Електронний мікроскоп і клітина
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.
Людське око являє собою чудову оптичну систему. З його допомогою ми бачимо віддалені мільйонами кілометрів планети і зірки; можемо розглянути найдрібніші частинки пилу, що танцюють в повітрі в промені світла. Однак у багатьох випадках, коли треба глибше розібратися в будові досліджуваних предметів, око починає підводити нас. Тоді на допомогу приходять оптичні прилади. З моменту, коли живучий в сімнадцятому столітті голландський торговець сукном Левенгук доповнив очі набором збільшувальних стекол свого примітивного мікроскопа, і до сьогоднішнього дня вчені і винахідники працюють над виготовленням приладів, що дозволяють глибше заглянути в світ найдрібніших частинок. Довгий час всі зусилля були спрямовані на вдосконалення оптичних приладів.
За допомогою сучасного світлового мікроскопа можна отримати зображення об’єкта, збільшеного до двох тисяч разів. Можна зробити мікроскоп, який дає і значно великі збільшення. Але при цьому виграші у виявленні нових деталей ми не отримаємо, тому що це – чисто масштабне збільшення, а не корисне. Межу корисного збільшення було досягнуто для світлового мікроскопа ще наприкінці 19-го сторіччя. Вона визначається так званою дозвільною відстанню, тобто відстанню між двома найбільш близько розташованими точками, видимими роздільно. Зазвичай користуються зворотним відношенням цієї величини, званої роздільною здатністю. У сучасних мікроскопів дозвільна відстань залежить від довжини хвилі світла і не може бути менше 0,15-0,2 мікрона або 1 500-2 000 ангстрем. Це становить приблизно половину довжини хвилі світла.
Єдиний шлях подальшого збільшення роздільної здатності мікроскопа – зменшити довжину хвилі випромінювання, що застосовується для отримання зображення. Як відомо, світловий спектр представляє гаму різних довжин хвиль; найкоротша – у фіолетовій і ультрафіолетовій частині. Тому, використовуючи в мікроскопі особливі лампи з ультрафіолетовим випромінюванням, можливо дещо поліпшити дозвіл.
Ще більш вигідно було б використовувати промені Рентгена, довжина хвилі яких у багато разів менше. Теоретично за допомогою «рентгенівського мікроскопа» можна було б розглядати молекули і навіть атоми. На жаль, дозвіл створених моделей таких мікроскопів поки не більше, ніж у світового. Вихід із цього глухого кута було знайдено в іншій області.
У 100 ТИСЯЧ РАЗІВ МЕНШЕ
Ще в другій половині дев’ятнадцятого століття були побудовані прилади, які послужили надалі прообразом сучасних телевізорів і електронних мікроскопів. Принцип їх роботи один: лоток електронів викликає світіння люмінофорів. На екрані в місці, куди вдаряє потік електронів, з’являється яскрава крапка. У такого роду трубках вдавалося отримувати навіть своєрідні картинки, правда, швидше заради курйозу.
У 1924 році французький фізик де Бройль виявив цікаву особливість швидко летучих у вакуумі електродів. Виявилося, що вони володіють хвильовими властивостями з довжиною хвилі значно меншою, ніж у променів світла. При цьому довжина хвилі залежить від швидкості, а швидкість руху електронів, як було давно відомо, збільшується при збільшенні різниці потенціалів між електродами. Негайно постало питання про можливість застосування потоку електронів для отримання зображення в мікроскопі. Це було дуже спокусливо, так як довжина хвилі електронів менше довжини хвилі світла приблизно в 100 тисяч разів. Відповідно в стільки ж разів можна було б збільшити роздільну здатність мікроскопа.
Застосувати для такого мікроскопа звичайні, скляні лінзи виявилося неможливим. Однак у зв’язку з тим, що закони руху електронів в електричному та магнітному полі до певної міри аналогічні закону заломлення світлової оптики, вдалося створити магнітні поля такої форми, в яких пучок електронів поводиться подібно пучку світла, що проходить крізь скляну лінзу. Виходячи з якоїсь точки, вони збираються знову в іншій точці або у фокусі . Така лінза дає можливість отримати електронно-мікроскопічне зображення об’єкта. На цьому принципі і побудований електронний мікроскоп.
