Kdo ji tam dal? A proč? Když vám teď řeknu, že tu ledničku tam nikdo nedal – že k tomu došlo spontánně pomocí přírodních sil, nebudete mi ani trochu věřit.“6 Tolik citace, jejímž úkolem není podat hotovou odpověď na uvedené otázky, ale pouze poukázat na složitost této problematiky. Konečně, k otázce uspořádanosti biologických systémů se ještě vrací odstavec věnovaný metabolismu (viz níže).

3.Dráždivost (iritabilita) a přizpůsobivost (adaptabilita), tj. schopnost živých systémů aktivně reagovat na podněty z okolního prostředí, popř. se jim aktivně přizpůsobovat. Znamená to, že živé organismy mají (na rozdíl od neživých systémů) aktivní vztah k okolnímu prostředí.

4.Paměť. Živé systémy jsou vybaveny pamětí, tzn., že mají schopnost ukládat, uchovávat a vybavovat informace. Nemíníme tím jen paměť uloženou v centrální nervové soustavě, ale také jiné typy paměti, jako např. paměť imunitní (schopnost rozpoznávat cizorodé struktury a uchovávat informace o nich v paměťových buňkách (viz kapitoly 53 a 54) anebo paměť genetickou, tj. uchování a vybavení informací uložených v molekulách nukleových kyselin (viz oddíl 1.3 a kapitola 11).

5.Metabolismus (výměna látek a energie), což je soubor všech chemických, popř. fyzikálně-chemických procesů, jimiž je udržována celistvost (integrita) jedince. Udržení celistvosti je podmíněno zachováním homeostázy, tj. stálosti vnitřního prostředí (uvnitř buněk, tkání, orgánů i v celém organismu). Tuto stálost vnitřního prostředí však nesmíme chápat jako absenci jakýchkoli změn. Naopak, živý organismus je systémem dynamickým, v němž stále probíhá veliké množství procesů, které udržují či zvyšují jeho uspořádanost. Mnohé životní děje zajišťují výměnu látek a energie s okolním prostředím. Tato výměna vede z termodynamického hlediska k tomu, že se zvyšuje uspořádanost živého organismu na úkor okolního prostředí. Organismus z prostředí přijímá živiny a s nimi současně (v chemických vazbách tvořících jednotlivé molekuly) i chemickou energii. Přijaté látky a energii pak přeměňuje, aby vybudoval složitější struktury (molekulární, buněčné, tkáňové, orgánové atd.) nezbytné ke své existenci a k dalšímu vývinu. Tím zároveň zvyšuje svoji uspořádanost (viz výše). Část přijaté chemické energie ovšem přemění na energii tepelnou, kterou uvolňuje spolu s odpadními produkty metabolismu do okolního prostředí. Některé živé organismy disponují zvláštními metabolickými pochody, které jim umožňují např. fixaci sluneční energie a její přeměnu na energii chemickou (zelené rostliny a sinice) (viz oddíly 5.4.6.2 a 58.5).

6.Růst. Těla většiny živých organismů během celého života nebo alespoň v určitých jeho fázích nabývají na rozměrech a objemu – rostou. Souvisí to s využíváním živin a energie, což umožňuje zvětšování a výstavbu nových tělesných struktur (viz výše).

7.Pohyb jako aktivní přesun jedince z místa na místo, popř. aktivní pohyb určitých částí živého těla (bičíků, končetin, některých orgánů atd.) je vlastní nemalé části živých organismů. Značnou dynamiku však můžeme pozorovat i uvnitř biologických struktur. Máme na mysli např. transport molekul nebo molekulárních komplexů z místa na místo v nitru buněk i mimo ně.

8.Reprodukce čili schopnost rozmnožování. Již starořecký dramatik a filozof EURYPIDÉS (480–406 př. n. l.) napsal: „Ve svých dětech žijeme dál.“ Třebaže jsou jednotlivé organismy smrtelné (což je de facto následek jejich vysoké uspořádanosti, kterou nelze udržet nekonečně dlouho), biologické druhy udržují svoji kontinuitu tím, že se jejich příslušníci rozmnožují (reprodukují). Každý zdravý organismus má schopnost vytvářet nové jedince – potomky. S tím souvisí i skutečnost, že rodiče předávají svým potomkům svoji dědičnou čili genetickou informaci.

9.Dědičnost (heredita) neboli schopnost organismů vytvářet potomky se stejnými nebo podobnými znaky. Proto jedinci určitého druhu vytvářejí potomky, kteří patří ke stejnému druhu, a děti jsou v mnoha znacích podobné svým rodičům, sourozencům nebo jiným příbuzným.

10.Proměnlivost neboli variabilita. Ačkoli jsou určité znaky dědičně stálé, jiné znaky mohou (dokonce u velmi blízce příbuzných jedinců) nabývat různých forem. Proto ani děti nejsou ve všech znacích totožné se svými rodiči a ze zkušenosti dobře víme, že ani sourozenci nemají zcela shodný vzhled. Jisté rozdíly zaznamenáme i u jednovaječných dvojčat. Tato rozdílnost určitých znaků je projevem proměnlivosti neboli variability, která může být způsobena nejen odlišnými vlivy prostředí, ale také specifickou kombinací dědičných vloh získaných od rodičů (viz kapitoly 10 a 37).

11.Vývoj neboli evoluce. Živé organismy se v průběhu relativně krátkých dob i dlouhých geologických period mění – vyvíjejí se a vytvářejí nové formy. Znamená to, že každý organismus, s nímž se na Zemi setkáme, je výsledkem evolučních procesů. Můžeme též říci, že vznikl evolucí z jiných forem živých organismů. Mechanismům evoluce jsou věnovány oddíly 27.3, 37.2, 51.1 a 52.3.

Výše uvedené znaky a projevy života jsou společné pro všechny buněčné organismy, tj. organismy, jejichž těla jsou tvořena buňkami (o stavbě buněk pojednávají kapitoly 4, 5 a oddíl 58.2).

Od buněčných organismů odlišujeme organismy nebuněčné, pro něž některé z výše uvedených kritérií platí jen částečně anebo s výhradami (viz oddíl 1.3, podrobněji pak kapitoly 59 a 60).

1.3Stupně organizace živých systémů a jejich hierarchie

Z předchozích oddílů již víme, že strukturovanost a specifickou organizovanost živých organismů lze pozorovat již na úrovni jednotlivých molekul, resp. jejich komplexů. Každá z nich má v živém organismu svoji nezastupitelnou roli, zásadní význam však mají ty molekuly, v nichž je obsažena základní genetická informace, tedy přesný „návod“, podle něhož se utváří nejen samotná buňka, ale zprostředkovaně i celý organismus. Toto „know-how“ je „zapsáno“ v molekulách deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Molekuly DNA lze tak přirovnat k velmi obsažným „paměťovým diskům“ či „úložištím“ obsahujícím obrovský počet různých „souborů“, které nazýváme geny. Podle každého z těchto genů se vytváří příslušná molekula ribonukleové kyseliny (RNA). Tyto molekuly mohou sloužit k různým účelům. Podle některých z nich se vytvářejí konkrétní bílkoviny neboli proteiny. Bílkoviny mají v živých organismech mnohostranný význam. Některé se podílejí při vytváření různých struktur, jiné slouží ke komunikaci a další fungují jako enzymy, tj. molekuly s katalytickou aktivitou. Jejich přítomnost je proto nezbytná pro průběh naprosté většiny biochemických reakcí a dalších životních dějů. Aktivita enzymů a dalších bílkovin tak různým způsobem přispívá ke vzniku konkrétního znaku. Znamená to, že DNA, RNA a proteiny jsou základními molekulami života a souborně je označujeme jako informační biomakromolekuly. Samy mají své specifické struktury, které úzce souvisejí s jejich funkcí. Jejich význam, resp. přenos informací mezi nimi lze velmi zjednodušeně vyjádřit schématem na obrázku 1.4.

Obr. 1.4 Zjednodušené schéma přenosu genetické informace

Výše uvedený popis i schéma jsou jen informativní a mají sloužit k pochopení úvodních kapitol věnovaných buňkám a tkáním organismů. Podrobněji jsou struktury jednotlivých molekul a přenos genetické informace popsány v kapitolách 13, 18 a 19.

Strukturovanost lze však pozorovat také u dalších biochemicky významných molekul, resp. u útvarů, které vytvářejí. Proteiny a některé molekuly RNA často vytvářejí složité komplexy tvořené větším počtem molekul. Příkladem jsou buněčné struktury zvané ribozomy, v nichž probíhá syntéza bílkovin (viz oddíl 21.3). Jiným příkladem jsou biologické membrány, jejichž základem je fosfolipidová dvouvrstva, do níž jsou včleněné molekuly některých bílkovin (viz oddíl 5.2).

Buněčné struktury tvořené molekulami, resp. molekulovými komplexy vytvářejí dohromady základní stavební a funkční jednotku živého organismu – buňku. Některé živé organismy (zejména bakterie a protisté) jsou jednobuněčné, tzn., že jejich tělo je tvořeno jedinou buňkou, která je schopna samostatné existence. Naproti tomu těla mnohobuněčných organismů jsou tvořena větším počtem buněk, které zpravidla vykazují určitou specializaci a existuje mezi nimi vzájemná „dělba práce“. Znamená to, že každá buňka, resp. skupina buněk, zastává pouze určitou funkci. Jejich dlouhodobá samostatná existence v přírodním prostředí mimo organismus je většinou nemožná.

Specifickou skupinu, o níž nelze jednoznačně říci, zda zahrnuje živé organismy, či nikoli, tvoří částice, které nemají buněčnou stavbu, avšak přesto vykazují určité znaky živých organismů. Sem patří především viry a jim příbuzné struktury (např. viroidy nebo virusoidy). Přesto i viry mají zcela specifickou stavbu: Každá jejich částice obsahuje molekulu nukleové kyseliny a bílkovinný obal, který má zpravidla zvláštní geometrické uspořádání. Částice některých virů jsou dokonce kryty membránovým obalem. O těchto nebuněčných organismech (nazývaných též Aphanobionta či Acytota) pojednávají kapitoly 59 a 60.

Vraťme se však k mnohobuněčným organismům (obr. 1.5). V jejich tělech nacházíme soubory buněk se stejnou funkcí (a často i se stejnou nebo podobnou stavbou), které se nazývají tkáně (viz kapitola 7). Větší počet tkání vytváří dohromady orgán. Orgány jsou pak podle své funkce spojeny do orgánových soustav (rozlišujeme tak např. soustavu trávicí, dýchací, cévní, vylučovací, nervovou, imunitní, endokrinní atd.). Soubor všech orgánových soustav vytváří organismus celého jedince – živé individuum.

Strukturovanost živých systémů se však projevuje i na vyšších úrovních, než je pouhý jedinec (obr. 1.5). Skupina jedinců stejného druhu žijících na určitém stanovišti (resp. v určité geograficky vymezené oblasti) se nazývá populace.

Obr. 1.5 Hierarchie živých systémů a jejich složek

Mluvíme tak např. o populaci rysa ostrovida v Beskydech, o populaci volavky popelavé na Třeboňsku, o populaci hořce panonského na Šumavě atd. Často zaslechneme i výraz „lidská populace“, čímž máme na mysli skupinu lidí (tedy jedinců náležejících druhu člověk moudrý – Homo sapiens) žijících v určitém městě, regionu, státu, nebo kontinentu. Termínem „světová lidská populace“ míníme soubor všech lidských jedinců na zeměkouli.

Téměř žádné místo na světě však není osídleno pouze jedním druhem, resp. jedinou populací. Konkrétní přírodní vlivy na daném stanovišti neboli biotopu většinou umožňují přežití a rozmnožení většího počtu druhů současně. Znamená to, že na každém biotopu se vyskytuje více různých populací. Tyto populace se většinou navzájem ovlivňují (např. jeden druh je potravou pro další druh, jiné druhy navzájem soupeří o potravní zdroje; mezi určitými druhy naopak panují vzájemně výhodné kooperační vztahy, jako např. mutualismus) (viz oddíl 56.5.7). Soubor populací na daném biotopu vytváří pevně propojený celek, který se nazývá společenstvo neboli biocenóza. Společenstvo je zároveň živou složkou vyššího celku – ekosystému. Ekosystém definujeme jako soubor živých organismů i neživých složek (tj. fyzikálních, chemických, klimatických, geologických a dalších faktorů) typických pro daný biotop. Rozsah i konkrétní formy ekosystémů mohou být značně rozdílné.

Klasickým příkladem přirozeného ekosystému, který lze poměrně dobře vymezit, je jezero (např. ledovcová jezera na Šumavě (obr. 1.6a, b), v Krkonoších, v Alpách a ve Vysokých Tatrách). Žije zde velké množství vodních živočichů, rostlin, bakterií a dalších organismů, mezi nimž panují různé potravní vztahy (bakterie a drobné řasy jsou potravou pro planktonní korýše a ti jsou naopak potravou pro některé druhy ryb, stejně tak tyto ryby mohou být požírány jinými dravci, zejména dravými rybami nebo dravými ptáky atd.). Dalšími přirozenými ekosystémy jsou rašeliniště (obr. 1.7a–c); u nás především na Šumavě, v Jizerských horách, v Krkonoších, v Hrubém Jeseníku a na Třeboňsku), horské smrčiny, lužní lesy (u nás např. v Polabí (obr. 1.8a, b), v Litovelském Pomoraví a na jižní Moravě), přirozené úseky potoků a řek (obr. 1.9) aj. Existují ovšem ekosystémy, které jsou ve srovnání s výše uvedenými plošně nepatrné. Typickým příkladem jsou oblasti přirozených vývěrů horkých pramenů. Vlivem specifických faktorů (vysoké teploty, určitého chemického složení vody atd.) zde přežívá jen velmi omezený počet druhů schopných přežití a rozmnožování v těchto podmínkách. Proto se tu vytvořila velmi zvláštní a jinde nepozorovatelná společenstva.

Obr. 1.6 Šumavská horská jezera: a – Čertovo, b – Prášilské

Obr. 1.7 Různé typy rašelinišť: a – Jezerní slať ve střední Šumavě, b – rašeliniště Jizerky v Jizerských horách, c – Swamp u Máchova jezera

Obr. 1.8 Lužní lesy ve středním Polabí: a – Libický luh u Velkého Oseka v okrese Kolín, b – Babinec u Přerova nad Labem v okrese Nymburk

Obr. 1.9 Přirozené koryto řeky Vltavy pod Čertovou stěnou na jižní Šumavě v okrese Český Krumlov

Od přirozených ekosystémů odlišujeme ekosystémy umělé, na jejichž tvorbě se zásadní měrou podílel člověk. Příkladem je rybník (svým charakterem většinou blízký mělkému jezeru) (obr. 1.10), pole, louka, uměle vysázený les atd. Za velmi specifické ekosystémy lze považovat i lidská sídla jako taková – pronikáním a postupnou adaptací mnoha původně divokých živočichů a rostlin se zde vytvořila zvláštní společenstva. Jejich význam pro člověka je poněkud kontroverzní, neboť mnozí tito „nezvaní“ obyvatelé lidských sídel mohou fungovat např. jako zdroje alergenů anebo jako přenašeči nebezpečných parazitů, popř. původců infekčních nemoci.

Obr. 1.10 Rybníky: a – Novozámecký v okrese Česká Lípa, b – Olšina na jižní Šumavě v okrese Český Krumlov

Také každý ekosystém má svoji specifickou strukturu. Dobře to lze ukázat na výše uvedeném příkladu jezera či rybníka. Například vodní cévnaté rostliny rostou většinou jen v mělkých partiích u břehu, kde najdeme rovněž početné zástupce vodního hmyzu a některé vodní plže. Naopak ve volné vodě nacházíme planktonní řasy a sinice, drobné korýše, vířníky a ryby. Na dně (jako součást tzv. bentosu) zase žijí larvy hmyzu, máloštětinatci a někteří měkkýši. Detailní hydrobiologický výzkum by nás přesvědčil, že každé z uvedených stanovišť je navíc strukturováno i vertikálně. Určité druhy najdeme např. ve vrstvách vody při hladině, kde je dostatečný přístup světla a relativně vysoká koncentrace kyslíku. Jiné druhy jsou naopak adaptovány na nízkou nebo dokonce nulovou koncentraci kyslíku, navíc nevyžadují pro svůj život světlo, a proto žijí v nejhlubších partiích vodní nádrže.

Soubor původních (tj. přirozených) ekosystémů typických pro danou geografickou oblast se nazývá biom (v některých učebnicích je biom definován jako „globální ekosystém“). Za biomy je možné považovat např. smíšený opadavý les mírného pásu (v tomto biomu leží i převážná část území České republiky), horský les (u nás pouze horské partie Šumavy, Krkonoš a Hrubého Jeseníku), dále tropický deštný prales, poušť, step, savanu, tajgu, tundru, volný oceán anebo šelfové moře. V současnosti bylo navrženo několik různých klasifikačních systémů, které většinu uvedených biomů podrobněji člení do více kategorií.

Souborem všech biomů, resp. ekosystémů, je „živý obal“ Země, tedy biosféra. Lze ji definovat též jako část Země, resp. zemskou vrstvu, kde se vyskytují (byť v určitých oblastech jen velmi sporadicky) nějaké formy života.

4 BŘEZINA O. Hudba pramenů a jiné eseje. Praha: Odeon 1989; 44.

5 Často tradovaná definice entropie jako „míry neuspořádanosti systému“ je ovšem problematická, neboť neuspořádanost není měřitelná veličina.

6 PROSS A. Co je život? Jak se chemie stává biologií (z angličtiny přeložil P. Pecháček). Praha: Dokořán 2020; 11.

2Biologické vědy

Biologie je v nejširším smyslu věda o životě. […] Ale co je to vlastně život? Známe vlastnosti života, alespoň některé, ale vůbec neznáme a nechápeme podstatu života, tak jako ostatně nechápeme podstatu hmoty a energie. […] Život nelze vysvětlit, lze jej však pochopit […] při dobré vůli – snad.7

OTAKAR MATOUŠEK (1899–1994), český geolog, historik a popularizátor přírodních věd

2.1Biologie, její název a náplň

Název biologie vznikl složením dvou řeckých slov: bios (βίος = život) a logos (λόγος = slovo, popř. věda). Jde tedy, volně přeloženo, o „vědu o životě“, přesněji o vědu o živých organismech. Ačkoli se zkoumání živých organismů zevrubně věnovali již mnozí antičtí badatelé (za všechny jmenujme alespoň ARISTOTELA ZE STAGEIRY a CLAUDIA GALENA), název „biologie“ se v historii vědy objevil daleko později – na přelomu 18. a 19. století. Většina historiků přírodních věd uvádí, že jeho autor je francouzský učenec JEAN-BAPTISTE DE LAMARCK (1744–1829) (obr. 2.1), který je dnes znám spíše jako autor první ucelené vědecké evoluční teorie.

Obr. 2.1 JEAN-BAPTISTE DE LAMARCK, jeden z pravděpodobných autorů pojmu biologie a autor první vědecké evoluční teorie (autor: Charles Thévenin, Volné dílo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19173092)

Podle jiných názorů je autorem pojmu „biologie“ spíše německý přírodovědec GOTTFRIED REINHOLD TREVIRANUS (1776 až 1837). Termín „biologie“ najdeme již v titulu prvního svazku jeho spisu z 1802, který zněl: Biologie neboli filosofie živé přírody (Biologie; oder die Philosophie der lebenden Natur).

Biologie zkoumá všechny úrovně života od molekulární podstaty dějů probíhajících v nitru živých soustav až po celé ekosystémy, resp. biomy (viz kapitola 1). V současnosti jde o ohromný objem informací, který je jen těžko souborně zpracovatelný. Proto se během svého vývoje v průběhu 19. a 20. století biologie rozrůznila do mnoha oborů, odvětví a disciplín.

2.2Biologické obory

Biologické obory klasifikujeme podle různých kritérií. Některé obory se obecně zabývají stavbou živých soustav, popř. procesy, které v nich probíhají, jiné si všímají odlišností mezi jednotlivými organismy a na základě těchto rozdílů vymezují jednotlivé druhy a další systematické jednotky. Rozlišujeme proto:

1.Obecné obory, které zkoumají znaky, jevy a procesy společné všem živým organismům (popř. velké skupině organismů). Obecná biologie je průřezové odvětví biologie, zkoumající obecné základy stavby a funkce živých soustav.

2.Systematické obory, které se na základě výskytu specifických znaků snaží rozdělit, resp. klasifikovat, organismy do systematických skupin neboli taxonů. Taxonem může být druh, rod, čeleď, řád, třída, kmen atd. (viz oddíl 3.2). Systematickými obory jsou např. systematická zoologie a systematická botanika. Existuje také speciální nauka o systematickém třídění organismů, která se nazývá taxonomie.

Podle toho, zda daný obor zkoumá spíše stavbu těla, nebo naopak funkci jednotlivých struktur a ději, které zde probíhají, rozeznáváme:

1.Morfologické obory, které zkoumají stavbu (resp. utváření těl) živých organismů, ať již makroskopickou (např. anatomie) nebo mikroskopickou (např. histologie nebo cytologie) (viz kapitola 4).

2.Funkční obory, které se naopak zabývají procesy probíhajícími v živých soustavách. K lékařsky významným funkčním oborům řadíme např. fyziologii (vědu o procesech probíhajících v buňkách, tkáních a orgánech živých organismů) nebo imunologii (viz kapitoly 53–55).

Záleží také na tom, zda poznatky daného biologického oboru mají pouze teoretický význam, nebo jde o informace s možností přímého či nepřímého praktického využití. Podle tohoto kritéria rozlišujeme:

1.Teoretické obory shrnují poznatky o všech vlastnostech živých soustav, resp. jejich zákonitostech nebo jevech, které v nich probíhají, bez ohledu na to, zda jsou tyto informace aktuálně aplikovatelné v praxi nebo nikoli.

2.Aplikované obory jsou naopak úzce zaměřené na konkrétní využití daných poznatků k průmyslovým, lékařským, farmaceutickým nebo jiným účelům. Příkladem aplikovaného oboru je biotechnologie, která se zabývá konkrétním využitím biologických procesů při výrobě potravin, léků a dalších produktů. K aplikovaným oborům však lze také zařadit disciplíny označované adjektivem „klinický/klinická“. Jde o obory využívané v lékařské praxi. Tak např. klinická imunologie zahrnuje především tu část imunologických poznatků, které jsou nezbytné pro pochopení patologických procesů v lidském těle a pro jejich diagnostiku, léčbu nebo prevenci. Stejně tak existuje např. klinická mikrobiologie, klinická biochemie, klinická genetika, klinická psychologie apod.

2.3Moderní a transdisciplinární biologické obory

Úzké vztahy mezi přírodními vědami a nutnost komplexního hodnocení biologických jevů si vyžádaly také vznik mnoha hraničních neboli transdisciplinárních oborů.8 Patří k nim zejména biochemie, tj. nauka o chemických procesech v živých organismech. Zabývá se sloučeninami, které jsou základními stavebními a funkčními jednotkami živých těl. Poznatky z biochemie jsou nezbytné pro pochopení fyziologie a farmakologie (vědy o léčivech, jejich výrobě a použití).

