Въведение в микроскопите и как работят те. Обхваща светла микроскопия, флуоресцентна микроскопия и електронна микроскопия.

Въведение

Ако срещнеш клетъчни биолози и се разговориш с тях за най-любимото им нещо в работата им, ще разбереш, че всички те тайно обожават микроскопията. В крайна сметка това, на което се наслаждават най-много, е да седят с часове наред в малка тъмна стая и да "разговарят" с любимия си вид клетки през лещите на микроскопа. Може да ти се струва странно, но всъщност клетките могат да са много красиви, като изрисувано стъкло. Един от любимите ми примери е този на долната снимка, която показва клетките на много младо листо от растението Arabidopsis thaliana, което е свързано със синапа (синапът е основна съставка на горчицата).
Тази снимката не е обикновена снимка от светлинен микроскоп, това е флуоресцентна снимка на специално подготвено растение, при което различни части са белязани с различни етикети, предизвикващи излъчване на светлина. Всъщност тази красота и сложност на клетките е навсякъде около нас независимо дали можем да я видим или не.
Можеш да намериш красиво оформени клетки с интригуващи мотиви във всяко растение, от розата в задния двор до тревата, растяща по тротоара, или морковът, който изяде за закуска. Но да не се ограничаваме само с растенията, невероятни слоеве клетки има и в кожата ти, в крилото на някое насекомо и във всяка жива тъкан. Светът около и ние самите сме катедрали от клетки. Микроскопът е единственото нещо, което ни трябва, за да го оценим.

Микроскопи и лещи

Въпреки че големината на клетките варира, като цяло те са много малки. Диаметърът на еритроцитите е около осем микрометра (0,008 милиметра). За сравнение, главичката на карфица е около един милиметър в диаметър, което означава, че 125 червени кръвни клетки могат да се наредят в редица през главичката на карфица. Освен няколко изключения, отделните клетки не могат да бъдат видени с просто око, затова учените използват микроскопи (микро-="малък"; -скоп="гледам към"), за да ги изучават. Микроскопът е инструмент, който увеличава обекти, които са твърде малки, за да бъдат видени с невъоръжено око и дава картина, на която обектът изглежда по-голям. Повечето снимки на клетки са направени, използвайки микроскоп, те се наричат микроскопски снимки.
От определението по-горе изглежда, че микроскопът е просто вид лупа. Но всъщност лупите могат да се приемат за микроскопи. Тъй като имат само една леща, те се наричат прости микроскопи. По-сложно устроените инструменти, които обикновено мислим за микроскопи са сложни микроскопи, което означава, че имат няколко лещи. Начина на подреждане на лещите в микроскопа им позволява да пречупят светлината, така че да произведат изображение с много по-голямо увеличение от това, което можем да видим през лупа.
При сложен микроскоп с две лещи подреждането на лещите има интересно последствие: ориентацията на изображението, което виждаш, е обърната спрямо истинския обект. Например, ако наблюдаваш част от вестник с буквата “e” на него, изображението, което ще видиш през микроскопа ще изглежда като “ə." 1^{1} По-сложните микроскопи не дават обърнати изображения, тъй като имат допълнителни лещи, които обръщат образа отново до нормалната му ориентация.
Какво различава обикновен микроскоп от мощна машина, която се използва за лабораторни изследвания? Два параметъра са особено важни в микроскопията: увеличението и разделителната способност.
  • Увеличението е мярка за това колко по-голям може да изглежда даден обект, когато го погледнем през микроскоп (или през набор от лещи в микроскопа). Например светлинният микроскоп, който често се използва в гимназиите и колежите, увеличава около 400 пъти. Така че нещо, което в действителност е 1 mm, на микроскопското изображение ще бъде 400 mm.
  • Резолюцията на микроскоп или на леща е най-малкото разстояние, на което две точки могат да бъдат разграничени като отделни обекти. Колкото по-малка е тази стойност, толкова по-голяма е разделителната способност на микроскопа и толкова по-ясни и по-детайлни са изображенията от него. Ако две бактериални клетки са много близо една до друга върху предметно стъкло, те могат да изглеждат като една неясна точка, погледнати през микроскоп с ниска разделителна способност, но ако използваме микроскоп с висока разделителна способност, ще можем да ги разграничим като отделни клетки.
И увеличението, и резолюцията са важни, когато искаме ясна снимка на нещо много малко. Например, ако микроскопът има голямо увеличение, но ниска резолюция, ще видим просто по-голяма версия на неясно изображение. Различните видове микроскопи се различават по своето увеличение и резолюция.