ВТОРГНЕННЯ В ОБЛАСТЬ НЕВІДОМОГО
Перші електронні мікроскопи були побудовані до початку тридцятих років, через кілька років після відкриття де Бройля, і дуже швидко знайшли широке застосування у всьому світі.
До моменту створення електронного мікроскопа в біології, особливо в цитології – науці, що займається вивченням будови і функції клітин, намітився своєрідний розрив. За допомогою світлового мікроскопа можна було спостерігати і вивчати те, що лежить в межах 1000-2000 ангстрем. Водночас широко розгорнулися роботи біохіміків і біофізиків, які дозволили зазирнути у світ молекул – частинок розмірів менш – 10-15 ангстрем. Середня ж область – між мікроскопічною цитологією і макромолекулярною хімією – залишалася абсолютно незвіданою.
Виникало питання: чи не криються тут нові структури, що мають певну організацію? Вивчити їх особливо важливо тому, що вони пов’язані з характером макромолекул білків, нуклеїнових кислот і жирів, тобто речовин, від яких залежить більшість процесів, що протікають в клітинах. На цьому ж макромолекулярному рівні виникають і первинні зміни при багатьох захворюваннях. Тут таїться розгадка багатьох неясних до теперішнього часу хвороб. Відкрити цю невідому область належало електронним мікроскопістам.
ПЕРШИЙ ЕТАП – НАКОПИЧЕННЯ ФАКТІВ
Вивчення цитологічних структур – елементів клітини – за допомогою електронного мікроскопа тільки починається. Як у всякій новій науці, етап підготовки методів дослідження змінився періодом накопичення фактів. Клітини рослин і тварин, грибів і бактерій, одноклітинні організми в новому світлі постають перед вченими. Ще й зараз багато органів і тканини майже зовсім не описані і чекають свого дослідника.
Основним методом вивчення внутрішньої будови клітин і тканин в електронному мікроскопі, так само як і в світловому, є перегляд їх «в світлі». Тільки так вдається виявити найбільш важливі та цікаві дані про їх внутрішню організацію. Проте перші ж досліди показали, що тут дослідників очікують великі труднощі. Навіть окремі розпластані клітини настільки сильно поглинали електрони, що на екрані більша їх частина виглядала абсолютно непрозорою. Лише по краях, в самих тонких ділянках, вдавалося спостерігати окремі клітинні структури. Отримання надзвичайно тонких, до 100-300 ангстрем товщиною, проникних для електронів зрізів клітин – саме по собі проблема! Вона була вирішена.
Але виникли нові труднощі. Біологічні об’єкти зазвичай мають невелику різницю в «електронній щільності» різних ділянок – володіють низьким контрастом. Тому зображення навіть надтонких зрізів клітини виявляється нечітким. Контраст збільшують штучно, вводячи в клітини речовини, що затримують електрони. Для цієї мети головним чином використовуються важкі метали: золото, осмій, свинець, уран і т. д. З’єднуючись з певними речовинами клітини, ці метали виявляють їх структури, виконуючи роль своєрідного «барвника».
Нову країну перший досліджує географ. Він опише озера, гори і низовини, протікаючі там річки. На карті з’являться ліси, степи, навіть струмки. Але багато чого залишиться невиявленим. Країна лише привідкрила свої багатства. Потрібно, щоб слідом за географом пройшли геологічні партії, зробили глибокі шурфи і пробурили свердловини. Тоді на мапі виникне розсип корисних копалин, повз які, не помітивши їх, пройшов географ, озброєний лише компасом і біноклем. (А щоб ще краще пізнати країну існує така корисна річ як освіта за кордоном за допомогою компанії UniverPL)
Історія дослідження клітини в світловому мікроскопі налічує більше ста років. За цей час були вивчені і описані різноманітні клітинні структури, простежено різні зміни клітин у процесі їх поділу і росту, перебудови в змінених хворобою тканинах. Відомо, що клітини оточені оболонкою, всередині якої укладена рідка цитоплазма і центрально розташоване ядро. Відомо, що в цитоплазмі, крім гомогенної (або основної) речовини, знаходяться різні включення, в числі яких є так звані органели. До них відносяться, наприклад, мітохондрії.
