Знакомство с микроскопами и принципами их работы. Статья охватывает светлопольную микроскопию, флуоресцентную микроскопию и электронную микроскопию.
Введение
Если вы поговорите с некоторыми клеточными биологами и узнаете, что им больше всего нравится в их работе, то, возможно, вы обнаружите, что всё сводится к одному: втайне они все помешаны на микроскопах. В конечном итоге то, что им по-настоящему нравится, это возможность проводить часы в маленькой темной комнате, общаясь со своими любимыми клетками через линзу прекрасного микроскопа. Это может показаться странным, но в этом есть правда: клетки могут быть невероятно красивыми, словно живые витражи. Один из моих любимых примеров - изображение ниже, где изображены клетки очень молодого листа кресс-салата, небольшого цветкового растения, родственного горчице
Это изображение не является обычной световой микрофотографией; это флуоресцентное изображение специально подготовленного растения, где различные части клеток были помечены метками, чтобы они светились. Однако такая клеточная сложность и красота окружают нас повсюду, будь то видимо или нет.
Вы можете обнаружить клетки с такими же изящными узорами и красивыми формами в любом растении, которое вы рассматриваете - от розы в заднем саду до травы, растущей на тротуаре, и даже в моркови, которую вы едите на закуску. Но давайте не ограничиваться только растениями: изысканные клеточные структуры можно найти в вашей собственной коже, в крыльях насекомых и практически в любой другой живой ткани, на которую вы решите взглянуть. Мы и мир вокруг нас - это соборы, состоящие из клеток. Нам просто нужна микроскопия, чтобы оценить всю эту красоту.
Микроскопы и линзы
Хотя клетки различаются по размеру, они обычно довольно маленькие. Например, диаметр типичного эритроцита человека составляет около восьми микрометров (0,008 миллиметра). Чтобы дать вам некоторый контекст, головка булавки имеет диаметр около одного миллиметра, поэтому около 125 эритроцитов можно выстроить в ряд на головке булавки.
За некоторыми исключениями, отдельные клетки невозможно увидеть невооруженным глазом, поэтому вместо этого ученым приходится использовать микроскопы (micro- = «маленький»; -scope = «чтобы смотреть») для их изучения. Микроскоп - это инструмент, который увеличивает объекты, которые в противном случае были бы слишком малыми, чтобы их можно было увидеть, создавая изображение, на котором объект кажется больше. Большинство фотографий клеток делается с помощью микроскопа, и эти снимки также можно назвать микрофотографиями.
Судя по приведенному выше определению, микроскоп может показаться всего лишь своего рода увеличительным стеклом. Фактически, увеличительные стекла действительно можно назвать микроскопами; поскольку у них всего одна линза, их называют простыми микроскопами. Более сложные инструменты, которые мы обычно называем микроскопами, представляют собой составные микроскопы, то есть у них есть несколько линз. Из-за особенностей расположения этих линз они могут преломлять свет, создавая гораздо более увеличенное изображение, чем изображение с помощью увеличительного стекла. В сложном микроскопе с двумя линзами расположение линз имеет интересное следствие: ориентация видимого изображения переворачивается по отношению к реальному объекту, который вы исследуете. Например, если вы смотрите на кусок газетной бумаги с буквой «е», изображение, которое вы увидите в микроскоп, будет «ə».
Большинство фотографий клеток делается с помощью микроскопов, и эти снимки также можно назвать микрофотографиями.
Что отличает простой микроскоп от мощного аппарата, используемого в исследовательской лаборатории? В микроскопии особенно важны два параметра: увеличение и разрешение.
Увеличение - это мера того, насколько большой микроскоп (или набор линз внутри микроскопа) делает объект видимым. Например, световые микроскопы, обычно используемые в средних школах и колледжах, увеличивают реальный размер примерно в 400 раз. Таким образом, то, что в реальной жизни имело ширину 1 мм, на изображении под микроскопом будет иметь ширину 400 мм.
Разрешение микроскопа или линзы - это наименьшее расстояние, на котором две точки могут быть разделены и при этом различимы как отдельные объекты. Чем меньше это значение, тем выше разрешающая способность микроскопа и тем лучше четкость и детализация изображения. Если бы две бактериальные клетки находились очень близко друг к другу на предметном стекле, они могли бы выглядеть как одна размытая точка в микроскопе с низкой разрешающей способностью, но их можно было бы отличить друг от друга как отдельные в микроскопе с высокой разрешающей способностью.
