הבוטנאי הסקוטי רוברט בראון היה הראשון לכנות את הגרעין בשם, בעת שחקר צמחי סחלב תחת עדשת מיקרוסקופ אור. בתוך האפידרמיס (השכבה החיצונית) של הסחלב הבחין בראון באזור עגלגל שהיה כהה יותר משאר חלקי התא. בראון כינה אזור זה בשם "גרעין" (nucleus), אך לא הציע כל תפקיד אפשרי לאזור זה בתא. בבדיקות נוספות גילה בראון גרעינים גם בתאים של צמחים אחרים. בראון הציג את ממצאיו ב-1831 במהלך הרצאה באגודה הלינאית של לונדון.
ניסוח תאוריית התא מיוחס לבוטנאי מתאוס שליידן ולזואולוג תיאודור שוואן.
שליידן היה הראשון שייחס חשיבות לגרעין ולציטופלזמה. הוא מצא גרעינים בכל סוגי תאי הצמחים שבדק תחת המיקרוסקופ, לפחות בשלבים הראשונים להיווצרם. דבר זה הביא אותו למסקנה כי תאים "נוצרים" מהגרעין, מסקנה שנמצאה מאוחר יותר שגויה.
פעם אחת, כאשר סעד שליידן בחברת שוואן ב-1837, נדדה השיחה לתיאור הגרעינים בתאי הצמחים בהם צפה שליידן ועל תאי בעלי חיים. שליידן חלק את דעתו עם שוואן על חשיבותו של הגרעין כגופיף פעיל בתאי הצמחים. שוואן זכר כי ראה מבנים דומים לאלו שתוארו על ידי שליידן בתאי בעלי חיים שונים. שוואן הבין מיד את החשיבות שבחיבור בין שתי התופעות שנצפו, המוביל לרעיון כי תאים של בעלי חיים וצמחים נוצרים באותה דרך ושבכל תא יש גרעין ולו תפקיד ייחודי בתא. כדי למצוא עדויות לתאוריה בדק שוואן תאי בעלי חיים רבים, כגון תאים מצפרדעים ודגים, והדמיון בין שני סוגי התאים אושש ללא עיכוב.
שוואן פרסם את ממצאיו יחד עם שליידן ובו הכתיבו כי החלק העיקרי של התא איננו דופן או קרום התא, אלא תוכנו ובו הגרעין והציטופלזמה. ב-1838 ניסחו שליידן ושוואן את תאוריית התא, הקובעת כי:
מאוחר יותר, ב-1858, ניסח רודולף וירכאו על פי תאוריה זו את המשפט הידוע:
בשנות השלושים ביצע החוקר הגרמני יואכים המרלינג סדרה של ניסויים שמטרתם הייתה לבדוק מהו תפקידו של הגרעין בתא. החומר החי בניסויים אלו היה מספר מינים של אצה הנקראת אצטבולריה. אצה זו ייחודית בכך שכל גוף האצה בנוי מתא בודד (כלומר זהו יצור חד-תאי), אף על פי שאורך גוף האצה יכול להגיע לכדי 5 ס"מ ולכן ניתן לצפות באצה זו ולהבחין בשינויים המורפולוגיים שחלים בה גם בעין בלתי מזוינת.
אצת האצטבולריה מורכבת משלושה חלקים עיקריים: "כובע" האצה, גבעול ובסיס האצה, בו נמצא גרעין התא. מאפיין נוסף המייחד את אצת האצטבולריה הוא יכולתה לגדל מחדש את הגבעול והכובע שלה לאחר שאלו מוסרים.
למיני האצטבולריה השונים ישנם כובעים שונים. האמרלינג השתמש בניסוייו בשני מינים של האצטבולריה: בניסוי הראשון היה כובע האצה חלק (שמו המדעי של מין זה הוא Acetabularia Meditarranea), ובניסוי השני היה כובע האצה בעל אונות, בצורה הדומה לשושנת ים (שמו המדעי של מין זה הוא Acetabularia Crenulata). בניסוי הראשון הפריד האמרלינג בין שלושת חלקי התא של האצטבולריה של פרט ממין א' ושל פרט ממין ב'. לאחר מכן, השתיל האמרלינג את הגרעין של הפרט ממין א' בבסיס האצה ממין ב' ולהפך.