Мітохондрії зустрічаються майже у всіх клітинах, причому іноді у величезній кількості. Хіміки визначили, що мітохондрії містять складний склад ферментів і відіграють величезну роль у багатьох процесах клітини. Але вся ця «фабрика», вірніше, «хімічний завод», в світловому мікроскопі виглядала більш ніж просто: у вигляді маленької крапки або, в кращому випадку, чорної палички. Як же там діє складний комплекс ферментів? Де вони розміщуються?
Подивимося на мітохондрію в електронний мікроскоп. Вона вже не схожа на просте зернятко або паличку. Перед нами складна система, що складається з подвійної оболонки, навколишнього подовженого тіла; всередині правильними рядами розташовані численні, також подвійні перегородки. Речовина, що лежить між перегородками, має певні властивості, що відрізняють її від навколишньої цитоплазми. Більше того: мітохондрії у різних тварин (і навіть в одного організму, але в різних тканинах) також різні. У деяких комах, наприклад, мітохондрії округлої, а не витягнутої форми. Перегородки замінюються гребенями, то радіусах відходять всередину від оболонки; замість пластинок – гребенів можуть бути трубочки, схожі на сильно витягнуті пальці від гумової рукавички.
Але у всіх випадках внутрішні перегородки, будь-то гребені або трубочки, побудовані з тонких (близько 150 ангстрем) подвійних пластинок – мембран. Така спільність будови пояснюється тим, що роль мітохондрії однакова: здійснення певних ферментних реакцій.
При дослідженні «вглиб» по-іншому постала і основна речовина цитоплазми клітин. У світловому мікроскопі вона виглядала по-різному. Справа в тому, що жива клітина при вивченні зазвичай фіксується – вбивається. При цьому внутрішня будова її в тій чи іншій мірі порушується: іноді стає безструктурною, іноді грубозернистою, нерідко заповнюється масою бульбашок, так як відбувається згортання білків.
Зовсім іншу картину дає електронний мікроскоп: перед нами ціла мережа ниток, трубочок, бульбашок. Всі вони обмежені найтоншими (приблизно такими ж, як у мітохондрій) мембранами, часто засіяними дрібними зернятками. Ці структури, що отримали назву ергастоплазменної мережі, вперше з’явившись перед дослідниками, викликали масу суперечок. Багато хто не вірив в їх реальність: настільки це було нове і несподіване. Зараз дискусії поступово затихають. Такі мережі виявлені майже у всіх клітинах. Починає прояснюватися їх важлива роль. Встановлено зв’язок ергастоплазменної мережі з особливими ділянками клітини – базофільними структурами.
Зв’язок здійснюється через дрібні зернятка, що заповнюють мембрани ергастоплазма. Ці зернятка містять одну з найважливіших речовин клітини – рибонуклеїнової кислоту, яка відіграє активну роль у синтезі білка. Дійсно, найбільш значне скупчення ергастоплазменної мережі виявляється саме в тих клітинах, які виробляють білки (наприклад, підшлункова залоза).
На електронно-мікроскопічній фотографії серед маси безладно розташованих бульбашок і канальців ергастоплазменної мережі нашу увагу звертають групи парних мембран, що лежать правильними рядами. Це добре знайомий дослідникам сітчастий апарат Гольджі, який пов’язують з життєдіяльністю клітини і її функціями виділення. Вперше він був описаний ще в 1898 році. І, тим не менш, в кожному окремому випадку виникало питання, чи маємо ми справу з апаратом Гольджі або мережею структур, подібних за забарвленням. Електронно-мікроскопічне дослідження відразу вносить повну ясність. На фото видно пакети парних мембран, навколо яких розташовуються окремі великі бульбашки, або вакуолі, більш дрібні численні вакуолі лежать всередині самих пакетів між пластинами мембрани.
Вражає цікава закономірність: в апараті Гольджі і в мітохондріях, в ергастоплазменній мережі і в клітинних оболонках – всюди електронний мікроскоп виявляє мембрани, досить подібні між собою по товщині і по щільності. В чому справа?
Пояснюють це тим, що саме мембрани – дуже вдала система, де при мінімальному обсязі можлива найкраща взаємодія. Молекули речовини лежать тут майже в один шар з навколишньою цитоплазмою, вони включаються практично одночасно в реакцію обміну речовин.
Далі буде.
Автор: В. Ф. Машанський.