Текст книги "Электронный микроскоп"
Автор книги: Сергей Клементьев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
КАК УСТРОЕН СОВЕТСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Советский электронный микроскоп имеет форму колонны высотой приблизительно в один метр.
Колонна состоит из металлических труб, свинченных болтами. Диаметр колонны —130 миллиметров. Внутри колонны находятся все основные части электронного микроскопа.
Там помещается осветительная система, состоящая из источника электронов – электронной пушки.
Схема советского электронного микроскопа.
Под электронной пушкой, если смотреть сверху вниз, размещена электромагнитная (конденсорная) линза. Она собирает на исследуемых препаратах электроны, вылетающие из пушки. Потом идет камера препаратов с предметным столиком.
Эта камера так устроена, что допускает перемещение образцов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Кроме того, камера допускает наклон образцов под небольшим углом по отношению к оси микроскопа. Это крайне важно в тех случаях, когда производится объемная съемка (стереосъемка).
Еще ниже находится объективная электромагнитная линза.
Она дает увеличение изображения исследуемых образцов в 130 раз. На маленьком промежуточном экранчике можно наблюдать эти изображения.
И еще ниже под объективной линзой располагается другая линза, называемая проекционной. Это вторая ступень увеличения. Увеличение этой линзы может изменяться, по желанию, от 20 до 200 раз.
Общее увеличение электронного микроскопа получается перемножением тех увеличений, которые дают объективная и проекционная линзы.
Меняя увеличение проекционной линзы, получают общее увеличение в пределах от 2 600 до 26 000 раз.
Под проекционной линзой находится экран. Как вы уже знаете, этот экран покрыт особым химическим составом, который светится при попадании на него электронов.
На экране можно прямо видеть следы ударяющихся электронов, рисующие рассматриваемое изображение. Тут же укреплено и устройство для смены фотопластинок. По желанию исследователей, можно либо наблюдать изображение предметов, либо его сфотографировать.
Вот все, что находится внутри металлической колонны электронного микроскопа.
Под колонной установлен вакуумный насос, высасывающий из нее воздух. Этот насос создает предварительный вакуум. Он выкачивает почти весь воздух, содержащийся в колонне.
Ему помогает другой насос, который называется диффузионным масляным насосом. Он выкачивает остатки воздуха из колонны, доводя разрежение до 0,0001 миллиметра ртутного столба.
С насосами установлено еще так называемое вакуумное распределительное устройство. Этот механизм осуществляет во время работы электронного микроскопа все необходимые вакуумные переключения.
Можно менять изучаемые вещества во время работы, не впуская в микроскоп воздуха.
Кроме самого микроскопа, имеется еще специальная установка электрического питания. Она снабжает электронный микроскоп электроэнергией во время его работы.
В передней части колонны микроскопа расположены смотровые окошечки, через которые рассматривают изображения, получаемые на экранах.
Через одно окошечко, которое находится над проекционной линзой, рассматривают изображение, увеличенное в 130 раз. Это вроде грубой наводки, как бы видоискатель фотоаппарата, по которому производится первоначальная установка исследуемых образцов.
В нижней части прибора находится большое смотровое окно. Через это окно можно рассматривать обоими глазами изображение, увеличенное в десятки тысяч раз.
К тридцатилетию Великого Октября (1947 год) советской электропромышленностью был изготовлен новый электронный микроскоп, дающий увеличение в 200 тысяч раз. Это новая огромная победа советской науки и техники. С такими приборами ученые нашей великой Родины завоюют новые высоты науки.
ГДЕ МОЖНО ПРИМЕНЯТЬ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Где же можно применять электронный микроскоп?
В каких отраслях человеческого знания пользуются этим замечательным прибором? Какие научные и практические вопросы можно решить, имея в своих руках электронный микроскоп?
Область применения электронного микроскопа очень велика. Он необходим для медицинских и для биологических исследований. Без него трудно обойтись физикам при изучении мира молекул и атомов. Электронный микроскоп – незаменимый прибор для металлургов и химиков, текстильщиков и машиностроителей. Большую пользу он приносит также в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Электронный микроскоп помогает человеку проникать взором в самые сокровенные тайники природы и использовать полученные знания на благо человечества.