לאחר זמן מה, גידל הפרט שגרעינו ממין א' ובסיסו ממין ב' כובע חלק, הזהה בצורתו לזה של מין א' והפרט שגרעינו ממין ב' ובסיסו ממין א' גידל כובע עם אונות, הזהה בצורתו לזה של מין ב'.
בניסוי השני, הוציא האמרלינג גרעין של אצה ממין א', ולאחר שהפריד גבעול של אצה ממין ב' משאר חלקיה, השתיל את הגרעין של האצה ממין א' בגבעול של אצה ממין ב'. לאחר זמן מה, הגבעול הצמיח בסיס וכובע הזהים בצורתם לאלו של מין א'.
לאור תוצאות מחקריו שהראו כי הכובעים התפתחו בהתאם למין ממנו נלקח הגרעין, הסיק האמרלינג כי מידע מסוים הנמצא בגרעין הוא האחראי לצורת הכובע.
בשנות החמישים ערך החוקר היהודי-אמריקאי דניאל מאזיה ניסויים באמבה, יצור חד-תאי חסר צורה ברורה הנראה בבירור תחת עדשת מיקרוסקופ אור. מאזיה חתך את תאי האמבה לשני חלקים, כך שבחלק אחד הייתה ציטופלזמה ואת גרעין התא ובשני ציטופלזמה ללא גרעין. מאזיה הפריד את החלקים וגידל אותם בתנאים שווים בתוך כלים המכילים תמיסות מזון בכמויות שוות. לאחר זמן מה התברר למאזיה כי רק חלקי האמבה המכילים את הגרעין המשיכו לחיות, לגדול, להתפתח ולהתרבות, בעוד שהחלקים חסרי הגרעין התנוונו ומתו תוך פרק זמן קצר. תוצאות ניסוי זה הובילו למסקנה כי גרעין התא חיוני לקיומו, תפקודו והתרבותו של התא.
תוצאות מחקרים אלה ומחקרים נוספים, כמו גם גילויים מחדש של חוקי מנדל בתחילת המאה ה-20, הביאו את הקהילה המדעית להסכמה כי המידע התורשתי מצוי ב-DNA שבתוך גרעין התא ביצורים איקריוטיים וכי הוא משמש כאתר למספר תהליכים מכריעים שבסופם מתורגם מידע זה לחלבונים, אבני הבניין הבסיסיות של החיים.
גלריית תמונות האישים המוזכרים בערך:
מבנים בגרעין.
הגרעין הוא האברון הגדול ביותר בתא האיקריוטי והוא תחום במעטפת המורכבת משני קרומים, המפרידה בינו לבין הציטופלזמה. בתאי יונקים, הקוטר הממוצע של הגרעין הוא בערך 6 מיקרון (μm) והוא תופס כ-10% מנפחו הכולל של התא. בתוך הגרעין מצוי נוזל סמיך המכונה "נוזל הגרעין" או "נוקליאופלזמה". נוזל הגרעין דומה בהרכבו לציטוזול המצוי מחוץ לגרעין.
בפלזמה נמצאים הכרומוזומים, שהם מולקולות DNA וחלבונים הקשורים אליהם. בגרעין ישנו גם צביר מרוכז של חומר הקרוי גרעינון; שם מיוצרות תת-יחידות ריבוזומאליות, שהן RNA וחלבונים, ומהן מורכבים הריבוזומים.
קרום הגרעין מכיל נקבים חלבוניים הנקראים נקבוביות ומאפשרים מעבר בררני ביותר של חומרים מהציטופלזמה לפלזמת הגרעין ולהפך.
המולקולות החשובות ביותר שעוברות מהגרעין אל החוץ הן מולקולות ה-RNA, המשועתקות מה-DNA שבגרעין ואז נודדות אל ציטופלזמת התא, אל הריבוזומים, בהם משמש המידע המקודד ב-RNA לייצור חלבונים.
מעטפת הגרעין והנקבוביות.
מעטפת הגרעין, המכונה גם ממברנת או קרום הגרעין, מורכבת משני קרומים - קרום חיצוני וקרום פנימי, הממוקמים האחד במקביל לשני ומופרדים בכ-10 עד 50 ננומטרים האחד מהשני. מעטפת הגרעין מקיפה את הגרעין במלואו, מפרידה בין המידע הגנטי של התא מהציטופלזמה הסובבת אותו ומשמשת חוצץ למניעת מעבר בדיפוזיה של מקרומולקולות בחופשיות ואקראיות בין נוזל הגרעין לציטופלזמה. קרום הגרעין החיצוני הוא המשכו של קרום הרשת האנדופלזמתית המחוספסת ובדומה לה, הוא משובץ בריבוזומים.
