Содержание
Вы, вероятно, наблюдали биологические образцы через микроскоп в своей научной лаборатории еще в старшей школе. А если вы специализируетесь на биологии, то можно смело предположить, что значительную часть своей академической жизни вы посвятили микроскопам.
Возможно, вы уже знаете, что существует несколько различных типов микроскопов, включая простые микроскопы, сложные микроскопы, стереомикроскопы, электронные микроскопы и другие. Все они используются в разных условиях: некоторые из них используются на уроках биологии в средней школе, в то время как другие, более совершенные микроскопы (например, электронный микроскоп) используются в исследовательских лабораториях, где ученые возятся и исследуют действительно очень мелкие вещи, например глаз мухи.
Если вы никогда не видели, какие изображения производят микроскопы, вот несколько примеров:
Принято считать, что изображения, получаемые с помощью микроскопов, не имеют цвета, т. Е. Они черно-белые. И это правда, по крайней мере, до некоторой степени.
Итак, все ли микроскопы производят черно-белые изображения? Если да, то в чем причина?
А вы знали, кто и зачем изобрел микроскоп?
С изобретением электронного микроскопа человек смог разглядеть ультравирусы и строение металлов, и даже атом (через ионный проектор). Бомбардировка электронами убивает всё живое, попадающее в «поле зрения» прибора. Аппарат применяется в криобиологии, клеточной и электронной томографии, вирусологии и токсикологии, во многих других сферах. Стало возможным получать трёхмерные изображения на уровне атомов. Трансмиссионный микроскоп пучком электронов просвечивает ультратонкий образец, затем магнитные линзы изображение увеличивают, подавая его на специальный экран или фотопленку.
Суть электронного микроскопа
В электронном микроскопе есть «пушка» — источник пучкового излучения. Электромагнитные линзы, сквозь которые проходят электроны, управляют пучком их. С помощью же структурной кристаллографии можно рассмотреть структуру белка с атомным разрешением (это применяетсяв биологии). Но не все белки кристаллизуются, тогда используется ядерный резонанс (магнитный). В криоэлектронной микроскопии видна структура молекулы, сложенная из атомов. Можно рассматривать вирусы, их атаки на живые клетки.
Изобретение электронного микроскопа случилось в 1931 году, когда Эрнст Руска придумал новый прибор для исследования материи. Получил за это Нобелевскую премию. После 1970 годас использованием новых компонентов (с помощью эффекта Шоттки) микроскоп стал «зорче». С появлением компьютера обработку изображений, полученных электронным микроскопом, стало делать намного легче. Но образцы, «атакуемые» пучком электронов, должны находиться в глубоком вакууме, как изучать биологические молекулы тогда? Биологи долго сомневались в пользе таких исследований, но появился другой метод исследований — рентгеноструктурной кристаллографии, применимый для маленьких молекул.
Первые изображения
В 1981 году Франком и Мариином Хеелями был составлен алгоритм, позволивший нечеткие изображения, даваемые электронной микроскопией, сделать более информативными. А вскоре появились и трёхмерные изображения сканируемых образцов. Это произошло уже в конце 80-х годов прошлого столетия. Дональдом Парсонсом же была придумана специальная камера для электронного микроскопа, в ней держался уровень влажности, приемлемый для изучения образцов. Работали над этим и другие ученые. В 1975 году было получено для электронного микроскопа разрешение в 7 ангстрем. Исследуемые образцы пытались замораживать, что позволило увеличить четкость до 3 ангстрем. Шло время. Сегодня в криоэлектронной микроскопии доступно уже разрешение в 1.8 ангстрема.
Компьютеры совершенствуются с каждым полугодом, созданы уже машины, способные совершать триллион и более вычислений в секунду. Ученые думают перейти на оптический диапазон в области компьютеризации. Следовательно, и электронная микроскопия получит больше возможностей для исследований.