ПОМОЩНИК «ОХОТНИКОВ ЗА МИКРОБАМИ»
Когда-нибудь, через много лет, на земле наступит счастливое время. Все вредные микробы исчезнут с лица земли. Исчезнут они, конечно, не сами по себе – их уничтожит человек коммунистического общества, вооруженный знаниями.
Не будет болезней, от которых сейчас умирает много людей.
Люди будут доживать до глубокой старости. А может быть, и сама старость будет побеждена. Смерть отступит назад, и не будет больше преждевременных жертв, вызванных крохотными убийцами – микробами.
В разрешении этой благородной и важной задачи большую роль будет играть советский электронный микроскоп. Как мощный прожектор, он осветит невидимый мир врагов человека и поможет их уничтожить.
Война на этом фронте, как вы уже знаете, началась давно, с момента изобретения оптического микроскопа. Микроскопы со стеклянными линзами открыли перед человечеством мир вредоносных бактерий, помогли их изучить и найти средства борьбы с ними.
Но это было лишь началом борьбы. Самое сложное и трудное оказалось впереди. Кроме бактерий, открытых с помощью световых микроскопов, оказался еще целый мир более мелких «зверюшек», которые приносят неисчислимый вред человечеству, животным и растениям.
С помощью электронного микроскопа человек смог их увидеть, изучить и найти средства борьбы с этими зловредными существами.
ТАЙНА БРОНИРОВАННОГО ЧУДОВИЩА
Кто из нас не слыхал про страшный бич человечества – туберкулез? Медленно, но неуклонно убивает свою жертву возбудитель туберкулеза – палочка Коха. Лекарства, вводимые в организм больного, часто не оказывают никакого действия. Человек чахнет и умирает. Его легкие разрушаются страшными микробами туберкулеза.
В других случаях каверны в легких зарубцовываются, больной быстро выздоравливает и становится совершенно трудоспособным.
В чем же тут дело? Почему в одних случаях палочки Коха разрушают ткани легкого, а в других случаях сами исчезают, оставляя лишь небольшой рубец – след своего пребывания в легком больного?
Ученые давно предполагали, что туберкулезная бактерия одевается в довольно толстую, плотную оболочку. Эта оболочка, состоящая из вещества, называемого жировоском, как броня, предохраняет бактерию от действия лекарств и защитных сил организма. Однако подробности строения этой брони невозможно было рассмотреть в обычные (оптические) микроскопы.
Электронный микроскоп помог разгадать тайну бронированного чудовища, убивавшего ежегодно миллионы людей на земном шаре.
Теперь, когда ученые увидели подробности строения этой брони, они сумеют найти для нее подходящие снаряды.
Туберкулезная палочка, сеявшая смерть, теперь сама обречена на гибель. Пройдет немного времени, и бронированное чудовище навсегда исчезнет с лица земли.
Бактерия, покидающая оболочку. Увеличение – 19 000.
Оказалось, что не одна туберкулезная палочка имеет защитную оболочку. Многие другие бактерии оберегают себя от действия лекарств и защитных сил организма подобными же оболочками.
Обнаружить, что некоторые другие бактерии имеют оболочку, состоящую из слизистой массы (слизистая капсула), стало возможным только тогда, когда появился электронный микроскоп. С помощью электронного микроскопа были открыты жгутики у микробов, у которых их раньше не видели, обнаружены нитчатые формы микробов, недоступные прежде для изучения, и т. д. В электронный микроскоп удалось увидеть удивительное зрелище: бактерию, покидающую свою оболочку.
ПОЖИРАТЕЛИ МИКРОБОВ
Весной, как только появляются первые мухи, бывают вспышки весьма опасной болезни – дизентерии.
На своих лапках мухи переносят миллионы дизентерийных микробов. Стоит этим микробам попасть вместе с пищей в рот, как человек тяжело заболевает.
Кишечный канал больного дизентерией покрывается изнутри трудно заживающими язвами, резко повышается температура, возникают сильные боли и резь в животе. Больной очень мучается и в тяжелых случаях может умереть.
Нападение бактериофагов на бактерию дизентерии.
