Текст книги "Электронный микроскоп"
Автор книги: Сергей Клементьев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)
С. Д. Клементьев
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
САМОЕ БОЛЬШОЕ И САМОЕ МАЛЕНЬКОЕ
В прекрасный летний день вы идете на прогулку: купаетесь в речке, бродите по лесу, отдыхаете на лесной полянке.
Тихо шелестят деревья, щебечут птицы, журчат ручьи.
Мир, окружающий вас, полон различных красок и звуков.
С жужжанием от цветка к цветку перелетают пчелы, бесшумно порхают в воздухе мотыльки, ползают по земле муравьи, прыгают с ветки на ветку белки. Изредка промелькнет перед вашими глазами чем-то испуганная серо-зеленая ящерица, где-то вдали промычат коровы, загоняемые с поля на колхозную ферму, а вы все лежите и лежите на земле, устремив глаза в безоблачное голубое небо, наслаждаясь покоем и отдыхом.
Видимый простым глазом мир, окружающий вас, чудесен.
Начинает вечереть. Смеркается. Пора возвращаться домой.
В небе бесчисленными огоньками вспыхивают яркие звезды. Вот Большая Медведица, вот Млечный путь, а вот и планеты нашей солнечной системы. Красноватым цветом светит Марс, ярко сияет голубой Юпитер, мерцает в небе Полярная звезда.
Бесконечность – вот первое, что приходит вам в голову при виде этого величественного зрелища.
Огромные расстояния отделяют небесные тела друг от друга.
Велика скорость световых лучей, но и им нужны многие миллионы лет, чтобы дойти до нашей Земли.
Расстояния между небесными телами настолько велики, что их трудно измерять километрами. Эти огромные расстояния измеряют в других единицах – в световых годах.
Известно, что свет в межпланетном пространстве проходит со скоростью около трехсот тысяч километров в одну секунду. Расстояние, которое проходит свет в течение года, и условились называть световым годом.
Трудно представить себе, насколько велико расстояние между какой-нибудь звездой и Землей, если свет от иных звезд идет до нас миллионы световых лет.
Невооруженным глазом невозможно рассмотреть такие далекие миры.
На помощь людям приходят телескопы – гигантские зрительные трубы. С их помощью открыты многие невидимые простым глазом звезды, горы на Луне, солнечные пятна, спутники планет.
Это мир больших величин, мир гигантов, мир, который мы, несмотря на огромные расстояния, можем рассмотреть в зрительные трубы и телескопы.
Но кроме того мира, который мы видим простым глазом и в телескопы, существует еще и другой мир. Это мир ничтожно малых величин, невидимых ни простым глазом, ни в самые мощные телескопы. Ничтожные по своим размерам бактерии, молекулы различных химических веществ, очень тонкие, нежные клетки нервной системы, микроскопические кристаллы металлов и сплавов не различимы простым глазом.
Их можно увидеть только в особые приборы – микроскопы.
Но человечество узнало о мире ничтожно малых величин – микромире – сравнительно недавно.
ВОЛШЕБНЫЕ СТЕКЛА
В семнадцатом веке в Голландии жил человек по фамилии Левенгук. Он работал привратником городской ратуши, то-есть был кем-то вроде сторожа в учреждении, управлявшем городом Дельфтом, и одновременно торговал мануфактурой.
В свободное время Левенгук занимался тем, что шлифовал увеличительные стекла (линзы). В этом искусстве он достиг высокого совершенства. Он шлифовал свои стекла очень тщательно. Ему хотелось добиться все большего и большего увеличения предметов, которые можно было бы разглядывать через линзы.
В конце концов Левенгук отшлифовал линзы настолько точные и симметричные, что смог увидеть с их помощью мельчайшие предметы в сказочно ясном и увеличенном виде.
Это были поистине волшебные стекла. Через них Левенгук заглянул в новый мир, куда до него не мог проникнуть взором ни один человек.
Он увидел мельчайшие живые существа, названные нм «зверюшками». «Зверюшки» были очень забавны, чрезвычайно подвижны и разнообразны. Были и круглые, как шарики, и вытянутые в длинные нити, и спиралеобразные. Некоторые из них беспрестанно и быстро двигались в различных направлениях, другие же были неподвижны.
Этих «зверюшек» Левенгук увидел и в капле воды из лужицы, и в кусочке грязи с подошвы ботинок, и даже в налете со своих зубов. Он с большим интересом рассматривал в свои увеличительные стекла этих забавных «зверюшек» и зарисовывал их.