Приготовление микропрепарата
Оборудование, необходимое для работы с микроскопом:
- предметное и покровное стекла,
- препаровальная игла,
- пипетка,
- вода.
Прежде чем рассматривать микропрепарат под микроскопом, нужно его приготовить (рис. 3). Для этого берем предметное стекло, наносим на него пипеткой 1-2 капли воды и размещаем на нем снятую кожицу лука, расправляя ее в капле воды. Накрываем покровным стеклом, устанавливаем на предметный столик и рассматриваем.
Рис.3 Приготовление микропрепарата кожицы лука
При увеличении под микроскопом видны продолговатые клетки, плотно прилегающие друг к другу. Особенно хорошо видны оболочка, цитоплазма и ядро клетки. Если вместо воды капнуть слабый водный раствор йода, ядро приобретет темно-коричневый оттенок и будет более четко видно под микроскопом.
Новейшие достижения — самые мощные микроскопы
В 2006 году исследовательской группой во главе с немецким учёным Штефаном Хелем и аргентинцем Мариано Босси была завершена разработка оптического (светового) микроскопа, ставшего настоящим прорывом в технологиях исследований с помощью высокоточной оптики. Изобретение, которое назвали наноскопом, позволяет вести наблюдение за объектами размерами менее 10 нм. При этом получаются их высококачественные изображения в трёхмерном формате. Вероятно,это не предел — исследования в разных странах, направленных на повышение разрешающей способности светового микроскопа, продолжаются.
Что обнаруживают микробиологи
Микробиологи находят в почве опасные для человека бактерии — возбудители ботулизма, сибирской язвы, столбняка, туберкулеза, которые попадают туда вместе с выделениями животных и человека и могут находиться в почве очень долгое время. Поэтому перед строительством, домов, детских садов и площадок, обустройством зон отдыха специалисты обязательно исследуют почву на наличие вредных бактерий.
Актиномицеты — вредоносные бактерии почв
При загрязнении воды канализационными и промышленными стоками в нее попадают опасные бактерии холеры и брюшного тифа. Поэтому контроль за качеством питьевой воды, в которой не должно содержаться никаких вредоносных бактерий, осуществляется особенно тщательно.
Заботясь об охране окружающей среды, вы сохраняете экологическое равновесие в природе.
Поделиться ссылкой
Такие разные грибы
Грибы — очень большая и разнообразная группа живых организмов. На Земле существует около 100 000 видов грибов! Они поселяются на почве, растениях, продуктах питания, на стенах зданий и даже в теле человека. Из грибов изготавливают лекарства (антибиотики),они незаменимы в производстве сыров, кваса, пива, хлеба.
С помощью микроскопа изучают споры грибов, определяют грибковые заболевания человека, животных и растений.
Полезные грибы
С древних времен человек употребляет грибы в пищу. Они чрезвычайно богаты белками и приятны на вкус. Грибникам нужно уметь отличать съедобные грибы от несъедобных и ядовитых. Многие грибы выращиваются искусственно на специальных фермах.
Голубая плесень на сыре
Плесневые грибы находят применение в пищевой промышленности. Существует целая индустрия по выращиванию плесени. В различные виды сыров добавляют белую, голубую и красную (оранжевую) плесень.
Плесенью спасают человеческие жизни: из нее делают антибиотики — вещества, способные убивать вредные бактерии.
Антибиотик пенициллин
Широко используются дрожжи — полезные одноклеточные грибы. Без них невозможно изготовление хлеба, кваса, пива, спирта, вина, витаминов.
Вредные грибы
Многие грибы докучают человеку. На стенах зданий поселяется черная плесень, споры которой могут вызвать аллергию.
Черная плесень — это плесневый гриб аспергилл
Плесень портит продукты и может вызвать отравление. Употреблять заплесневелые хлеб, варенье, овощи, фрукты крайне опасно для здоровья.
