Журнал «ЗДОРОВЬЕ»
№ 10 (94) октябрь 1962
Электронная микроскопия
Кандидат медицинских наук С.Б. Стефанов
Глаза доставляют человеку важнейшую информацию об окружающем мире. Не только в повседневной жизни, но и в научных исследованиях зрительные впечатления играют огромную роль. Вот почему микроскоп нашел такое широкое применение почти во всех отраслях естествознания и промышленности.
Лучшие современные световые микроскопы дают увеличение в 3–4 тысячи раз; к сожалению, это предел, который они не смогут преодолеть. Между тем необходимы увеличения в сотни тысяч, миллионы раз, чтобы ученые могли объективно и точно исследовать тончайшие структуры живого организма, увидеть тысячи мельчайших деталей там, где световой микроскоп мог показать только одну. Ученые остро почувствовали эту потребность еще в конце прошлого века. Но только в тридцатых годах нашего столетия был создан, в отличие от светового, принципиально новый, электронный микроскоп, в котором магнитное поле заменило стеклянные линзы, а изображение создается с помощью потока электронов.
Электронный микроскоп представляет собой сложную машину весом от 1,5 до 3 тонн. В ней использованы новейшие достижения радиоэлектроники, вакуумной техники, точной механики и ряда специальных отраслей физики и техники.
Известно, что пучок электронов, движущихся в безвоздушном пространстве, под влиянием магнитного поля изменяет направление своего движения. Воспользовавшись этим, ученые создали магнитную линзу, которая фокусирует электронный поток точно так же, как стеклянная линза фокусирует поток света. Система магнитных линз и составляет колонну микроскопа, в которой изображение объекта создается электронами подобно тому, как свет строит изображение в тубусе светового микроскопа.
Однако есть и существенные отличия. Электроны очень легко рассеиваются атомами любого вещества. Их движению мешают даже остатки газа. Поэтому в колонне электронного микроскопа мощные насосы непрерывно поддерживают глубокий вакуум — безвоздушное пространство. Наконец, электроны изменяют строение и химический состав объекта гораздо сильнее, чем свет.
Построенное электронами изображение видно на светящемся экране и легко переносится на фотопластинку. Изменяя силу тока в магнитных линзах колонны, можно изменять увеличение изображения от нескольких сотен раз до десятков и сотен тысяч раз.
Даже краткое описание показывает, что для работы с этой сложной аппаратурой требуются разносторонние знания.
Электронная микроскопия применяется в биологии и медицине шире, чем во всех остальных областях науки и практики.
На первый взгляд может показаться, что именно в биологии электронный микроскоп неприемлем. Ведь исследуемый объект помещается в безвоздушное пространство, из него практически удаляется вся вода. Поток электронов, проходя через объект, нагревает его иногда до 300–400 градусов и вызывает необратимые изменения. Все это быстро убивает живые организмы, введенные для исследования в электронный микроскоп.
Более ста лет назад создатели клеточной теории провозгласили, что все живое состоит из клеток. Клетка была признана простейшей единицей живого тела. Основную массу клетки называли протоплазмой (от греческих слов «протос» — первичный и «плазма» — материя, масса). В протоплазме плавало полужидкое ядро. С помощью светового микроскопа исследователи видели протоплазму прозрачной, иногда слегка пенистой массой, в которой перемещались мельчайшие зернышки, волоконца, сгущенные капельки различных веществ.
Кроме того, бактериальные клетки и частицы некоторых вирусов слишком «толсты», электроны не могут их «просвечивать». Чтобы судить о внутреннем строении мельчайших живых частиц, их приходится разрезать на несколько слоев. Но разрёзать на тонкие слои мягкое, влажное тело невозможно. Его нужно сначала высушить, пропитать затвердевающими составами и только после этого на специальных машинах — микротомах— резать на слои толщиной в десятитысячные доли миллиметра. Здесь уместно напомнить, что ультрамикротом также является одним из достижений современной науки и техники.
После подобных воздействий объекты исследования теряют свою первоначальную функцию и видоизменяют форму. На экране микроскопа мы видим лишь изображение того, во что превратилось живое тело в результате подобных, пока еще неизбежных изменений.
Почему же, несмотря на все это, именно в биологических исследованиях электронная микроскопия применяется наиболее широко? Да потому, что она дала возможность проникнуть в новый мир, раскрыла перед исследователями гигантское поле деятельности.
Ультрамикротом является одним из достижений современной науки и техники. В правом верхнем углу вы видите в увеличенном виде режущий аппарат микротома. Кромкой стеклянного ножа срезаются тончайшие слои плексигласа, в который вкраплена ткань. Площадь ее равна приблизительно четверти квадратного миллиметра. Но и этого достаточно, чтобы в электронном микроскопе исследователь мог разглядеть мельчайшие структуры ткани.
Слева от ножа — тонкая игла; через нее по каплям подается вода в ванночку, куда попадает срез.
Фото Вл. Кузьмина
Сегодня мы уже не ищем в протоплазме равномерно-полужидких участков, ибо знаем, что там их нет! Электронные микроскопы позволили увидеть в любом участке протоплазмы сложную и тонкую структуру. Вся толща клетки пронизана сетью извитых трубочек. Стенки их состоят из двойных пленок, между которыми ясно виден слой крупных молекул.
Понятие протоплазма потеряло смысл. Даже стенку трубочек нельзя считать первичной и простейшей, так как мы хорошо видим ее составные части. Теперь употребляется другой термин — цитоплазма — клеточная материя (от греческого «цитос» — клетка).
Постепенно открывалась сложнейшая система структур, взаимосвязей и взаимопревращений там, где прежде исследователи видели только полужидкую, лениво текущую массу. Трубочки протоплазмы связаны с ядром в единую систему.
Такая сложная система структур не может действовать хаотично. Прежде движение струек веществ, содержащихся в клетке, представлялось вполне естественным процессом, который по существу и не требовал регуляции: струйки смешивались и взаимодействовали по физико-химическим и гидродинамическим законам. Теперь для такого представления просто не осталось места; совершенно очевидно, что движение веществ по трубочкам направлено и организовано архитектурой сети трубочек, с одной стороны, и характером обменных процессов в клетке — с другой.
Эти новые представления о жизни клетки заставили ученых переосмыслить многие положения биологии, считавшиеся ранее незыблемыми, поставили перед учеными массу новых сложнейших вопросов.
Какие процессы направляют и координируют сложную жизнь клетки? Какие силы перемещают вещества по трубочкам? Ведь если судить по количеству деталей структуры, открытых с помощью электронного микроскопа, нужно признать, что в клетке одновременно протекают многие десятки тысяч быстрых, направленных, поразительно точно согласованных во времени и пространстве процессов. Значит, должен существовать механизм координации внутриклеточных процессов. О нем пока нет никаких представлений, кроме уверенности, что он должен быть. Электронная микроскопия успешно начала разведку и на этом участке научного фронта.
Раскрыв эти тайны жизнедеятельности клеток, ученые, а затем и врачи получат возможность управлять всеми процессами в клетке, узнают, как начинаются и протекают те или иные заболевания, как взаимодействуют заболевшие клетки с лекарственными препаратами. А что может быть важнее такой победы биологии и медицины?! Ведь это путь к наиболее эффективным поискам новых лекарственных средств, к искоренению любых, самых тяжелых заболеваний человека, путь к разработке наиболее целесообразных методов профилактики.