Волшебные стекла Левенгука давали увеличение в 100–150 раз. Левенгук рассматривал через них блошиные лапки, волоски гусениц, прозрачные пленки хвоста головастика и многое другое.
Через линзы Левенгук видел на блошиных лапках огромные когти, волоски гусениц были похожи на толстые морские канаты, а в хвосте головастика он обнаружил тоненькие трубочки, по которым текла холодная лягушечья кровь.
Левенгук увидел в свои волшебные стекла мельчайшие живые существа. Одни из них были с подвижными отростками, другие со странными ножками-щупальцами, а у третьих быстро колебались тысячи тончайших ножек– ворсинок.
Все эти существа (амебы, туфельки и другие инфузории) двигались, ловили добычу, переваривали ее, размножались и умирали.
Это был новый чудесный мир, который кишел около человека, но был незаметен и невидим простым, невооруженным глазом.
В свои линзы Левенгук сумел разглядеть, как ему тогда казалось, менее интересные, почти неподвижные палочки и изогнутые тельца.
Это были микробы. И именно они-то и оказались впоследствии самым важным и интересным из всего того, что увидел Левенгук в свои волшебные стекла.
Но об этом люди узнали только спустя двести лет после открытия Левенгука, когда ученые стали разглядывать микробов не в простые увеличительные стекла, а в сложные приборы – микроскопы.
Так человечество узнало о том, что, кроме привычного видимого мира, где шумели деревья, расцветали цветы, где резвились птицы, летали и ползали насекомые, существуют и другие миры как части единого целого.
В одном из этих миров в громадном безвоздушном пространстве с бешеной скоростью несутся звезды и планеты.
Другой мир, обступающий людей вплотную, кишит мельчайшими живыми существами, природа и деятельность которых не ясна и не разгадана.
Ученые заинтересовались этим микроскопическим миром. Они построили микроскопы – приборы, более совершенные, чем линзы Левенгука, и с их помощью стали изучать неведомые доселе организмы.
РАЗГАДКА ВОЛШЕБНОГО СТЕКЛА
В чем же тут дело? Почему обычное плоское стекло не увеличивает рассматриваемый предмет, а кривое стекло – линза – его увеличивает во много раз? Почему волшебные стекла Левенгука увеличивали предметы, которые невозможно рассмотреть простым глазом?
Весь секрет заключается в так называемом угле зрения. Что же это за угол? Углом зрения принято называть угол, который составляют две прямые, проведенные к глазу от крайних точек рассматриваемого предмета.
Допустим, что мы рассматриваем яблоко. Линии, проведенные от верха и от низа яблока, сходятся в нашем глазу под каким-то углом. Этот угол и называют углом зрения. Чем ближе от глаза находится рассматриваемый предмет, тем угол зрения будет больше. Наоборот, чем дальше расположен предмет, тем меньше угол зрения.
Углы, как известно, измеряются градусами, минутами и секундами. Полная окружность составляет развернутый угол в 360 градусов. Прямой угол равен 90 градусам. Каждый градус можно разделить на еще меньшие углы – минуты. Условились за минуту принимать угол, равный одной шестидесятой доле градуса.
Тут интересно следующее обстоятельство. Оказывается, что мы не можем увидеть простым глазом ни одного предмета, если угол зрения меньше одной минуты. Одна минута – это предел для нашего глаза.
Представьте себе обыкновенную пятнадцатикопеечную монету. Поперечник (диаметр) монеты в пятнадцать копеек равен 20 миллиметрам.
Возьмем эту монету в руку и отнесем ее от глаза на расстояние четверти метра. Мы ее отлично видим – угол зрения большой.
Попросим кого-нибудь отнести монету на большее расстояние. Она будет все уменьшаться и уменьшаться. Монета как бы тает на наших глазах. Вот она уже на расстоянии 10 метров и кажется совсем, совсем маленькой. Это значит, что уменьшился угол зрения, угол между двумя воображаемыми прямыми, проведенными в наш глаз с верха и с низа монеты.
Геометрия учит, что предмет, удаленный на расстояние, в 57 раз большее его поперечника, должен представиться наблюдателю под углом зрения в один градус.
Если произвести вычисления, то окажется, что мы будем смотреть на нашу пятнадцатикопеечную монету под углом в один градус уже и тогда, когда она удалена от нас на расстояние всего лишь немногим больше одного метра.