В оптический микроскоп удалось увидеть микроба – возбудителя дизентерии. Это была невзрачная на вид палочка ничтожных размеров. Но как с ней бороться, никто не знал. Пробовали всевозможные средства, но ни одно из них не давало быстрого и надежного результата. Только однажды блеснул луч надежды. Один из ученых-микробиологов, делая опыты с разведением микробов, случайно заметил, что иногда микробы в его стеклянных пробирках куда-то пропадают.
Вот еще вчера пробирка с питательной средой кишела ядовитыми микробами дизентерии, а сегодня она совершенно чиста от них.
Ученые терялись в догадках: куда могли исчезнуть микробы? Ведь не сами же себя они уничтожили! Еще ни разу не наблюдалось, чтобы микробы кончали жизнь самоубийством.
Но тогда где же они?
Было высказано предположение, что какое-то неизвестное вещество, попавшее в питательную среду, уничтожило микробов дизентерии. Это вещество, проглоченное дизентерийным больным, начисто уничтожало всех микробов, и больной быстро выздоравливал. Оно как бы пожирало микробов дизентерии, так быстро было его действие. Его и назвали бактериофагом, что по-русски означает «пожиратель бактерий».
Но что это было за вещество? Было ли это мертвое, неорганическое вещество сложного химического состава или это были живые существа, которые заглатывали и пожирали дизентерийного микроба?
В обычный, оптический микроскоп можно было прекрасно увидеть дизентерийного микроба, а бактериофаг, который его «проглатывал», был совершенно не виден.
Что же это за таинственный незнакомец? Почему его нельзя было увидеть в микроскоп? Ведь если бактериофаг проглатывал дизентерийного микроба, то сам он должен быть по размерам больше его!
Распадение бактерии дизентерии под действием бактериофагов через 30 минут.
Может быть, бактериофаг – это не живое существо, а какое-то сложное химическое соединение, убивающее дизентерийных микробов?
Но тогда почему же под микроскопом мы не видим трупов убитых микробов? Куда же исчезают тела микробов, если это вещество их только убивает?
На деле же выходило так, что стоило только в культуру живых дизентерийных микробов влить несколько капель жидкости бактериофага, как через короткое время под микроскопом не удавалось найти ни живого, ни мертвого микроба.
Многие ученые были твердо убеждены в том, что бактериофаги – это не какое-нибудь химическое вещество, а действительно приносящие пользу человеку живые организмы, пожирающие микробов.
Вероятно, бактериофаги как-то иначе питались микробами, не проглатывая их? Не видно же в оптический микроскоп их было, наверное, потому, что они были гораздо меньших размеров, чем сам дизентерийный микроб.
Ученые считали, что размер этих полезных для человека живых организмов приблизительно такой же, как и у фильтрующихся вирусов.
Электронный микроскоп подтвердил догадку ученых о природе бактериофага. В поле зрения электронного микроскопа пожиратели микробов выглядят совсем маленькими круглыми шариками, – с тоненькими хвостиками.
Хвостик, видимо, помогает бактериофагу передвигаться по направлению к вредоносному дизентерийному микробу. Длина хвостика бактериофага немногим больше 0,0001 миллиметра, а тельце его еще меньше.
По сравнению с бактериофагами дизентерийный микроб выглядит громадиной.
В поле зрения электронного микроскопа ясно видно, как яростно атакуют крошечные бактериофаги этого зловредного гиганта. Быстро устремляются к микробу их хвостатые тельца. Одни из них уже жадно впились в тело бактерии и проникли внутрь. Другие осаждают ее со всех сторон, как стая гончих псов обкладывает большого злого зверя.
Бактериофаги, проникнув внутрь тела микроба, быстро вызывают его распад. Есть предположение, что бактериофаги как бы растворяют тело микроба выделяемыми ими особыми веществами – ферментами.
Когда бактериофаги уничтожат всех дизентерийных микробов, больной начинает поправляться, и вскоре наступает его полное выздоровление.
Электронный микроскоп будет применен для исследования многих других микробов и вирусов, вызывающих заболевания. Будут прослежены рост и развитие бактерий и вирусов. Исследователи своими глазами увидят, как питаются, размножаются и умирают бактерии. Только с помощью электронного микроскопа удастся точно изучить и внутреннее строение бактерий. Подробно будет изучено воздействие на микробы различных лекарственных средств и химических веществ.
Зная во всех подробностях строение и жизнь болезнетворных бактерий, ученым будет легче найти способы их быстрейшего уничтожения.