Многие грибы вызывают болезни растений и губят урожай. Например, головня и спорынья поражают злаковые растения и могут стать причиной сильнейших отравлений у человека, поэтому на зернообрабатывающих заводах обязательно делают микроскопический анализ зерна.
Болезни, вызываемые паразитическими грибами, называются микозами. Обнаружить споры этих грибов можно только под микроскопом.
Парша — грибная болезнь яблонь
Грибы окружают нас всюду. В одном кубометре воздуха находится до 500 спор грибов. В одном грамме почвы — тысячи спор и сотни метров грибных нитей!
Грибы оказывают огромное влияние на окружающую среду, жизнь и здоровье человека.
Микроскопы могут создавать цветные изображения
Как упоминалось ранее, микроскопы бывают разных типов и размеров, и некоторые из них действительно позволяют получать цветные изображения. Возьмем, к примеру, световые микроскопы.
Увеличенное изображение, которое дает световой микроскоп, содержит цвет. Фактически, если вы используете любой обычный оптический микроскоп, увеличивающий до 500-кратного уровня, вы, скорее всего, увидите цвета на увеличенном изображении.
Однако, когда вы выходите за пределы определенного уровня увеличения, цвета начинают исчезать с (увеличенных) изображений. Это связано с тем, что для того, чтобы увидеть что-то под микроскопом, объект должен иметь очень тонкое поперечное сечение. Кроме того, он также должен быть достаточно тонкий чтобы свет проходил через него (обычно).
При этом, когда вы берете такой маленький и тонкий образец, на самом деле не так много материала, который мог бы добавить цвет к свету. Подумайте об этом так: когда вы смотрите на каплю воды, она кажется совершенно бесцветной, но когда вы смотрите на океан, который в основном представляет собой совокупность триллионов бесцветных капель воды, он кажется великолепно синим.
Точно так же, когда вы смотрите на морковь невооруженным глазом, она кажется оранжевой или красноватой, но когда вы берете достаточно маленький кусочек той же моркови и наблюдаете ее под микроскопом, оранжевый цвет практически исчезает.
Вот почему вы не видите цвета в оптических микроскопах, даже если поместите цветной образец под линзу.
Электронные микроскопы — это совсем другая игра. Они создают полутоновые изображения образца, т. Е. Увеличенные изображения являются черно-белыми. Почему это?
Микроскопы экологов
Оптический микроскоп
Обычно экологи используют оптические микроскопы, дающие увеличение до 1000 раз. Для этого в световом микроскопе устанавливаются объективы, увеличивающие в 100 раз, и окуляры с 10-кратным увеличением.
Бактерии почвы, вызывающие тяжелое инфекционное заболевание ботулизм
Темнопольный микроскоп
Позволяет видеть объекты в специальные фильтры. Такой микроскоп нужен для исследования мельчайших бактерий или бактерий с очень низкой контрастностью, которые чересчур сливаются с окружающей средой.
Вольвокс — микроскопическая водоросль пруда в темнопольный микроскоп
Люминесцентный микроскоп
Необходим экологам для наблюдения за микроорганизмами, способными излучать свет, если их окрасить специальными красителями или облучить определенным диапазоном света. Высокая четкость изображения и светящиеся микробы — вот два преимущества, которые помогают работать быстро и качественно.
Электронный микроскоп
Позволяет изучать все микроорганизмы, которые невозможно увидеть в световой микроскоп. В нем вместо потока света используется пучок электронов, а вместо стеклянных линз — электромагнитные.
Микроскопия: фотоны против электронов
Когда мы смотрим на образцы в обычный оптический микроскоп, мы можем видеть их мельчайшие детали, потому что свет отражается от их поверхности и достигает наших глаз. В частности, это фотоны, присутствующие в свете, которые достигают наших глаз и помогают нам увидеть увеличенное изображение образца.
Однако, когда вам нужно наблюдать действительно мелкие предметы, например, внутренности глаза насекомого, оптический микроскоп не принесет вам много пользы. В этом случае вам понадобится электронный микроскоп.