Как только угол зрения станет меньше одной минуты, мы совсем потеряем монету из виду.
«Но при чем же тут волшебные стекла Левенгука?» спросит читатель.
Оказывается, что световые лучи, проходя через выпуклое стеклышко – линзу, преломляются и увеличивают угол зрения. Поэтому невидимый предмет через линзу становится отлично видимым.
Гранильщики драгоценных камней, вышивальщицы тончайших узоров на тканях, часовых дел мастера, резчики художественных изделий из слоновой кости – все это люди с очень зоркими глазами. Их наметанный глаз способен различать мельчайшие детали рисунка, недоступные другим. Но даже и эти «сверхзоркие» люди не могут увидеть предметы размером меньше одной десятой доли миллиметра.
Схема преломления лучей: вверху – в невооруженном глазу, внизу – в лупе.
Если такие маленькие предметы приблизить к глазам почти вплотную, то все равно ничего не увидишь. Это потому, что угол зрения будет меньше одной минуты.
Но стоит только между предметом и глазом поместить линзу, как угол зрения сразу же увеличивается, и рассматриваемый предмет будет отлично виден.
Чтобы прочесть книгу, напечатанную мелким шрифтом, мы приближаем ее к нашим глазам. Благодаря этому увеличивается угол зрения, под которым мы видим буквы. Но как бы близко мы ни приближали к нашим глазам каплю воды с плавающими в ней микробами, мы ничего не увидим. Эти мельчайшие живые существа останутся недоступными для нашего зрения.
И все это потому, что лучи света, отраженные от них, падают в наш глаз под углом зрения в сотые и тысячные доли минуты.
Только при помощи увеличительных стекол, преломляющих световые лучи и увеличивающих угол зрения, под которым видны рассматриваемые предметы, удалось увидеть микробы и другие мельчайшие предметы.
Это объясняется устройством нашего глаза. Отраженный от предмета свет попадает на сетчатку глаза. Сетчатка состоит из нервных окончаний – палочек и колбочек, чувствительных к свету. Если свет на сетчатку попадает под углом зрения, меньшим чем одна минута, то возбуждается только небольшое количество нервных клеток глаза, и мы видим вместо предмета одну точку. При еще меньших размерах предмета мы не видим даже и точки.
Мельчайшие предметы совершенно ускользают от нашего зрения, и единственное средство для того, чтобы их рассмотреть, – это увеличение угла зрения.
ПЕРВЫЕ НАХОДКИ
Левенгук добился того, что смог одной линзой увеличивать изображение предмета в десятки раз.
Если же взять несколько хорошо отшлифованных и точно сделанных линз и расположить их одну над другой, то изображение предмета можно увеличить еще больше.
В сложных оптических приборах – микроскопах – путем подбора линз удалось добиться увеличения изображений предметов в 1500–2000 раз[1]1
Некоторые системы современных советских оптических микроскопов со сложными линзами дают увеличение до 3600 раз, но большинство микроскопов, употребляемых в практических работах, имеют увеличение в 1500–2000 раз. Поэтому в дальнейшем мы будем говорить об обычных системах оптических микроскопов с максимальным увеличением в 2000 раз.
[Закрыть]. Все более и более мелкие живые организмы и частицы становились доступными для изучения.
Изобретение оптического микроскопа, с помощью которого можно было наблюдать и изучать предметы, недоступные невооруженному глазу, помогло расширить представление о живой и мертвой природе, окружающей нас.
Оптический микроскоп позволил изучить тонкое строение клеток растений и животных, строение минералов, металлов и их сплавов. В оптический микроскоп были рассмотрены невидимые простым глазом тончайшие ответвления нервных волокон и кровеносных сосудов. С помощью оптического микроскопа были открыты микробы туберкулеза, холеры, брюшного тифа, дизентерии, сапа и других заболеваний.
Оказалось, что эти опасные для жизни болезни вызывались ничтожными «зверюшками», наподобие тех, которых видел Левенгук в свои увеличительные стекла.
Эти мельчайшие существа были живыми. Они двигались, питались, быстро размножались и убивали выделяемыми ими ядами – токсинами – организмы человека и животных.
Формы бактерий.
Крошечные убийцы были открыты учеными, которые изучили условия их жизни и нашли способы борьбы с ними.
Удалось создать такие лекарственные вещества, которые уничтожают микробов. Были разработаны точные методы обнаружения заболеваний.