ДВАДЦАТЬ МИЛЛИОНОВ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ЖИЗНЕЙ
Некоторые ошибочно думают, что грипп – быстро проходящее и легкое заболевание. Но это не так. В 1919–1920 годах эпидемия гриппа (испанки) охватила весь мир. Она пронеслась по земному шару, как смертоносный смерч, и унесла в могилу около двадцати миллионов человеческих жизней.
Это была тяжелая форма гриппа, вызванная чрезвычайно ядовитыми вирусами.
Изучение вирусов гриппа с помощью электронного микроскопа обнаружило, что они имеют форму круглых шариков.
Величина этих смертоносных шариков измерена в электронном микроскопе совершенно точно.
Диаметр шарика равен 77,6 миллимикрона, то-есть составляет 77,6 миллионной доли миллиметра.
На самом кончике острия швейной иголки может уместиться, тесно прижавшись друг к другу, около сотни таких шариков.
Вирус гриппа в электронном микроскопе (белая линия – масштаб одного микрона).
И эти ничтожные по размерам шарики унесли в могилу только за два года 20 миллионов человек.
В ослабленной форме вирусы гриппа и сейчас носятся по всему земному шару, вызывая время от времени эпидемии.
Если сейчас меньше умирают от гриппа и его осложнений, то это только потому, что наука научилась с ним бороться.
Ожесточенная борьба с вирусом гриппа не прекращается ни на одну минуту. Ученые-вирусологи изобретают всё новые и новые снаряды для «стрельбы» по зловредным шарикам гриппа, и скоро он будет окончательно побежден.
И в этом ученым окажет огромную помощь их сверхзоркий помощник – электронный микроскоп.
МЕЛЬЧАЙШИЕ ИЗ МАЛЫХ
Исследование вирусов в электронном микроскопе уже позволило установить их истинные формы и размеры. Оказалось, например, что вирусы отвратительной болезни – оспы, превращающей красивое молодое лицо в рябое, – вовсе не круглые, как они выглядели в оптическом микроскопе.
Элементарные тельца оспы в оптическом микроскопе.
Элементарные тельца оспы в электронном микроскопе.
Эти зловредные создания – многоугольной формы, слегка вытянутые в длину. Зная истинную форму и размеры вирусов, их стали легче обнаруживать.
Вирус, поражающий кур и других домашних птиц, оказался похожим на бактериофагов.
У некоторых бактериофагов на кончике хвостика находится небольшой нарост, по форме напоминающий пуговицу. По этому признаку их легко отличать от других микроорганизмов.
Некоторые вирусы в поле зрения электронного микроскопа оказались палочкообразными. Например, вирус мозаики табака, который был открыт знаменитым русским ученым Д. О. Ивановским и которого ему так и не удалось увидеть, имеет форму палочек. Длина этих палочек оказалась около 0,0003 миллиметра, а толщина – в двадцать пять раз меньше.
Неудивительно, что в оптический микроскоп их не видели и узнали о существовании этих вирусов только благодаря гениальной прозорливости русского ученого.
Вирусы мозаичной болезни табака. Увеличение – 20 000.
Вирусные болезни наносят большой ущерб сельскому хозяйству. Вот обширное картофельное поле. По ботве картофеля видно, что он болен. Листья скручены, морщинисты. С клубнями творится тоже что-то неладное, и многие из них уже гниют.
По соседству другое поле. Оно густо засеяно сахарной свеклой. И тут неблагополучно с ботвой. Листья у нее какие-то пестрые: зеленые, с желтоватыми пятнами. Пятна эти без зеленых зернышек (хлорофилла). Без хлорофилла растение не может правильно дышать и перерабатывать пищу, получаемую из воздуха. Это мешает свекле расти и заготовлять сахар.
Мозаичная болезнь наблюдается не только у табака, но и у хлопчатника, яблони, груши, малины, смородины, винограда.
Электронный микроскоп помогает ученым распознавать эти болезни. Изучая воздействие различных химических веществ на вирусы, ученые, вооруженные электронным микроскопом, находят средства борьбы со многими страшными болезнями, вызываемыми вирусами.
Когда стала известна величина вирусов, ученые начали сомневаться: живые они или нет.
