Дві спеціальності променя

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Інший науковий експеримент немислимо здійснити без електронного мікроскопа, що дозволяє хімікам, фізикам, біологам і дослідникам інших спеціальностей перенестися в глиб мікросвіту. Зробити це можна по-різному. Або отримавши об’ємні фотографії речовини (для цього електронний промінь сканує поверхню досліджуваного об’єкта), або ж обмежитися двовимірними, плоскими зображеннями. В останньому випадку мікроскоп просвічує електронним пучком найтонший зріз речовини. Але створити подібні фотографії зовсім не просто. Підготовка ілюстративного матеріалу сама по собі копітка, вимагає вигадки і високої кваліфікації. Давайте ж, перш ніж звернутися до безпосередніх результатів електронно-мікроскопічних досліджень, простежимо за деякими її етапами.

Як золотили комара

Напівпорожня кімната, електронний мікроскоп, а поруч в скляному циліндрі, обплетеному металевою сіткою, світиться спіраль. Поступово розгораючись, світло від нього наповнює золотистим блиском всю сферу, згущується в хмарку, відбивається на стінах, поверхнях столів, стелі. Розпочався черговий сеанс з підготовки матеріалу для зйомки в міжфакультетській лабораторії електронної мікроскопії МДУ під керівництвом Г. М. Давидовича. Мета роботи полягала в нанесенні золотого покриття на комара!

Циліндр же невелика «лабораторія», що наносить позолоту на досліджувані об’єкти. Перш ніж отримати під мікроскопом скануючий портрет комара, його потрібно визолотити. На вольфрамовій спіралі знаходиться крапля розплавленого золота. Під скляним ковпаком потужними насосами створюється глибокий вакуум, тиск повітря тут знижується до однієї мільйонної частки міліметра ртутного стовпа. Це потрібно для того, щоб частинки золота, що випаровуються з поверхні краплі, досягали об’єкта і, конденсуючись, створювали тонке покриття на його поверхні, роблячи її електропровідною.

Але чому ж для цієї мети використовують саме золото, а не алюміній, наприклад, який, не будучи настільки дорогоцінним, прекрасно проводить електричний струм? Справа в тому, що у золота найвищий коефіцієнт вторинної емісії. Це означає, що з усіх відомих металів золото, «опромінюване» електронами, випромінює найбільше вторинних електронів у відповідь на кожен електрон, що вдарився об його поверхню. Це дозволяє отримати максимум інформації про того ж комара або будь-який інший об’єкт.

У сусідній кімнаті розташувався інший інструмент, необхідний для підготовки «знімального матеріалу» для просвічувального мікроскопа. Цей прилад називається довго: ультрамікротом, що означає — прилад для отримання надтонких зрізів. Його пристрій, здавалося б, нескладний: товстий сталевий стрижень, на кінці якого закріплений шматочок епоксидної смоли з залитим в нього зразком досліджуваної тканини, що здійснює повільні коливальні рухи зверху вниз. Перед ним укріплений скляний ніж, забезпечений мініатюрною ванночкою для збору зрізів. У неї налита дистильована вода. Коли зразок проходить повз кромки ножа, з його поверхні робиться тонкий зріз. Він потрібен для отримання знімків, що просвічують. Щоб виконати їх, потрібні найтонші зрізи тканини, крізь які здатний пройти пучок електронів. В цьому випадку електрони, немов світло-папір, просвічують зрізи тканини, і мікроскоп дає не об’ємне зображення предмета, а плоскі фотографії структур клітин в тканині.

Спеціальна приставка до електронного мікроскопа може також видати інформацію про склад тканини, тобто про кількість тих чи інших елементів, що містяться в ній, про їх розподіл в досліджуваному об’єкті.

Новий комар позолочений, тканина розділена на найтонші пластинки, матеріал для зйомки підготовлений. Що ж він дав дослідникам? Перш за все — ось ці об’ємні динамічні зображення. На них…

Сенсили

Так називаються антени, за допомогою яких комахи розрізняють запахи. Вивченням антен займаються дослідники. Запахи не тільки допомагають комахам знаходити їжу, але і спілкуватися між собою. У подібних випадках молекули запахів – це сигнали, що дозволяють комахам обмінюватися корисною інформацією, вони, наприклад, можуть залучати комах одна до одної. Ці запахи-слова фахівці називають феромонами.