Электронный микроскоп, как следует из названия, работает с помощью быстро движущихся электронов, в отличие от оптических микроскопов (которые используют фотоны). Мы подробно обсудили принцип работы электронных микроскопов в этой статье.
А пока давайте просто скажем, что в электронных микроскопах используется электронный луч, который отражается от образца. Затем «узор» отскакивающих электронов используется для визуализации трехмерного изображения того, как выглядит увеличенная версия образца.
Вот изображение, полученное с помощью электронного микроскопа:
Кто соорудил первую модель оптического устройства?
Настоящий научно-технический прорыв в развитии микроскопа произошел в XVII веке. В 1619 году голландский изобретатель Корнелиус Дреббель придумал микроскоп с выпуклыми линзами, а в конце столетия другой нидерландец – Христиан Гюйгенс – презентовал свою модель, в которой можно было регулировать окуляры.
Более совершенное устройство было придумано изобретателем Антони Ван Левенгуком, который создал прибор с одной большой линзой. На протяжении последующих полутора столетий это изделие давало наивысшее качество изображения, поэтому Левенгука нередко называют изобретателем микроскопа.
Клетка — единица живого
Из клеток, как из множества кирпичиков, состоят все живые существа на Земле — бактерии, грибы, растения, животные, человек. Клеточного строения нет, пожалуй, только у вирусов. В клетках происходят важные процессы — питание, дыхание, размножение и многое другое.
Что внутри
Рассмотреть подробное строение клетки возможно только под микроскопом. Клетка похожа на маленький дом, жители которого постоянно заняты какой-то работой. Здесь есть хозяин, который руководит всеми процессами, — это ядро. Есть маленькие труженицы — митохондрии, они запасают для клетки энергию. Второе название митохондрий — энергетические станции. Лизосомы, словно маленькие уборщики, растворяют все ненужное. Вакуоль — хранительница соков в растительных клетках.
В ДНК особым способом записана, хранится и передается вся информация о существе, которому она принадлежит
Только в клетке растений есть хлоропласты — зеленые жители, которые старательно добывают энергию из солнечного света.
Все обитатели дома словно находятся в своеобразном в бассейне, заполненном цитоплазмой — жидкостью, похожей на кисель.
Строение растительной клетки
Дом окружает оболочка, которая называется мембраной. У некоторых клеток, например растений и грибов, есть более надежная защита поверх мембраны — клеточная стенка.
Ядро есть в клетках растений, животных, грибов, человека. В нем расположено особое вещество — ДНК. Здесь записана и хранится вся информация о клетках.
В клетках бактерий нет ядра, а ДНК свободно располагается внутри.
Такие разные клетки
Клетки бывают самой разной формы и выполняют различные функции. Одинаковые клетки, выполняющие одну и ту же задачу, объединяются в ткани, а ткани — в органы.
Инфузория-туфелька — это одна-единственная клетка в форме башмачка
Клетка — основа существования любого живого организма, она наполнена жизненной силой и энергией.
Размеры клеток тоже очень отличаются. Бывают невидимые клетки — это бактерии, они едва различимы в оптический микроскоп, а есть клетки мякоти апельсина, арбуза, лимона, видимые невооруженным глазом. Кроме того, существуют гигантские клетки, например млечные ходы молочайных растений. У человека отростки нервных клеток могут достигать одного метра!
Одни живые существа, например бактерии, представляют собой единственную клетку и называются одноклеточными. Большинство растений, грибов, животных имеют очень сложное строение из множества клеток и имеют название «многоклеточные».
Современные открытия и достижения
Современные микроскопы значительно изменились и усовершенствовались по сравнению с самыми первыми моделями. Появились электронные устройства, которые позволяют многократно увеличить изображение, используя вместо света поток электронов. Кто изобрел электронный микроскоп? В 30-е годы XX столетия немецкий инженер Р. Руденберг запатентовал просвечивающее устройство с фокусировкой электронов. Этот прибор был назван световым микроскопом и стал широко применяться во многих научных исследованиях.
