Электронный микроскоп и клетка
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Человеческий глаз представляет собой превосходную оптическую систему. С его помощью мы видим отдаленные миллионами километров планеты и звезды; можем рассмотреть мельчайшие частички пыли, пляшущие в воздухе в луче света. Однако во многих случаях, когда надо глубже разобраться в строении изучаемых предметов, глаз начинает изменять нам. Тогда на помощь приходят оптические приборы. С момента, когда живший в семнадцатом веке голландский торговец сукном Левенгук дополнил глаз набором увеличительных стекол своего примитивного микроскопа, и до сегодняшнего дня ученые и изобретатели трудятся над изготовлением приборов, позволяющих глубже заглянуть в мир мельчайших частиц. Долгое время все усилия были направлены на совершенствование оптических приборов.
С помощью современного светового микроскопа можно получить изображение объекта, увеличенного до двух тысяч раз. Можно сделать микроскоп, дающий и значительно большие увеличения. Но при этом выигрыша в выявлении новых деталей мы не получим, так как это — чисто масштабное увеличение, а не полезное. Предел полезного увеличения был достигнут для светового микроскопа еще в конце 19-го столетия. Он определяется так называемым разрешаемым расстоянием, то есть расстоянием между двумя наиболее близко расположенными точками, видимыми раздельно. Обычно пользуются обратным отношением этой величины, называемой разрешающей способностью. У современных микроскопов разрешаемое расстояние зависит от длины волны света и не может быть менее 0,15—0,2 микрона или 1 500—2 000 ангстрем. Это составляет примерно половину длины волны света.
Единственный путь дальнейшего увеличения разрешающей способности микроскопа — уменьшить длину волны излучения, применяемого для получения изображения. Как известно, световой спектр представляет гамму различных длин волн; самая короткая — у фиолетовой и ультрафиолетовой части. Поэтому, используя в микроскопе особые лампы с ультрафиолетовым излучением, возможно несколько улучшить разрешение.
Еще более выгодно было бы использовать лучи Рентгена, длина волны которых во много раз меньше. Теоретически с помощью «рентгеновского микроскопа» можно было бы рассматривать молекулы и даже атомы. К сожалению, разрешение созданных моделей таких микроскопов пока не больше, чем у светового. Выход из создавшегося тупика был найден в другой области.
В 100 ТЫСЯЧ РАЗ МЕНЬШЕ
Еще во второй половине девятнадцатого века были построены приборы, послужившие в дальнейшем прообразом современных телевизоров и электронных микроскопов. Принцип их работы один: лоток электронов вызывает свечение люминофоров. На экране в месте, куда ударяет поток электронов, появляется яркая точка. В такого рода трубках удавалось получать даже своеобразные картинки, правда, скорее ради курьеза.
В 1924 году французский физик де Бройль обнаружил интересную особенность быстро летящих в вакууме электродов. Оказалось, что они обладают волновыми свойствами с длиной волны значительно меньшей, чем у лучей света. При этом длина волны зависит от скорости, а скорость движения электронов, как было давно известно, увеличивается при увеличении разности потенциалов между электродами. Немедленно встал вопрос о возможности применения потока электронов для получения изображения в микроскопе. Это было весьма соблазнительно, так как длина волны электронов меньше длины волны света примерно в 100 тысяч раз. Соответственно во столько же раз можно было бы увеличить разрешающую способность микроскопа.
Применить для такого микроскопа обычные, стеклянный линзы оказалось невозможным. Однако в связи с тем, что законы движения электронов в электрическом и магнитном поле до известной степени аналогичны закону преломления световой оптики, удалось создать магнитные поля такой формы, в которых пучок электронов ведет себя подобно пучку света, проходящему сквозь стеклянную линзу. Выходя из какой-то точки, они собираются вновь в другой точке или в фокусе. Такая линза дает возможность получить электронно-микроскопическое изображение объекта. На этом принципе и построен электронный микроскоп.