Светлинни микроскопи

Повечето ученически микроскопи се класифицират като светлинни микроскопи. При светлинния микроскоп видимата светлина преминава през препарата (биологичната проба, която наблюдаваме) и се пречупва през система от лещи, благодарение, на която наблюдаващият може да види уголемено изображение. Положителната страна на светлинната микроскопия е, че може да се използва за наблюдение на живи клетки, следователно можем да гледаме под микроскоп нормалното поведение на клетките, например как мигрират или как се делят.
Микроскопите в ученическата лаборатория използват видимата светлина, тя минава през препарата и се използва за получаване на образ директно, без никакви модификации. Малко по-сложни форми на светлинната микроскопия използват оптични трикове, за да усилят контраста и така да направят детайлите в клетките и тъканите по-лесно видими.
Друг вид на светлинна микроскопия е флуоресцентната микроскопия, която се използва за наблюдение на проби, които флуоресцират (абсорбират светлина с една дължина на вълната и излъчват светлина с друга дължина на вълната). Светлината с една дължина на вълната се използва, за да възбуди флуоресцентни молекули, а светлината с различна дължина на вълната, която те излъчват, се събира и се използва за формиране на образ. В повечето случаи частта на клетките или тъканите, която искаме да видим, не е естествено флуоресцентна, затова трябва да бъде маркирана с флуоресцентна "боя" или "етикет" преди стигне до микроскопа.
Снимката на листото в началото на тази статия е направена чрез специален вид флуоресцента микроскопия, наречен конфокална микроскопия. Конфокалният микроскоп използва лазер, за да възбуди тънък слой от пробата, и събира светлината, която е излъчена от този целеви слой, така се получава ясно изображение без "шум" от флуоресцентните молекули от околните слоеве4^{4}.

Електронни микроскопи

Някои модерни видове светлинна микроскопия (освен техниките, за които говорихме по-горе) могат да ни дадат образи с много висока резолюция. Но ако искаме да видим нещо много малко с много висока резолюция, трябва да използваме друга изпитана техника - електронна микроскопия.
Електронните микроскопи се различават от светлинните по това, че формират образа на пробата, като използват сноп електрони, а не лъч светлина. Електроните имат много по-малка дължина на вълната в сравнение с видимата светлина и това им позволява да произведат изображения с по-висока резолюция от стандартните светлинни микроскопи. Електронните микроскопи могат да се използват за наблюдение не само на цели клетки, но и на клетъчни структури и отделения.
Един недостатък на електронната микроскопия е, че при нея пробите трябва да се поставят под вакуум в микроскопа и обикновено се приготвят чрез дълъг процес на фиксация. Това означава, че не можем да наблюдаваме живи клетки под електронен микроскоп.
На снимките по-горе можеш да видиш как изглеждат бактериите Salmonella на снимка от светлинен микроскоп (ляво) и на снимка от електронен микроскоп (дясно). Бактериите изглеждат като малки лилави точки под светлинния микроскоп, а на снимката от електронния микроскоп можем да видим формата им, структурата на повърхността им, както и подробности за човешките клетки, които се опитват да превземат.
Има два основни вида електронна микроскопия. При сканиращата електронна микроскопия (СЕМ) сноп от електрони обхожда точка по точка повърхността на клетката или тъканта, така се създава подробен обемен образ на повърхността (3D). Този вид микроскопия е използван за снимката на бактериите Salmonella по-горе в дясно.
За разлика от това при трансмисионната електронна микроскопия (ТЕМ) пробата се нарязва на много тънки резени (например чрез диамантено острие) преди да се наблюдава. Сноп от електрони минава през пробата, а не обхожда повърхността ѝ5^5. ТЕМ често се използва за детайлни изображения на вътрешните структури на клетките.
Електронните микроскопи, като този по-горе, са значително по-големи и по-скъпи от стандартните светлинни микроскопи, може би това не е изненадващо, имайки предвид субатомните частици, с които работят!
Зареждане