Еще более совершенной моделью является наноскоп. Это самый современный вид оптического микроскопа, позволяющий наблюдать за фантастически малыми объектами. С помощью этого прибора стало возможным изучать элементы микромира, имеющие размеры менее 10 нанометров. Кроме этого, устройство позволяет получить качественные трехмерные изображения исследуемых объектов. Какой ученый впервые изобрел микроскоп, имеющий такие возможности? Над открытием наноскопа трудилась целая группа ученых, руководил которой немецкий исследователь Штефан Хелль. Известный изобретатель и доктор физических наук, он получил Нобелевскую премию за неоценимый вклад в развитие оптической техники.
С помощью современных приборов стало возможным наблюдать уникальные явления и делать сенсационные открытия. Ученые смогли проследить движение отдельных молекул внутри клетки, получить четкое изображение атома, а также зафиксировать молекулярные изменения в ходе химической реакции. Безусловно, тот, кто изобрел первый микроскоп, внес неоценимый вклад в развитие всего человечества.
Липперсгей или Янссены?
Ханс Липперсгей родился в Везеле в Германии в 1570 году, но позже переехал в Голландию, которая затем стала местом инноваций в области искусства и науки, а эта эпоха была названа «Золотой век Голландии». Липперсгей поселился в Миддельбурге, где он изобрёл очки, бинокль и некоторые из самых ранних микроскопов и телескопов.
В Миддельбурге жили Ганс и Захарий Янссены. Часть историков приписывает изобретение микроскопа именно Янссенам, благодаря письмам голландского дипломата Уильяма Бореэля.
В 1650-х годах Бореэль написал письмо врачу французского короля, в котором он описал микроскоп. В своем письме Бореэль сказал, что Захарий Янссен начал писать ему о микроскопе в начале 1590-х годов, хотя Бореэль сам увидел микроскоп спустя годы. Некоторые историки утверждают, что Ханс Янссен помог построить микроскоп, поскольку Захария был подростком в 1590-х годах.
Кто является изобретателем электронного микроскопа?
В 1931 году ученый Роберт Руденберг запатентовал новый прибор, который мог увеличивать предметы с помощью пучков электронов. Устройство получило название электронный микроскоп и нашло широкое применение во многих науках благодаря высокой разрешающей способности, в тысячи раз превосходящей обычную оптику.
Спустя год Эрнст Руска создал прототип современного электронного прибора, за что был удостоен Нобелевской премии. Уже в конце 1930-х годов его изобретение стало массово применяться в научных исследованиях. Тогда же фирма Siemens приступила к выпуску электронных микроскопов, предназначенных для коммерческого использования.
Микроскопы развиваются
Эрнст Руска родился последним из пяти детей в Рождество 1906 года в Гейдельберге, Германия. Он изучал электронику в Техническом колледже в Мюнхене и продолжил изучать высоковольтные и вакуумные технологии в Техническом колледже в Берлине. Именно там Руска и его советник, доктор Макс Кнолл, сначала изобрели «линзу» магнитного поля и электрического тока. В 1933 году учёные смогли построить электронный микроскоп, который сумел превзойти предел увеличения светового микроскопа.
В 1986 году Эрнст был награждён Нобелевской премией по физике за своё изобретение. Увеличение разрешения электронного микроскопа достигалось за счёт того, что длина волны электрона была ещё меньше, чем длина волны видимого света, особенно при ускорении электронов в вакууме.
В XX веке развитие электронных и световых микроскопов не останавливалось. Сегодня лаборатории используют различные флуоресцентные метки, а также поляризованные фильтры для изучения образцов или использовать компьютеры для обработки изображений, которые не видны человеческому глазу. Имеются отражающие микроскопы, фазово-контрастные микроскопы, конфокальные микроскопы, а также ультрафиолетовые микроскопы. Современные микроскопы могут даже изображать один атом.
