Микроскоп для эмбриологии

Развитие современной техники, достижения физики и химии, изобретения в электронике и вообще любой научный прогресс делает возможным появление принципиально новых методов исследования тканей и клеток различных организмов. Более того, в некоторых случаях это приводит к зарождению новых наук или научных направлений. Примером может служить появление эмбриологии – науки, которая занимается изучением развития зародыша. Причем исследования проводятся для всех организмов, от растений до человека. Долгое время эта наука была только лишь разделом биологии, однако с появлением мощных микроскопов для эмбриологии стало возможным полноценное изучение процессов образования новых клеток.

Разновидности микроскопии

Проведение наблюдений в микроскоп, или микроскопия, является основным методом исследований в эмбриологии. Эта наука изучает живые организмы от стадии созревания половых клеток и оплодотворения до рождения живого организма (у растений наблюдения ведутся до стадии прорастания зародыша). Очевидно, что без сильных увеличительных приборов такие наблюдения невозможны.

Современные микроскопы имеют много различий в сравнении со своими предшественниками, которым пользовались ученые несколько веков назад. Хотя обычные линзовые микроскопы и давали сильное увеличение, изучать процессы образования новых организмов в них было довольно сложно. Микроскопы для эмбриологии нашего времени представляют собой куда более сложные устройства, сочетающие в себе элементы механики, оптики и электроники. Их основным показателем считается не увеличение, а разрешающая способность. Так называется размер наименьшей частицы, которую можно рассмотреть в микроскоп. В свою очередь, разрешающая способность находится в прямой зависимости от длины волны падающего света (если микроскоп - световой) или длины волн потока электронов (если микроскоп – электронный). Далее мы рассмотрим особенности строения этих двух типов микроскопов для эмбриологии.

Световые микроскопы

Если для наблюдений не требуются сверхнизкие значения разрешающей способности, можно эффективно пользоваться световым микроскопом. Обычный световой микроскоп использует естественное освещение или источник белого света. Другие разновидности световых микроскопов используют источник света определенной длины волны.

Рассчитать качественные характеристики светового микроскопа легко. Наименьшая длина волны, которую видит человек, составляет около 400 нм (фиолетовая часть спектра). Исходя из этого, можно рассчитать разрешающую способность, которая равна половине длины волны. В данном случае это значение составит 200 нм, или 0,2 мкм, что вполне достаточно для многих наблюдений. Поскольку клетки имеют размеры от 5 до 150 мкм, с помощью светового микроскопа можно увидеть не только их самих, но и их составные элементы.

Для получения более точных результатов применяют разновидности световых микроскопов:

• Ультрафиолетовый. Здесь в качестве источника излучения используется ультрафиолетовая лампа, которая генерирует невидимые глазу лучи с длиной волны около 200 нм. Следовательно, разрешающая способность такого микроскопа составит 100 нм, или 0,1 мкм. Это в два раза лучше, чем характеристики микроскопа, использующего видимую часть спектра. Однако полученное изображение видно тоже только в ультрафиолетовых лучах, поэтому для его преобразования в удобную для человека форму используется фотографирование или проекция на цифровые матрицы.
• Флуоресцентный. Многие вещества при поглощении коротковолнового излучения, сами начинают испускать видимое свечение. Такое явление называется первичной флуоресценцией, и оно находит широкое применение в эмбриологии и других видах лабораторных исследований. Действительно, окрашенные клетки и их составляющие более заметны, когда они сами являются источником света. Кроме того, в исследованиях активно применяется явление вторичной флуоресценцией. В этом случае клетки начинают светиться только после обработки их специальными веществами, которые называются флуорохромами.
• Фазово-контрастный микроскоп. Этот метод основан на понятии коэффициента преломления. В разных средах световые лучи отклоняются по-разному, однако человеческому глазу распознать эти отклонения очень тяжело. Конструкция такого микроскопа придает лучам с разной степенью отклонения разную яркость, что становится хорошо заметным для наблюдателя. Данный метод особенно часто применятся для исследования живых клеток.
• Поляризационный. Принцип работы этого микроскопа основан на способности света изменять свою поляризацию при отражении от некоторых объектов, или при прохождении через них. В поляризационном микроскопе установлены два противоположных фильтра. Таким образом, наблюдатель увидит только сами исследуемые объекты, которые изменят поляризацию света после второго фильтра. Фон будет темным, потому что остальные волны изменять свою поляризацию только в первом фильтре.

Электронные микроскопы

Электронные микроскопы на сегодняшний день являются самыми совершенными приборами для эмбриологии и других исследований. Поток электронов, который испускается этим микроскопом, имеет крайне низкую длину волны. Например, при напряжении 50 кВ в вакуумной трубке между катодом и анодом возникает поток электронов с длиной волны колебаний, равной 0,0056 нм. То значит, что разрешающая способность такого микроскопа составит 0,0022-0,0023 нм, что в десятки тысяч раз меньше, чем в самом лучшем световом микроскопе.

Существует несколько разновидностей электронных микроскопов и технологий исследований, основанных на этих моделях. Самым простым вариантом является технология просвечивания, при которой поток электронов проходит через объект и формирует его изображение на плоскости. Для получения трехмерных изображений используется сканирующая технология. Пучок электронов движется по всей поверхности исследуемого образца, «задерживаясь» на каждой точке. Эти данные тут же обрабатываются и складываются в цельную картину на мониторе.

Выделяют несколько технологий исследований с помощью электронного микроскопа для эмбриологии:

• Метод замораживания-скалывания. Клетки замораживаются до очень низких температур, после чего выполняется скол в плоскости мембраны. Затем на поверхности напыляют тонкие слои тяжелых металлов и получают двухмерные изображения образцов.
• Метод исследования ультратонких слоев. Отдельные образцы тканей не фиксируются в других средах, а быстро замораживаются в жидком азоте. Обменные процессы в клетках затормаживаются, а вода полностью переходит в твердое состояние. Затем образцы разрезают на специальном оборудовании для получения ультратонких срезов.
• Сверхвысоковольтный метод. В отличие от стандартных электронных микроскопов, здесь используется оборудование с ускоряющим напряжением до 3 МВ. Тем самым обеспечивается возможность исследования довольно толстых слоев (до 10 мкм) без потери качества наблюдений (высокая скорость электронов не дает образцу полностью их поглотить). Применение стереоскопической съемки позволяет получать трехмерные изображения с разрешением до 0,5 нм.