Существа это или вещества?
Некоторые из вирусов настолько незначительны по своим размерам, что непонятно, как такие крохотные существа могут жить: питаться и размножаться.
Например, вирус болезни, носящей название «ящур», или вирус, вызывающий у червяка шелкопряда болезнь желтуху, едва-едва достигает величины 10 миллимикрон, то-есть 0,00001 миллиметра.
Это совсем ничтожный размер.
Вот у ученых и возникли сомнения: может ли частица столь незначительной величины, всего лишь в 2–3 раза больше размеров белковой молекулы, быть живой, то-есть дышать, двигаться, питаться и размножаться? Или же это не живое существо, а какое-то органическое вещество, из которого могут образоваться бактерии?
И за и против того, что вирусы живые существа, а не мертвые вещества, было приведено много доказательств. Но только после длительного изучения удалось установить, что наиболее крупные вирусы, подобные возбудителю оспы, являются все-таки живыми организмами. Было обнаружено, что эти вирусы размножаются в организме больного и их химический состав сходен с составом других живых бактерий.
Иначе обстоит дело с другими мельчайшими вирусами, особенно с вирусами растений. Из пораженных мозаикой листьев табака было выделено белковое вещество, обладающее некоторыми свойствами кристаллов. Это вещество – нуклеопротеид – можно много раз растворять и кристаллизовать. Растворенные в воде кристаллы нуклеопротеида заражали здоровые растения.
Оказалось, что многие вирусы растений и некоторые вирусы, поражающие животных, также являются нуклеопротеидами.
Большинство ученых считают, что эти вирусы не живые существа, а вещества. Если это и так, то вещества эти совсем особые, и они не были известны раньше.
Однако если эти вещества ввести в живой организм растений или животных, то там они как бы размножаются. Их становится все больше и больше.
Вирусные нуклеопротеиды – это особая форма организованной материи, изучение которой подводит нас к границе живого и неживого.
В этом-то и кроется не разгаданная пока еще тайна природы – тайна сущности жизни.
Электронный микроскоп поможет разгадать таинственную сущность вирусов. Советские ученые уже работают над этой проблемой.
ВЕЛИКАЯ ТАЙНА БЫТИЯ
Что такое человеческая мысль?
Что значит слово «думать»? Какие физико-химические процессы происходят в мозгу человека, когда он думает?
Часто мы говорим, что человек «потерял сознание». Но что значит «потерять» сознание? Что такое сознание?
Все эти вопросы настолько сложны, что точно ответить на них наука пока не может.
Мы знаем, что на свете существует только материя и что все психические процессы, в том числе и мышление, носят материальный характер. Ученые уже давно заметили связь между повреждениями головного мозга и психическими заболеваниями. Но как же проникнуть в существо этих сложных процессов, как понять и изучить те таинственные проявления человеческой жизни, которые связаны с мышлением?
Рассматривая под обычным микроскопом тончайшие срезы с головного мозга умерших и изучая строение нервной ткани, можно составить лишь приблизительное представление о том, что происходит в мозгу человека, когда он думает.
Но, построив гипотезу на основе микроскопического изучения, ученые вдруг сталкивались с новыми явлениями. При изучении их приходилось отказываться от первоначальных понятий и делать другие предположения о существе процессов, происходящих в мозговой коре и в подкорковых нервных центрах.
Через оптический микроскоп в нервных клетках мозга видны какие-то тельца, зернышки, ядра, но что они из себя представляют, что находится у них внутри, разглядеть невозможно, так ничтожно они малы.
Только электронный микроскоп может дать возможность ученым рассмотреть и изучить во всех подробностях тончайшее строение нервной системы. Через электронный микроскоп видны такие детали, которые совершенно невидимы ни простым глазом, ни в самый лучший оптический микроскоп.
Срез мозговых оболочек и костей черепа эмбриона человека. Увеличение – 15 600.
Электронный микроскоп помогает ученым, исследующим строение и деятельность мозга, полнее изучить процессы, происходящие в центральной нервной системе.
Конечно, и электронный микроскоп не дает полного объяснения физиологических и психических процессов, происходящих в головном мозгу человека. Но он приближает исследователей к познанию самых сложных тайн природы, самого высшего, что ею создано, – человеческого мозга.
