Как мы изучаем окружающий мир

Изучение окружающего нас мира ограничено тесным кругом доступных нам восприятий, собираемых при помощи органов чувств, этих, по выражению И. П. Павлова, "анализаторов внешнего мира". Расширить горизонт непосредственных наблюдений - издавна было одной из важнейших задач науки. Результатом такого стремления явилось открытие мира телескопического, с одной стороны, и микроскопического - с другой. Только с изобретением микроскопа перед нами открылся бесконечный мир мельчайших существ, и все успехи микробиологии, микологии, да и многих других наук оказались тесно сплетены с успехами в области микроскопической техники.

Увеличительные стекла были известны с древности. Предание гласит, что император Нерон наблюдал бой гладиаторов через отшлифованный смарагд.

Увеличительные стекла были известны с древности

В средние века увеличительными стеклами пользовались почти исключительно для забавы и называли их "витра пиликариа", то есть "блошиные стекла", так как одним из обычнейших объектов наблюдения служили блохи. В начале XVII века, когда зарождалась микробиология, не было фабрик, изготовлявших оптические приборы, и ученым поневоле приходилось самим овладевать этим сложным мастерством, достигая иногда в этом поразительного искусства. Например, Ньютон установил законы отражения и преломления света на им же самим изготовленных зеркалах и линзах и собственноручно построил большой телескоп, по сей день хранящийся в библиотеке Лондонского королевского общества как драгоценная историческая реликвия.

Первые исследователи микроскопического мира пользовались простыми лупами различной силы увеличения, которые изготавливались из стекла, кварца и даже алмаза. Оптическая часть первых микроскопов XVII-XVIII веков была, конечно, весьма несовершенной. Штативы делали из картона, кости, рога и тому подобных материалов. Самим микроскопам давали причудливые названия, например "окулюс артифишиас" - "искусственный глаз" и тому подобное.

Однако уже в конце XVII века микроскопы появились на прилавках магазинов: несколько фирм наладили их серийное производство. Покупатели были самые разные - ученые и люди, весьма далекие от науки. Для многих микроскоп служил диковинной забавой, некоторых заставлял глубоко задуматься.

В наше время микроскоп стал одним из важнейших приборов, с помощью которых ученые открывают все новые и новые тайны природы. Как был бы поражен Антони ван Левенгук, заглянув в современную лабораторию! Особенно, наверное, его поразили бы микроскопы - ведь в отличие от его луп современный световой микроскоп увеличивает в 3000 раз, а электронный микроскоп - в сотни тысяч и миллионы раз, что позволяет досконально изучить живую клетку.

Ученые, инженеры, оптики, физики, биологи разных стран, используя микроскоп в своих исследованиях, постоянно, хотя и не так быстро, как хотелось бы, улучшали его конструкцию, все более расширяя тем самым границы знаний.

В 1903 году австрийские ученые Г. Зидентопф и Р. Зигмонди нашли новый способ наблюдения объектов - так называемый метод темного поля. Идея этого метода состояла в том, что исследуемый прозрачный объект освещался косыми лучами, которые при отсутствии рассеяния в образце не попадают в объектив микроскопа. Если объект исследования содержит включения также прозрачные, но с другим показателем преломления, то прошедшие через эти включения и изменившие свое направление световые лучи попадают в объектив, и включение становится видимым. Так как большая часть световых лучей в объектив не попадает, поле зрения темное, а на его фоне видны светлые изображения микровключений.

В 1935 году голландский физик Ф. Цернике изобрел фазово-контрастный микроскоп (в 1955 году он получил за это открытие Нобелевскую премию). Преимущество этого прибора заключалось в том, что с его помощью можно было наблюдать живые клетки микроорганизмов, что далеко не всегда возможно при работе с обычным микроскопом. Чтобы хорошо рассмотреть препарат в световой микроскоп, микроорганизмы обычно фиксируют (убивают) и окрашивают; при этом существует опасность изменения структуры клетки, появления "артефактов" (искусственно вызванных процессов или образований). Поэтому очень важно наблюдать организмы в живом состоянии. Фазово-контрастный микроскоп обладает специальным приспособлением, которое изменяет длину пути световых волн, исходящих от наблюдаемого объекта, благодаря чему возникает фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны. Это усиливает рельеф изучаемого объекта и помогает увидеть некоторые мелкие элементы структуры клеток.