Dalším významným transdisciplinárním oborem je biofyzika, jejíž hlavní náplní je studium vlivu fyzikálních faktorů na organismy a také fyzikálních zákonitostí, jež se významně uplatňují při biologických pochodech. Významně přispívá k pochopení mnoha životních procesů na molekulární úrovni; v tomto případě hovoříme o molekulární biofyzice. Předmětem zájmu biofyziky jsou také fyzikální metody sloužící ke studiu živých organismů. Zvláštní aplikovanou disciplínou je lékařská biofyzika, která se kromě jiného zabývá také přístroji sloužícími k diagnostice a léčbě chorob pomocí fyzikálních procesů.

K molekulární biofyzice a k biochemii má velmi blízko molekulární genetika,9 která se zabývá stavbou a funkcí informačních makromolekul, tj. nukleových kyselin a proteinů (viz kapitoly 11, 13, 18 a 19). Zkoumá procesy, jimiž dochází k přenosu genetické informace mezi těmito molekulami. Molekulární genetika bývá často zaměňována s molekulární biologií; v mnoha učebnicích jsou tyto pojmy chápány jako synonyma. Podle některých autorů má však molekulární biologie poněkud širší a obecnější záběr. Stejně jako molekulární genetika má blízký vztah k biochemii, předmětem jejího zájmu jsou molekulární mechanismy biologických procesů v buňkách i mezi nimi navzájem. Při popisu a objasnění těchto procesů ovšem vychází z poznatků o nukleových kyselinách a proteinech, proto se s molekulární genetikou velmi úzce prolíná.

Existují také transdisciplinární biologické obory, které mají také úzký vztah k vědám o Zemi. Pro studium evoluce živých organismů má velký význam paleontologie, hraniční obor mezi biologií a geologií, zabývající se organismy, které žily v minulých geologických obdobích. Dalším transdisciplinárním oborem je biogeografie, nauka o rozšíření populací jednotlivých organismů i jejich společenstev v různých oblastech světa. Biogeografie vychází z toho, že rozšíření populací jednotlivých druhů a společenstev na Zemi není náhodné, a proto se zabývá i procesy, které formují jejich výskyt. Využívá nejen poznatků z geografie, ale také z geomorfologie, geologie, klimatologie, pedologie, hydrologie, ekologie, fyziologie a dalších oborů.

Široce transdisciplinárním oborem je také samotné lékařství neboli medicína. Zabývá se nejen zdravím, ale především chorobnými procesy u člověka, metodami jejich diagnostiky a způsoby jejich léčení, včetně možností prevence (tj. předcházení vzniku nemocí). K tomu využívá nejen poznatky z biologie, biochemie a biofyziky a mnoha aplikovaných oborů, ale i různých společenských věd (např. psychologie, sociologie, právních a ekonomických věd atd.). V posledních desetiletích se v lékařství stále více uplatňuje informatika (viz dále) a statistika.

K nejmodernějším oborům patří biomedicína, která stojí na pomezí mezi teoretickými a aplikovanými obory. Jde v podstatě o velmi rozsáhlé spektrum teoretických disciplín, které se zabývají laboratorním výzkumem různých medicínsky významných biologických jevů a možnými aplikacemi zjištěných dat v lékařství. K typickým biomedicínským výzkumným aktivitám patří např. vývoj a testování nových léčiv, studium dějů vedoucích ke vzniku různých chorob, výzkum imunitních procesů, laboratorní ověřování nových chirurgických technik, vývoj nejvhodnějších materiálů k výrobě náhradních implantátů (tj. umělých náhrad orgánů nebo jejich částí). Do spektra biomedicínské problematiky lze zařadit také v současnosti velmi diskutované aktivity, jako jsou např. klonování savců (včetně plánovaného klonování člověka), genové modifikace živých organismů (např. s cílem vytvoření organismu produkujícího určité léčivo), vývoj metod genové terapie atd.

Současnou biologii a medicínu (včetně biomedicíny) si nelze představit bez širokého využití informačních technologií. Kvalitní počítač s napojením na síť je nezbytným vybavením každé laboratoře i lékařské ordinace. Bez dobře fungující počítačové sítě si dnes nelze představit provoz žádné kliniky. Mnohé laboratorní přístroje nezbytné pro diagnostiku jsou přímo napojeny na počítač, který umožňuje rychlou a spolehlivou analýzu a archivaci nasnímaných dat, ať již číselných, textových nebo obrazových. Stejně tak se v různých oblastech medicíny objevuje stále více postupů, kde počítač sám řídí, popř. vyhodnocuje samotný léčebný zákrok.

Nelze se proto divit, že masivní aplikace informatiky v biologii si vyžádala vznik dalšího moderního interdisciplinárního oboru – bioinformatiky. Tento obor se zabývá především metodami umožňujícími shromažďování a analýzu rozsáhlých souborů biologických dat. V současnosti má bioinformatika klíčový význam zejména v molekulární genetice, kde je třeba analyzovat, vyhodnotit a vzájemně srovnat obrovské množství informací o genetickém materiálu (= genomu) člověka i dalších organismů. Proto bývá bioinformatika často definována (i když ne zcela přesně) jako obor zaměřený na analýzu molekulárněgenetických dat.

Na pomezí mezi technickými obory a biologií stojí bionika, která uplatňuje poznatky získané studiem živých organismů, resp. jejich struktur, při vývoji nových technologií. Inspirace strukturami a procesy u živých organismů tak vede např. k vývoji dopravních prostředků, přístrojů, stavebních konstrukcí, potahů a krytin.

Za jednoho z prvních „bioniků“ lze s jistými výhradami označit LEONARDA DA VINCIHO (1452–1519), který se při konstrukci svého létacího stroje inspiroval letem netopýrů a studiem stavby jejich křídel (obr. 2.2). Název „bionika“ však vznikl daleko později (až v roce 1958).

Obr. 2.2 DaVinciho návrh létajícího stroje nezapře inspiraci architekturou netopýřích křídel (zdroj: https://cs.m.wikipedia.org/wiki/Soubor:Leonardo_Design_for_a_Flying_Machine,_c._1488.jpg)

Zvláštním oborem, který má blízko zejména k biofyzice, je biomechanika, která se zabývá mechanickou strukturou, mechanickým chováním a mechanickými vlastnostmi živých organismů i mechanickými interakcemi mezi nimi a vnějším okolím. Integruje v sobě poznatky anatomie, fyziologie, matematiky, fyziky, kybernetiky, technické mechaniky, nauky o materiálech i lékařských oborů. S medicínou úzce souvisí aplikovaná biomechanika člověka, kterou můžeme dále rozdělit na biomechaniku práce, forenzní (soudní) biomechaniku, tělovýchovnou biomechaniku, ortopedickou biomechaniku, klinickou biomechaniku, patobiomechaniku aj. Mnohé poznatky o biomechanice lidského těla mají zásadní význam pro rehabilitaci, resp. fyzioterapii.

2.4Vztahy biologických a společenských věd

Biologické poznatky, zejména ty, které se přímo či nepřímo týkají člověka, se uplatňují také ve vědách společenských. Tak např. etologie (z řeckého εθος, resp. ethos = zvyk, obyčej, mrav) neboli nauka o chování živočichů má úzký vztah k psychologii a k sociologii. Naopak informace o neurofyziologických procesech, které jsou základem chování a prožívání, jsou spolu s údaji o evoluci lidského mozku, resp. lidské psychiky základními kameny biopsychologie.

Také antropologie (z řeckého ανθρωπος, resp. anthrópos = člověk) jako nauka o člověku a lidské populaci není pouhou „biologií člověka“, ale zahrnuje poznatky z historických věd (historiografie, dějiny umění, archeologie aj.), ze sociologie, z etnografie, z lingvistiky i z dalších humanitních oborů. Disciplínami s velmi úzkým vztahem k humanitním vědám jsou zejména sociální a kulturní antropologie.

Rovněž ekologie, i když je sama o sobě vědou biologickou (zabývá se vzájemnými vztahy organismů a jejich vnějšího prostředí) (viz kapitola 56), má nepřehlédnutelný vztah ke společenským vědám. Závažné regionální i globální problémy vyplývající ze stále výraznějšího ovlivňování životního prostředí činností člověka (i aktuální potřeby zajistit trvalou udržitelnost rozvoje člověka a celé lidské společnosti) si vynutily vznik řady aplikovaných disciplín, které zahrnují nejen poznatky z ekologie a dalších přírodních věd, ale také základy legislativy, ekonomie, sociologie a politologie. Příkladem je ochrana životního prostředí (tento pojem je někdy chybně ztotožňován s ekologií jako takovou), environmentalistika nebo environmentální management.

Společenskovědními souvislostmi vztahu člověka k životnímu prostředí se zabývá také sociální a kulturní ekologie. Tento obor studuje především vzájemné interakce mezi různými lidskými kulturami či společnostmi a vlivy prostředí, v němž žijí.

7 MATOUŠEK O. Člověk kritisuje přírodu. Praha: Václav Petr 1941; 84.

8 V některých učebnicích se používá výraz „interdisciplinární obor“.

9 Podle názorů některých autorů je adjektivum „molekulární“ ve slovním spojení „molekulární genetika“ redundantní, a proto zbytečné, neboť veškerá současná genetika vychází z molekulárních základů.

3Klasifikace živých organismů

Velikost člověka je velká v tom, že se cítí ubohý; strom nepoznává svou ubohost.10

BLAISE PASCAL (1623–1662), francouzský matematik, fyzik, teolog a filozof

3.1Počátky klasifikace živých organismů a Linnéův systém

Již antičtí badatelé si všimli, že některé organismy jsou si navzájem více či méně podobné. Proto se je pokusili na základě společných znaků uspořádat do různých skupin – tedy vytvořit jejich systém. Významnou osobností byl v tomto směru ARISTOTELÉS ZE STAGEIRY (384–322 př. n. l.), který se pokoušel živočichy uspořádat např. podle toho, zda jde o tvory s krví nebo bez krve, zda jsou živočiši živorodí nebo vejcorodí atd. V jeho pracích se poprvé objevují pojmy, jako je rod nebo druh, které dodnes používáme v systematické biologii. Lze tak říci, že ARISTOTELÉS položil základy pro pozdější zavedení binominální nomenklatury (viz oddíl 3.4).

O klasifikaci všech známých věcí se později pokusil také novoplatonik PORFYRIOS Z TYRU (232–304? n. l.), který do svého systému připomínajícího strom (tzv. Porfyriův strom = Arbor Porphyrii) zahrnul také živočichy (včetně člověka) a rostliny. Porfyriův strom byl ovšem velmi vzdálen od současných biologických klasifikačních systémů (jde spíše o ontologický model významný pro další rozvoj filozofie). Přesto i moderní biologie využívá k vyjádření evoluční a taxonomické příbuznosti organismů tzv. dendrogramů (z řeckého δένδρον, resp. dendron = strom), resp. kladogramů (z řeckého κλάδος, resp. klados = větev). Jde o grafická schémata připomínající strom, resp. jeho větvení.

Tvůrcem prvního vědeckého klasifikačního systému organismů byl švédský přírodovědec CARL LINNÉ (1707–1778) (obr. 3.1). Ve svém proslulém díle Systema naturae (obr. 3.2) roztřídil všechny tehdy známé organismy do systematických kategorií: říší, tříd, řádů, čeledí, rodů a druhů. Názvy většiny kategorií LINNÉ sám vymyslel, v mnoha případech také pojmenoval a popsal nové druhy, pro jejichž označení použil důsledně binominální nomenklatury (viz níže). Linnéův systém se natrvalo stal základem pro závaznou taxonomickou klasifikaci všech živých organismů. I když byl v pozdějších dobách mnohokrát opravován a doplňován, vychází z jeho principů i moderní systematická biologie.

Obr. 3.1 CARL LINNÉ, tvůrce vědeckého systému živých organismů (portrét od Alexandra Roslina z roku 1775, olej na plátně) (zdroj: Alexander Roslin – Nationalmuseum, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52119229)

Obr. 3.2 Linnéovo stěžejní dílo Systema naturae – titulní strana (zdroj: Carl Linné – Sourced from http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?PPN362053006, Volné dílo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11136563)

LINNÉ sám považoval svůj systém za umělý a formální, jehož jediným účelem bylo pouze přehledně shrnout a utřídit dosavadní poznatky o živých organismech. Jinými slovy, mělo jít především o jakési „didaktické schéma“, podle něhož by se ostatní badatelé, popř. studenti přírodních věd mohli lépe orientovat ve stále přibývající hromadě poznatků o stávajících i nově objevovaných druzích živočichů a rostlin. LINNÉ nepředpokládal, že by vzájemná podobnost, resp. rozdílnost, jednotlivých organismů mohla souviset s jejich vývojem a že podobná stavba těla má v mnoha případech vztah k evoluční příbuznosti organismů. Věřil totiž (v duchu tehdy tradovaného doslovného výkladu Bible), že všechny organismy byly ve stejném okamžiku (resp. ve velmi krátké době po sobě) stvořeny Bohem a otázka jejich příbuznosti je z tohoto hlediska bezpředmětná. Později připustil, že některé ze současných druhů mohly vzniknout křížením původních druhů. Otázka, zda je vznik nových druhů mezidruhovým křížením možný, pak zaměstnávala v průběhu 19. století mnoho badatelů, mezi jinými i GREGORA MENDELA (1822–1884), jenž svými experimenty nakonec dospěl k formulaci základních pravidel dědičnosti (viz oddíl 46.2).

Navzdory řadě nesrovnalostí byl Linnéův systém na svou dobu velmi pokrokový. LINNÉ jako první např. zařadil netopýry a kytovce k savcům a neváhal za biologický druh označit také člověka – spolu s ostatními primáty jej zařadil do skupiny Antropomorpha (to mělo za následek kritiku Linnéových prací ze strany některých konzervativních církevních kruhů).

3.2Základní systematické kategorie a jejich vztahy

Systematická biologie rozeznává poměrně velké množství vzájemně nadřazených, resp. podřazených, systematických kategorií neboli taxonů. Jejich zevrubné uvedení a přesná definice každé z nich by značně převýšily rámec této kapitoly i celé učebnice. Přesto bychom měli znát alespoň základní kategorie, k nimž patří (v hierarchickém uspořádání od nejširší kategorie k nejužší):

doména → říše → kmen → třída → řád → čeleď → rod → druh

Vzájemný vztah a hierarchii těchto kategorií lépe pochopíme na příkladu dokumentujícím systematické zařazení člověka (Homo sapiens):

Doména: Eukaryota (Eukarya)

Říše: Živočiši (Animalia)

Kmen: Strunatci (Chordata)

Třída: Savci (Mammalia)

Řád: Primáti (Primates)

Čeleď: Hominidae (počeštěně „hominidé“, resp. „hominidi“; přesný, avšak nepoužívaný překlad by zněl „člověkovití“)

Rod: Člověk (Homo)

Druh: Člověk moudrý (Homo sapiens)

Další text se bude zabývat podrobnější specifikací některých těchto taxonomických kategorií.

3.3Domény a říše živých organismů

Za živé organismy (Vitae) se zpravidla pokládají ty, které mají buněčnou stavbu. Dělíme je do tří základních systematických skupin, tzv. domén (obr. 3.3). Většina současných klasifikačních systémů rozeznává tři základní domény:

1.bakterie (Bacteria), dříve též eubakterie (tzv. „pravé“ bakterie)

2.archea (Archaea), dříve též archebakterie

3.eukaryota neboli eukarya (též eukaryonta nebo česky „jaderní“)

Obr. 3.3 Domény buněčných organismů vznikly ze společného buněčného předka označovaného jako LUCA. Bakterie a archea mají prokaryotickou buňku, proto jsou souborně označovány jako prokaryota (též prokarya, postaru Monera). Třetí doména – eukaryota – vznikla patrně oddělením od archeí.

Některé klasifikační systémy zavádějí ještě zvláštní taxonomickou skupinu (superdoménu), která obsahuje struktury na pomezí živých a neživých organismů. Označujeme ji Acytota (nebuněční), resp. Aphanobionta. Do této kategorie se zařazují struktury, které sice netvoří buňky, přesto ale vykazují některé znaky živých systémů (např. specifické látkové složení, strukturovanost, schopnost reprodukce, dědičnost aj.) a koexistují v těsném vztahu se živými organismy. Konkrétně sem patří viry, viroidy, virusoidy a priony (viz kapitoly 59 a 60).

3.3.1Prokaryota

Bakterie a archea mají prokaryotní typ buňky, proto je souborně označujeme jako prokaryota neboli prokarya (dříve též Monera) (viz obr 3.3), česky „prvojaderní“ nebo též „předjaderní“. Ve srovnání s eukaryotní buňkou (viz kapitola 5) má prokaryotní buňka výrazně jednodušší stavbu, její jaderný útvar zvaný nukleoid nemá jaderný obal a vnitřní membránové útvary u prokaryot víceméně chybí.

Souhrnný název prokaryota je však pouze pomocný a nijak nevypovídá o značných rozdílech mezi archei a bakteriemi. Současné poznatky naznačují, že archea jsou z evolučního hlediska blíže k eukaryím. Obecnou stavbou prokaryotické buňky a vzájemnými odlišnostmi bakterií a archeí se zabývá kapitola 58.

Moderní taxonomické systémy pojem prokaryota většinou nepoužívají. Slouží pouze pro cytologické a obecně biologické účely k označení organismů s určitým typem buňky. Některé starší systémy (dosud tradované i v učebnicích biologie) řadí mezi prokaryota dokonce zvláštní říši Subcellulata, která obsahuje nynější nebuněčné organismy spolu s fosilními „praorganismy“ (tj. hypotetickými prvotními formami organismů s primitivní strukturou). Tato velmi zastaralá klasifikace však nemá ve světle moderních biologických poznatků opodstatnění.

3.3.2Eukaryota (jaderní)

Ve srovnání s buňkou prokaryotickou je buňka eukaryí mnohem složitější. Základní rozdíl spočívá v tom, že nitro eukaryotické buňky obsahuje jádro ohraničené jaderným obalem a velký počet různých membránových struktur, včetně semiautonomních organel (mitochondrií, u rostlin též chloroplastů). Předpokládá se proto, že prokaryotický typ buňky je vzhledem ke své jednoduchosti vývojově starší, zatímco eukaryotická buňka vznikla zřejmě druhotně z buňky prokaryotické. Stavbou eukaryotické buňky se zabývá kapitola 5.

Eukarya lze velmi zjednodušeně rozdělit do čtyřech základních říší (obr. 3.4) jimiž jsou:

1.protisté (Protista), nepřesně též „prvoci“

2.rostliny (Plantae)

3.houby (Fungi)

4.živočiši (Animalia)

Obr. 3.4 Velmi zjednodušené rozdělení eukaryot na čtyři říše

Skupina označovaná jako protisté je značně různorodá a zahrnuje veškeré eukaryotické organismy, které není možné zařadit do ostatních tří říší. Převážně (i když nikoli výhradně) jde o jednobuněčná eukarya, která však mají značně rozdílný evoluční původ. Patří sem zejména organismy, které byly dříve řazeny mezi prvoky (s nimiž jsou Protista často nesprávně směšována). Najdeme zde však také některé skupiny dříve zařazované do říše rostlin (např. mezi jednobuněčné „řasy“, popř. „rostlinné“ bičíkovce) nebo do říše hub (např. hlenky – Myxomycetes). Do současnosti bylo popsáno přibližně 80 000 druhů protistů, předpokládá se však, že jde jen o nepatrný zlomek skutečného počtu existujících druhů.

Výše uvedené pojetí systému eukaryot vychází z konceptu, který publikoval americký ekolog ROBERT HARDING WHITTAKER (1920–1980) v roce 1969. V dalších desetiletích bylo v souvislosti s novými objevy navrženo několik klasifikačních systémů, které se snaží citlivěji respektovat evoluční původ a rozdíly jednotlivých skupin, a proto rozdělují eukarya do pěti i více oddělených říší, popř. superskupin.11 Detailní výklad těchto nově navržených taxonomických systémů by však výrazně převýšil rámec i účel této učebnice. Proto se i v dalším textu přidržíme výše uvedeného členění eukaryot, které sice není ve světle moderních poznatků zcela korektní, avšak plně postačí pro pochopení probírané látky.12

Jeden z nejpoužívanějších dnešních klasifikačních systémů rozlišuje minimálně těchto pět superskupin eukaryot:

1.Opisthokonta (počeštěně též opistokonti), kam patří zejména živočiši a houby.

2.Amoebozoa neboli měňavkovci, kam řadíme měňavky a hlenky.

3.Excavata (počeštěně též exkaváti), kam patří většinou organismy dříve považované za bičíkovce (tj. krásnoočka, trypanozomy, améboflageláti, bičenky a diplomonády). Původně se předpokládalo, že mezi exkaváty bude možné hledat evolučně nejstarší eukaryota, resp. původní formy, z nichž se vyvinuly všechny další eukaryotní organismy. V současnosti se však ukazuje, že tento taxon zřejmě zahrnuje skupiny velmi odlišného evolučního původu, takže mnozí badatelé navrhují jeho rozdělení do většího počtu superskupin.13

4.Archaeoplastida, která víceméně odpovídají dřívějším rostlinám; řadíme sem zelené řasy, rostliny, ruduchy a glaukofyty.

5.SAR (zkratka z názvů Stramenopiles, Alveolata a Rhizaria), kam řadíme rozsivky, chaluhy, zlativky, opalinky, výtrusovce, obrněnky, nálevníky, dírkonošce a mřížovce.

Jak již napovídá komentář v případě superskupiny Excavata, ani tato klasifikace patrně neodpovídá reálným fylogenetickým vztahům mezi jednotlivými nižšími taxony eukaryot. I v současných systémech jsou některé skupiny označovány jako „incertae sedis“ (tj. nejasného zařazení). Je tedy téměř jisté, že se na tomto poli dočkáme ještě mnoha překvapení.

3.4Biologický druh (species), jeho pojmenování a vymezení

Druh je nejnižší základní kategorií v hierarchii taxonomické klasifikace organismů. Pojmenování každého druhu se řídí tzv. binominální (česky bychom řekli „dvoujmennou“) nomenklaturou. Třebaže její náznaky nacházíme již v díle ARISTOTELA ZE STAGEIRY, za skutečného autora binominální nomenklatury se dnes považuje švýcarský botanik GASPARD BAUHIN (1560–1624) (obr. 3.5). Ve svém díle ji dále rozpracoval CARL LINNÉ (viz výše). Binominální nomenklatura přiřazuje každému organismu dvouslovné jméno, z nichž první (podstatné jméno) označuje rod (genus) a druhé (zpravidla přídavné jméno) druh (species). Příkladem je již uvedené pojmenování lidského druhu, které zní Homo sapiens (člověk moudrý), kde podstatné jméno Homo (= člověk) je název rodu a přídavné jméno (tzv. druhové epiteton) sapiens (= moudrý) označuje konkrétní druh.