החלל שבין שני הקרומים נקרא חלל מעטפת הגרעין (Perinuclear Space) והוא המשכו של החלל של הרשת האנדופלזמתית המחוספסת.
מעטפת הגרעין מכילה נקבים חלבוניים הנקראים נקבוביות ומאפשרים מעבר בררני ביותר של חומרים מהציטופלזמה לפלזמת הגרעין ולהפך.
הנקבוביות שבמעטפת הגרעין, המספקות תעלות מעבר למקרומולקולות מהגרעין ולגרעין, מורכבות מחלבונים רבים. משקל הנקבוביות הוא בערך 125 מגה דלטון והן מורכבות מעשרות חלבונים - בין 50 (בשמרים) ל-100 (בירקות) ). קוטרן של הנקבוביות הוא כ-100 ננומטרים. לעומת זאת, המרווח דרכו עוברות המולקולות בדיפוזיה באופן חופשי על גבי המעטפת הוא רק 9 ננומטר ברוחבו, בזכות נוכחותה של מערכת וויסות בתוך מרכז הנקבובית. גודל זה מאפשר את מעברן החופשי של מולקולות קטנות המומסות במים ובה בעת למנוע את מעברן החופשי של מולקולות גדולות כחומצות גרעין או חלבונים גדולים, שמעברן מהגרעין עלול לפגום בתפקוד הגרעין וכמו כן גם למנוע כניסה לא רצויה של מקרומולקולות אחרות העלולות לשבש את תפקודו של הגרעין.
במקום זאת, מקרומולקולות אלו חייבות לעבור באופן אקטיבי אל ומהגרעין, משמע, תוך כדי השקעת אנרגיה. גרעין טיפוסי של יונק יכול להכיל בין 3000 ל-4000 נקבוביות הפרוסות על גבי המעטפת, כאשר כל אחת מהן בנויה כמבנה טבעתי במקום בו שני הקרומים המרכיבים את מעטפת הגרעין מחוברים זה לזה. למבנה הטבעתי מחובר מבנה חרוטי המגיע אל תוך נוזל הגרעין מהצד הפנימי וסדרה של סלילים מוארכים הנמצאים בתוך הציטופלזמה מהצד החיצוני. שני מבנים אלו משמשים כמתווכים להגבלת מעבר חלבונים אל ולגרעין.
רוב החלבונים, תתי מערכות של הריבוזומים וחלק מן ה-RNA, מועברים דרך קומפלקסי הנקבוביות הללו בתהליך המתווך על ידי משפחה של פקטורי העברה הנקראת קריופרין. קריופרינים אלו המתווכים את התנועה אל תוך הגרעין נקראים גם אימפורטינים (מהמילה Import שפירושה: לייבא), בעוד שאלו המתווכים תנועה אל מחוץ לגרעין נקראים אקספורטינים (מהמילה Export שמשמעותה היא לייצא). רוב הקריופרינים נמצאים במגע ישיר עם ה"מטען" שהם מייבאים או מייצאים, אף על פי שחלקם משתמשים במתאמים חלבוניים. הורמונים סטרואידים כגון קורטיזול ואלדוסטרון, כמו גם מולקולות קטנות אחרות המומסות בליפידים והקשורות באיתות התוך תאי, יכולות לעבור בדיפוזיה דרך קרום התא ולתוך הציטופלזמה. בציטופלזמה מולקולות אלו מתקשרות עם קולטנים חלבוניים ייחודיים המועברים לתוך הגרעין. שם קולטנים אלו משמשים כגורמי שעתוק כאשר הם מתחברים אל הליגנד שלהם.
הלמינה הגרעינית.
בתאי בעלי חיים, ישנם שני מערכי מבנים סיביים המעניקים לגרעין תמיכה מכנית. הלמינה הגרעינית יוצרת מערך מורכב ומאורגן של רשת סיבית בצדה הפנימי של מעטפת הגרעין, בעוד שתמיכה פחות מאורגנת קיימת בצידה החיצוני של המעטפת. שתי מערכות אלו מספקות תמיכה מבנית למעטפת הגרעין ומאפשרות חלל בו יכולים להתקיים הכרומוזומים והנקבוביות.