Як комаха розрізняє запахи, смак, яким чином молекула хімічної сполуки перетворюється в електричний сигнал, який від чутливої клітини в сенсилі, слідуючи по провідних шляхах нервової системи, призводить в кінці до того, що комар, наприклад, проколює шкіру і смокче кров, а самець метелика відправляється на пошуки самки і знаходить її в десятках і сотнях метрів від місця свого перебування? Щоб відповісти на ці питання, зрозуміти, а дізнавшись, використовувати ці знання для створення досконалих методів боротьби зі шкідливими комахами, фізіологи та ентомологи багатьох країн світу вивчають сенсили.

На фото – поперечний зріз сенсили, що сприймає хімічний подразник. Під її оболонкою знаходиться нервове волокно, по якому проходить вже закодована інформація про запах, його особливості і концентрації. Щоб вивчити деякі особливості роботи сенсили, вчені вводять мікроелектрод в основу сенсили і, з’єднавши його з реєструючою апаратурою, записують електричні сигнали — імпульси. Зазвичай хеморецепторні сенсили містять кілька чутливих клітин, які частково або повністю розрізняються між собою за своїми фізіологічними властивостями. Збудження окремих клітин можна розпізнати по амплітуді імпульсів, коли на сенсиллу діє запах. Чим більше “концентрація” запаху, тим сильніше реагує така клітина. Кожна клітина в сенсилі збуджується на певний набір речовин. У нюхових сенсилах деяких комах знайдені чутливі клітини, які відповідають, наприклад, тільки на одну сполуку.

Ймовірно, на поверхні нервового волокна всередині сенсили є спеціальні молекули білка, що «розрізняють» молекули запаху. При попаданні останніх на мембрану з таких білків утворюються сполуки, що змінюють її проникність, і народжується електричний сигнал, який передається в мозок комахи.

Цей сигнал і зуміли зареєструвати ентомологи. Таким чином, вдалося не тільки перевірити механізм, що забезпечує роботу антен-вусиків, а й простежити за впливом запахів на комах. Так фахівці можуть виділити запахи, особливо привабливі для шкідників. За допомогою запахів можна збирати в певне місце шкідників і боротися з ними.

Навіщо контакт соміту!

Відповісти на це питання також допомогли фотографії, виконані в лабораторії електронної мікроскопії.

Всі клітини в організмах живих істот мають однаковий набір генетичного матеріалу. Наприклад, на довгих нитках ДНК в кожній з мільярдів клітин людини записаний ідентичний генетичний шифр. Раз він однаковий, то, здавалося б, і його власниці повинні бути як дві краплі води схожі одна на іншу. Але насправді це зовсім не так. В організмі людини і тварин є безліч тканин, клітини яких виконують різну роботу. Наприклад, клітини легенів засвоюють кисень, шлунка – виробляють соляну кислоту, печінки — очищають кров від шкідливих речовин і т. д. Всі вони сильно відрізняються один від одного. Це відбувається, можливо, тому, що генетичний запис, укладений в них, читається не повністю через те, що якась частина інформації в ДНК заблокована і не відтворюється.

Таким чином, клітина шлунка відтворює інформацію, необхідну лише клітині шлунка.

Але як з єдиної заплідненої клітини, з якої починає розвиток організм, з’являється безліч клітин різних тканин, що допомагає їм по-різному реалізувати свій генетичний матеріал? Одним словом, чому в організмі з’являються різні тканини?

Одну з можливих відповідей на це питання допоможуть зробити фотографії, зроблені в міжфакультетській лабораторії електронної мікроскопії. На них якраз відображений відповідальний момент у формуванні тканин ембріона курчати.

Як з’ясували ембріологи, шлях формування тієї чи іншої тканини залежить від того, як спілкуються між собою її клітини. Іноді клітини просто впритул підходять одна до одної, іноді їх поверхні входять одна в іншу, як ключ в замок, або ж з’єднуються найтоншими каналами. За ним клітини, мабуть, обмінюються різними хімічними речовинами, які здатні впливати на генетичний апарат клітин, блокувати або розблокувати певні гени. Тим самим клітина вже набуває певну спеціалізацію, стає елементом тканини. Крім того, контакти просто скріплюють безліч клітин в тканинні ансамблі і не дають їм зруйнуватися.

Як показують дослідження, іноді спілкування клітин через тканинні контакти призводить не до створення, а до руйнування непотрібної організму тканини. За цим принципом конструюються пальці на руці людини. Спочатку як би утворюється заготівля руки без пальців, в певний момент розвитку деякі ділянки тканини відмирають, утворюють просвіти між пальцями. Виявилося, що, перш ніж відмерти, клітини в цих місцях з’єднуються контактами, за якими, мабуть, і передається хімічний сигнал, що приводить до розсмоктування непотрібних ділянок тканини.

Автор: С. Жемайтіс.