Obr. 3.5 GASPARD BAUHIN, tvůrce binominální nomenklatury (zdroj: By Unknown author – Unknown source, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=93122)

Stejně tak lze pravidla binominální nomenklatury aplikovat na organismy značně fylogeneticky vzdálené. Tak např. protista toxoplazma, jenž vyvolává různě závažná postižení lidského plodu (oddíl 57.5.8), se odborně nazývá Toxoplasma gondii (rod – Toxoplasma, druhové epiteton – gondii). Odborné pojmenování bakterie způsobující Lymeskou boreliózu je Borrelia burgdorferi (rod – Borrelia, druhové epiteton – burgdorferi).

Povšimněme si, že pro pojmenování druhu je mezinárodně závazný název v latinské (resp. do latiny upravené) podobě. Toto pojmenování se používá ve veškeré odborné komunikaci a je srozumitelné všem biologům, lékařům a dalším specialistům bez ohledu na jejich státní či jazykovou příslušnost.

Téměř každý jazyk ovšem zavádí pro mnoho druhů i svá specifická pojmenování. Výjimkou není ani čeština, která (na rozdíl od mnoha jiných jazyků) respektuje binominální nomenklaturu a další pravidla pro klasifikaci jednotlivých taxonů. Tak např. muška Drosophila melanogaster, kterou známe z genetických laboratoří (viz např. oddíly 39.5, 40.6 a 50.1), se v české zoologické nomenklatuře označuje jako octomilka obecná. Původce malárie, protista Plasmodium falciparum, se česky nazývá zimnička tropická, zatímco parazitická motolice Schistosoma haematobium je známa pod názvem krevnička močová.

Autory mnoha českých botanických a zoologických názvů jsou bratři JAN SVATOPLUK PRESL (1791–1849) a KAREL BOŘIVOJ PRESL (1794–1852). Z jimi zavedených pojmenování se dodnes používají např. u rostlin bledule, dobromysl, dymnivka, hasivka, hluchavka, hvozdík, jestřábník, kakost, kopretina, kostřava, kukuřice, lebeda, orsej, šťavel, šťovík, udatna, vrbka, u živočichů pak tuleň, vorvaň, lachtan, mrož, dikobraz a mnoho dalších.

Problémem pojmenování v národních jazycích je však značná nejednotnost. Nezřídka se stává, že pro určitý druh existují dva a někdy i více názvů (tak např. v češtině se místo zmíněného názvu „zimnička“ někdy používá pojmenování „krvinkovka“), některá pojmenování jsou zaváděna uměle a ne vždy se vžijí. Přesto má pojmenování v národních jazycích velký význam zejména pro informaci laiků, kteří by těžko vstřebali složité, špatně zapamatovatelné a nezřídka velmi dlouhé latinské názvy.

Biologická definice druhu však není jednoduchá. V zásadě lze říci, že druh je soubor organismů, které:

1.mají shodný vývojový původ;

2.mají určité shodné, dědičně stálé vlastnosti;

3.jsou si navzájem podobné;

4.jsou schopny vzájemného křížení a tvorby životaschopného a plodného potomstva.

V současnosti však známe řadu výjimek z této definice. Je např. známo, že mnohé příbuzné druhy rostlin (vzácněji i některých živočichů) vytvářejí mezidruhové křížence, kteří jsou nejen životaschopní, ale dokonce se dále rozmnožují.

K živočichům, kteří vytvářejí mezidruhové hybridy schopné rozmnožování, patří někteří členovci (např. perloočky rodu hrotnatka – Daphnia), z obratlovců pak např. žáby (známý skokan zelený – Pelophylax esculentus – je ve skutečnosti křížencem dvou druhů: skokana skřehotavého a skokana krátkonohého). Mezidruhoví kříženci jsou dobře známi i u savců. Tak např. kříženec samce osla se samicí koně je mula, zatímco kříženec mezi oslicí a koněm se nazývá mezek. V zajetí byli získáni i kříženci některých kočkovitých šelem: kříženec lvice a tygra se nazývá tigon, zatímco kříženec tygřice a lva je ligr. Ve všech jmenovaných případech jsou mezidruhoví kříženci savců zcela životaschopní, jejich schopnost reprodukce je však rozdílná. U mul a mezků se předpokládá úplná sterilita, zatímco tigoni a ligři mohou být v některých případech schopni reprodukce.

Předpokládá se také, že naši předkové (příslušníci Homo sapiens) se křížili s neandrtálci. Podle nedávných studií obsahuje genetická výbava euroasijských lidských populací několik jednotek procent neandrtálské genetické výbavy. Není ovšem jasné, nakolik byly Homo sapiens a neandrtálec odlišnými druhy anebo spíše poddruhy jednoho druhu (viz oddíl 3.5). Obecně se však předpokládá, že mezidruhoví hybridi se významně uplatnili v evoluci, neboť mezidruhovým křížením mohlo v určitých případech dojít k relativně rychlému vzniku zcela nových druhů.

Také vzájemná podobnost jedinců zařazovaných do jednoho druhu může být chápána velmi volně. Vzpomeňme na různá psí plemena, která z biologického hlediska náleží do jediného druhu, i když se liší velikostí, stavbou těla, ochlupením, chováním a mnoha dalšími znaky. Přesto je vzájemné křížení různých plemen možné a takto vzniklí potomci („voříškové“) jsou až na řídké výjimky schopni reprodukce.

Výzkumy ukázaly, že předkem všech plemen psů je zřejmě vlk (Canis lupus). Blízká příbuznost psa a vlka dokonce opravňuje k pochybám, zda se opravdu jedná o odlišné druhy anebo o pouhé variety jednoho druhu. Jisté je, že kříženci psa a vlka jsou schopni života i reprodukce. Svědčí o tom např. existence plemena zvaného československý vlčák, který vznikl křížením německého ovčáka a divokého karpatského vlka. Smutnou skutečností je, že československý vlčák byl vyšlechtěn za komunistické totality na konci padesátých let 20. století jako služební plemeno pro vojenské účely. Pohraniční stráž tehdy potřebovala k zajištění „ochrany“ státní hranice (především však k polapení osob prchajících za „železnou oponu“ do západních států) mimořádně odolné, vytrvalé, ostražité a agresivní psy. Teprve od roku 1966 se československý vlčák objevuje i u soukromých chovatelů.

U nepohlavně se rozmnožujících organismů s primitivní stavbou (prokaryot) je vymezení druhu ještě složitější. Tak např. taxony bakterií byly dříve stanovovány zejména podle morfologie buňky a kolonií, podle barvitelnosti buněčné stěny specifickými barvivy a podle biochemických či imunologických specifik (např. podle obsahu určitých látek v membránách, v buněčné stěně či v cytoplazmě, podle přítomnosti určitých antigenních struktur atd.). Nověji se uplatňují přístupy molekulárněgenetické vycházející zejména z analýz a vzájemného srovnání určitých úseků deoxyribonukleové kyseliny (DNA).

Ještě problematičtější je klasifikace nebuněčných organismů. Tak např. viry mají nejen specifický způsob rozmnožování uvnitř hostitelské buňky, ale vytvářejí velmi rychle nové varianty (viz kapitola 59), a proto je zde vymezení druhu v tom smyslu, jak jej chápeme u buněčných organismů, velmi obtížné. Současné klasifikační systémy vycházejí z toho, jaký má virus typ nukleové kyseliny, jakou strukturu má jeho částice a se kterými dalšími viry je evolučně příbuzný. Na tomto základě se vymezují taxonomické kategorie od domény (v případě virů však označované anglickým pojmem „realm“) až k rodu. Pokusy o zavedení binominálního či jiného kodifikovaného označení druhu u virů a ostatních nebuněčných struktur zatím selhaly.

3.5Nejnižší systematické jednotky

Výše uvedený příklad psích plemen ukazuje, do jaké míry mohou být příslušníci jediného druhu odlišní. Příkladů takové variability bychom našli daleko více, a to nejen u vyšlechtěných rostlin či živočichů, ale i u nespočtu druhů, které žijí volně v přírodě.

Proto rozlišujeme u některých druhů také poddruhy neboli subspecie. Pod pojmem poddruh rozumíme skupinu jedinců se specifickými morfologickými znaky lišícími se od jiného poddruhu téhož druhu. Možnost vzájemného křížení mezi příslušníky různých poddruhů daného druhu je však zpravidla v plné míře zachována. Mnohé poddruhy jsou vázány svým výskytem na určitou geografickou oblast. Označení poddruhu uvádí zpravidla přívlastek (poddruhové epiteton), který píšeme za označením druhu.

Tak např. u druhu trypanozomy Trypanosoma brucei, který patří k nebezpečným parazitickým protistům, rozlišujeme tři základní poddruhy:

•Trypanosoma brucei brucei (trypanozoma dobytčí), která napadá většinou jen dobytek a jiná domácí zvířata;

•Trypanosoma brucei gambiense (trypanozoma spavičná), která napadá člověka a způsobuje chronickou formu spavé nemoci;

•Trypanosoma brucei rhodesiense (trypanozoma rhodézká), která rovněž napadá člověka, ale způsobuje velmi těžkou, akutní formu spavé nemoci s rychlým nástupem.14

Povšimněme si, že česká pojmenování v tomto případě nerespektují rozdíl mezi druhem a poddruhem, což je situace, s níž se setkáváme poměrně často.

V rámci poddruhů se ještě vyčleňují tzv. intrasubspecifické taxony, jimiž jsou variety, formy, morfy, plemena a kultivary. Tyto taxony však často nemají jasné vymezení. Kultivary jsou vyšlechtěné formy rostlin (např. zemědělské plodiny, okrasné rostliny apod.). Naopak plemena jsou zpravidla člověkem vyšlechtěné, resp. domestikované formy živočichů. V biologii člověka, resp. antropologii, však rovněž hovoříme o tzv. lidských plemenech, což je víceméně synonymní označení pro lidské rasy. Dnes ovšem nemalá část odborníků od tohoto termínu upouští a pokládá celý koncept lidských ras za produkt rasistických učení 19. a první poloviny 20. století.

Kromě psů známe velké množství vyšlechtěných plemen u mnoha dalších domácích zvířat, jako např. u koně domácího. Divoký tarpan stepní (předek našeho domácího koně) se odborně nazývá Equus ferus. Domestikovaný (zdomácnělý) kůň domácí, poddruh tarpana stepního, se označuje jako Equus ferus caballus. Vyšlechtěné plemeno arabského plnokrevníka se pak označuje Equus ferus caballus „Arabian horse“, huculský kůň Equus ferus caballus „Hucul pony“ atd.

3.6Molekulární taxonomie a kryptické druhy

Až do objevů struktury a funkce informačních biomakromolekul (tj. DNA, RNA a proteinů) byly všechny taxonomické systémy založeny na srovnání znaků zjistitelných většinou přímým (makroskopickým či mikroskopickým) pozorováním jedinců. K charakterizaci určitého taxonu se používaly zejména morfologické znaky (stavba a velikost těla a utváření jeho jednotlivých orgánů i jiných struktur), dále např. způsob rozmnožování (včetně utváření jednotlivých vývojových stadií), typy chování, místo výskytu atd.

Dnes se při vymezení jednotlivých taxonů a k upřesnění rozdílů mezi nimi významně uplatňují molekulárněgenetické analýzy, zejména analýzy molekul DNA. Tyto molekuly jsou velice dlouhé (jde o biopolymery) (viz kapitola 11) a některé jejich části jsou u většiny organismů shodné nebo velmi podobné. Jiné úseky těchto molekul jsou však značně rozdílné a jejich složení je typické pro určitý druh, rod nebo jiný, vyšší taxon. Tyto molekulární znaky nám pomáhají daleko přesněji vymezit jednotlivé taxony a následně osvětlit i jejich evoluci. Vyhledávání a srovnávání rozdílů ve složení molekul DNA mezi jednotlivými taxony je náplní moderního oboru zvaného molekulární taxonomie.

Molekulárnětaxonomické analýzy dokonce ukázaly, že některé organismy dosud klasifikované jako jediný druh patří ve skutečnosti (vzhledem k prokázaným rozdílům ve složení určitých úseků DNA) dvěma nebo více druhům. Tyto druhy, které jsou z morfologického hlediska shodné nebo téměř shodné, avšak se liší v molekulárních znacích, označujeme jako kryptické druhy.

Diagnostika kryptických druhů má zásadní význam také v medicíně. Ukázalo se totiž, že některé kryptické druhy se navzájem liší také patogenitou.

Tak např. u protistů byly v rámci rodu Entamoeba objeveny morfologicky zcela identické kryptické druhy Entamoeba histolytica (měňavka úplavičná) a Entamoeba dispar, z nichž prvý je závažným patogenem napadajícím střevní sliznici, zatímco druhý žije v lidském trávicím traktu, aniž by ho významně poškozoval. Jejich rozlišení (a tedy i správná diagnostika onemocnění) je možné pouze prostřednictvím metod molekulární taxonomie.

10 Citováno podle: TERMIER P. Sláva Země. Praha: Vyšehrad 1939; 23.

11 Blíže viz např. ČEPIČKA I. Diverzita protist. Živa 2019; 5: 220–223.

12 Informaci o aktuální taxonomické klasifikaci najdou zájemci např. na webových stránkách BioLib: http://www.biolib.cz/cz/main/

13 Viz např. ELIÁŠ M. Potíže s kořenem – Eukaryotická fylogeneze. Vesmír 2017; 96: 270–273.

14 Blíže o životní strategii trypanozom pojednává oddíl 57.5.6.

4Úvod do cytologie

Řeč lidská skládá se z kmenů, kořenů jednotlivých, hmota skládána z atomů, celá fyzika z elementů pohybu, matematika z elementů kvantity a celé biologické bádání založeno na buňce, které poznány v říši bylinné (1838) i živočišné (1839). Ta buňka to jest elementární jednotný organismus, zrno pískové v kvádru, z něhož zbudovány jsou nejsložitější organismy jako milionové státy. I v „normálním“ postupu i v patologickém všechny vědy biologické snaží se dění u zvířat, člověka i bylin uvésti na buňku, jako celá chemie budována jest na atomech v jejich vlastnostech i vzájemnostech.15

BOHUSLAV RAÝMAN (1852–1910), český biochemik

4.1Základní vlastnosti buňky, buněčná teorie

Těla všech prokaryotických i eukaryotických organismů jsou tvořena buňkami. Každá buňka představuje základní stavební a funkční jednotku živého organismu a vykazuje tři základní vlastnosti:

1.Má vlastní metabolismus (tj. soubor biochemických procesů zajišťujících přísun, přeměnu a vylučování látek v návaznosti na příjem a využití energie).

2.Je schopna se sama dělit (alespoň v určitých fázích svého vývinu). Znamená to také, že předává svoji genetickou informaci v nezměněné podobě dceřiným buňkám.

3.Je ohraničena buněčnou membránou, která ji odděluje od okolního prostředí. Některé buňky (bakterií, hub, rostlin, protistů) mají na svém povrchu navíc buněčnou stěnu.

Buňka je zároveň nejmenší strukturní jednotkou živého organismu, která je schopna samostatného rozmnožování a dlouhodobé samostatné existence. Jednotlivé buňky izolované z mnohobuněčných organismů lze však zpravidla uchovat pouze v laboratorních podmínkách s využitím techniky buněčných kultur (viz kapitola 36).

Věda, která se zabývá studiem stavby buňky a jejích jednotlivých částí, se nazývá cytologie. Toto pojmenování pochází z řeckého kytos (κύτος = dutina, krabice, v přeneseném významu buňka; v latinské transkripci se pak počáteční „k“ mění v „c“). Klasická cytologie patří k morfologickým oborům (viz oddíl 2.2).

V některých učebnicích se setkáváme i se zdánlivě synonymním výrazem „buněčná biologie“ nebo též „biologie buňky“. Pod tímto pojmem však spíše rozumíme vědu, která studuje nejen buněčné struktury a jejich morfologii, ale také procesy, které v buňce probíhají. Jde tedy o šířeji zaměřenou nauku stojící na pomezí funkčních a morfologických oborů, která kromě cytologického základu využívá poznatků z molekulární biologie, biochemie, fyziologie a biofyziky.

Podobně také předpony „cyto-“ (vzácněji „cyt-“) se týkají určitých molekul, funkcí, útvarů či dějů, které mají vztah k buňkám. Jako příklad uveďme pojmy cytochromy (bílkovinné pigmenty s lokalizací uvnitř buněk), cytázy (enzymy štěpící buněčnou stěnu), cytotoxický (tj. toxický vůči buňkám) a cytoprotektivní (tj. mající ochranný vliv na buňky). Látky, resp. léčiva zastavující dělení buněk (především buněk nádorových) se nazývají cytostatika. Stejně tak koncovka „-cyt“ označuje určitý typ buňky, např. kostní buňka se odborně nazývá osteocyt, vazivová buňka je fibrocyt a buňku izolovanou z plodové vody (amniové tekutiny) označujeme jako amniocyt.

V onkologii se provádí tzv. cytologické vyšetření, též cytodiagnostika. Pod tímto pojmem rozumíme vyšetření morfologie buněk ze vzorku od pacienta a případné zjištění přítomnosti buněk nádorových. Konkrétním příkladem je analýza buněk ze stěru děložního hrdla sloužící ke včasnému zachycení nádoru.

Výraz buňka (resp. jeho anglického ekvivalentu „cell“, popř. latinského „cellula“) poprvé použil anglický přírodovědec ROBERT HOOKE (1635–1703), který ve svém spise Micrographia (vydaném v roce 1665) líčí mikroskopické pozorování suchého korkového pletiva (obr. 4.1) těmito slovy: „I could exceedingly plainly perceive it to be all perforated and porous, much like a Honey-comb, but that the pores of it were not regular [...] these pores, or cells, [...] were indeed the first microscopical pores I ever saw.“16

Obr. 4.1 Vyobrazení buněk korkovém pletivu v díle ROBERTA HOOKEA (zdroj: Robert Hooke, Micrographia, 1665, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=836146)

Buňky v korkovém pletivu, které HOOKE pozoroval (obr. 4.2), byly vlastně prvními buňkami, které obdržely svůj odborný název. S určitými výhradami lze toto pozorování ztotožnit se samotným objevem buňky. Ve stejné době však buňky a tkáně pozorovali ve svých mikroskopech také jiní badatelé. Za všechny jmenujme alespoň holandského učence ANTONIEHO PHILIPSE VAN LEEUWENHOEKA (1632–1723) (obr. 4.3), který pomocí mikroskopů vlastní výroby pozoroval různé biologické objekty. Byl první, kdo pozoroval různé zástupce mikrobů, které v holandštině pojmenoval výrazem „dierkens“, „diertgens“ nebo „diertjes“. Tento pojem, který lze do češtiny přeložit jako „zvířátka“, se do světových odborných spisů dostal většinou v latinské podobě „animalcules“ (v jednotném čísle animalculum = drobné zvíře, zvířátko). Většinu těchto „zvířátek“ (obr. 4.4) nyní řadíme mezi jednobuněčné organismy: protisty, bakterie nebo jednobuněčné řasy. LEEUWENHOEK byl také první, kdo provedl a podrobně zdokumentoval mikroskopická pozorování vlasů, svalových vláken, spermií a červených krvinek. Patřil také k prvním badatelům, kteří pozorovali průtok krve v kapilárách. Přestože LEEUWENHOEK neměl přírodovědné vzdělání a sám nesepsal žádné souborné dílo, byl ve své době velmi uznávaným badatelem. Své objevy vylíčil v dopisech, které posílal britské Royal Society (Královské společnosti). Ta mnohé z jeho dopisů publikovala v tištěné podobě. Velmi precizní Leeuwenhoekovy nákresy pozorovaných objektů prozrazují, že tento geniální amatér patřil k prvním, kteří v mikroskopu viděli různé buněčné útvary, ať už jednotlivé buňky, nebo některé tkáně. V mnoha starších učebnicích je dokonce nesprávně označován za vynálezce mikroskopu (viz oddíl 6.2).

Obr. 4.2 Anglický polyhistor ROBERT HOOKE, známý svými objevy na poli přírodních věd (Autor: Rita Greer – The original is an oil painting on board by Rita Greer, history painter, 2004. This was digitized by Rita and sent via email to the Department of Engineering Science, Oxford University, where it was subsequently uploaded to Wikimedia., FAL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7667243)

Obr. 4.3 ANTONIE PHILIPS VAN LEEUWENHOEK (autor: Jan Verkolje – www.rijksmuseum.nl: Home : Info : Pic, Volné dílo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? curid=3946892)

Obr. 4.4 Vyobrazení „animalcules“ z konce 18. století podle obrázků pořízených A. P. LEEUWENHOEKEM (zdroj: Daniel Dodd (nebo jeho syn D. P. Dodd?) a John Pass – https://www.heritage-images.com/preview/1155977?page-source=search, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17789101)

K buněčné teorii neboli učení, že buňka je základní stavební a funkční jednotkou těl všech živých organismů však dospěli badatelé až ve třicátých letech 19. století. Za objevitele buněčné teorie jsou považováni němečtí badatelé THEODOR SCHWANN (1810–1882) a MATTHIAS JAKOB SCHLEIDEN (1804–1881). Na objevu se však významnou měrou podílel i náš JAN EVANGELISTA PURKYNĚ (1787–1869) (obr. 4.5 a 4.6).

Obr. 4.5 JAN EVANGELISTA PURKYNĚ, český fyziolog, průkopník buněčné teorie a mikroskopie. Podobenka z roku 1837 (zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Jan_Evangelista_Purkyne.jpg?uselang=cs)

Obr. 4.6 Busta na pomníku JANA EVANGELISTY PURKYNĚ v rodných Libochovicích (okr. Litoměřice)

Podle mínění některých historiků vědy byl PURKYNĚ dokonce prvním, který zformuloval buněčnou teorii. I když tento názor zřejmě není opodstatněný, měly jeho práce pro vznik cytologie veliký význam. PURKYNĚ jako první pochopil klíčovou roli buňky jako základní jednotky živého organismu a jako první také upozornil na to, že těla rostlin i živočichů mají analogickou mikroskopickou – tedy buněčnou – strukturu. Vysvětlil, že rostlinná buňka se liší od živočišné pouze tím, že má pevný obal (dnes označovaný jako buněčná stěna), který živočišné buňce často chybí. Pro buňky používal Purkyně výrazu „zrnečka“, který se však neujal. Německý fyziolog, histolog a cytolog THEODOR SCHWANN tento nárys buněčné teorie dále rozpracoval a doložil dalšími pozorováními. Od J. E. PURKYNĚ pochází také výraz „protoplast“, resp. „protoplazma“, který se dodnes používá jako souborné označení pro vnitřní, živý obsah buňky nebo také pro rostlinnou buňku zbavenou buněčné stěny. PURKYNĚ si tento pojem pravděpodobně „vypůjčil“ ze starého rukopisu poitierského biskupa, svatého VENANTIA FORTUNATA (530?–609?). Toto dílo obsahovalo mimo jiné církevní hymnus, v němž byl pro prvního muže Adama použit výraz protoplast (z řeckého πρωτόπλαστος, resp. prōtóplastos = prvně stvořený, míněno „prvně vytvořený z prachu země“). Je však možné, že se inspiroval i jinými, tematicky podobnými církevními díly. PURKYNĚ je zároveň znám tím, že zavedl některé laboratorní techniky, které umožňovaly podrobnější mikroskopické pozorování buněk a tkání, a popsal určité tkáně lidského těla, včetně buněk, které jsou v nich přítomny (viz kapitola 8). Dodnes se pro zvláštní skupinu velkých nervových buněk v mozečku používá název Purkyňovy buňky.

