Проникновение в субмикрокосмос

Исследованиями субмикрокосмоса занимаются цитология (наука о клетке), цитохимия, биохимия, биофизика, молекулярная биология, генетика, микроскопия и другие научные дисциплины. Они изыскивают различные методы, стараясь "заглянуть" внутрь клетки, изучить ее строение и связанные с ним жизненные процессы.

Цитологи уже располагают тонкими методами, помогающими им видеть "невидимое". Впервые позволил "заглянуть" в клетку правнук микроскопии Левенгука - световой микроскоп, а вслед за ним и его более молодые родственники - фазово-контрастный, стереоскопический, ультрафиолетовый, люминесцентный и поляризационный микроскопы. Позднее к ним присоединился и праправнук микроскопии - электронный микроскоп.

Фото 17. Институт электронной микроскопии в Тулузе (Франция). а - в большом металлическом шаре находится электронный микроскоп; б - внутренняя поверхность металлического шара и часть изоляционного устройства, предназначенного для защиты от высокого напряжения; в - просмотр объекта под микроскопом

С их помощью наблюдают обработанные различным способом живые и мертвые клетки. Уже в конце XIX века микробиологи научились приготовлять препараты из живых микробов и наблюдать их внешнюю структуру, а в некоторых случаях и движение. Позже при изготовлении препаратов они стали умерщвлять микробы, а их клетки окрашивать специальными красителями. Потом научились наблюдать за живыми клетками в темном поле, а в 30-х годах получили великолепный прибор - фазово-контрастный микроскоп, который позволил проникнуть во многие тайны внутренней структуры живой клетки.

Через двести лет после первых наблюдений Левенгука известный немецкий физик-оптик XIX века Эрнст Аббе установил, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена длиной световых волн. Наименьшие объекты, видимые в оптическом микроскопе (с применением ультрафиолетовых лучей и так называемых иммерсионных объективов), должны иметь размеры не менее сотой части нанометра, или нескольких десятитысячных долей миллиметра. Это значит, что самые мелкие бактерии находятся где-то около предела видимости наиболее совершенного оптического микроскопа. Казалось, что эти пределы так и не удастся превзойти.

Но шли годы, и появился фазово-контрастный микроскоп. Его изобрел в 1935 году голландский физик Цернике, получивший за свое открытие спустя двадцать лет Нобелевскую премию. Фазово-контрастный микроскоп, будучи также оптическим микроскопом, не преодолел нижней границы наблюдаемых размеров, но зато получил большое преимущество перед своим предшественником - с его помощью можно было наблюдать живые клетки микроорганизмов, что далеко не всегда удается в обычных оптических микроскопах. Чтобы хорошо рассмотреть препарат в световом микроскопе, бактерии умерщвляют, а затем окрашивают; при этом всегда существует опасность изменения структуры клеток.

Значительно важнее наблюдать их в живом, естественном состоянии. Для непосвященного читателя достаточно будет сказать, что фазово-контрастный микроскоп обладает специальным приспособлением, которое может изменять длину пути световых волн, исходящих от наблюдаемого объекта, благодаря чему возникает "фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны". В результате усиливается рельеф, что позволяет увидеть некоторые малые элементы структуры клеток.

Родствен фазово-контрастному микроскопу и интерференционный микроскоп. Такой тип микроскопа, сконструированный физиком Номарским, позволяет детально рассматривать поверхность микробных клеток.

Приблизительно в это же время появился и электронный микроскоп, без которого теперь нельзя даже представить работу цитологов и микробиологов. Первый электронный микроскоп сконструировали и представили научной общественности сотрудники Высшей технической школы в Берлине Макс Кнолль и Эрнст Руска. Роль световых лучей, благодаря которым в других микроскопах получается увеличенное изображение наблюдаемых объектов, в электронном микроскопе играют пучки электронов. Их движением управляют электромагниты, выполняющие функцию оптических линз. Современный электронный микроскоп дает нам возможность получать увеличение объекта в несколько сот тысяч раз.

Фиг. IV. Пигментные формы микроорганизмов. Вверху: слева - дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Rhodotorula glut inis и бактерии Staphylococcus aureus; справа - различные культуры микроскопических грибов, вывезенные из Индонезии. Внизу: слева - Staphylococcus aureus на кровяном агаре; справа - Saccharomyces cerevisiae на солодовом агаре

Но при таком наблюдении клетки бактерий иногда оказываются чрезмерно большими и лучи электронов не могут проходить сквозь них. Поэтому для исследования внутреннего строения клеток в помощь электронному микроскопу призывается особый микрохирургический аппарат - ультрамикротом. Он позволяет получать сверхтонкие срезы клеток и таким образом подготавливать их к наблюдению в электронном микроскопе.

Вообще, надо сказать, работники электронной микроскопии в этом деле настоящие мастера. Клетки, предназначенные для наблюдения, они сначала заливают особым веществом аралдитом, которое быстро затвердевает, а потом разрезают их ультрамикротомом. Таким способом можно разрезать белое кровяное тельце (диаметром около 15 мкм) на 750 тончайших срезов, каждый из которых не толще 0,02 мкм!

Однако у электронного микроскопа есть и один крупный недостаток - в нем можно наблюдать лишь мертвые клетки. Это связано с тем, что молекулы воздуха представляют для электронов непреодолимое препятствие, поэтому все наблюдения должны проводиться в безвоздушном пространстве (вакууме), а это приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток.

Профессора Дюпуи, Перрье и Дюрриё из Института электронной микроскопии в Тулузе (Франция) решили устранить и это препятствие. Поток электронов в обычном электронном микроскопе разгоняется при помощи напряжения порядка 100 000 В. Дюпуи и его коллеги используют напряжение 1 500 000 В, в результате чего скорость электронов достигает 291 000 км в 1 с, то есть почти приближается к скорости света. Для решения этой задачи ученым пришлось преодолеть целый ряд технических трудностей. Необходимо было обеспечить защиту обслуживающего персонала от вредного воздействия рентгеновских лучей, возникающих при попадании электронов на металлические части аппарата, надо было создать электромагнитные линзы, весящие до 700 кг, из которых 100 кг приходится на 29 000 витков медной спирали. Но поскольку при таком высоком напряжении большую опасность представляет еще и влажность, все сооружение необходимо было поместить в металлическую сферу диаметром 24 м. Ускоренные в своем движении электроны проникают не только сквозь тончайший слой воздуха, но и через живые клетки бактерий. Хотя продолжительное действие электронов и наносит им повреждения, а позднее и убивает, тем не менее при наблюдении под микроскопом клетки какое-то время остаются живыми и неизмененными (фото 18).

Фото 18. Живые бактерии из рода Corynebacterium

Описанные методы, как, впрочем, и многие другие, позволяют нам проводить исследования в "субмикромире" клетки и открывать его тайны.