И увеличение, и разрешение важны, если вы хотите получить четкое изображение чего-то очень маленького. Например, если микроскоп имеет большое увеличение, но низкое разрешение, все, что вы получите, - это увеличенная версия размытого изображения. Различные типы микроскопов различаются по увеличению и разрешению.
Световые микроскопы
Большинство студенческих микроскопов относятся к категории световых микроскопов. В световом микроскопе видимый свет проходит через образец (биологический образец, на который вы смотрите) и преломляется через систему линз, что позволяет пользователю видеть увеличенное изображение. Преимущество световой микроскопии заключается в том, что её часто можно применять к живым клеткам, что позволяет наблюдать под микроскопом, как клетки ведут себя в своей естественной среде (например, мигрируют или делятся).
Студенческие лабораторные микроскопы, как правило, представляют собой микроскопы светлого поля, что означает, что видимый свет проходит через образец и используется для непосредственного формирования изображения без каких-либо модификаций. Несколько более сложные формы световой микроскопии используют оптические приемы для усиления контраста, что позволяет легче рассмотреть детали клеток и тканей.
Другой тип световой микроскопии - флуоресцентная микроскопия, которая используется для получения изображений флуоресцирующих образцов (поглощающих одну длину волны света и излучающих другую). Свет одной длины волны используется для возбуждения флуоресцентных молекул, а излучаемый ими свет другой длины волны собирается и используется для формирования изображения. В большинстве случаев часть клетки или ткани, которую мы хотим исследовать, не обладает естественной флуоресценцией, и поэтому ее необходимо пометить флуоресцентным красителем или меткой перед наблюдением под микроскопом.
Фотография листа, которую вы видели в начале статьи, была сделана с использованием особого типа флуоресцентной микроскопии, известного как конфокальная микроскопия. Конфокальный микроскоп использует лазерное излучение для возбуждения тонкого слоя образца и собирает только излучаемый свет, исходящий из целевого слоя, что позволяет создавать четкое изображение без помех со стороны флуоресцентных молекул в окружающих слоях.
Электронные микроскопы
Некоторые передовые типы световой микроскопии (помимо методов, которые мы обсуждали выше) могут создавать изображения очень высокого разрешения. Однако, если вы хотите увидеть что-то очень маленькое с очень высоким разрешением, вы можете использовать другой, проверенный метод: электронную микроскопию .
Электронные микроскопы отличаются от световых микроскопов тем, что они создают изображение образца, используя пучок электронов, а не луч света. Электроны имеют гораздо более короткую длину волны, чем видимый свет, и это позволяет электронным микроскопам создавать изображения с более высоким разрешением, чем стандартные световые микроскопы. Электронные микроскопы можно использовать для изучения не только целых клеток, но также субклеточных структур и отсеков внутри них.
Однако одним из ограничений является то, что при электронной микроскопии образцы для электронной микроскопии необходимо помещать в вакуум (и обычно их готовят с помощью длительного процесса фиксации). Это означает, что живые клетки невозможно визуализировать.
На изображении выше вы можете сравнить, как бактерии сальмонеллы выглядят на световой микрофотографии (слева) и на изображении, полученном с помощью электронного микроскопа (справа). Бактерии отображаются в виде крошечных фиолетовых точек на световой микрофотографии, тогда как на электронной микрофотографии вы можете ясно увидеть их форму и текстуру поверхности, а также детали человеческих клеток, в которые они пытаются проникнуть.
Существует два основных типа электронной микроскопии. В сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), луч электронов движется вперед и назад по поверхности клетки или ткани, создавая детальное изображение трехмерной поверхности. Этот тип микроскопии использовался для получения изображения бактерий сальмонеллы, показанного справа вверху.
В трансмиссионной электронной микроскопии (ПЭМ), напротив, образец разрезается на очень тонкие срезы (например, с помощью алмазной режущей кромки) перед визуализацией, и электронный луч проходит через срез, а не скользит по его поверхности. ПЭМ часто используется для получения детальных изображений внутренней структуры клеток.
Электронные микроскопы, подобные приведенному выше, значительно громоздки и дороже, чем стандартные световые микроскопы, что, возможно, неудивительно, учитывая количество субатомных частиц, с которыми им приходится иметь дело!
Спасибо, что подписывайтесь на наш канал. Нам очень важно знать ваше мнение. Если у вас возникли вопросы, то не стесняйтесь задавать их в комментариях. Мы с удовольствием на них ответим.