4.2Jednobuněčné organismy

Těla některých organismů jsou tvořena pouze jedinou buňkou, proto je označujeme jako organismy jednobuněčné. V tomto případě představuje buňka volně žijící samostatnou jednotku. Typické jednobuněčné organismy jsou bakterie a archea, z eukaryot sem patří většina protistů, některé houby (např. kvasinky) a některé rostliny (jednobuněčné řasy). V případě bakterií je sice známo, že jejich buňky jsou schopny vzájemné kooperace a u některých druhů dokonce vytvářejí vláknité či hroznovité agregáty, pro zařazení mezi jednobuněčné organismy je však směrodatné, že téměř každá bakteriální buňka si zachovává schopnost samostatné existence (může za přirozených podmínek i po oddělení z příslušného útvaru přežít a dále se reprodukovat).

První jednobuněčné organismy jsou doloženy z doby zhruba před 3,5 miliardami let.17 Fosilie těchto zřejmě nejstarších živých organismů nacházíme v usazených (sedimentárních) horninách v Austrálii, v jižní Africe a v menší míře i na jiných lokalitách. K nejstarším fosiliím dokládajícím existenci jednobuněčných organismů patří zejména tzv. stromatolity. Jde o bochníkovité útvary vzniklé činností bakterií (konkrétně sinic – oddíly 58.5 a 58.9.1). Na průřezu stromatolitem je patrné, že je tvořen tenkými minerálními vrstvičkami, které se při jeho vzniku postupně usazovaly (jde o mořský kal spojený s vápnitým materiálem vylučovaným bakteriemi). Je zajímavé, že zbytky kolonií stromatolitů sporadicky přežívají dodnes, např. u západního pobřeží Austrálie v některých mořských zálivech (nejznámější lokalitou je Shark Bay), kde voda vykazuje vysokou salinitu (tj. vysokou koncentraci soli). Kromě stromatolitů nacházíme ve fosilním záznamu vzácněji také mikroskopické otisky jednotlivých buněk či jejich skupin.

4.3Mnohobuněčné organismy

V průběhu evoluce docházelo (zřejmě opakovaně) ke vzniku vícebuněčných útvarů, v nichž jednotlivé buňky vzájemně stále úžeji kooperovaly. Tak se vytvořily organismy mnohobuněčné, jejichž tělo je tvořeno větším počtem buněk, a ty jsou zpravidla morfologicky i funkčně rozrůzněny. K mnohobuněčným organismům řadíme velkou část eukaryot – konkrétně živočichy, většinu hub, většinu rostlin a také některé organismy řazené do skupiny protistů (např. chaluhy a hlenky).

První mnohobuněčné organismy se na Zemi objevily již v prekambriu (tj. ve starohorách, ještě před začátkem prvohor). Jejich nejstarší zkameněliny pocházejí z doby zhruba před 600 miliony lety. Podle jednoho z nejvýznamnějších nalezišť, pohoří Ediacara Hills v Austrálii, se tito nejstarší mnohobuněční tvorové označují souhrnně jako ediakarská fauna, popř. ediakarská biota (obr. 4.7). Systematické zařazení těchto organismů zůstává stále předmětem dohadů. Některé svým utvářením připomínají nynější žahavce (zejména medúzy nebo korálnatce), proto je australský geolog REGINALD CLAUDE SPRIGG (1919–1994), který své nálezy v Ediacara Hills popsal již v roce 1946, označil jako „medusoidy“. Jiní zástupci ediakarské fauny jsou však spíše podobní dnešním členovcům či mnohoštětinatcům. Podle některých odborníků by také mohlo jít o příslušníky zvláštní říše, kteří zcela vymřeli na počátku prvohor a nejsou příbuzní s žádným dnes žijícím organismem. Objevily se i názory, že příslušníci ediakarské „fauny“patřili ve skutečnosti mezi lišejníky, houby nebo velké druhy řas. Přesto se dnes většina badatelů přiklání k jejich zařazení mezi živočichy. Jiným nerozluštěným tajemstvím je, jak mohla měkká těla těchto organismů fosilizovat (tj. přeměnit se na zkameněliny). Z fosilního záznamu z různých geologických období totiž známe především druhy s pevnějšími schránkami, popř. lasturami, vnitřními kostrami atd. Ediakarské organismy, u nichž žádnou pevnou oporu těla nepředpokládáme, jsou z tohoto hlediska překvapivou výjimkou.

Obr. 4.7 Ukázky fosilií ediakarské fauny – venkovní paleontologická expozice v pražské zoologické zahradě

Zatímco u jednobuněčných organismů vykonává zpravidla každá buňka všechny funkce nezbytné k udržení životní aktivity, v tělech mnohobuněčných organismů dochází v různé míře ke specializaci. Znamená to, že tělo jedince je tvořeno větším počtem typů buněk, z nichž každý má svoji specifickou stavbu a zastává pouze omezený počet životních funkcí (viz kapitola 7). Podle své specializace mohou buňky nabývat velmi rozdílných tvarů. Tak u živočichů známe např. buňky oválné nebo kulovité (např. vajíčko), dále buňky ve tvaru krychle (u některých druhů výstelky neboli epitelu), buňky vřetenovité (u hladké svaloviny), buňky hvězdicovité (kostní a pigmentové buňky), buňky pyramidální (některé nervové buňky) a buňky améboidní, které mění svůj tvar stejně jako protista měňavka (typické např. u makrofágů).

Příkladem velmi primitivního mnohobuněčného organismu je váleč koulivý (Volvox globator), nyní většinou řazený mezi zelené řasy. Váleči (obr. 4.8) vytvářejí v průměru až 1,5 mm velké kulovité kolonie zvané cenobia, které drží pohromadě želatinózní hmota vylučovaná buňkami. V každém takovém cenobiu nacházíme několik set až tisíc buněk, které se většinou vyskytují na jeho povrchu a jsou opatřené bičíky. Ty zajišťují charakteristický krouživý pohyb celé kolonie. Kromě toho vytváří váleč také morfologicky odlišné pohlavní buňky. Těla mnohobuněčných organismů jsou však v drtivé většině daleko složitější a větší, než je tomu v případě váleče.

Obr. 4.8 Váleč koulivý (Volvox globator), naleziště: Borkovická blata (okres Tábor) (laskavě poskytl Mgr. Daniel Vondrák, Ph.D.)

Buňky, jež mnohobuněčný organismus tvoří, si zachovávají značnou míru autonomie a schopnost vlastní regulace procesů, které v nich probíhají. Současně je však jejich aktivita regulována a koordinována také na úrovni celého organismu prostřednictvím určitých „povelů“ z řídících center. Typickým příkladem tohoto typu řízení je endokrinní signalizace, kdy určité orgány (endokrinní žlázy) produkují do krve chemické látky zvané hormony, které jsou pak přenášeny krví do jiných orgánů, kde vyvolávají změnu biologické aktivity určitých buněk či tkání (viz oddíl 34.2.2).

Složitost těla mnohobuněčného organismu a s ní související nutnost provedení velmi komplexních dějů vyžaduje koordinaci aktivit a spolupráci mnoha různých buněk, z nichž každá vykonává svoji konkrétní funkci. Aby mohla buňka tuto funkci plnit, musí projít procesem diferenciace, při kterém získává postupně specifickou strukturu a tvar. Často jde o velmi složité procesy. Tak např. při vzniku lidské červené krvinky (erytrocytu) prochází buňka sedmi morfologicky odlišnými vývojovými stadii a v závěru diferenciace dokonce ztrácí jádro. Jiným zvláštním příkladem je vznik příčně pruhovaného svalového vlákna, při němž splývá dohromady velké množství buněk (tzv. myoblastů), a vytváří se tak složitý mnohojaderný útvar, který označujeme jako soubuní neboli syncytium.

15 RAÝMAN B. Přírodozpytec a otázky dne. Praha: Český čtenář 1913; 45.

16 Český překlad: „Mohl jsem mimořádně jasně vnímat, že je celé perforované a porézní, podobně jako medová plástev, ale že jeho póry nebyly pravidelné [...] tyto póry nebo buňky [...] byly skutečně prvními mikroskopickými póry, které jsem kdy viděl.“

17 Nedaleko kanadského Québecu byly nedávno ve vrstvách minerálu hematitu (krevele, Fe2O3) starých cca 4 miliardy let zjištěny mikroskopické útvary, které někteří badatelé považují za zkameněliny primitivních jednobuněčných organismů. Pokud se tato hypotéza potvrdí, půjde o nejstarší nalezené zkameněliny vůbec.

5Eukaryotická buňka

… v celém našem těle je mnoho bilionů buněk, všechny živé, každá pro sebe: a všechny dohromady jsme vlastně já, ty, my. Skutečně, jsme kolonie buněk, každý z nás, – tyto buňky se celkem mnoho o nás nezajímají; žijí si a umírají každá pro sebe. Pohleďme na svou kůži: je to dokonalý hřbitov milionů buněčných mrtvol.18

OTAKAR MATOUŠEK (1899–1994), český geolog, historik a popularizátor přírodních věd

5.1Základní charakteristika eukaryotické buňky

Velikost eukaryotických buněk je různá, u savců (včetně člověka) zpravidla kolísá mezi 4–150 mikrometry (μm). Také tvary a struktura jednotlivých buněk jsou značně rozdílné a úzce souvisí s jejich konkrétní funkcí. Základním rysem všech eukaryotických buněk (a tedy i lidských) je výrazné rozčlenění neboli kompartmentace buněčného obsahu do jednotlivých oddílů s rozdílnou funkcí. Toto oddělení je zprostředkováno především membránami, které vytvářejí organely (buněčné ústroječky). Kromě organel zde nacházíme i jiné útvary se zásobní nebo jinou funkcí (viz dále).

Lidské tělo obsahuje asi 45–70 bilionů buněk, které lze roztřídit do zhruba 200 odlišných buněčných typů. Průměrná velikost buňky člověka je 20 μm. K nejmenším lidským buňkám patří červená krvinka (erytrocyt), jejíž průměr činí pouze 7,5 μm. Naopak největší buňkou lidského těla je vajíčko (oocyt), jehož průměr dosahuje 0,2 mm (= 200 μm). Daleko větší vajíčka však mají jiní zástupci obratlovců: Např. vajíčko obojživelníků má průměr 2 mm a vajíčko ptáků až několik centimetrů.

Základní hmotu buňky (obr. 5.1) tvoří cytoplazma, která obsahuje cytosol (buněčný roztok), většinu organel, drobné částice (partikule) a útvary obsahující zásobní látky (inkluze). Od cytoplazmy odlišujeme karyoplazmu, tj. hmotu tvořící buněčné jádro. Cytoplazma a karyoplazma tvoří dohromady protoplazmu, resp. protoplast (tento termín zavedl již náš slavný badatel JAN EVANGELISTA PURKYNĚ) (viz kapitola 4.1). V následujícím textu jsou informativně probrány nejvýznamnější buněčné struktury.19

Obr. 5.1 Zjednodušené schéma eukaryotické (živočišné) buňky se znázorněním nejvýznamnějších struktur

5.2Buněčná membrána

Buněčná neboli cytoplazmatická membrána, též plasmalemma (obr. 5.2) ohraničuje buňku, avšak současně zprostředkuje kontakt mezi vnitřním prostředím buňky a jejím okolím. Umožňuje především:

1.sekreci látek, které jsou produkty biochemických pochodů v nitru buňky,

2.transport látek z okolního prostředí do nitra buňky i z buňky do okolního prostředí,

3.komunikaci a kontakt mezi buňkami.

Obr. 5.2 Základní stavba cytoplazmatické membrány, nahoře schéma molekuly fosfolipidu

Základem buněčné membrány je bimolekulární vrstva fosfolipidů. Znamená to, že molekuly fosfolipidů tvoří dva listy: vnitřní list (obrácený k cytoplazmě) a vnější list (hraničící s prostorem vně buňky).

Každá molekula fosfolipidu (obr. 5.2 nahoře) obsahuje dvě části: hydrofilní (která je obrácena k povrchu membrány a je v kontaktu s okolním vodným prostředím) a hydrofobní (obrácenou do vnitřku membrány). V každém listu tvoří molekuly fosfolipidů souvislou vrstvu.

Kromě fosfolipidů obsahuje membrána mnoho různých proteinových molekul, jejichž podíl na celkové hmotnosti buněčné membrány činí okolo 50 %. Některé z těchto proteinů mají transportní funkci, tzn., že zprostředkují vstup různých molekul a iontů dovnitř anebo naopak ven z buňky. Příkladem jsou tzv. iontové kanály. Jiné membránové proteiny fungují jako receptory. Znamená to, že po vazbě určité molekuly z vnějšího prostředí (např. hormonu) indukují další biochemické děje v nitru buňky, čímž přenášejí tento signál dovnitř a následně vyvolávají určitou buněčnou odpověď. Těmito procesy se realizuje buněčná signalizace, která má mimo jiné velký význam pro regulaci buněčného dělení (viz kapitoly 34 a 35). Pokud je nějakým způsobem narušena příslušná receptorová molekula anebo další signální molekuly, vzniká nebezpečí, že se buňka vymkne kontrole a začne se neomezeně dělit. Proto se tento typ poruch může podílet i při vzniku nádorového onemocnění.

V plazmatické membráně nacházíme i zvláštní struktury umožňující kontakt, popř. komunikaci se sousedními buňkami. Jde především o tři typy spojů:

1.Těsné neboli okluzní spoje (tight junctions), které jsou zprostředkovány specifickými proteiny zvanými okludiny.

2.Desmozomy tvořené především bílkovinami zvanými kadheriny.

3.Mezerové spoje, též vodivé spoje nebo nexy (gap junctions), které představují kanálky přímo spojujícími cytoplazmy sousedících buněk (odtud výraz vodivé spoje). Tyto kanálky jsou obklopeny proteinovými komplexy zvanými konexony.

Mezibuněčné spoje jsou klíčovými strukturami zprostředkujícími mezibuněčnou signalizaci, která umožňuje koordinaci činnosti jednotlivých buněk a tkání (viz oddíl 34.2.5). Proto porucha těchto spojů může mít velmi závažné následky. Předpokládá se, že zejména narušení mezerových spojů může být jednou z kritických událostí vedoucích ke vzniku nádorové buňky.

Fosfolipidová membrána se nevyskytuje pouze na povrchu buňky, ale je základní složkou dalších organel eukaryotické buňky: endoplazmatického retikula, Golgiho komplexu, jaderného obalu, mitochondrií, plastidů i dalších membránových útvarů (viz oddíly 5.4.1, 5.4.2, 5.4.3, 5.4.4, 5.4.6 a 5.4.8). Membrány jednotlivých jmenovaných struktur však mají (na rozdíl od cytoplazmatické membrány) odlišnou tloušťku a obsahují také jiné specifické proteiny.

5.3Jádro eukaryotické buňky

Jednou z nejvýznamnějších a také nejsložitějších organel eukaryotické buňky je jádro (nucleus). Jeho tvar, velikost i jeho pozice v buňce jsou závislé na typu buňky. Tak např. v buňkách epitelu (výstelkové tkáně) nacházíme obvykle jádra kulovitá až vejčitá, jádra svalových buněk mají zpravidla tvar vřetenovitý až tyčinkovitý. Ještě složitější jádro mají některé bílé krvinky zvané polymorfonukleární leukocyty, kde je jádro výrazně protaženo a vybíhá do několika laloků (hovoříme o tzv. segmentovaném jádře). Tvar jádra může být ovlivněn i patologickými procesy. Např. nádorové buňky mají většinou jádra nepravidelného tvaru (viz oddíl 61.2). Také umístění jádra v buňce může být rozdílné. V některých buňkách jej najdeme v centrálních partiích, u jiných buněk se jádro vyskytuje v okrajových částech.

Jádro (viz obr. 32.1 v oddíle 32.1) je ohraničeno jaderným obalem, který je tvořen dvěma membránami. Jaderný obal obsahuje tzv. jaderné póry. I když hovoříme o pórech, nejde o volně prostupné otvory, jak se dříve předpokládalo. Jaderný pór obsahuje komplex specifických proteinů souborně označovaných jako nukleoporiny. Póry zajišťují selektivní výměnu látek mezi vnitřním prostorem buněčného jádra a cytoplazmou. Na vnějším povrchu jaderného obalu se mohou vyskytovat ribozomy, což jsou struktury, v nichž probíhá syntéza bílkovin (viz oddíly 5.4.1 a 21.3).

Uvnitř jádra nacházíme vlastní jadernou hmotu čili karyoplazmu20, jejíž podstatnou součástí je chromatin. Základními složkami chromatinu jsou chromozomy. Jde o různě dlouhé vláknité útvary, z nichž každý obsahuje lineární molekulu deoxyribonukleové kyseliny (DNA), na kterou je navázán velký počet molekul specifických proteinů, jež dělíme na histony a nehistonové proteiny. Počet a utváření chromozomů jsou pro každý biologický druh specifické. Protože v DNA je obsažena genetická informace, lze říci, že jádro obsahuje převážnou část „genetické paměti“ eukaryotické buňky. Molekuly DNA přítomné v jádře tvoří dohromady tzv. jaderný genom.

Důležitou součástí jádra je také struktura zvaná jadérko (nucleolus), která má klíčový význam pro vznik ribozomů (viz oddíl 32.10). V jednom jádře může být jedno nebo více jadérek. O stavbě a funkci jádra, chromozomů a jadérka podrobněji pojednává kapitola 32.

5.4Cytoplazma

Cytoplazma obsahuje kromě buněčného roztoku neboli cytosolu řadu specializovaných organel a dalších struktur nezbytných pro život buňky. K cytoplazmatickým organelám řadíme semiautonomní organely (zejména mitochondrie a chloroplasty), ribozomy, hrubé a hladké endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lyzozomy, peroxizomy, proteazomy. Současně nacházíme v cytoplazmě cytoskelet tvořící oporu i základní pohybový systém buňky a dále různé inkluze a vakuoly.

5.4.1Endoplazmatické retikulum a ribozomy

Endoplazmatické retikulum je membránová organela, která se v buňce vyskytuje ve dvou formách. Rozlišujeme tak drsné a hladké endoplazmatické retikulum.

Drsné neboli granulární endoplazmatické retikulum (obr. 5.3) je zvláštním kanálkem spojeno s jaderným obalem. Na svém povrchu obsahuje útvary zvané ribozomy.

Ribozomy jsou poměrně malé částice o velikosti 20 × 30 nanometrů (nm). Nejde o membránové struktury, ale o komplexy tvořené molekulami ribozomové RNA (rRNA) a specifických bílkovin. Klíčový význam ribozomů, a tedy i drsného endoplazmatického retikula, spočívá v syntéze proteinů. Velmi zjednodušeně lze ribozomy označit jako „výrobní jednotky“, v nichž se z jednotlivých aminokyselin vytvářejí molekuly bílkovin. Tento proces se nazývá translace (viz kapitola 21). Ne všechny ribozomy se však nacházejí na drsném endoplazmatickém retikulu. Některé mohou být přítomny i v povrchové membráně jaderného obalu, jiné se vyskytují volně v cytoplazmě.

Obr. 5.3 Granulární (hrubé) endoplazmatické retikulum (GER) v cytoplazmě dvou serózních buněk potkaního pankreatu. Buňky jsou od sebe oddělené mezibuněčným prostorem obsahujícím bazální laminu (BL) (transmisní elektronová mikroskopie, zvětšení 50 000×).

Hladké neboli agranulární endoplazmatické retikulum (obr. 5.4) ribozomy neobsahuje a od drsného retikula se liší také svou funkcí. Probíhá v něm např. úprava proteinů vzniklých na ribozomech drsného endoplazmatického retikula (viz oddíl 21.7), dále syntéza steroidních hormonů a fosfolipidů, hydroxylace xenobiotik (tj. cizorodých, často toxických látek, které se hydroxylací převedou na deriváty, jež mohou být snadněji vyloučeny z těla), transport iontů a jiné významné děje.

Obr. 5.4 Hladké endoplazmatické retikulum (HER) a mitochondrie (M) v cytoplazmě prasečího hepatocytu. Vedle hepatocytu probíhá jaterní sinusoida obsahující červenou krvinku (ČK) (transmisní elektronová mikroskopie, zvětšení 40 000×)

5.4.2Golgiho komplex a exocytóza

Golgiho komplex, rovněž Golgiho aparát (obr. 5.5), navazuje funkčně i svým umístěním v buňce na hladké endoplazmatické retikulum. Tvoří jej zpravidla jeden nebo více plochých membránových útvarů. K hlavním funkcím této organely patří produkce membránového materiálu, jenž slouží pro obnovu buněčné membrány i ostatních membránových struktur.

Obr. 5.5 Golgiho komplex (GK), mitochondrie (M) a centriol (C) v cytoplazmě buňky z buněčné kultury nádorových lidských neuroblastů (transmisní elektronová mikroskopie, zvětšení 15 000×)

V Golgiho komplexu však probíhají také závěrečné fáze přeměny biochemicky významných molekul, zejména některých proteinů, které jsou určeny „na export“, tj. k transportu mimo buňku (viz dále). Při tomto procesu se z Golgiho aparátu oddělují malé membránové transportní útvary zvané sekreční váčky neboli sekreční granula. Ty se po oddělení z Golgiho komplexu přesouvají k buněčné membráně, s níž se posléze spojí a svůj vnitřní obsah uvolní do prostoru mimo buňku. Tento proces se nazývá exocytóza.

Aparát byl poprvé pozorován roku 1898 v Purkyňových buňkách mozečku, kde bývá poměrně dobře vyvinut. Autorem tohoto objevu je italský lékař a histolog CAMILLO GOLGI (1843–1926), který k obarvení vyvinul zvláštní techniku využívající kombinace dichromanu draselného a dusičnanu stříbrného, po jejichž aplikaci se v buňkách vytvářejí velmi drobné tmavé krystalky chromanu stříbrného. Tímto způsobem je možné vizualizovat nejen některé vnitřní struktury, ale také celé nervové buňky, včetně jejich výběžků (axonů a dendritů). Toho GOLGI využil k detailnímu studiu stavby nervové soustavy, za což mu byla roku 1906 udělena Nobelova cena. Na počest GOLGIHO byl později pojmenován také Golgiho komplex.

5.4.3Lyzozomy a endocytóza

Kromě výše popsaných organel nacházíme v buňkách ještě další membránové útvary, které mohou mít velmi rozdílnou funkci. Patří k nim lyzozomy, které obsahují 40 až 60 různých hydrolytických enzymů, souborně označovaných jako kyselé hydrolázy. Označení „kyselé“ vychází ze skutečnosti, že tyto enzymy jsou aktivní pouze v kyselém prostředí (pH 4,8–6,0), které se uvnitř lyzozomu trvale udržuje. Působením těchto enzymů dochází ke štěpení neboli lýze (z řeckého lysis, resp. λύσις = rozpouštění, rozklad) různých molekul, zejména proteinů, sacharidů, nukleových kyselin a lipidů. Od výrazu „lýza“ pochází název lyzozom.