ВТОРЖЕНИЕ В ОБЛАСТЬ НЕВЕДОМОГО
Первые электронные микроскопы были построены к началу тридцатых годов, через несколько лет после открытия де Бройля, и очень быстро нашли широкое применение во всем мире.
К моменту создания электронного микроскопа в биологии, особенно в цитологии — науке, занимающейся изучением строения и функции клеток, наметился своеобразный разрыв. С помощью светового микроскопа можно было наблюдать и изучать то, что лежит в пределах 1000—2000 ангстрем. В то же время широко развернувшиеся работы биохимиков и биофизиков позволили заглянуть в мир молекул — частиц размеров менее-10—15 ангстрем. Средняя же область — между микроскопической цитологией и макромолекулярной химией — оставалась совершенно неизведанной.
Возникал вопрос: не таятся ли здесь новые структуры, имеющие определенную организацию? Изучить их особенно важно потому, что они связаны с характером макромолекул белков, нуклеиновых кислот и жиров, то есть веществ, от которых зависит большинство процессов, протекающих в клетках. На этом же макромолекулярном уровне возникают и первичные изменения при многих заболеваниях. Здесь таится разгадка многих неясных до настоящего времени болезней. Открыть эту неведомую область предстояло электронным микроскопистам.
ПЕРВЫЙ ЭТАП — НАКОПЛЕНИЕ ФАКТОВ
Изучение цитологических структур — элементов клетки — с помощью электронного микроскопа только начинается. Как во всякой развивающейся науке, этап подготовки методов исследования сменился периодом накопления фактов. Клетки растений и животных, грибов и бактерий, одноклеточные организмы в новом свете предстают перед учеными. Еще и сейчас многие органы и ткани почти совершенно не описаны и ждут своего исследователя.
Основным методом изучения внутреннего строения клеток и тканей в электроном микроскопе, так же как и в световом, является просмотр их «в проходящем свете». Только так удается выявить наиболее важные и интересные данные об их внутренней организации. Однако первые же опыты показали, что здесь исследователей ожидают большие трудности. Даже отдельные распластанные клетки настолько сильно поглощали электроны, что на экране большая их часть выглядела совершенно непрозрачной. Лишь по краям, в самых тонких участках, удавалось наблюдать отдельные клеточные структуры. Получение необычайно тонких, до 100 — 300 ангстрем толщиной, проницаемых для электронов срезов клеток — само по себе проблема! Она была решена.
Но возникли новые затруднения. Биологические объекты обычно имеют небольшую разницу в «электронной плотности» разных участков — обладают низким контрастом. Поэтому изображение даже сверхтонких срезов клетки оказывается нечетким. Контраст увеличивают искусственно, вводя в клетки вещества, задерживающие электроны. Для этой цели главным образом используются тяжелые металлы: золото, осмий, свинец, уран и т. д. Соединяясь с определенными веществами клетки, эти металлы выявляют их структуры, выполняя роль своеобразного «красителя».
Новую страну первым исследует географ. Он опишет озера, горы и низменности, протекающие там реки. На карте появятся леса, степи, даже ручьи. Но многое останется невыявленным. Страна лишь приоткрыла свои богатства. Нужно, чтобы вслед за географом прошли геологические партии, сделали глубокие шурфы и пробурили скважины. Тогда на карте возникнет россыпь полезных ископаемых, мимо которых, не заметив их, прошел географ, вооруженный лишь компасом и биноклем.
История исследования клетки в световом микроскопе насчитывает более ста лет. За это время были изучены и описаны разнообразные клеточные структуры, прослежены различные изменения клеток в процессе их деления и роста, перестройки в измененных болезнью тканях. Известно, что клетки окружены оболочкой, внутри которой заключена жидкая цитоплазма и центрально расположенное ядро. Известно, что в цитоплазме, кроме гомогенного (или основного) вещества, находятся различные включения, в числе которых имеются так называемые органоиды. К ним относятся, например, митохондрии.
