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Hizo observaciones sobre tejidos vegetales,realizadas con un microscopio construido por él mismo. Fue el primero que, al ver en esos tejidos unidades que se repetían a modo de celdillas de un panal, las bautizó como elementos de repetición,«células».
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Observó diversas células eucariotas (como protozoos y espermatozoides) y procariotas (bacterias).
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Escribió la presencia de «animálculos» o «infusorios» que se trataba de organismos unicelulares.
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Estudió la célula animal; junto con Matthias Schleiden postularon que las células son las unidades elementales en la formación de las plantas y animales, y que son la base fundamental del proceso vital.
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Junto con Theodor Schwann postularon que las células son las unidades elementales en la formación de las plantas y animales, y que son la base fundamental del proceso vital.
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Describió el núcleo celular (orgánulo membranoso el cual se encuentra en el centro de las células eucariotas).
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Observó el citoplasma celular.
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identificó las mitocondrias.
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Postuló que todas las células provienen de otras células.
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Realizó multitud de estudios sobre el metabolismo de levaduras (cualquiera de los diversos organismos eucariotas, clasificados como hongos) y sobre la asepsia (conjunto de métodos aplicados para la conservación de la esterilidad).
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Descubrió que las células actuales comparten similitud estructural y molecular con células de tiempos remotos.
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Construyó el primer microscopio electrónico de transmisión en la Universidad de Berlín. Cuatro años más tarde, obtuvo una resolución óptica (poder de un instrumento para separar dos objetos de una imagen) doble a la del microscopio óptico.
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Publica su hipótesis sobre la endosimbiosis serial, que explica el origen de la célula eucariota.