Lyzozomy se uplatňují při degradaci molekul z vnějšího i vnitřního prostředí buňky. Proto se podílejí také při procesu endocytózy, kdy buňka přijímá částice z vnějšího prostředí. Pokud buňka takto pohlcuje částečky malých rozměrů (zpravidla menších než 150 nm), jde o tzv. pinocytózu („buněčné pití“). Tyto částice jsou nejprve pohlceny do malého váčku, který vzniká z cytoplazmatické membrány a vchlipuje se dovnitř buňky. Takto vzniklý endocytotický váček pak prochází dalšími změnami a v nitru buňky splývá s lyzozomem, jehož enzymy zpravidla rozštěpí pohlcený materiál. Rozštěpením získá buňka některé látky, které může dále využít (např. aminokyseliny). Tyto látky pak přecházejí do cytoplazmy. Nerozložitelné zbytky bývají vyloučeny z buňky procesem tzv. buněčné defekace.

Rozměrnější částice (např. jiné buňky nebo jejich části, bakterie nebo ostatní partikule o průměru větším než 250 nm) přijímá buňka procesem zvaným fagocytóza („buněčné pojídání“). V tomto případě jsou částice nejdříve pohlceny do tzv. fagozomu („fagocytární vakuoly“), který pak uvnitř buňky splývá s lyzozomem. Schopnost fagocytózy je dobře známa u mnoha protistů (např. měňavek), kteří si touto cestou obstarávají potravu. V lidském organismu je fagocytóza typická pro tzv. profesionální fagocyty, k nimž patří mimo jiné některé typy leukocytů (bílých krvinek) a tzv. makrofágy. Fagocyty jsou schopny pohlcovat např. buňky bakterií a tím následně napomáhat k nástupu či průběhu dalších obranných reakcí. Proto má fagocytóza klíčový význam pro imunitu organismu a uplatňuje se při imunitní odpovědi (viz kapitoly 53 a 54).

Kromě imunitní odpovědi proti původcům infekčních onemocnění zastávají fagocytující buňky i jiné úlohy. Významně se uplatňují např. při likvidaci poškozených a odumřelých buněk v těle. Tak např. makrofágy mohou každý den strávit až 1011 zestárlých červených krvinek (erytrocytů).

Lyzozomy však neslouží pouze ke štěpení molekul exogenního původu. Mají zásadní význam také při odbourávání vlastních, již nepotřebných molekul přítomných v nitru buňky.

K výbavě lyzozomů patří také enzymy zvané katepsiny, které řadíme mezi proteázy (enzymy schopné štěpit proteiny). Tyto enzymy se z lyzozomů uvolňují do cytosolu při zahájení tzv. programované buněčné smrti. Pod tímto pojmem rozumíme proces, kdy buňka z různých důvodů provede své sebezničení (proto se někdy programovaná buněčná smrt označuje jako „buněčná sebevražda“). Katepsiny v tomto případě napomohou k rozštěpení vnitřního obsahu buňky, především jeho proteinové složky.

Význam lyzozomů vyplývá i z faktu, že geneticky podmíněné poruchy tvorby lyzozomů, resp. lyzozomových enzymů, mají zpravidla velmi těžký průběh a patří ke klinicky nejzávažnějším vrozeným onemocněním. Tyto poruchy jsou způsobeny hromaděním určitých nerozštěpených molekul v buňkách a tkáních, což dříve či později způsobí jejich zánik a následně negativně ovlivní činnost celého organismu.

V současnosti je známo asi 50 těchto chorob. Příkladem jsou tzv. mukopolysacharidózy, u nichž dochází k poruše funkce některého z lyzozomálních enzymů štěpícího glykosaminoglykany (dříve zvané mukopolysacharidy – odtud název). Tyto enzymatické defekty vedou k hromadění nerozštěpených glykosaminoglykanů v buňkách, v pojivových tkáních a také v krvi. Citelné je zejména ukládání těchto molekul v neuronech, které postupně zanikají, což způsobuje poruchu činnosti nervové soustavy. Kromě charakteristických obličejových rysů (obr. 5.6) jsou typickými projevy psychomotorická a růstová retardace, dále poruchy vývinu kostní tkáně, ale také postižení srdce či jiných orgánů. Obtíže se zpravidla objevují po 1. roce života a pozvolna se zhoršují. U dítěte se začíná projevovat nápadný neklid, poruchy spánku a postupný úbytek rozumových schopností. Pacienti zpravidla umírají v dětském nebo raném dospělém věku. Účinná léčba mukopolysacharidóz v současnosti neexistuje, v některých případech lze však průběh choroby zbrzdit podáváním chybějícího enzymu nebo látek, které zabraňují vstupu glykosaminoglykanů do buněk. U některých pacientů se podařilo dosáhnout úspěchu transplantací nezralých (kmenových) buněk od zdravých dárců. Do budoucna se předpokládá využití genové terapie (viz kapitola 64).

Obr. 5.6 Dívka postižená mukopolysacharidózou (typický obličej) (zdroj: Wonderlane – https://www.flickr.com/photos/wonderlane/3464129989/in/photostream/, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=80093189)

5.4.4Peroxizomy

Další specifickou skupinou membránových organel jsou peroxizomy. Také tyto struktury obsahují mnoho různých enzymů. V nitru peroxizomů probíhá řada biochemických dějů, mimo jiné syntéza některých lipidů, syntéza cholesterolu, oxidace mastných kyselin (stejně jako v mitochondriích) a degradace aminokyselin. Při některých těchto reakcích vzniká jako vedlejší produkt peroxid vodíku (H2O2) (odtud název organel). Tato látka je obecně velmi agresivní a mohla by způsobit nevratnou degradaci většiny buněčných struktur. Proto je v peroxizomech přítomna skupina enzymů, které peroxid vodíku degradují. Nejvýznamnější z těchto enzymů je kataláza, jejímž působením se peroxid rozkládá podle rovnice:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Další cestou, jak může kataláza degradovat peroxid vodíku, je oxidace organické látky obsahující vodík (v rovnici znázorněné jako RH2):

H2O2 + RH2 → 2 H2O + R

Také geneticky podmíněné poruchy funkce peroxizomů, resp. jejich enzymů, patří k velmi závažným vrozeným onemocněním se špatnou prognózou. Příkladem je Zellwegerův syndrom, u něhož dochází k výraznému snížení aktivity peroxizomových enzymů nebo i ke ztrátě peroxizomů. Zasaženy bývají zejména mozek, játra a ledviny, podle čehož se onemocnění také nazývá cerebrohepatorenální syndrom. U postižených novorozenců zjišťujeme nižší porodní váhu a následně velmi pomalé přibývání tělesné hmotnosti, což souvisí se závažnou poruchou příjmu potravy. Postupně se rozvíjejí různé neurologické obtíže, zejména poruchy sluchu a zraku, křeče a celkově snížené svalové napětí (těžká hypotonie). Játra postižených dětí jsou zpravidla zvětšena a projevem jejich narušené funkce bývá žloutenka. Typický bývá rozvoj mentální retardace. Prognóza onemocnění je velmi špatná, většina postižených dětí umírá do 1 roku života. Účinná léčba zatím není známa.

5.4.5Proteazomy

Vedle lyzozomů se na odbourávání nepotřebných proteinových molekul podílejí významnější měrou nemembránové struktury zvané proteazomy (někdy nazývané též prozomy nebo multikatalytické proteinázy). Jde o velmi malé válcovité proteinové částice o velikosti 10 × 60 nm přítomné v cytoplazmě i v buněčném jádře. V nitru proteazomů probíhá rozklad proteinů neboli proteolýza (viz oddíl 21.7). Aby však mohl být příslušný protein v proteazomu rozložen, je nejprve označen tak, že se na něj naváže jiný protein zvaný ubikvitin. Připojení ubikvitinu katalyzuje enzym ubikvitin ligáza (viz oddíl 44.3.4). Protein zpravidla označený větším počtem ubikvitinových jednotek pak putuje do proteazomu, kde je nejprve zbaven ubikvitinu a poté rozložen. V proteazomech nezanikají pouze proteiny, které jsou pro buňku již nepotřebné, ale také proteiny defektní, tzn. s chybnou strukturou nebo různým způsobem poškozené.

Předpokládá se, že v proteazomech probíhá degradace asi 90 % všech nepotřebných bílkovin. Proto mají pro rozklad proteinů větší význam než lyzozomy (viz oddíl 5.4.3). Proteazomy nacházíme ve všech eukaryotických buňkách a také u některých prokaryot.

Pod elektronovým mikroskopem byly proteazomy objeveny koncem šedesátých let 20. století. Jejich funkce však byla objasněna až v letech 1988–1989 (z této doby pochází také název „proteazom“). Skutečnost, že u eukaryotických buněk představují proteazomy hlavní proteolytický systém, dokumentují i výsledky četných experimentů a pozorování, podle nichž narušení tvorby proteazomů (např. vlivem mutace nebo vnějším zásahem) vede ke smrti buňky. Zatím provedené studie dokonce ukazují, že nádorové buňky jsou v tomto směru daleko citlivější k narušení proteazomů než buňky normální. Proto byly některé látky narušující proteazomy či zastavující jejich tvorbu, tzv. proteazomové inhibitory, navrženy k využití při protinádorové léčbě.21 V současnosti se v onkologické praxi aplikuje zejména bortezomib (známý též pod názvem „Velcade“), který patří k nejúčinnějším chemoterapeutikům při léčbě mnohočetného myelomu.

5.4.6Semiautonomní organely

Semiautonomními organelami jsou mitochondrie a plastidy. Označení „semiautonomní“ vychází ze skutečnosti, že mají vlastní genetickou informaci (vlastní DNA) a jejich dělení probíhá do značné míry nezávisle na dělení buňky. V živočišných (a tedy i lidských) buňkách stejně jako v buňkách hub nacházíme pouze mitochondrie. V buňkách rostlin a některých protistů (např. krásnooček) se navíc vyskytují plastidy.

5.4.6.1Mitochondrie – energetické centrum buňky

Nezbytným vybavením každé kuchyně je vařič, sporák, popř. jiný zdroj tepla. Pokud bychom ho neměli, těžko bychom připravili většinu jídel, ani bychom si neuvařili kávu nebo čaj. Byli bychom tak celoživotně odkázáni na studenou kuchyni. Ani výroba mnohých potravin studené kuchyně se však neobejde bez dodání tepla (např. většina masných výrobků vzniká vařením či uzením masa). Z toho vyplývá, že pro přípravu naprosté většiny potravin je nezbytné dodání tepelné energie.

Také v buňce se každým okamžikem uskuteční nespočet reakcí a dalších životně důležitých procesů a jen málo z nich probíhá zcela spontánně. K realizaci většiny těchto dějů musí buňka dodat energii. V „buněčné kuchyni“ však nenajdeme žádná ohřívadla. Energii je třeba dodat v jiné, a to chemické formě. Existují molekuly, které označujeme jako makroergní či makroergické. Pokud dojde k jejich rozštěpení, uvolní se chemická energie, kterou může buňka využít k uskutečnění určité reakce či jiného procesu. Nejvýznamnější takovou makroergní molekulou je adenosintrifosfát (obr. 5.7), jehož převážný podíl vzniká za normálních podmínek v buněčných strukturách zvaných mitochondrie.

Obr. 5.7 Strukturní vzorec adenosintrifosfátu (ATP)

Mitochondrie (obr. 5.4, 5.8 a 5.9) má zpravidla oválný či válcovitý tvar o průměru 0,5–1 µm. Délka mitochondrie závisí na typu, resp. metabolické aktivitě buňky, a může kolísat od několika jednotek až do 10 µm. Každá mitochondrie je obalena dvěma membránami: vnitřní a vnější (obr. 5.8). Vnější membrána je zpravidla hladká, zatímco vnitřní membrána se vchlipuje do vnitřního prostoru mitochondrie v podobě výběžků, tzv. krist (cristae mitochondriales). V nitru mitochondrie nacházíme poměrně hustou hmotu zvanou matrix. V ní je přítomna molekula mitochondriální DNA (mtDNA), která je většinou kruhová (cirkulární). Molekuly mtDNA mají své vlastní geny a vytvářejí si některé specifické proteiny (viz kapitola 51). Proto obsahují mitochondrie v matrix také vlastní ribozomy, které jsou však velikostí a stavbou velmi podobné prokaryotickým ribozomům (viz oddíl 58.2). Znamená to, že se liší od ribozomů v cytoplazmě a na jiných membránových organelách eukaryotické buňky.

Obr. 5.8 Stavba mitochondrie

Obr. 5.9 Mitochondrie (M) a volné ribozomy (R) v cytoplazmě buňky z buněčné kultury nádorových lidských neuroblastů (transmisní elektronová mikroskopie, zvětšení 50 000×)

Utváření mtDNA, mitochondriálních ribozomů a další specifické znaky vypovídají o tom, že mitochondrie patrně vznikla z prokaryotické buňky, která v dávné evoluční minulosti vstoupila do primitivní buňky eukaryotické. V průběhu další evoluce se stále prohlubovala vzájemná kooperace obou buněk. Prokaryotická buňka postupně ztratila většinu své genetické informace, pozbyla schopnost samostatné existence a proměnila se na mitochondrii. Uvedený proces, kdy docházelo ke stále těsnější spolupráci obou buněk, se nazývá endosymbióza. Předpokládá se, že endosymbióza je jedním ze základních milníků v procesu vzniku eukaryotické buňky (viz oddíl 51.1).

Počet mitochondrií v buňkách je různý a závisí (stejně jako tvar mitochondrií) na typu a metabolické aktivitě buňky. Velký počet mitochondrií nacházíme např. v buňkách příčně pruhované svalové tkáně srdeční – kardiomyocytech. Poměrně bohaté na mitochondrie jsou také jaterní buňky (jedna jaterní buňka obsahuje zhruba 1700 až 2500 mitochondrií).

Molekula mtDNA obsahuje geny, jejichž porucha (mutace) může způsobit závažná genetická onemocnění postihující především nervový systém. O těchto chorobách, jejich dědičnosti i dalším významu mtDNA pojednává kapitola 51.

V mitochondriích probíhají významné biochemické procesy, zejména beta-oxidace mastných kyselin, citrátový (Krebsův) cyklus a dýchací řetězec, resp. oxidativní fosforylace.22 Uvedené děje jsou za normálních podmínek navzájem spřaženy a ve svém výsledku vedou mimo jiné k syntéze již zmíněného adenosintrifosfátu (ATP). Tato makroergní molekula se jako zdroj chemické energie využívá v mnoha biochemických reakcích. Má také klíčový význam pro uskutečnění naprosté většiny životně důležitých procesů, které by bez dodání energie nemohly proběhnout. Aby bylo možné získat z ATP chemickou energii, štěpí se podle rovnice:

ATP → ADP + Pi

ADP označuje adenosindifosfát, Pi je zkratka používaná pro fosfát, což je anorganický iont PO43– odvozený z kyseliny trihydrogenfosforečné (H3PO4). Opětným připojením fosfátové skupiny k ADP lze opět vytvořit ATP (k tomuto procesu dochází např. v závěrečné fázi dýchacího řetězce).

Při některých procesech se z ATP odštěpují dvě fosfátové skupiny. Výsledkem je adenosinmonofosfát (AMP) a pyrofosfát (PPi ), což je struktura tvořená dvěma fosfátovými skupinami. Tento děj lze zapsat jednoduchou rovnicí:

ATP → AMP + PPi

K odštěpení pyrofosfátu dochází také při syntéze DNA a RNA (viz kapitoly 15 a 20).

Bez štěpení ATP si nelze představit např. svalový stah, pohyb bičíků, dělení buňky, syntézu nukleových kyselin a proteinů, buněčnou komunikaci, transport molekul mezi buňkami a nespočet dalších dějů. Proto je mitochondrie, kde za normálních podmínek vzniká většina ATP, často označována jako energetické centrum buňky.

Kromě ATP se v buňce vyskytují ještě jiné makroergní molekuly (např. fosfoenolpyruvát, kreatinfosfát, koenzym A a další). ATP je však makroergní sloučeninou primárního významu, proto bývá někdy označován jako „univerzální energetické platidlo“. Téměř všechny ostatní makroergní molekuly vznikají za jeho účasti, sám je pak výlučným energetickým zdrojem pro řadu energeticky náročných pochodů, zejména syntetických, ale také rozkladných (katabolických) reakcí.

5.4.6.2Chloroplasty a fotosyntéza

Nejznámější a nejvýznamnější formou plastidů jsou chloroplasty. Jejich struktura (obr. 5.10) se v mnohém podobá mitochondriím. Jsou obaleny dvěma membránami, mají vlastní molekulu DNA (chloroplastovou DNA – cpDNA) a vlastní ribozomy, které jsou stejně jako v případě mitochodrií velmi podobné ribozomům prokaryot. Proto se předpokládá, že plastidy vznikly během evoluce podobnou cestou jako mitochondrie, tj. endosymbiózou. Buňkou, která v tomto případě vstoupila do původní buňky eukaryotické, byla nejspíše sinice schopná fotosyntézy (viz oddíly 51.1 a 58.5).

Obr. 5.10 Stavba chloroplastu

V jedné rostlinné buňce se normálně vyskytují desítky až stovky chloroplastů. Známe však četné výjimky. Výrazné snížení početnosti chloroplastů vedoucí až k tzv. chloróze (projevující se nápadným zežloutnutím listů) bývá většinou vyvoláno nedostatkem některých stopových prvků, zejména železa nebo hořčíku, který je nezbytný pro tvorbu listového barviva – chlorofylu (viz dále). V jednom chloroplastu nacházíme zpravidla 10 až 50 kopií cpDNA. Ačkoli se v učebnicích většinou traduje, že molekula cpDNA je kruhová (stejně jako mtDNA), známe u mnoha rostlin také lineární, či dokonce větvené formy.

V nitru chloroplastů probíhá významný proces zvaný fotosyntéza. Podstatou fotosyntézy neboli fotosyntetické asimilace je tvorba sacharidů a kyslíku z molekul vody a oxidu uhličitého. Během tohoto děje probíhá fixace energie slunečního záření, která se mění na energii chemickou (přesněji na energii chemických vazeb). Velmi zjednodušeně lze proces fotosyntézy vyjádřit souhrnnou chemickou rovnicí:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

(oxid uhličitý + voda → glukóza + kyslík).

Zcela správný zápis celé rovnice by měl ovšem znít:

6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Důvodem pro tento komplikovanější a zdánlivě nelogický zápis (na obou stranách rovnice je uvedena voda) je skutečnost, že veškerý kyslík vzniká z molekul vody (oněch „12 H2O“), která do reakce vstupuje. Naopak voda („6 H2O“) uvedená mezi produkty fotosyntézy vzniká z kyslíku obsaženém v oxidu uhličitém.23

K zachycení slunečního záření, přesněji fotonů, slouží fotosyntetická barviva, která v komplexu se specifickými proteiny tvoří tzv. světlosběrné antény. K těmto barvivům patří u rostlin zejména chlorofyl a a chlorofyl b. Jsou obsaženy uvnitř chloroplastů v drobných membránových útvarech, tzv. thylakoidech, jejichž nahromaděním vznikají tzv. grana (jednotné číslo granum). Zelená barva chlorofylů je příčinou zeleného zbarvení chloroplastů i celé nadzemní části rostlinného těla, zejména listů.

Při procházkách podzimní přírodou nás často upoutá nápadné žluté, oranžové či červené zbarvení listů mnohých dřevin, stejně jako jejich sytě červeně zbarvené plody (např. šípku či hlohu). Kam však zmizel chlorofyl a s ním i chloroplasty? Příčinou popsaného zbarvení bývají plastidy zvané chromoplasty, které zpravidla vznikají z chloroplastů, v nichž již neprobíhá tvorba chlorofylů. Zůstávají zde však barviva zvaná karoteny a xantofyly, která dodávají listům a plodům charakteristické žluté, oranžové či červené zbarvení (obr. 5.11). V případě plodů představuje přítomnost těchto barviv nezanedbatelnou výhodu, neboť si jejich červené barvy snadno povšimnou ptáci, kteří je pak zkonzumují a mohou dále šířit jejich semena.

Obr. 5.11 Barva opadaného listí způsobená úbytkem chlorofylu

Koncem devadesátých let 20. století byly u plastidů objeveny další struktury označované jako stromuly.24 Ve větší míře je nacházíme u nezelených plastidů. Jde o trubičkovité výběžky, které vyčnívají z plastidů do cytoplazmy a dynamicky mění svou velikost. Předpokládá se, že stromuly výrazně zvětšují povrch plastidů, čímž usnadňují výměnu látek mezi nimi a cytoplazmou. Kromě toho zřejmě propojují jednotlivé plastidy a zajišťují vzájemnou výměnu některých bílkovin, zejména enzymů.25 Objevení stromulů vedlo k zásadní změně představy o tvaru plastidů, které byly původně považovány za hladké, bochníčkovité útvary.

Přítomnost chloroplastů umožňuje buňkám specifický způsob výživy. Organismy schopné vytvářet složitější molekuly organických látek z jednoduchých anorganických molekul označujeme obecně jako autotrofní. Organismy, které tuto přeměnu provádějí cestou fotosyntézy, jsou fotoautotrofní. Odlišujeme je tak od organismů heterotrofních (přesněji chemoheterotrofních), které získávají energii pouze štěpením organických látek. K heterotrofním organismům řadíme živočichy, houby a ta protista, která nejsou schopna fotosyntézy (např. trypanozomy, toxoplazmy, trepky, měňavky nebo hlenky).

5.4.7Cytoskelet a pohyb na buněčné úrovni

Každá buňka je vybavena zvláštní proteinovou kostrou – cytoskeletem. Jde o soubor proteinových vláken, který má především opěrnou a pohybovou funkci (míněn je nejen pohyb buňky samotné, ale také pohyb struktur uvnitř buňky). Cytoskelet tedy podmiňuje nejen aktuální tvar buňky, ale také rozmístění jednotlivých organel v jejím nitru a transport organel i jednotlivých molekul uvnitř buňky.

Až do poloviny 20. století převažoval názor, že cytoplazma je v podstatě čirým koloidním roztokem, v němž se jen velmi sporadicky vyskytují některé organely. Teprve zavedení nových technik ve druhé polovině 20. století přispělo k objevení mnoha nových buněčných struktur, mezi jinými vláken cytoskeletu, která jsou, jak se ukázalo, v buňce velmi početná. K jejich nalezení přispěla nejen elektronová, ale také fluorescenční mikroskopie (viz kapitola 6). Ukázalo se totiž, že proteiny v nitru buňky (včetně těch, které tvoří cytoskelet) lze úspěšně zviditelnit pomocí specifických protilátek značených fluoreskujícími molekulami. Každá taková protilátka se váže na specifický protein a místo výskytu proteinu v buňce se pod fluorescenčním mikroskopem projeví výraznou fluorescencí (viz oddíl 6.4). Proto se tato technika nazývá imunofluorescence.