До этих открытий трудно было распознавать болезни. Заболел человек. Поднялась температура. Началась рвота. А в чем дело, неизвестно. И лишь тогда, когда были открыты возбудители заболеваний (микробы), люди научились быстро распознавать болезни и бороться с ними.
Сотни тысяч человеческих жизней были спасены благодаря изобретению оптического микроскопа.
НОВАЯ ТАЙНА НЕВИДИМОГО МИРА
Однако все попытки обнаружить возбудителей некоторых других заразных (инфекционных) болезней не давали никаких результатов.
Страшная болезнь бешенство, некоторые виды энцефалита, оспа, корь, грипп и другие инфекционные заболевания изучались многими видными учеными.
Но никаких возбудителей этих болезней ученым обнаружить не удалось. А люди болели и умирали.
Оптические микроскопы были бессильны показать ученым тот таинственный мир, в котором скрывались невидимые, мельчайшие микробы. Туберкулезную палочку, холерного вибриона и многих других страшных микробов помог изучить исследователям оптический микроскоп.
Но показать ученым бациллы бешенства, оспы, энцефалита, гриппа было не в его силах. А может быть, их и нет совсем, этих бацилл? Может быть, это одна лишь фантазия, выдумка настойчивых ученых, почему-то видевших во всех заразных болезнях одну единственную причину – микробов?
И многие жрецы науки в бессилии разводили руками и пожимали плечами. Может быть, действительно, думали они, напрасно мы ищем того, чего нет! Может быть, на самом деле болезни, возбудителей которых мы не можем обнаружить, вызываются какими-то другими причинами, а не микроорганизмами? Может быть, причину многих страшных болезней, уничтожающих человечество, следует искать в божьем гневе?
Русский ученый Д. О. Ивановский был не согласен с этим мнением. Одновременно с ним работал другой русский ученый, микробиолог Н. Ф. Гамалея. В 1856 году он произвел опыт, доказывавший существование мельчайших, невидимых в оптический микроскоп микробов. Гамалея пропустил кровь зараженного чумой животного через специальный мелкопористый фильтр, не пропускающий бактерий. Жидкость, которая просочилась через этот фильтр, была впрыснута Гамалеей здоровому теленку. Теленок заболел чумой. Отсюда Гамалея сделал вывод, что профильтрованная жидкость, хотя и была свободна от микробов, которые не смогли пройти сквозь поры фильтра, все же содержала какое-то невидимое под микроскопом заразное начало. Ивановский упорно искал невидимых даже в оптический микроскоп крохотных убийц и в конце концов напал на их след. Ивановский разгадал эту новую тайну невидимого мира.
ОТКРЫТИЕ РУССКОГО УЧЕНОГО
Как же сделал Ивановский свое замечательное открытие, которому суждено было сыграть в дальнейшем столь большую роль в науке?
Ивановский был не врачом, а ботаником. Он всю жизнь возился с растениями и, кроме них, ничем не занимался.
Д. О. Ивановский.
В 90-х годах прошлого столетня в Крыму появилась ужасная болезнь, поражавшая растения. От этой болезни гибли большие плантации, занятые посевами табака. На листьях табака появлялись какие-то странные язвы. Табак погибал.
Молодого ботаника Ивановского послали в Крым изучить эту болезнь. Болезнь растений, носившая название «табачной мозаики», была в самом разгаре. Ивановский произвел множество опытов, но возбудителя заболевания ему обнаружить долго не удавалось.
Тогда Ивановский предположил, что заболевание вызывается токсинами – ядами, которые выделяются бактериями. Токсины можно отделить от бактерий, процедив раствор, в котором они находятся, через мелкопористый фильтр.
В одном из своих опытов Ивановский растер несколько больных листьев табака в кашицу и разбавил ее водой. Потом он профильтровал полученный раствор через фильтр, не пропускающий бактерий.
Если это заболевание вызывается бактериями, рассуждал Ивановский, то они должны задержаться фильтром. Профильтрованная же вода будет содержать только выделяемое бактериями ядовитое начало – токсин.
Ивановский впрыснул изрядную дозу профильтрованного раствора в совершенно здоровое растение. Оно заболело.
Можно было подумать, что в соке больного растения и в самом деле содержится какой-то токсин, способный вызвать заболевание. А может быть, все-таки это был не токсин, а что-то другое? Как это доказать?