Одна идея о “ Кто изобрёл микроскоп? ”
Кто изобрел микроскоп не известно. Есть множество претендентов на это. Так Л. Давинчи уже рисовал схему двух линзового оптического прибора. Янсен имеет как минимум двух конкурентов Липсгрея (его соседа, тоже мастера по очкам) и Якоба Метиус из Алкмара. Все они заявляли о том, что являются изобретателями данного прибора, но ни один из них при этом не пытался использовать это устройство для исследований микромира. Максимум просто переворачивали его и показывали, что их устройство не только приближает удаленные объекты, но и позволяет увеличивать мелкие предметы. Но увеличение мелких предметов их совсем не волновало. Они хотели продавать армии свои оптические приборы в качестве подзорных труб. С. Ж. Вавилов пишет — «Во всяком случае, какой-то итальянец в 1590 г. построил трубу, и она начала ходить по рукам как секрет, который прежде всего хотели продать за хорошие деньги для военных надобностей». «История так называемого «изобретения» является поэтому путаным клубком различных темных махинаций не столько оптиков, сколько дельцов и жуликов (известно, например, что 3. Янсен обвинялся как фальшивомонетчик). Существенно только, что в начале XVII в. для военных и государственных людей (например, окружения Генриха IV) стало постепенно выясняться значение оптических труб для мореплавания и военного дела». Изобретателями микроскопа можно быстрее назвать Галилея или Дреббеля.
Достижения биологов
Многие заболевания растений и животных можно распознать только под микроскопом. Этим пользуются ботаники, ветеринары и работники сельского хозяйства и с успехом борются с ними.
Растения из пробирки — очень интересный способ получения большого количества копий от одного-единственного растения, которое обладает какими-либо ценными для ученого свойствами. Этот процесс производится под микроскопом и называется «микроклональное размножение».
Микроскоп есть и у селекционеров — специалистов, которые создают новые сорта и гибриды растений и животных. Чтобы оценить выращенные растения, селекционер изучает под микроскопом срезы стеблей, семена, листья, корни и плоды. Затем он может сравнить результаты своего труда с предыдущими поколениями. Одни селекционеры стараются вывести растения более крупных размеров или с более сочными плодами. Другие — трудятся над созданием необычной окраски, например, лепестков роз и тюльпанов, чтобы потом эти цветы радовали людей, расцветая на городских клумбах.
Фермер-селекционер Карл Барнс из штата Оклахома (США) занимается выведением разноцветной кукурузы
В 2004 году японские селекционеры вывели синюю розу
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Общий признак всех живых организмов
Клеточное строение, т. е. тела всех организмов состоят из клеток. Клетки достаточно микроскопичны. Для того чтобы рассмотреть мелкие предметы, невидимые невооруженным глазом, необходимы увеличительные приборы.
Самый распространенный увеличительный прибор — лупа — дает увеличение в 3-5 раз. С ее помощью рассматривают мелкие предметы, плохо различимые глазом. Ее основа — обычное увеличительное стекло. Для удобства в использовании оно вставляется в оправу с ручкой. Более сложные лупы снабжены штативом и предметным столиком из прозрачного стекла. Штативные лупы дают увеличение в 10-25 раз (рис. 1).
Рис.1 Ручная и штативная лупы
Кто соорудил первую модель оптического устройства?
Настоящий научно-технический прорыв в развитии микроскопа произошел в XVII веке. В 1619 году голландский изобретатель Корнелиус Дреббель придумал микроскоп с выпуклыми линзами, а в конце столетия другой нидерландец – Христиан Гюйгенс – презентовал свою модель, в которой можно было регулировать окуляры.
Более совершенное устройство было придумано изобретателем Антони Ван Левенгуком, который создал прибор с одной большой линзой. На протяжении последующих полутора столетий это изделие давало наивысшее качество изображения, поэтому Левенгука нередко называют изобретателем микроскопа.