Známe tři základní typy cytoskeletových útvarů:

1.Mikrofilamenta, která vznikají vzájemným spojením (polymerací) velkého počtu molekul proteinu aktinu. Vyskytují se ve všech buňkách v poměrně velkém počtu. U některých buněk jsou základní strukturou umožňující jejich pohyb. Specifické uspořádání mají ve svalových vláknech, kde hrají klíčovou roli při svalovém stahu (svalové kontrakci).

Ve svalovém vlákně příčně pruhovaného svalstva (viz oddíl 4.3) jsou aktinová mikrofilamenta spojena s filamenty tvořenými proteinem myosinem (přesněji myosinem II). Aktinová a myosinová filamenta ve svalu se souborně označují jako myofilamenta. Střídání aktinových a myosinových myofilament je příčinou charakteristického pruhování, které je dobře pozorovatelné pod mikroskopem (odtud název „příčně pruhované svalstvo“). Myosin je schopen štěpit adenosintrifosfát (ATP) na adenosindifosfát (ADP) a fosfát. Tím získá energii, aby mohl fungovat jako tzv. molekulární motor. Samotný svalový stah je vyvolán uvolněním vápenatých iontů (Ca2+) z hladkého endoplazmatického retikula, které se u svalového vlákna nazývá sarkoplazmatické retikulum. Následkem jejich působení se aktin naváže na myosin, který současně získá schopnost štěpit ATP. Energii uvolněnou štěpením ATP využije myosin k tomu, aby se posunul po aktinovém filamentu. Tímto posunem se aktinové filamenty vtahují mezi myosinové, čímž se uskutečňuje samotný svalový stah. Při zpětném natažení (uvolnění) svalu se vápenaté ionty vracejí zpátky do nitra sarkoplazmatického retikula a vazby mezi aktinem a myosinem se přerušují.26

2.Intermediární filamenta (též „střední filamenta“) mají význam zejména jako opora jednotlivých buněčných struktur a zvyšují mechanickou odolnost buňky. Zvláštní typ těchto vláken nacházíme také v buněčném jádře, v němž vytvářejí tzv. jadernou laminu (viz kapitola 32). Na rozdíl od mikrofilament a mikrotubulů (viz níže) jsou intermediární filamenta tvořena dlouhými vláknitými proteinovými molekulami, nikoli velkým počtem jednotlivých proteinových molekul. Známe větší počet proteinů, které mohou intermediární filamenta vytvářet a jsou víceméně specifické pro určitý typ buněk, resp. příslušnou tkáň.

Tak např. intermediární filamenta tvořená cytokeratinem se nacházejí v buňkách výstelkové (epitelové) tkáně, zatímco desminová intermediární filamenta lze prokázat ve svalových vláknech, resp. svalových buňkách, vimentinová filamenta najdeme v buňkách pojiv a tzv. neurofilamenta (tvořená α-internexinem a nestinem) jsou specifická pro buňky nervové neboli neurony. V současnosti je možné určit jednotlivé typy těchto intermediárních filament pomocí imunofluorescence s využitím specifických protilátek (viz výše). Podaří-li se nám identifikovat typ těchto filament, můžeme snadno zjistit typ buňky, ve které se nacházejí. To pomáhá zejména při diagnostice některých nádorových onemocnění, kdy mají nádorové buňky natolik změněnou strukturu, že nelze běžnou prohlídkou pod optickým mikroskopem zjistit, ze které tkáně pocházejí. Tak můžeme určením typu buněk tvořících nádor nejen přesněji diagnostikovat onkologické onemocnění, ale také následně stanovit jeho prognózu a možnosti účinné léčby.

3.Mikrotubuly se vyskytují ve většině eukaryotických buněk. Vznikají polymerací molekul proteinu tubulinu. V buňce začíná polymerace tubulinu v místech označovaných jako organizační centra mikrotubulů, která jsou u živočišných (a tedy i u lidských) buněk shodná s oblastí centrozomu (obr. 5.12), což je okrsek cytoplazmy, který obsahuje dvojici organel zvaných centrioly. Také každý centriol je tvořen mikrotubuly (obsahuje devět do kruhu uspořádaných trojic mikrotubulů). V nedělící se buňce najdeme centrozom zpravidla poblíž jádra. Od centrozomu vyrůstají stovky jednotlivých mikrotubulů, které se rozbíhají do všech stran a dosahují až k cytoplazmatické membráně.

Obr. 5.12 Centrozom v cytoplazmě buňky z buněčné kultury nádorových lidských neuroblastů. V centrozomu se nachází pár centriolů (C), od nichž se paprsčitě šíří tvořící se mikrotubuly (M) (transmisní elektronová mikroskopie, zvětšení 80 000×)

Stojí za připomenutí, že objevitelem centrozomu byl český zoolog, cytolog a embryolog FRANTIŠEK VEJDOVSKÝ (1849–1939) (obr. 5.13), který o něm referoval již v roce 1886, avšak použil pro něj tehdy název „periplast“. Dnešní pojmenování „centrozom“ je o rok mladší a jeho autorem je významný německý biolog THEODOR BOVERI (1862–1915). Další název této struktury, který se neujal, navrhl belgický embryolog a cytolog EDOUARD VAN BENEDEN (1846–1910) a do češtiny by se dal nejspíše přeložit jako „přitažlivá koule“, resp. „koule, která přitahuje“ (ve francouzském originálu doslova „sphère attractive“). Všichni tři jmenovaní badatelé jsou známi také tím, že svými studiemi buněčných struktur a buněčného dělení na přelomu 19. a 20. století významně podpořili chromozomovou teorii dědičnosti (viz kapitola 32.2).

Obr. 5.13 František Vejdovský, český zoolog a cytolog, objevitel centrozomu (autor: Václav Mára – Světozor, ročník 1885, svazek 1, digitalizováno Českou akademií věd. Volné dílo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11691560)

Je zajímavé, že centrozomy v některých buňkách zcela chybí, a přesto zde dochází k normální organizaci mikrotubulů. K buňkám, které centrozom neobsahují, patří buňky většiny rostlin a hub. Za zmínku však stojí, že ho nenacházíme ani v buňkách některých živočichů, např. známé mušky octomilky obecné (Drosophila melanogaster) anebo hlísta háďátka obecného (Caenorhabditis elegans). Také buněčné dělení zvané meióza (viz oddíly 37.3 a 37.4.2), které dává vznik lidskému vajíčku, probíhá bez přítomnosti centriolů.

Mikrotubuly přispívají k udržení specializovaného tvaru buněk, především však hrají významnou úlohu při nitrobuněčném transportu buněčných organel. Tento transport zprostředkují zvláštní bílkovinné komplexy, které mají charakter molekulárních motorů (viz výše). Zde je označujeme jako mikrotubulární motory. Tyto komplexy umožňují pohyb buněčných organel podél mikrotubulů. Proto má každý mikrotubulární motor dvě základní části – jednou je spojen s příslušnou organelou, druhou se dotýká určitého mikrotubulu, podél něhož tuto organelu posouvá.

Aktivita mikrotubulárního motoru spočívá v tom, že v části připojené k mikrotubulu dochází ke štěpení adenosintrifosfátu (ATP), čímž motor získává energii k tomu, aby posunul organelu podél vlákna (jde o proces podobný svalovému stahu). Typickými mikrotubulárními motory jsou kinesin a dynein, které se liší tím, že každý přesouvá organely v odlišném směru a také jinou rychlostí.

Mikrotubuly mají také klíčový význam při dělení buněčných jader (mitóze a meióze). V tomto případě vytvářejí aparát zvaný dělicí vřeténko, jenž umožňuje přesné rozdělení a rozchod chromozomů do dceřiných buněk (viz oddíl 33.2).

Tubulinová vlákna jsou rovněž základními funkčními strukturami bičíků a řasinek eukaryotických buněk. Bičík (flagellum) u eukaryot je vláknitý výběžek, ohraničený membránou, který obsahuje specificky uspořádaný systém mikrotubulů.

Na průřezu bičíkem pozorujeme v okrajové (periferní) části devět dvojic (dubletů) mikrotubulů, které jsou kruhově uspořádány a obklopují dvojici mikrotubulů umístěnou uprostřed. Dvojice periferních mikrotubulů jsou vzájemně propojeny dyneinem (viz výše), který štěpí adenosintrifosfát (ATP), čímž získává energii pro pohyb bičíku. Při pohybu bičíku se pak uplatňuje vzájemný pohyb dvojic mikrotubulů, které se posouvají proti sobě podobně jako při svalovém stahu.

Bičíky jsou strukturou umožňující pohyb buňky, zpravidla její přesun z místa na místo. Setkáváme se s nimi u různých zástupců eukaryot a u rozmanitých typů buněk. Nacházíme je např. u některých protistů, kteří se podle toho souborně označují jako bičíkovci (Mastigophora). Z nich jmenujme dobře známé krásnoočko (Euglena), váleče (Volvox) (viz oddíl 4.3), ale také mnohé parazitické zástupce jako např. trypanozomu (Trypanosoma) (viz oddíl 57.5.6 a obr. 57.4), lamblii (Giardia) a bičenku (Trichomonas). Bičík nacházíme také u samčích pohlavních buněk (spermatozoidů) některých rostlin (např. mechorostů a kapraďorostů) a živočichů. Také v lidském organismu se bičíky vyskytují u mužských pohlavních buněk – spermií.

Řasinky (cilie nebo též brvy) mají stejnou strukturu jako bičíky, oproti bičíkům jsou však výrazně kratší. Vyskytují se zpravidla ve větším počtu na povrchu některých buněk. U jednobuněčných organismů mohou řasinky sloužit k přesunu buněk ve vodném prostředí, ale také k pohánění tekutin podél povrchu buňky, což umožňuje získání potravy. Dobře to lze pozorovat u některých protistů, zejména u nálevníků (Ciliophora).

Řasinky však nacházíme i u některých buněk v tělech mnohobuněčných organismů, včetně člověka. V lidském těle je výskyt řasinek typický pro buňky určitých typů krycí a výstelkové tkáně (epitelu). Tyto buňky tvoří např. výstelku vnitřních partií respiračního traktu. Pohyb jejich velmi početných řasinek27 zajišťuje přesun hlenu, odumřelých buněk i drobných vdechnutých prachových částic vzhůru směrem k hrtanu, kde mohou být polknuty nebo odstraněny z těla (vyplivnutím, vykašláním apod.). Také na vnitřním povrchu stěn vejcovodu se vyskytují buňky s řasinkami, které svým pohybem vytvářejí proud umožňující transport vajíčka po jeho uvolnění z folikulu (viz oddíl 37.4.2).

5.4.8Inkluze a vakuoly

Inkluze v živočišných buňkách jsou zvláštní vyhraněné oblasti cytoplazmy, které mohou, ale nemusejí být ohraničeny membránou. Mají různé funkce. Slouží k uložení produktů metabolismu, zásobních látek, enzymů nebo pigmentů.

Známe několik typů inkluzí, které klasifikujeme podle toho, které látky obsahují:

1.Lipidové inkluze mají podobu lipidových kapének (krůpějí). Akumulují se zejména v tukových buňkách (adipocytech).

2.Sacharidové inkluze obsahují zejména glykogen (živočišný škrob). Ve velkém množství je nacházíme zejména v buňkách jater (např. lidské jaterní buňky obsahují v sušině 18–20 % glykogenu). Ve značné míře jsou glykogenové inkluze zastoupeny také ve svalstvu, v malém počtu je však nacházíme i ve většině ostatních živočišných buněk. U rostlin obsahují sacharidové inkluze především škrob.

3.Pigmentové inkluze obsahují pigmenty různého původu. Některé pigmenty mohou pocházet ze zevního prostředí (např. částice prachu nebo kovů), jiné jsou endogenní (vzniklé přímo v buňce, resp. organismu). Příkladem endogenního pigmentu je melanin. Melaninové inkluze nacházíme např. v některých buňkách kůže nebo oční sítnice.

4.Minerální inkluze se vyskytují převážně v rostlinných buňkách. Tvoří je krystaly anorganických látek jako např. šťavelanu vápenatého, uhličitanu vápenatého nebo dokonce některých křemičitanů. Podle tvaru rozdělujeme tyto krystaly na styloidy (hranolovité krystaly), rafidy (jehlicovité krystaly) a drúzy (zpravidla hvězdicovitě uspořádané skupiny krystalů).

5.Sekreční granula neboli sekreční váčky jsou specifickým typem inkluzí. Oddělují se z Golgiho aparátu (viz oddíl 5.4.2). Protože jsou v nich přítomny bílkoviny, označují se také jako proteinové inkluze. Obsahují zpravidla enzymy nebo enzymové prekurzory (které jsou aktivovány teprve v mimobuněčném prostředí). Proteiny v sekrečních granulech jsou určené na export. Znamená to, že jsou pomocí těchto váčků transportovány k cytoplazmatické membráně a odtud uvolňovány mimo buňku.

V rostlinných buňkách nacházíme velké, inkluzím podobné útvary zvané vakuoly. Velikost některých vakuol je značná, výjimkou nejsou ani případy, kdy tyto struktury vyplňují převážnou část objemu buňky. Každá rostlinná vakuola je ohraničena membránou zvanou tonoplast. V nitru vakuoly nacházíme zpravidla buněčnou šťávu, což je vodný roztok obsahující různé látky. Podle druhu rostliny a typu buňky zde mohou být přítomny anorganické ionty, sacharidy, organické kyseliny (včetně aminokyselin), třísloviny anebo rostlinná barviva (zejména antokyany). Mohou se zde ukládat také cizorodé látky (xenobiotika), jako jsou např. toxické kovy.

Antokyany přítomné ve vakuolách podmiňují barvu některých květů, plodů či jiných částí rostlinného těla. Vlivem jejich přítomnosti jsou např. květy pomněnek (Myosotis sylvatica) modré (obr. 5.14), plody ptačího zobu (Ligustrum vulgare) nebo borůvek (Vaccinium) tmavě modré až modrofialové (obr. 5.15) a listy červeného zelí (Brassica oleracea capitata, var. rubra) fialově červené. Konkrétní barva antokyanů je ovlivněna hodnotou pH roztoku, v němž jsou rozpuštěny. Lze je proto použít jako acidobazický indikátor. V potravinářském průmyslu se antokyany používají jako lidskému zdraví neškodné potravinové barvivo E163.

Obr. 5.14 Pomněnka lesní (Myosotis sylvatica) – Filipova Huť na Šumavě (okr. Klatovy)

Obr. 5.15 Ptačí zob obecný (Ligustrum vulgare) – Statenice (okr. Praha-západ)

Specifické typy vakuol mají také někteří protisté, u nichž nacházíme např. pulzující vakuoly určené k vylučování přebytečné vody (jsou typické zejména u nálevníků). Také fagozomy u protist a živočichů jsou někdy označovány jako „potravní vakuoly“ (viz oddíl 5.4.3). Otázka přítomnosti jiných typů vakuol u živočichů je poněkud sporná. Existují však autoři, kteří používají označení „vakuoly“ i pro některé inkluze v živočišných buňkách. Tak např. lipidové inkluze označují jako „tukové vakuoly“.

5.5Buněčná stěna

Pravá buněčná stěna u živočišných buněk chybí (do jisté míry je nahrazena mezibuněčnou hmotou neboli extracelulární matrix (viz kapitola 7). U organismů, jejichž buňky jsou kryty buněčnou stěnou (zejména rostlin a většiny hub), jde o strukturní a mechanickou oporu buňky. Udržuje tvar buňky, usměrňuje buněčné dělení a představuje také významnou ochranu před vnějším prostředím.

Buněčná stěna u rostlin je primárně tvořena polysacharidy celulózou a hemicelulózou, dále pektiny a bílkovinami. V průběhu života rostliny do ní mohou vstupovat další látky. Tak např. při dřevnatění se v buněčné stěně ukládá lignin (vysokomolekulární fenylpropanový polymer), poměrně častá je však také cerifikace buněčných stěn (impregnace vosky) anebo inkrustace buněčných stěn kyselinou křemičitou.

Buněčná stěna hub je u většiny druhů tvořena převážně dusíkatým polysacharidem chitinem (polymerem N-acetylglukosaminu) a beta-1,3-glukanem (polymerem glukózy příbuzným celulóze). Může však obsahovat i jiné polysacharidy a také glykoproteiny (tj. bílkoviny obsahující cukernou složku).

Některé organismy řazené nyní mezi houby však buněčnou stěnu nemají. Patří k nim zejména nedávno objevená skupina organismů označovaných souborně jako Cryptomycota anebo také Rozellida. Podle některých názorů se však v tomto případě nejedná o houby, ale o jinou, dosud nepopsanou říši eukaryot.

18 MATOUŠEK O. Člověk kritisuje přírodu. Praha: Václav Petr 1941; 96.

19 Zájemce o bližší popis odkazuji na nepřebernou nabídku učebnic cytologie a histologie, např. VAJNER L, UHLÍK J, KONRÁDOVÁ V. Lékařská histologie I. Cytologie a obecná histologie. Praha: Karolinum 2010.

20 Někteří autoři používají výraz „nukleoplazma“.

21 Bližší informace o proteazomech, mechanismu jejich působení i o možném léčebném využití proteazomových inhibitorů najdou zájemci např. v článku FUCHS O, NEUVIRTOVÁ R. Ubikvitiny, proteazomy, sumoylace a použití dnes a zítra v terapii nádorů i jiných chorob I. Ubikvitin − proteazomový systém a transkripční faktor NFκB. Vnitř. Lék. 2006; 52(4): 371–378.

22 Zájemce o podrobnější popis těchto dějů odkazuji na učebnice biochemie.

23 Zájemce o bližší popis fotosyntézy odkazuji na podrobnější výklad v učebnicích biochemie či fyziologie rostlin.

24 Někteří autoři používají latinský plurál stromuli.

25 Bližší informace o chloroplastech a dalších plastidech najde zájemce např. v souborném článku: HUDÁK J. Chloroplasty – zelené organely. Živa 2010; 3: 107–109.

26 Uvedený popis je maximálně zjednodušený a slouží pouze k základní orientaci. Ve skutečnosti je svalový stah daleko složitější proces a účastní se ho mnoho jiných proteinů. Podrobnější informace najdou zájemci např. v učebnicích biologie člověka.

27 Na 1 cm2 tkáně najdeme až 1 miliardu řasinek.

6Mikroskop – brána do buněčného světa

Itady jsou krajiny snící,
měsíční, opuštěné.
Itady jsou zástupy polem pracující.
Abuňky, bojovníci,
pro všechno na světě
životy kladou.28

MIROSLAV HOLUB (1923–1998), český imunolog, básník aspisovatel

6.1Zvětšovací přístroje ajejich využití

Zdravé lidské oko je schopné rozlišit ze vzdálenosti 25 cm dva samostatné body, které jsou od sebe vzdálené 0,1–0,2 mm. Až třicetinásobné zvětšení poskytuje lupa. Jde onejjednodušší optické zařízení tvořené zpravidla jednou spojnou čočkou, ulup světším zvětšením je ovšem nutné pro korekci optických vad kombinovat více čoček dohromady. Zvětšení většiny běžně používaných lup se pohybuje mezi 2–10krát. Lupou lze pozorovat menší předměty nebo jejich detaily, které nelze lidským okem sjistotou rozlišit. Vbiologii se často používá pro pozorování aurčování drobných živočichů (např. hmyzu, pavoukovců adalších členovců) nebo detailů stavby rostlin (např. květů či jiných rostlinných orgánů). Vmedicíně má lupa význam zejména jako korekční pomůcka pro slabozraké (např. při čtení). Se zavedením digitálních měřících přístrojů do laboratorní praxe se značně omezilo využití lup při přesném odečítání hodnot na stupnicích teploměrů ajiných zařízení.

Pro pozorování menších objektů, resp. jejich detailů (včetně tkání, buněk aněkterých buněčných struktur) je vhodný složený optický mikroskop. Nejjednodušší takový mikroskop lze sestrojit již kombinací dvou spojných čoček, většina přístrojů však pracuje se složitějšími optickými soustavami. Běžný optický světelný mikroskop známe většinou zvýuky na základní škole, takže každý čtenář těchto stránek přinejmenším tuší, jak mikroskopy fungují aproč bychom se bez nich nemohli vbiologii obejít. Obecně jsou mikroskopy (též drobnohledy) zvětšovací přístroje, které umožňují podrobněji prozkoumat objekty astruktury, jejichž rozměry jsou pod hranicí rozlišení lidského oka. Spomocí optického mikroskopu jsme schopni rozlišit dva body, které jsou od sebe vzdáleny 0,2–0,25 µm. Běžným takovým mikroskopem lze dosáhnout maximálního zvětšení 2500krát (viz níže). Při vysokých zvětšeních 1500–2500krát lze pozorovat např. některé detaily stavby tkání ijednotlivých eukaryotických buněk, dále fáze buněčného dělení, jednotlivé chromozomy ataké buňky bakterií.

Nejvyšší rozlišení poskytuje elektronový mikroskop, jímž lze již velmi podrobně pozorovat eukaryotické buněčné struktury (včetně tak drobných útvarů, jakými jsou např. ribozomy), detaily vnitřní stavby bakteriálních buněk, adokonce ičástice virů nebo některé makromolekulární struktury. Moderním elektronovým mikroskopem jsme schopni rozlišit body ve vzdálenosti 0,1 nm adosáhnout zvětšení 10 000–100 000krát. Záleží samozřejmě na typu použitého přístroje. Nejmodernější typy elektronových mikroskopů zvětšují až 600 000krát.

Výše popsané rozdělení zvětšovacích přístrojů je pouze informativní aslouží kuvedení do problematiky. Vnásledujících subkapitolách se blíže seznámíme sjednotlivými typy mikroskopů, sjejich historií askonkrétními možnostmi využití.

6.2Od lupy kelektronovému mikroskopu (dějiny mikroskopie)

Historie zvětšovacích přístrojů sahá až do doby, kdy podstatnou část Evropy ovládalo římské impérium. Traduje se, že sám císař NERO využíval ke korekci svých zrakových obtíží zabroušený smaragd, sjehož pomocí pozoroval své okolí. Těžko lze však rozhodnout, zda můžeme tuto pomůcku považovat za předchůdce lupy anebo spíše za primitivní brýle. Jisté je, že další vývoj obou těchto pomůcek se ubíral společnou cestou až do 13. století, kdy byla veřejnost poprvé seznámena sjednoduchými brýlemi, které spočívaly na nose, takže umožnily svému majiteli používat obě ruce. Vývoj lupy se pak ubíral jiným směrem apozději vyústil vkonstrukci prvních mikroskopů.