Ивановский повторил опыт. Он растер в кашицу листья вновь заболевшего растения и, снова профильтровав сок, впрыснул его в другое здоровое растение, ранее никогда не болевшее.
Это растение также заболело, причем даже скорее, чем первое.
Ивановский переносил заболевание от одного растения к другому, пытаясь найти такую дозу токсина, которая была бы безвредна для растений.
Ведь токсин (если это был он!) каждый раз разбавляется соком следующего растения. Его должно становиться все меньше и меньше с каждой прививкой. В конце концов он должен разбавиться настолько, чтобы уже не вызывать заболевания. А получалось обратное – сок растений все время усиливал свою способность вызывать заболевание.
Странная история, думал Ивановский: вместо того чтобы ослабевать в своей силе, растворяясь все больше и больше в каждом последующем растении, токсин делается еще более ядовитым!
Нет, это не токсин, решил Ивановский, а какие-то мельчайшие микробы, которые пролезают через поры фильтра и все время размножаются.
Эти ничтожные из ничтожных представители животного мира были названы вирусами. Вирусы не росли на тех питательных средах (бульон, агар-агар), на которых с успехом живут и размножаются обычные, видимые в оптический микроскоп микробы.
Как потом оказалось, вирусы питаются, растут и размножаются внутри клеток организмов, в которых они паразитируют.
Элементарные тельца в клетке.
Поэтому воздействовать на вредные вирусы, уничтожить их гораздо сложнее, чем обычных микробов.
Фарфоровые фильтры, которые задерживают разведенных в воде обычных микробов, пропускают через свои мельчайшие поры открытые Ивановским вирусы. Так малы эти созданные природой ничтожные организмы!
Ученые – микробиологи не сразу поверили в это открытие. Но целой серией блестящих опытов Ивановский подтвердил свою гениальную догадку. Он сделал поистине великое дело: открыл невидимых в оптический микроскоп мельчайших из самых мелких микробов и создал новую науку – вирусологию. Недаром Ивановского называют отцом вирусологии.
В ПОГОНЕ ЗА НЕВИДИМКАМИ
С этого дня началась погоня за вирусами.
Ученые открывали один вирус за другим. Их оказалось немало. В настоящее время открыто около двухсот вирусов, вызывающих различные заболевания человека, животных и растений.
Отвратительная болезнь, оставляющая на лице человека следы на всю жизнь, – оспа, бешенство, от которого люди раньше умирали в. девяноста случаях из ста, вызываются вирусами. Они же являются причиной различных видов энцефалита – воспаления головного мозга, от которого редко излечивались люди, гриппа, свинки, кори, чумы собак, свиней и рогатого скота, ящура и многих других заболеваний.
Трудно даже представить себе, как ничтожно малы эти маленькие зверьки – вирусы.
Эти мельчайшие живые существа, попав в организм человека, через короткое время валят его с ног и убивают.
Ивановскому так и не удалось увидеть открытые им вирусы. В 90-х годах прошлого столетия, когда он жил и трудился, не было еще электронных микроскопов, которые бы подтвердили правильность его открытия. А самые лучшие оптические микроскопы были бессильны показать исследователям таинственных невидимок.
Эти загадочные возбудители опасных болезней ускользали от глаз ученых и продолжали творить свое черное дело.
Словно боясь, что их поймают и уничтожат, вирусы прятались от взоров человека где-то в темных и таинственных глубинах невидимого мира. Прятаться им помогали чрезвычайно малые их размеры.
Много усилий было потрачено на то, чтобы определить хотя бы приблизительную величину таинственных невидимок. Это была очень трудная задача. Подумать только: определить размеры микробов, невидимых даже в микроскопы!
И все-таки ученые определили приблизительные размеры этих ничтожных существ.
Раствор, в котором, как предполагалось, были вирусы, процеживали через пористые фильтры. Размер пор фильтров точнейшим образом измеряли всеми доступными способами. Если профильтрованный раствор вызывал заболевание, значит вирус проходил через фильтр и его величина была меньше, чем размеры пор фильтра.
Таким косвенным путем были измерены вирусы. Оказалось, что они имеют величину от нескольких миллионных до двух десятитысячных долей миллиметра.
Только самые крупные вирусы, размером около 0,0002 миллиметра, можно было кое-как рассмотреть в оптические микроскопы. Таких «крупных» вирусов оказалось немного. Остальные были недоступны для наблюдения.
Вирусы меньше чем в 0,0002 миллиметра в оптический микроскоп увидеть нельзя.
