Две специальности луча

Иной научный эксперимент немыслимо осуществить без электронного микроскопа, позволяющего химикам, физикам, биологам и исследователям других специальностей перенестись в глубь микромира. Сделать это можно по-разному. Или получив объемные фотографии вещества (для этого электронный луч сканирует поверхность исследуемого объекта), или же ограничиться двумерными, плоскими изображениями. В последнем случае микроскоп просвечивает электронным пучком тончайший срез вещества. Но создать подобные фотографии вовсе не просто. Подготовка иллюстративного материала сама по себе кропотлива, требует выдумки и высокой квалификации. Давайте же, прежде чем обратиться к непосредственным результатам электронно-микроскопических исследований, проследим за некоторыми ее этапами.

Как золотили комара

Полупустая комната, электронный микроскоп, а рядом в стеклянном цилиндре, оплетенном металлической сеткой, светится спираль. Постепенно разгораясь, свет от него наполняет золотистым блеском всю сферу, сгущается в облачко, отражается на стенах, поверхностях столов, потолке. Начался очередной сеанс по подготовке материала для съемки в межфакультетской лаборатории электронной микроскопии МГУ под руководством Г. Н. Давидовича. Цель работы состояла в нанесении золотого покрытия на комара!

Цилиндр же — небольшая «лаборатория», наносящая позолоту на исследуемые объекты. Прежде чем получить под микроскопом сканирующий портрет комара, его нужно вызолотить. На вольфрамовой спирали находится капля расплавленного золота. Под стеклянным колпаком мощными насосами создается глубокий вакуум, давление воздуха здесь снижается до одной миллионной доли миллиметра ртутного столба. Это нужно для того, чтобы частицы золота, испаряемые с поверхности капли, достигали объекта и, конденсируясь, создавали тонкое покрытие на его поверхности, делая ее электропроводной.

Но почему же для этой цели используют именно золото, а не алюминий, например, который, не будучи столь драгоценным, прекрасно проводит электрический ток? Дело в том, что у золота самый высокий коэффициент вторичной эмиссии. Это значит, что из всех известных металлов золото, «облучаемое» электронами, излучает больше всего вторичных электронов в ответ на каждый электрон, ударившийся о его поверхность. Это позволяет получить максимум информации о том же комаре или любом другом объекте.

В соседней комнате расположился другой инструмент, необходимый для подготовки «съемочного материала» для просвечивающего микроскопа. Этот прибор называется длинно: ультрамикротом, что означает — прибор для получения сверхтонких срезов. Его устройство, казалось бы, несложно: толстый стальной стержень, на конце которого закреплен кусочек эпоксидной смолы с залитым в него образцом исследуемой ткани, совершает медленные колебательные движения сверху вниз. Перед ним укреплен стеклянный нож, снабженный миниатюрной ванночкой для сбора срезов. В нее налита дистиллированная вода. Когда образец проходит мимо кромки ножа, с его поверхности делается тонкий срез. Он нужен для получения просвечивающих снимков. Чтобы выполнить их, нужны тончайшие срезы ткани, сквозь которые способен пройти пучок электронов. В этом случае электроны, словно свет — бумагу, просвечивают срезы ткани, и микроскоп дает не объемное изображение предмета, а плоские фотографии структур клеток в ткани.

Специальная приставка к электронному микроскопу может также выдать информацию о составе ткани, то есть о количестве содержащихся в ней тех или иных элементов, о их распределении в исследуемом объекте.

Новый комар позолочен, ткань разделена на тончайшие пластинки, материал для съемки подготовлен. Что же он дал исследователям? Прежде всего — вот эти объемные динамичные изображения. На них…

Сенсиллы

Так называются антенны, с помощью которых насекомые различают запахи. Изучением антенн занимаются исследователи. Запахи не только помогают насекомым находить пищу, но и общаться между собой. В подобных случаях молекулы запахов — это сигналы, позволяющие насекомым обмениваться полезной информацией, они, например, могут привлекать насекомых друг к другу. Эти запахи-слова специалисты называют феромонами.

Как насекомое различает запахи, вкус, каким образом молекула химического соединения превращается в электрический сигнал, который от чувствующей клетки в сенсилле, следуя по проводящим путям нервной системы, приводит в конце к тому, что комар, например, прокалывает кожу и сосет кровь, а самец бабочки отправляется на поиски самки и находит ее в десятках и сотнях метров от места своего пребывания? Чтобы ответить на эти вопросы, понять, а узнав, использовать эти знания для создания совершенных методов борьбы с вредными насекомыми, физиологи и энтомологи многих стран мира изучают сенсиллы.