Přesné datum vzniku prvního mikroskopu je vhistorii nedohledatelné, atak se nelze divit tomu, že je vynález tohoto přístroje připisován různým badatelům. Podle některých názorů byli prvními tvůrci mikroskopu výrobci brýlí. Vtéto souvislosti se spekuluje oHANSI JANSSENOVI ajeho synovi ZACHARIASOVI (1585 – před rokem 1632), kteří pocházeli zholandského Middelburgu. Většinou se uvádí, že mikroskop sestrojil vdevadesátých letech 16. století druhý jmenovaný. Protože však ZACHARIAS JANSSEN byl vtéto době velmi mladý, je pravděpodobné, že jeho otec měl na tento objev nemalý vliv. Původní verze Janssenových mikroskopů se nedochovaly, muzeum vMiddleburgu má ve svých sbírkách již pokročilejší typ zhotovený roku 1695. Tento zvětšovací přístroj sestává ze tří trubek, znichž dvě jsou tažné trubky, které lze zasunout do třetí, jež funguje jako vnější plášť. Mikroskop je ruční apři pozorování vzorku jej lze zaostřit zasunutím nebo vysunutím tažného tubusu. Je však schopen zvětšit obrazy pouze na desetinásobek jejich původní velikosti. Podle některých názorů mohl nezávisle na Janssenových první mikroskop zkonstruovat jejich konkurent HANS LIPPERHEY (též LIPPERSHEY;1570–1619), jenž rovněž působil vMiddleburgu aje spojován také svynálezem dalekohledu. Podle jiných názorů však nemusel být prvním konstruktérem mikroskopu nutně výrobce brýlí, ale mohlo se jednat oněkterého zvýznačných badatelů přelomu 16. a17. století. Vtéto souvislosti je často zmiňován známý italský učenec GALILEO GALILEI (1564–1642), který prováděl drobnohledná pozorování již kolem roku 1610.

První podrobné informace okonstrukci mikroskopu byly publikovány vdíle „Micrographia or some Physiological Descriptions of Minute Bodies“ vydaném roku 1665 vLondýně. Autorem tohoto spisu byl anglický badatel ROBERT HOOKE (1635–1703), který na základě svých mikroskopických pozorování korku zavedl do biologické terminologie pojem „cellula“ („buňka“). Otomto objevu blíže pojednává oddíl 4.1. HOOKE používal ke svým pozorováním složený mikroskop (obr. 6.1), jehož prototyp sestrojil před rokem 1620 Holanďan CORNELIS JACOBSZOON DREBBEL (1572–1633), který se snad inspiroval mikroskopy zdílny Hanssenových (podle některých mínění jim dokonce jejich koncept mikroskopu ukradl). Tento mikroskop sestával ze dvou systémů čoček, které byly broušeny podobně jako čočky do brýlí.

Obr. 6.1 Hookův složený mikroskop (autor: Robert Hooke – w:en:Image:Hooke-microscope.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1529111)

Nevýhodou složených mikroskopů používaných v17. století bylo náročné nastavování jednotlivých čoček do soustředné polohy ataké skutečnost, že pozorování bylo rušeno barevnými efekty, které vznikaly na základě nestejné lomivosti paprsků. Proto až do konce 18. století používala většina badatelů jednoduchý mikroskop, což byla vpodstatě lupa svysokým zvětšením. První jednoduché mikroskopy využívané kpřírodovědným pozorováním sestrojil Holanďan ANTONIE PHILIPS VAN LEEUWENHOEK (1632–1723) (viz obr. 4.3), který je někdy nesprávně uváděn jako objevitel mikroskopu. Vyučil se uobchodníka se suknem vAmsterodamu, neměl však žádné další vzdělání. Zprávy osvých pozorováních psal pouze holandsky. Přesto je jeho vklad do historie přírodních věd nesmazatelný anení divu, že byl od roku 1680 členem londýnské učené společnosti Royal Society. Jako samouk se od výrobce brýlí naučil brousit čočky apozději je značně zdokonalil. Uvádí se, že vprůběhu své badatelské práce, kterou začal až ve svých 39 letech, zhotovil na 550 čoček, znichž některé zvětšovaly i275krát. Podle názorů badatelů však některé zvláště kvalitní Leeuwenhoekovy čočky mohly dosáhnout dokonce pětisetnásobného zvětšení. Svyužitím těchto čoček vyrobil kolem 200 jednoduchých mikroskopů (obr. 6.2), znichž některé věnoval Royal Society. Způsob výroby svých čoček onebývale vysokém zvětšení si však LEEUWENHOEK ponechal pro sebe. Možná právě proto nebyly jeho mikroskopy až do 19. století překonány. Teprve dnes se zdá, že bylo Leeuwenhoekovo výrobní tajemství odhaleno. Čočky svysokým zvětšením byly totiž velmi malé kuličky, které zřejmě vůbec nevyráběl broušením, jak tvrdil, patrně proto, aby zmátl případné konkurenty. Vše nasvědčuje tomu, že je zhotovoval vytavováním ztyčinek sodnovápenatého skla. Umístěním tenké skleněné tyčinky do horkého plamene lze roztažením její nahřáté části vytvořit dvě dlouhá avelmi tenká skleněná vlákna. Opětovným vložením konce jednoho vlákna do plamene pak vznikne velmi malá kapička, která po ochlazení funguje jako vysoce kvalitní skleněná čočka. Tento předpoklad potvrdila podrobná analýza Leeuwenhoekových čoček provedená teprve vroce 2021.

Obr. 6.2 Replika Leeuwenhoekova jednoduchého mikroskopu (By Jeroen Rouwkema, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3657142)

Třebaže již HOOKE preferoval složený mikroskop apráci sjednoduchým mikroskopem kritizoval jako obtížnou, namáhavou aunavující pro oči, teprve v19. století došlo kvýraznému rozšíření složených mikroskopů do laboratoří. Vté době se také začaly mikroskopy vyrábět sériově, avšak jejich pořízení bylo zpočátku poměrně nákladné. Náš významný badatel JAN EVANGELISTA PURKYNĚ (1787–1869) (viz obr. 4.5) byl známý tím, že se mu do jeho laboratoře na vratislavské univerzitě podařilo vroce 1832 pořídit za 200 pruských tolarů na svou dobu velmi kvalitní Plösslův mikroskop. Tento přístroj byl pojmenován podle svého konstruktéra, vídeňského optika SIMONA PLÖSSLA (1794–1868). Dosahoval zvětšení 24–960krát, takže nebyl omnoho horší než dnešní běžně užívané světelné mikroskopy. Díky tomuto přístroji apoužitím řady tehdy moderních technik zpracování preparátů dospěl PURKYNĚ ke svým nejvýznamnějším objevům na poli cytologie ahistologie (viz oddíly 4.1 a5.1).

Samotný PURKYNĚ však používal také jednoduchý mikroskop, ato zejména vpočátcích své vědecké dráhy, vomezenější míře ipozději. Svědčí otom skutečnost, že byl vjeho pozůstalosti nalezen tzv. kružítkový mikroskop, což byla propracovanější verze jednoduchého mikroskopu. Za zmínku stojí idalší průkopnická činnost J. E. PURKYNĚ na poli mikroskopie. Když se vroce 1850 vrátil do Prahy, dosáhl toho, že se tu vdílně mechanika aoptika FERDINANDA DURSTA začaly podle Purkyňových návrhů vyrábět poměrně kvalitní mikroskopy nejen pro využití ve výzkumu, ale také ve výuce. Až do té doby se mikroskopy do českých zemí musely dovážet zVídně, Berlína nebo Paříže.29

Vprůběhu následujících desetiletí 19. století došlo kdalšímu zdokonalení složených mikroskopů směřujícímu především kodstranění optických vad, ke zvýšení rozlišitelnosti ikusnadnění pozorování. Tak byly postupně zdokonalovány čočky vobjektivech aokulárech, výrazného zkvalitnění však doznala izaostřovací mechanika. Objev apřesný popis chromozomů, buněčného dělení avzniku pohlavních buněk, stejně jako další výzkumy na poli cytologie ahistologie by byly bez tohoto pokroku vmikroskopické technice nemyslitelné. Byla to právě mikroskopická pozorování, která vedla na konci 19. století ke zformulování chromozomové teorie dědičnosti, která se spolu sMendelovými zákony stala základem nově vzniklé vědy – genetiky (viz oddíly 46.2 a32.2).

Další významný posun vmikroskopických technikách učinili němečtí badatelé MAX KNOLL (1897–1969) aERNST AUGUST FRIEDRICH RUSKA (1906–1988), kteří vroce 1931 sestrojili první transmisní elektronový mikroskop, sjehož pomocí získali 14krát zvětšený obraz platinové mřížky. Komerčně byly tyto přístroje vyráběny od roku 1939. Do tehdejšího Československa se však první dva elektronové mikroskopy dostaly až vroce 1947 vrámci poválečné pomoci ze strany Spojených států amerických. Jeden ztěchto mikroskopů se dostal do brněnské laboratoře českého biofyzika FERDINANDA HERČÍKA (1905–1966), který sjeho pomocí prováděl výzkum bakteriofágů, tj. virů, jež napadají bakterie (viz oddíl 59.8). Již o4 roky později zkonstruoval (rovněž vBrně) tým profesora ALEŠE BLÁHY (1906–1986) první český přístroj. Významně se na jeho vývoji podíleli tehdejší studenti ARMIN DELONG (1925–2017), LADISLAV ZOBAČ (1926–2018) aVLADIMÍR DRAHOŠ (1925–1978). Vroce 1954 prezentovali brněnští odborníci nový, velmi úspěšný typ „stolního“ elektronového mikroskopu Tesla BS 242, snímž získali zlatou medaili na světové výstavě EXPO 1958 vBruselu akterý se udržel ve výrobě dalších 20 let. Vsedmdesátých aosmdesátých letech 20. století sice Československo kvůli zpoždění ve vývoji elektroniky avýpočetní techniky začalo za světovými výrobci elektronových mikroskopů poněkud zaostávat, ale itak se po USA aJaponsku stalo třetí zemí, kde se začaly vyrábět skenovací elektronové mikroskopy (typ BS 300 vyvinuli vroce 1976 opět vBrně – vpodniku Tesla). Elektronové mikroskopy se vBrně vyrábějí idnes.30

Vroce 1986 získal ERNST RUSKA Nobelovu cenu za fyziku za objev elektronového mikroskopu. Vté době tento typ mikroskopu zaujímal výsadní postavení vlékařském abiologickém výzkumu. Současně však byly ve druhé polovině 20. století zkonstruovány další typy mikroskopů svysokou rozlišitelností. Příkladem je konfokální mikroskop, jehož princip patentoval americký odborník na počítačovou techniku aumělou inteligenci MARVIN LEE MINSKY (1927–2016) již vroce 1957, avšak tento vynález začal být vširší míře používán až o25 let později (okonfokálním mikroskopu viz oddíl 6.5).

Vposledních čtyřech desetiletích byly možnosti mikroskopie výrazně rozšířeny vnávaznosti na rozvoj počítačové techniky. Mikroskopy skamerami napojenými na počítače, patří dnes kběžnému vybavení výzkumných adiagnostických pracovišť ajsou často využívány ive výuce. Počítače umožňují nejen snímání aarchivaci obrazů zmikroskopického zorného pole, ale také jejich další zpracování, vyhodnocení, srovnání sjinými obrazy apod. Vsoučasnosti známe mnoho různých způsobů počítačové analýzy obrazu. Vněkterých případech dokonce počítače mikroskop samy ovládají asamostatně pořizují snímky pozorovaných objektů. To se používá např. při rutinní analýze lidských chromozomů. Ani těmito pokroky však neřekla historie mikroskopických technik své poslední slovo. Výčet moderních modifikací různých typů mikroskopů avýklad jiných technik by výrazně převýšil rozsah této publikace. Stejně tak lze předpokládat, že se vblízké budoucnosti setkáme sdalšími objevy na tomto poli.

6.3Optické mikroskopy

Běžný optický mikroskop (obr. 6.3a) označovaný též jako mikroskop světelný slouží kpozorování objektů vprocházejícím světle. Nejčastěji využívá viditelné světlo ovlnové délce 400–700 nm. Klasickým optickým mikroskopem je možné pozorovat objekty větší než 0,2 μm. Vmedicíně jej proto používáme kvyšetřování tkání, spermatu, nádorů, krevních elementů, buněčných jader, chromozomů aněkterých jiných buněčných struktur, močového sedimentu, stěrů zděložního čípku ataké např. kurčování patogenních plísní, kvasinek adalších parazitů (protistů, helmintů, roztočů atd.). Optickým mikroskopem můžeme při maximálním zvětšení pozorovat ibakterie, ale nerozlišíme detaily jejich buněčné stavby (viz oddíl 58.8).

Mikroskop má dvě základní složky: optickou amechanickou. Optickou soustavu tvoří zdroj světla, kondenzor, objektiv aokulár. Jako zdroj světla slouží dnes většinou halogenová výbojka nebo různé typy žárovek. Starší mikroskopy (dodnes občas využívané kvýuce na školách nebo při různých amatérských pracích) jsou opatřeny zrcátkem, které do optického systému přivádí světlo zokolí (např. zlampy nebo ize slunce). Novější mikroskopy mají až na výjimky zdroj světla zpravidla přímo zabudovaný vpodstavci aspeciální regulátor umožňuje nastavení potřebné světelné intenzity.

Kondenzor je jednoduchá soustava čoček, která směruje tok světelných paprsků ze zdroje světla na pozorovaný objekt. Kondenzor je zpravidla spojen sclonou, sníž je možné ovládat intenzitu světla. Někdy se před kondenzor vkládají speciálně upravené barevné či polarizační filtry. Vpopsaném uspořádání, kdy je zdroj světla umístěn vpodstavci mikroskopu asvětlo prochází zdola přes kondenzor do preparátu, je možné pozorovat průhledné objekty, které světlo neabsorbují. Tak můžeme pozorovat např. tkáně na histologických řezech, krevní nátěry, jednotlivé buňky či některé buněčné struktury, které jsou však samy osobě většinou průhledné anebarevné (výjimkou jsou např. zelené chloroplasty nebo oranžové chromoplasty rostlinných buněk).

Chceme-li pozorované objekty vizualizovat, je zapotřebí preparát obarvit speciálními barvivy, většinou specifickými pro určité buněčné struktury. Pro lidské ijiné živočišné buňky atkáně se dosud často používá kombinace dvou barviv: hematoxylinu aeozinu. Vtomto případě barví většinou hematoxylin buněčná jádra aeozin cytoplazmu. Existuje však mnoho jiných technik, které využívají odlišné postupy itypy barviv vzávislosti na charakteru studovaných objektů ana účelu mikroskopického pozorování (viz kapitola 8 aoddíl 42.3.2).

Světlo, které projde pozorovaným preparátem na mikroskopickém sklíčku, vstupuje do objektivu, což je soustava čoček, která vytváří zvětšený, skutečný apřevrácený obraz pozorovaného objektu. Nedílnou součástí moderních objektivů jsou čočky umožňující korekci barevných ajiných vad. Běžně jsou používány objektivy, které zvětšují 5–60krát. Kpozorování velmi drobných objektů (např. bakterií, chromozomů anebo jiných buněčných struktur) se však neobejdeme bez speciálních objektivů se stonásobným zvětšením. Abychom však vtomto případě docílili kvalitního zobrazení pozorovaných struktur, je třeba použít tzv. imerzi. Znamená to, že na horní stranu preparátu (do místa, kde se pozorovaný objekt nachází) aplikujeme kapku tzv. imerzního oleje, do níž potom ponoříme objektiv azaostříme. Imerzní kapalina má srovnatelný index lomu jako její okolí asnižuje rozptyl světelných paprsků procházejících objektem. Tím vstoupí do objektivu daleko více paprsků, než kdybychom pozorovali preparát „nasucho“, tj. bez oleje. Použitím imerzního oleje také výrazně omezíme rušivé odrazy světla na krycím sklíčku ina povrchu objektivu, takže se značně zvýší ikontrast zobrazení. Proto se 100krát zvětšující objektivy označují jako objektivy imerzní.

Jako imerzní olej se dříve používal olej cedrový, zpravidla získávaný ze dřeva himálajského cedru. Vsoučasnosti slouží vlaboratořích ke stejnému účelu synteticky připravené oleje, které nevykazují fluorescenci ani jiné rušivé efekty. Kromě toho existují speciální objektivy, unichž se jako imerzní kapalina používá voda nebo glycerin. Po skončení pozorování je třeba imerzní kapalinu dokonale odstranit, aby nedošlo kjejímu zaschnutí, což by mohlo poškodit čočku objektivu. Pro odstraňování zbytků imerzního oleje se používá xylen, lékárensky čistý benzín anebo éter, který je ze všech jmenovaných tekutin koptice nejšetrnější.

Poslední důležitou součástí optického systému mikroskopu je okulár, což je soustava čoček, která vytváří zvětšený, převrácený azdánlivý obraz (obr. 6.3b). Předmětem okuláru ovšem není samotný pozorovaný objekt, ale pouze jeho zvětšený, skutečný apřevrácený obraz vytvořený objektivem (viz výše). Zvětšení okuláru se pohybuje vrozmezí 10–20krát, výjimečně i25krát. Při použití okuláru světším zvětšením nedosáhneme detailnějšího rozlišení, můžeme jím obraz pozorovaného objektu pouze zvětšit. Proto se také zvětšení okuláru někdy označuje jako „prázdné zvětšení“.

Obr. 6.3 Optický mikroskop: a– běžný typ světelného optického mikroskopu (osvětlení umístěno vdolní části stativu), b – zjednodušené schéma funkce světelného optického mikroskopu

Celkové zvětšení optického mikroskopu (M) lze snadno spočítat jako součin zvětšení objektivu (m1) azvětšení okuláru (M2):

M = m1 × M2

Pokud tedy použijeme např. 20krát zvětšující objektiv a15krát zvětšující okulár, získáme celkové zvětšení:

M = 20 × 15 = 300krát

Stejným jednoduchým výpočtem lze zjistit maximální možné zvětšení světelného optického mikroskopu: Při použití 100krát zvětšujícího objektivu a25krát zvětšujícího okuláru dosáhneme zvětšení 2500krát.

Manipulaci soptickou soustavou mikroskopu umožňuje jeho mechanická část, kterou tvoří stativ, jehož součástí je podstavec (často se zabudovaným zdrojem světla) atubus obsahující objektiv aokulár. Většina mikroskopů používá revolverový systém umožňující snadnou arychlou výměnu jednotlivých objektivů. Vlaboratořích ana mnoha školách se zpravidla používají mikroskopy opatřené binokulární hlavicí, která nese (jak název napovídá) dva okuláry, takže je možné objekt pozorovat oběma očima. Vněkterých případech jsou mikroskopy vybaveny trinokulární hlavicí, která kromě pozorování dvěma okuláry umožňuje také instalaci záznamového zařízení (fotoaparátu nebo kamery).

Při pozorování je preparát umístěn na mikroskopickém stolku, který je většinou opatřen speciálními svorkami určenými pro upevnění podložního sklíčka. Zvláštní šrouby umožňují křížový posuv preparátu (tj. zleva–doprava, dopředu–dozadu anaopak). Některé specializované mikroskopy (např. polarizační) jsou opatřeny stolkem smožností kruhového pohybu.

Kzaostření obrazu slouží zaostřovací šrouby, které jsou součástí stativu. Umožňují posun tubusu nebo stolku spreparátem ve vertikálním směru (tj. nahoru adolů). Většina klasických optických mikroskopů disponuje dvěma zaostřovacími šrouby: makrošroubem pro hrubý posuv amikrošroubem pro finální jemné zaostření.31

Vpředchozích odstavcích jsme popsali klasický optický mikroskop, jenž umožňuje pozorování objektů vprocházejícím světle. Smikroskopem vtomto provedení se setkáváme při školní výuce avmnoha laboratořích určených kvýzkumu ikdiagnostice. Existují však různé modifikace tohoto mikroskopu, které slouží ke speciálním účelům. Příkladem je tzv. invertovaný (též inverzní) optický mikroskop, jenž funguje na stejném principu jako klasický optický mikroskop, avšak zdroj světla je umístěn nahoře nad pozorovaným objektem. Naopak objektivy jsou umístěny pod stolkem, takže jimi pozorujeme spodní stranu pozorovaného objektu. Vbiologii je tento typ mikroskopu velmi vhodný zejména pro práci sbuněčnými kulturami, kdy pozorujeme živé buňky přímo vkultivačních nádobkách (viz kapitola 36).

Specializovaný typ optického mikroskopu označovaný jako přímý optický mikroskop umožňuje pozorování objektů vodraženém světle. To je důležité zejména při studiu neprůsvitných objektů. Může se jednat obecně oobjekty větších rozměrů, často svýraznou trojrozměrnou strukturou, popř. jakékoli jiné struktury, jimiž světlo neprochází (např. silnější tkáňové řezy, části orgánů vyňaté při operaci, silně chitinizovaná těla hmyzu ajiných členovců apod.). Vtomto případě je zdroj světla umístěn nad preparátem. Objektivy aokulár jsou uspořádány stejně jako uklasického optického mikroskopu, jen stím rozdílem, že pozorujeme světlo odražené od preparátu ane světlo, které jím prochází.

Vsoučasné době se kpozorování neprůhledných objektů nejčastěji používá tzv. stereomikroskop (obr. 6.4), který je vpodstatě kombinací dvou přímých mikroskopů, znichž jeden přivádí obraz do pravého adruhý do levého oka. Tento typ mikroskopu byl původně vybaven dvěma objektivy abinokulární hlavicí (tj. dvěma okuláry). Dnešní stereomikroskopy většinou využívají pouze jeden objektiv svelkým poloměrem, binokulární hlavice však zůstává. Při pozorování oběma očima tak získáme velmi plastický trojrozměrný obraz studovaného objektu. Jako zdroj osvětlení se ustereomikroskopu nejčastěji používají tzv. LED diody (light emitting diodes), které produkují studené světlo. Jeho výhoda spočívá vtom, že nedochází knežádoucímu zahřátí pozorovaného objektu, což by mohlo způsobit jeho znehodnocení (zejména utkání ajiných biologických struktur, které je třeba uchovat pro další kultivaci nebo jiné zpracování). LED diody bývají někdy zabudovány přímo vtěle mikroskopu, jindy jsou instalovány vohebných kabelech, tzv. husích krcích, které je možné libovolně nastavit, azvolit tak optimální osvícení pozorovaného objektu.

Obr. 6.4 Stereomikroskop sLED diodami vohebných kabelech (tzv. husích krcích)

Kromě laboratorních aplikací (viz výše) se stereomikroskopy vmedicíně hojně používají také při operacích. Tzv. operační mikroskopy jsou vpodstatě upravené stereomikroskopy umístěné vpohyblivých, nastavitelných ramenech. Sjejich pomocí je možné velmi přesně zacílit chirurgické řezy idalší zásahy, takže riziko poškození ostatních orgánů či tkání je minimální. Tento typ mikroskopů se hojně používá zejména vneurochirurgii, ale také např. ve stomatologii, plastické medicíně, oftalmologii amnoha dalších lékařských oborech. Vposlední době se začaly operační mikroskopy využívat ina některých veterinárních klinikách. Nevýhodou stereomikroskopu je (ve srovnání sklasickým optickým mikroskopem) jeho menší zvětšení. Většina běžně dodávaných stereomikroskopů dosahuje maximálně stonásobného zvětšení. Proto se stereomikroskopy někdy nesprávně označují jako „stereolupy“ nebo „binokulární lupy“.

Tímto však výčet všech typů optických mikroskopů nekončí. Do této skupiny patří také fluorescenční akonfokální mikroskop, které jsou popsány níže.