Митохондрии встречаются почти во всех клетках, причем иногда в огромном количестве. Химики определили, что митохондрии содержат сложный состав ферментов и играют огромную роль во многих процессах клетки. Но вся эта «фабрика», вернее, «химический завод», в световом микроскопе выглядела более чем просто: в виде маленькой точки или, в лучшем случае, черной палочки. Как же там действует сложнейший комплекс ферментов? Где они размещаются?
Посмотрим на митохондрию в электронный микроскоп. Она уже не похожа на простое зернышко или палочку. Перед нами сложная система, состоящая из двойной оболочки, окружающей удлиненное тело; внутри правильными рядами расположены многочисленные, также двойные перегородки. Вещество, лежащее между перегородками, имеет определенные свойства, отличающие его от окружающей цитоплазмы. Более того: митохондрии у разных животных (и даже у одного организма, но в разных тканях) также различны. У некоторых насекомых, например, митохондрии округлой, а не вытянутой формы. Перегородки заменяются гребнями, то радиусам отходящими внутрь от оболочки; вместо пластинок-гребней могут быть трубочки, похожие на сильно вытянутые пальцы от резиновой перчатки.
Но во всех случаях внутренние перегородки, будь-то гребни или трубочки, построены из тонких (около 150 ангстрем) двойных пластинок — мембран. Такая общность строения объясняется тем, что роль митохондрии одинакова: осуществление определенных ферментных реакций.
При исследовании «вглубь» по-иному предстало и основное вещество цитоплазмы клеток. В световом микроскопе оно выглядело по-разному. Дело в том, что живая клетка при изучении обычно фиксируется — убивается. При этом внутреннее строение ее в той или иной степени нарушается: иногда становится бесструктурным, иногда грубозернистым, нередко заполняется массой пузырьков, так как происходит свертывание белков.
Совсем иную картину дает электронный микроскоп: перед нами целая сеть нитей, трубочек, пузырьков. Все они ограничены тончайшими (примерно такими же, как у митохондрий) мембранами, часто усеянными мелкими зернышками. Эти структуры, получившие название эргастоплазменной сети, впервые представ перед исследователями, вызвали массу споров. Многие не верили в их реальность: настолько это было ново и неожиданно. Сейчас дискуссии постепенно затихают. Такие сети обнаружены почти во всех клетках. Начинает проясняться их важная роль. Установлена связь эргастоплазменной сети с особыми участками клетки — базофильными структурами.
Связь осуществляется через мелкие зернышки, усеивающие мембраны эргастоплазмы. Эти зернышки содержат одно из важнейших веществ клетки — рибонуклеиновую кислоту, которая играет активную роль в синтезе белка. Действительно, наиболее значительное скопление эргастоплазменной сети обнаруживается как раз в тех клетках, которые вырабатывают белки (например, поджелудочная железа).
На электронно-микроскопической фотографии среди массы беспорядочно расположенных пузырьков и канальцев эргастоплазменной сети наше внимание обращают группы парных мембран, лежащих правильными рядами. Это хорошо знакомый исследователям сетчатый аппарат Гольджи, который связывают с жизнедеятельностью клетки и ее функциями выделения. Впервые он был описан еще в 1898 году. И, тем не менее, в каждом отдельном случае возникал вопрос, имеем ли мы дело с аппаратом Гольджи или сетью структур, сходных по окраске. Электронно-микроскопическое исследование сразу вносит полную ясность. На фото видны пакеты парных мембран, вокруг которых располагаются отдельные крупные пузырьки, или вакуоли, более мелкие многочисленные вакуоли лежат внутри самих пакетов между пластинами мембраны.
Поражает интересная закономерность: в аппарате Гольджи и в митохондриях, в эргастоплазменной сети и в клеточных оболочках — всюду электронный микроскоп выявляет мембраны, довольно сходные между собой по толщине и по плотности. В чем дело?
Объясняют это тем, что именно мембраны — очень удачная система, где при наименьшем объеме возможно наилучшее взаимодействие. Молекулы вещества лежат здесь почти в один слой с окружающей цитоплазмой, включаются практически одновременно в реакцию обмена веществ.
Продолжение следует.
Автор: В. Ф. Машанский.