Близкий родственник фазово-контрастного микроскопа - интерференционный микроскоп, изобретенный французским физиком Г. Номарским, позволяет детально изучить поверхность клеток.

В настоящее время широко используются люминесцентные микроскопы. Само явление люминесценции, в частности, его природные проявления известны с незапамятных времен: свечение некоторых минералов, полярные сияния и так далее. Начатые в конце XIX века систематические исследования люминесценции привели ученых к открытию рентгеновских лучей и радиоактивности. Люминесцентная микроскопия основана на свойстве различных объектов живой и неживой природы испускать видимый свет в одном диапазоне длин волн при их освещении световыми лучами другого диапазона длин волн. Поскольку длина волны лучей люминесценции всегда больше, чем длина волны лучей, ее возбуждающих, освещение объекта стараются проводить ультрафиолетовым светом, в этом случае используют специальный микроскоп с ультрафиолетовой техникой. В биологии люминесцентная микроскопия - незаменимое орудие в руках ученых. В значительной степени это связано с тем, что световые лучи позволяют наблюдать за живыми объектами, и с тем, что многие ткани и органы живых объектов либо обладают собственной флуоресценцией, либо весьма успешно поддаются люминесцентному окрашиванию специальными красителями - флуорохромами.

Трудно представить себе работу цитолога, цитохимика, генетика, микробиолога без электронного микроскопа, так широко используемого в современных лабораториях. Первый электронный микроскоп сконструировали сотрудники Высшей технической школы в Берлине М. Кнолль и Э. Руска в 1931 году. В 1940 году электронный микроскоп был создан в СССР А. А. Лебедевым и В. Н. Верцнером в Государственном оптическом институте в Ленинграде. Вскоре после окончания Великой Отечественной войны советская промышленность приступила к серийному выпуску этих приборов.

Роль световых лучей в электронном микроскопе играют пучки электронов. Их движением управляют электромагниты, заменяющие оптические линзы. Современный электронный микроскоп позволяет получить увеличение объекта в несколько сот тысяч раз.

Однако при таком увеличении клетки растений, грибов, бактерий оказываются слишком плотными, и лучи электронов не могут пройти через них. Получить сверхтонкие срезы клеток позволяет специальный микрохирургический прибор - ультрамикротом.

Исследователи, работающие на электронном микроскопе, добились необыкновенных успехов и превзошли, пожалуй, знаменитого Левшу, сумевшего подковать блоху. Клетку диаметром около 15 микрометров, предварительно залитую особым быстро затвердевающим веществом аралдитом, нарезают ультрамикротомом на 750 тончайших срезов, каждый из которых не толще 0,02 микрометра!

Однако при использовании электронного микроскопа все наблюдения должны проводиться в вакууме, так как воздух представляет для электронов непреодолимое препятствие. Вакуум же приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток.

Но исследователи смогли устранить и этот недостаток. Французские ученые из Института электронной микроскопии в Тулузе решили использовать более высокое напряжение для разгона потоков электронов. В обычном электронном микроскопе это напряжение составляет 100 000 вольт. Французы использовали напряжение 1 500 000 вольт, в результате чего скорость электронов приблизилась к скорости света. На пути исследователей возникло много технических трудностей: следовало оградить обслуживающий персонал от вредного воздействия рентгеновских лучей, образующихся при попадании электронов на металлические части аппарата; создать электромагнитные линзы, весящие 700 килограммов, и так далее. Кроме того, при столь высоком напряжении большую опасность представляет влажность воздуха, поэтому все сооружение пришлось поместить в металлическую сферу диаметром 24 метра. При ускорении, созданном в таком электронном микроскопе, электроны проникают не только через тончайший слой воздуха, но и через живые клетки. Конечно, продолжительное воздействие электронов повреждает клетки, а позднее и убивает их, но тем не менее какое-то время они остаются живыми и неизменными.

С помощью всех этих приборов ученые смогли проникнуть и в клетку гриба, узнать ее строение, открыть ее тайны.