6.4Základy fluorescenční mikroskopie

Některé látky po ozáření světlem určité vlnové délky vyzařují čili emitují světlo sodlišnou vlnovou délkou. Pokud např. ozáříme příslušnou sloučeninu ultrafialovým světlem, dojde kemisi světla ve viditelné oblasti. Tento jev se nazývá fluorescence avsoučasnosti má velmi široké využití. Nezastupitelným pomocníkem vmnoha biologických imedicínských laboratořích je fluorescenční mikroskop (obr. 6.5). Jde ozvláštní typ optického mikroskopu, který svým základním provedením připomíná klasický světelný mikroskop. Je však založen na odlišném principu, aproto má také jiný zdroj světla – většinou rtuťovou výbojku. Tento zdroj vyzařuje paprsky, které procházejí preparátem anebo na něj dopadají, atak vyvolávají vpozorovaném objektu emisi světla ve viditelné oblasti. Zatímco pozadí vzorném poli mikroskopu je tmavé, struktury, které pozorujeme, jsou světlé, protože fluoreskují (bližší popis principu fluorescence viz oddíl 6.4.1). Tím se značně zvyšuje ikontrast, proto fluorescenční mikroskopie poskytuje ve srovnání sběžnou mikroskopií ve světlém poli vyšší rozlišení.

Obr. 6.5 Fluorescenční mikroskop vybavený kamerou na snímání mikroskopického obrazu aspojený spočítačem

Abychom však mohli biologické struktury takto pozorovat, musíme je zpravidla obarvit speciálními fluorescenčními barvivy. Vsoučasnosti máme kdispozici mnoho různých barviv, která se specificky vážou na DNA, aproto je můžeme využít zejména vgenetice při vizualizaci chromozomů anebo buněčných jader. Stejně tak můžeme zviditelnit některé jiné buněčné struktury nebo určité typy buněk pomocí fluorescenčně značených protilátek. Jde oprotilátky, které se ktěmto strukturám specificky vážou ana něž je zároveň chemicky navázána molekula schopná fluorescence. Detekční postupy založené na tomto principu souborně označujeme jako imunofluorescenční metody. Podobně se fluorescenčně značené protilátky využívají ipři mnoha mikrobiologických aparazitologických vyšetřeních.

Fluorescence se však nevyužívá pouze vmikroskopii. Sfluorescenčně značenými molekulami DNA, popř. fluorescenčně značenými nukleotidy se často setkáváme vmoderní molekulárněgenetické diagnostice, např. utzv. čipových technik nebo při sekvenování (viz oddíly 14.6.2, 26.2 a45.7). Fluorescenčně značené protilátky nebo samotná fluorescenční barviva umožňují při tzv. průtokové cytometrii vyšetřit velké množství buněk, popř. je dále roztřídit aoddělit ze vzorku určité typy buněk, které potřebujeme kdalší práci. To je důležité např. při práci skrví nebo kostní dření apři diagnostice aléčbě krevních onemocnění (např. leukemií). Vcytologii abiochemii se často využívají tzv. fluorescenční indikátory, tj. látky, které mění svoji fluorescenci vzávislosti na přítomnosti určitých látek, změnách pH apod. To však není ani zdaleka vše. Úplný výčet příkladů využití fluorescence vbiologii amedicíně by zaplnil několik dalších stran této knihy.

6.4.1Luminiscence afluorescence

Fluorescence je jedním ztypů luminiscence, což je obecně jev, kdy určitá látka za jistých podmínek emituje světlo. Toho můžeme dosáhnout různými cestami – zpravidla chemickou reakcí nebo různými fyzikálními vlivy. Podle toho, jakým způsobem luminiscenci vyvoláme, rozlišujeme základní typy luminiscence:

1.Chemiluminiscence, kdy se světlo uvolňuje při chemické reakci. Klasickým příkladem je světélkování „svatojánských broučků“, přesněji světlušek (Lampyris noctiluca) ajiných organismů, vjejichž tělech dochází koxidaci pigmentu zvaného luciferin.32 Vkriminalistice se kdetekci krevních skvrn používá chemická látka zvaná luminol, která při reakci shemoglobinem uvolňuje jasně modré světlo, dobře pozorovatelné zejména vzatemněné místnosti. Jev chemiluminiscence se využívá také vněkterých molekulárněgenetických technikách, např. při tzv. pyrosekvenování (viz oddíl 26.3).

2.Termoluminiscence, kdy kemisi světla dochází následkem ohřátí látky, tedy působením zvýšené teploty. Tuto schopnost mají (kromě jiných látek) také některé minerály, zběžně známých např. kalcit (uhličitan vápenatý) nebo apatit (fosforečnan vápenatý).

3.Elektroluminiscence, kníž dochází při průchodu elektrického proudu příslušnou látkou. Elektrická energie se vtomto případě mění na energii světelnou. Příkladem jsou tzv. elektroluminiscenční fólie používané např. pro značení únikových cest, dále jako bezpečnostní, nouzové aorientační osvětlení ijako osvětlení informačních tabulí aukazatelů. Předpokládá se, že tzv. elektroluminiscenční displeje se mohou stát plnohodnotnou náhradou LCD displejů.

4.Radioluminiscence vzniká, když je příslušná látka vystavena ionizačnímu záření (tj. proudu alfa- nebo beta-částic, popř. gama-paprskům). Využití tohoto jevu lze doložit již vroce 1908, kdy se kmalování hodinových ciferníků ačíselníků některých přístrojů používala zvláštní svítivá barva obsahující směs radia (které sloužilo jako zdroj ionizačního záření) asulfidu zinečnatého dopovaného mědí. Číslice namalované touto barvou ve tmě nazelenale zářily. Radium se jako složka barev používalo až do šedesátých let 20. století, kdy bylo kvůli možným karcinogenním účinkům nahrazeno jinými radioizotopy.

5.Fotoluminiscence, kdy je světlo vyvoláno působením jiného záření. Příkladem fotoluminiscence je fluorescence, kdy dopadem fotonů na molekulu látky označované jako fluorochrom nebo též fluorofor dochází kexcitaci elektronů ze základní energetické hladiny do hladiny ovyšší energii. Ztohoto excitovaného stavu se elektron vrací do původní základní energetické hladiny, přičemž dochází kemisi světla ve viditelné oblasti. Excitaci elektronů vatomech konkrétního fluorochromu může vyvolat pouze světlo ourčité vlnové délce, zpravidla vultrafialové nebo viditelné oblasti spektra. Také světlo, které se při fluorescenci uvolňuje, má určitou vlnovou délku. Říkáme proto, že každý fluorochrom má specifické excitační aemisní spektrum.

Vzásadě rozlišujeme dva typy fluorochromů. Do první skupiny patří látky svlastní (též vnitřní) fluorescencí, jejichž molekuly samy osobě vykazují schopnost fluorescence. Zběžně známých látek má tuto schopnost např. chlorofyl (listové barvivo), vitamin A, chinin (alkaloid používaný kléčbě malárie, nyní často přidávaný do hořkosladkých nápojů, tzv. toniků)33 aněkteré aminokyseliny (zejména fenylalanin, tyrosin atryptofan), včetně bílkovin, které je obsahují.

Druhou skupinou fluorochromů jsou látky snevlastní (též vnější) fluorescencí. Ty fluoreskují až po kovalentním či nekovalentním navázání na určitou molekulu nebo strukturu, např. na DNA, na proteiny, na buněčnou stěnu, na cytoplazmatickou membránu apod. Příkladem je řada syntetických fluorescenčních barviv, jako jsou např. fluorescein ajeho deriváty, barviva ze skupiny kyaninů, ethidiumbromid, propidiumjodid nebo 4’,6-diamidino-2-fenylindol (DAPI). Zatímco ethidium bromid slouží kvizualizaci DNA na elektroforetickém gelu, poslední dvě jmenovaná barviva se často používají kbarvení chromozomů (viz oddíl 42.3.2).

6.4.2Fluorescenční mikroskop

Stejně jako běžný optický mikroskop určený kpozorování ve světlém poli je fluorescenční mikroskop vybaven stativem, stolkem, zaostřovacím zařízením, tubusem, objektivy aokuláry. Liší se však zdrojem světla. Většinou využívá vysokotlakou rtuťovou výbojku, která je schopna emitovat záření odostatečné intenzitě voblasti blízké UV oblasti. Rtuťová výbojka je trubice zkřemenného skla, vjejímž nitru je malé množství inertního plynu artuti (odtud název). Největší množství světelné energie vyzáří tyto výbojky vintervalu vlnových délek od 356 nm do 546 nm, aproto jsou používány kexcitaci elektronů vmolekulách běžně používaných fluorescenčních barviv. Kromě rtuťových výbojek lze kvyvolání fluorescence použít jako zdroj záření např. xenonové obloukové lampy, speciální LED diody nebo laser.

Existují různé typy fluorescenčních mikroskopů. Další popis se zabývá stavbou afunkcí tzv. epifluorescenčního mikroskopu, uněhož záření určené kvyvolání fluorescence prochází přes objektiv na pozorovaný objekt. Emitované světlo pak vystupuje do stejného objektivu adále pokračuje až do okuláru nebo do snímacího zařízení (většinou kamery). Tento typ fluorescenčních mikroskopů se vlaboratorní praxi používá nejčastěji.

Zpředchozího textu již víme, že kexcitaci elektronů (atedy kvyvolání fluorescence) je nutné ozářit fluorochrom světlem ourčité vlnové délce. Proto prochází zdrojové záření rtuťové výbojky tzv. excitačním filtrem, který propouští pouze paprsky ožádoucí vlnové délce. Vnaprosté většině současných fluorescenčních mikroskopů je tento filtr součástí tzv. filtrační kostky (obr. 6.6). Ta obsahuje současně tzv. dichroické zrcadlo34, které je vůči filtru natočeno vúhlu 45° aodráží excitační paprsky tak, že následně procházejí objektivem adopadají na pozorovaný objekt, kde vyvolají excitaci elektronů.

Obr. 6.6 Filtry fluorescenčního mikroskopu: a– část mikroskopu, vníž jsou umístěny filtry (označeny popisem jednotlivých barviv), b – karuselové zařízení sjednotlivými filtračními kostkami

Při návratu elektronů do původní energetické hladiny dojde kemisi světla, které vstupuje zpět do objektivu afiltrační kostky. Zde prochází dichroickým zrcadlem, jenž světlo otéto vlnové délce propouští. Pak vstupuje do tzv. bariérového (též emisního) filtru, jímž se odstraňuje excitační záření, které se odrazilo od preparátu. Toto záření je třeba eliminovat, protože může škodit lidským očím anavíc by znehodnotilo pozorování, neboť má vyšší intenzitu než světlo emitované fluorochromem. Tak se do okulárů nebo do snímacího zařízení dostává pouze emitované světlo ožádoucí vlnové délce, které vytváří obraz pozorovaného objektu.

Abychom mohli pozorovat objekt barvený určitým fluorochromem, musíme použít filtrační kostku, která je pro tento fluorochrom specifická. Existují však itzv. širokopásmové filtry umožňující pozorování objektů barvených větším počtem fluorochromů. Jejich použitím se však intenzita záření, které prochází kostkou, zeslabuje, apokud fluorochrom vykazuje pouze bodové signály, nemusejí být vtomto případě zřetelné. Většina mikroskopů je opatřena zařízením umožňujícím rychlou výměnu několika (většinou šesti) různých filtračních kostek. Ty jsou umístěny ve speciálním karuselu nebo jiném nosiči, který lze velmi snadno ovládat. Během pozorování pak můžeme filtry velmi rychle nastavit podle toho, který fluorochrom byl kvizualizaci použit.

Většina moderních mikroskopů používaných vlaboratořích vsobě kombinuje světelný ifluorescenční mikroskop. Znamená to, že má dva druhy osvětlení – zdroj viditelného světla irtuťovou výbojku, které lze libovolně přepínat podle toho, jaký typ objektu pozorujeme.

6.5Konfokální mikroskop

Pracujeme-li světšinou optických mikroskopů (svýjimkou stereomikroskopu), vycházíme zpředpokladu, že pozorovaný objekt má nekonečně malou, víceméně nulovou tloušťku ataké jeho obraz vzorném poli je dvourozměrný. Ve skutečnosti jsou však všechny zkoumané objekty trojrozměrné, což znamená, že mají konečnou tloušťku. Proto při použití většiny optických mikroskopů pozorujeme pouze určitou rovinu řezu, na kterou zaostříme. Pokud má pozorovaný objekt větší tloušťku, je pozorovaný obraz zkreslen rovinami, které leží mimo ohniskovou vzdálenost objektivu, tedy nad apod zaostřenou rovinou. Tento rušivý efekt je možné částečně odstranit pomocí konfokálního mikroskopu, jenž umožňuje vést optické řezy itlustším objektem anásledně zaznamenávat vdigitalizované formě sérii těchto řezů vzorkem. Tyto řezy je navíc možné svyužitím příslušného počítačového softwaru kombinovat dohromady, azískat tak obraz trojrozměrné struktury pozorovaného objektu.

Snad prvním konfokálním optickým systémem byla štěrbinová lampa, kterou pro vyšetření vočním lékařství zkonstruoval vroce 1944 německý lékař HANS GOLDMANN (1899–1991), rodák zChomutova aabsolvent pražské německé Karlovy univerzity.35 Za datum zrodu samotné konfokální mikroskopie lze pokládat rok 1957. Vté době však ještě cestu do laboratoří nenašla, neboť autor objevu, americký badatel MARVIN LEE MINSKY (viz oddíl 6.2), nenašel vhodný výkonný zdroj světla pro svůj přístroj. Další problém spočíval vtom, že ani tehdejší počítače nebyly dostatečně výkonné ajejich dostupnost byla omezená. Onecelých 10 let později čeští badatelé MOJMÍR PETRÁŇ (1923–2022) aMILAN HADRAVSKÝ (1939–2012) zlékařské fakulty UK vPlzni patentovali konfokální mikroskop na bázi rotujícího Nipkowova kotouče. Stakto vybaveným mikroskopem (vodborné literatuře známým jako Tandem Scanning Confocal Microscope – TSCM) byly poprvé získány kvalitní optické řezy silným preparátem, konkrétně mozkovou tkání. Vroce 1968 vyrobilo několik kusů Petráňova aHadravského mikroskopu jednotné zemědělské družstvo ve vsi Komorno (nyní součást Blovic vokrese Plzeň-jih). Širší uplatnění však našla konfokální mikroskopie až koncem sedmdesátých let 20. století. Tehdy byl zkonstruován první, velmi spolehlivý konfokální mikroskop využívající namísto Nipkowova kotouče rozmítaného laserového paprsku, tzv. laserový rastrovací konfokální mikroskop (Laser Scanning Confocal Microscope – LSCM). Krozšíření těchto mikroskopů do laboratoří přispěl inebývalý rozvoj výpočetní techniky.

Třebaže konfokální mikroskop je zvláštním typem optického mikroskopu, jeho stavba je poněkud odlišná. Prvním základním rozdílem je zdroj světla, kterým je laserový paprsek, jenž podobně jako uepifluorescenčního mikroskopu (viz oddíl 6.4.2) dopadá shora přes clonu aobjektiv na preparát. Konfokální mikroskop se většinou používá ufluorescenčně barvených objektů, unichž laserový paprsek vyvolá fluorescenci příslušného fluorochromu, jímž byl preparát vizualizován. Stejným objektivem, přes nějž paprsek na pozorovaný objekt dopadá, pozorujeme emitované světlo. Toto záření prochází konfokální clonou, která odfiltruje světlo zjiných rovin řezu, než je ta, kterou právě pozorujeme. Ztoho vyplývá, že každý obraz zkonfokálního mikroskopu je maximálně zaostřený. Je však třeba si uvědomit, že laserový paprsek je bodový zdroj světla. Pokud jej zacílíme na jedno místo pozorovaného objektu, získáme tak obraz pouze jednoho bodu na něm. Proto se dopadající paprsek musí přesouvat po preparátu podobně, jako se pohybují fotony po stínítku televizní obrazovky (jedná se vpodstatě ostejný princip, jaký používáme urastrovacího elektronového mikroskopu (viz oddíl 6.6)36. Pomocí snímacího zařízení tak zaznamenáváme jednotlivé body zjedné vrstvy pozorovaného objektu, na kterou jsme zaostřili. Posun paprsku je ovládán řídicím počítačem, který také sbírá informace okaždém snímaném bodu apostupně skládá obraz vpříslušné optické rovině. Při použití automatického posunu zaostření na hlubší vrstvy je možné zaznamenat několik desítek či set vrstev aza použití programů pro zpracování obrazu složit trojrozměrný obraz pozorovaného objektu.

Vtechnických oborech se konfokální mikroskop používá např. při studiu povrchových vlastností materiálů, vyhodnocování testů tvrdosti kovů iplastických materiálů apři zjišťování rozměrů strukturních elementů na polovodičových čipech. Vbiologii je vhodný především ke studiu prostorového uspořádání tkáňových abuněčných struktur. Jednou ztypických aplikací je výzkum architektury neuronových sítí vmozkové tkáni anebo diagnostika onemocnění rohovky. Spomocí konfokální mikroskopie lze studovat koncentraci adistribuci některých iontů (např. draselných nebo vápenatých) vbuňkách, popř. měřit membránový potenciál či intracelulární pH. Při aplikaci imunofluorescenčních metod je možné studovat rozložení receptorů ajiných proteinů vmembránách. Kvýznamným využitím tohoto mikroskopu vgenetice patří výzkum topologie buněčného jádra (tj. vnitřního uspořádání chromatinu achromozomových teritorií) (viz kapitola 32). Konfokálním mikroskopem lze pozorovat nejen fixované, ale iživé objekty. Nevýhodou LSCM je však soustředění velice intenzivního laserového paprsku na každý zobrazovaný bod pozorovaného objektu. Tím je preparát dlouhodobě vystaven škodlivým účinkům laseru. Navíc je nutné, aby při řádkování světlo zlaserového paprsku dopadalo na všechny snímané body postupně, zčehož vyplývá výrazné omezení rychlosti snímání, zejména pokud chceme dosáhnout vysokého rozlišení.

Od osmdesátých let 20. století byl konfokální mikroskop postupně zdokonalován abyly sestrojeny nové přístroje vycházející zprincipu fluorescenční akonfokální mikroskopie. Tak např. vroce 1990 představili američtí vědci včele sWATTEM WETMOREM WEBBEM (1927–2020) tzv. dvoufotonový excitační mikroskop, sjehož pomocí lze (ve srovnání sběžným konfokálním mikroskopem) dosáhnout větší hloubky proostření akontrastnější zobrazení, zejména vhlubších vrstvách vzorku. Navíc excitace je směřována do zanedbatelně malého objemu vzorku, což značně snižuje možný negativní vliv laserového paprsku na živé struktury.

Jiným vynálezem zpočátku devadesátých let 20. století je tzv. 4pi mikroskopie, kterou objevil německý fyzik STEFAN WALTER HELL (*1962), laureát Nobelovy ceny. Neobvyklý název této techniky vychází ze skutečnosti, že videálním případě může každá čočka objektivu sbírat světlo zúhlu 360º (tedy 2π radiánů). Se dvěma čočkami objektivu lze však sbírat světlo zkaždého směru (tedy 4π radiánů). Proto 4pi mikroskop využívá dvou proti sobě umístěných objektivů, mezi nimž se nachází vzorek, přičemž oba objektivy jsou zaostřeny do stejného bodu. Tento typ mikroskopu poskytuje ve srovnání sběžným konfokálním mikroskopem výrazně vyšší rozlišení. 4pi mikroskopie je jednou zvíce superrezolučních technik, jimiž lze při mikroskopickém pozorování dosáhnout vysokého rozlišení. Nejmodernější znich (např. Stochastic Optical Reconstruction Microscopy – STORM) již poskytují rozlišení 10–20 nm, čímž se blíží khranici rozlišitelnosti elektronového mikroskopu.

6.6Elektronový mikroskop

Elektronová mikroskopie využívá kzobrazení pozorovaných objektů namísto viditelného světla proudu elektronů. Elektron jako negativně nabitá elementární částice byl objeven britským fyzikem JOSEPHEM JOHNEM THOMPSONEM (1856–1940) vroce 1897. Kvyužití elektronů vmikroskopii však otevřel cestu teprve francouzský kvantový fyzik LOUIS DE BROGLIE (1892–1987), jenž vroce 1924 poprvé publikoval hypotézu, že rychle letící elektrony mají nejen korpuskulární, ale ivlnový charakter ajako záporně nabité částice jsou přitahovány ke kladným částicím. Znamená to, že proud elektronů má vlnové vlastnosti alze mu stanovit ipříslušnou vlnovou délku. Tohoto poznatku bylo později využito při urychlování elektronů.

Vroce 1927 byly publikovány práce, které se zabývaly možnostmi změnit, resp. vychýlit, dráhu proudu elektronů pomocí silného magnetického pole. Odtud také pochází myšlenka konstrukce mikroskopu, vněmž by byl zdroj světla nahrazen proudem elektronů ačočky optického mikroskopu zaměněny za elektromagnetické cívky. Vpřípadě elektronového mikroskopu označujeme tyto cívky jako elektromagnetické čočky. Vpraxi se používají dva základní typy elektronového mikroskopu: transmisní askenovací.

Transmisní elektronový mikroskop neboli TEM (obr. 6.7) byl vyvinut jako první, ato již na počátku třicátých let 20. století (viz oddíl 6.2 ohistorii mikroskopie). Postupně byl zdokonalován aposunul hranice rozlišitelnosti do řádu jednotek až desetin nanometru (nm). Zdrojem proudu elektronů uTEM je elektronové dělo (obr. 6.8), což bývá často wolframové vlákno rozžhavené na vysokou teplotu (cca 2500 °C).37 Napětí na této katodě dosahuje zhruba 50–200 kV. Ztoho vyplývá, že elektronové dělo icelý vnitřní prostor, kudy prochází proud elektronů, musí být umístěn ve vakuu, neboť za přístupu vzduchu by došlo krychlé oxidaci ake zničení celého zařízení.

Obr. 6.7 Moderní transmisní elektronový mikroskop

Obr. 6.8 Zjednodušené schéma transmisního elektronového mikroskopu

Rozlišitelnost TEM se pohybuje kolem 0,1–2 nm. Spomocí tohoto mikroskopu je možné pozorovat nejen celé buňky (eukaryotické iprokaryotické), ale také jejich jednotlivé struktury, jako např. membránové útvary (idetaily samotných membrán), mitochondrie (včetně jejich vnitřní stavby), lyzozomy, ribozomy, mikrotubuly, zrna glykogenu, chromatinová vlákna tvořící chromozomy, kolagenní vlákna, nukleoidy bakteriálních buněk aj. (viz např. obr. 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.12). Nejmodernější mikroskopy svysokým rozlišením umožňují dokonce pozorování jednotlivých proteinových molekul. Nevýhoda TEM spočívá nejen ve velmi zdlouhavé atechnicky náročné přípravě preparátu, ale také vtom, že neumožňuje pozorovat živé objekty, které by (pokud pomineme specifickou přípravu vzorku) nepřežily vprostředí uvnitř mikroskopu, kde panuje vakuum adochází zde kprůchodu elektronů označné energii.