На фото — поперечный срез сенсиллы, воспринимающей химический раздражитель. Под ее оболочкой находится нервное волокно, по которому проходит уже закодированная информация о запахе, его особенностях и концентрации. Чтобы изучить некоторые особенности работы сенсиллы, ученые вводят микроэлектрод в основание сенсиллы и, соединив его с регистрирующей аппаратурой, записывают электрические сигналы — импульсы. Обычно хеморецепторные сенсиллы содержат несколько чувствующих клеток, которые частично или полностью различаются между собой по своим физиологическим свойствам. Возбуждение отдельных клеток можно распознать по амплитуде импульсов, когда на сенсиллу действует запах. Чем больше «концентрация» запаха, тем сильнее реагирует такая клетка. Каждая клетка в сенсилле возбуждается на определенный набор веществ. В обонятельных сенсиллах некоторых насекомых найдены чувствительные клетки, которые отвечают, например, только на одно соединение.

Вероятно, на поверхности нервного волокна внутри сенсиллы есть специальные молекулы белка, «различающие» молекулы запаха. При попадании последних на мембрану из таких белков образуются соединения, изменяющие ее проницаемость, и рождается электрический сигнал, который передается в мозг насекомого.

Этот сигнал и сумели зарегистрировать энтомологи. Таким образом, удалось не только проверить механизм, обеспечивающий работу антенн-усиков, но и проследить за влиянием запахов на насекомых. Так специалисты могут выделить запахи, особенно привлекательные для вредителей. С помощью запахов можно собирать в определенное место вредителей и бороться с ними.

Зачем контакт сомиту!

Ответить на этот вопрос также помогли фотографии, выполненные в лаборатории электронной микроскопии.

Все клетки в организмах живых существ имеют одинаковый набор генетического материала. Например, на длинных нитях ДНК в каждой из миллиардов клеток человека записан идентичный генетический шифр. Раз он одинаков, то, казалось бы, и его обладательницы должны быть как две капли воды похожи одна на другую. Но на самом деле это совсем не так. В организме человека и животных есть множество тканей, клетки которых выполняют различную работу. Например, клетки легких усваивают кислород, желудка — вырабатывают соляную кислоту, печени — очищают кровь от вредных веществ и т. д. Все они сильно отличаются друг от друга. Это происходит, быть может, потому, что генетическая запись, заключенная в них, читается не полностью из-за того, что какая-то часть информации в ДНК заблокирована и не воспроизводится.

Таким образом, клетка желудка воспроизводит информацию, необходимую лишь клетке желудка.

Но как из единственной оплодотворенной клетки, с которой начинает развитие организм, появляется множество клеток различных тканей, что помогает им по-разному реализовать свой генетический материал? Одним словом, почему в организме появляются различные ткани?

Один из возможных ответов на этот вопрос помогут сделать фотографии, сделанные в межфакультетской лаборатории электронной микроскопии. На них как раз запечатлен ответственный момент в формировании тканей эмбриона цыпленка.

Как выяснили эмбриологи, путь формирования той или иной ткани зависит от того, как общаются между собой ее клетки. Иногда клетки просто вплотную подходят друг к другу, иногда их поверхности входят одна в другую, как ключ в замок, или же соединяются тончайшими каналами. По ним клетки, видимо, обмениваются различными химическими веществами, которые способны воздействовать на генетический аппарат клеток, блокировать или разблокировать определенные гены. Тем самым клетка уже приобретает определенную специализацию, становится элементом ткани. Кроме того, контакты просто скрепляют множество клеток в тканевые ансамбли и не дают им разрушиться.

Как показывают исследования, иногда общение клеток через тканевые контакты приводит не к созданию, а к разрушению ненужной организму ткани. По этому принципу конструируются пальцы на руке человека. Сначала как бы образуется заготовка руки без пальцев, в определенный момент развития некоторые участки ткани отмирают, образуют просветы между пальцами. Оказалось, что, прежде чем отмереть, клетки в этих местах соединяются контактами, по которым, видимо, и передается химический сигнал, приводящий к рассасыванию ненужных участков ткани.

Автор: С. Жемайтис.