ОКНО В НЕВИДИМОЕ (ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП)

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

Лектронная микроскопия — очень молодая наука. Её возраст равен всего 15-ти годам. Но за этот неболь­шой срок она сделала большие успехи. Самых замеча­тельных результатов с помощью электронного микро­скопа удалось добиться в биологии. И это несмотря

На то, что в разреженном пространстве электронного ми­кроскопа в большинстве случаев гибнет всё живое!

Первые работы по применению электронного микро­скопа в биологии начались в 1934 году. В этом году учё­
ные попытались увидеть в электронный микроскоп бак­терии. Испытав несколько способов, они остановились на самом простом: капельку жидкости, содержащую бакте­рии, наносили на тончайшую плёнку коллодия. Этот способ часто применяется и поныне.

Что же нового дал электронный микроскоп в изуче­нии бактерий?

Как известно, бактерии представляют собой живые клетки. Но всякая живая клетка содержит внутри себя протоплазму и ядро.

Имеет ли бактерия то и дру­гое? Ответить на этот вопрос не удавалось, так как опти­ческий микроскоп не давал возможности хорошо разгля­деть бактерию: внутри неё была видна сравнительно од­нородная масса. И только при помощи электронного микро­скопа, наконец, удалось ясно увидеть содержимое бактери­альной клетки. На рисунке 27 изображена группа так называемых стафило­кокков — возбудителей нагноения. Внутри каждого Рис. 28. Деление микроба, стафилококка отчётливо вид­но тёмное образование, резко отличающееся от протоплаз­мы. Подобные образования, по мнению некоторых учёных, и представляют собой ядра бактериальных клеток.

Однако у других бактерий обнаружить ядро не уда­лось и с помощью электронного микроскопа. Отсюда учёные сделали заключение, что у таких микробов ядер - ное вещество растворено во всей протоплазме. Некоторые биологи это объясняют тем, что определённые бактерии, занимающие самую низшую ступень на лестнице живых существ, ещё не успели развиться до разделения прото­плазмы и ядра, как это имеет место у большинства жи­вых клеток.

При помощи электронного микроскопа удалось ясно наблюдать деление микробов (рис. 28), отделение про­топлазмы от стенок у некоторых бактерий, наличие у
многих бактерий длинных тонких жгутиков и многое другое.

На рисунке 29 показан интересный снимок, сделан­ный в электронном микроскопе: протоплазма бактерии «покидает» свою оболочку!

Электронный микроскоп помог рассмотреть не только внутреннее строение бактерий. С его помощью удалось

Увидеть действие на бакте­рии различного рода сыво - вороток, металлов и их соединений и т. д.

Однако самым замеча­тельным успехом элек­тронного микроскопа в биологии было обнаруже­ние дотоле невидимых ми­кробов, так называемых /у| ультравирусов, филь­трующихся виру­сов («вирус» — это зна­чит яд), о существова­нии которых учёные уже догадывались раньше.

Фильтрующиеся виру­сы настолько малы, что их нельзя увидеть в самые сильные оптические ми­кроскопы. Они могут бес­препятственно проходить через мельчайшие поры различных фильтров, на-

Пример, через фарфоровые, за что и получили название фильтрующихся.

Различные вирусы являются возбудителями опасных болезней у человека, животных и растений. У людей ви­русы вызывают такие болезни, как грипп, оспу, бешен­ство, корь, жёлтую лихорадку, детский паралич. У жи­вотных они вызывают бешенство, ящур, оспу и другие болезни. Вирусы поражают картофель, табак, помидоры, плодовые растения, являясь причиной мозаики, скру­чивания, сморщивания и отмирания листьев, одереве­нения плодов, отмирания целых растений, карликово­сти и т. п.

К группе фильтрующихся вирусов некоторые учёные относят и так называемых бактериофагов — «по­жирателей бактерий». Бактериофаг применяется для пре­дупреждения заразных болезней. Различные бактерио­фаги растворяют и разрушают микробов дизентерии, хо­леры, чумы, как бы действительно пожирают их.

Что же представляют собой вирусы и бактериофаги? Как они выглядят? Как взаимодействуют с бактериями? Такие вопросы задавали себе многие учёные до появления электронного микроскопа и не могли на них ответить.

Первыми в электронный микроскоп были обнаружены фильтрующиеся вирусы мозаики табака. Они имели форму палочек. Когда их много, палочки проявляют склонность располагаться в правильной последователь­ности. Это свойство роднит вирусы мозаики табака с теми частицами неживой природы, которые имеют свойство образовывать кристаллы.

Вирусы гриппа при рассмотрении в электронный ми­кроскоп выглядят, как очень маленькие округлые тельца. Также выглядят вирусы оспы.

После того как вирусы стали видны, появилась воз­можность наблюдать и действие на них различных ле­чебных препаратов. Так, учёные наблюдали действие на вирусы мозаики табака и помидоров двух сывороток. От одной из них происходит свёртывание только ультрави­русов мозаики табака, вирусы же мозаики помидоров остаются невредимыми; от другой — наоборот.

Не менее интересные результаты дало изучение с помощью электронного микроскопа и пожирателей бак­терий — бактериофагов. Было найдено, что некоторые бактериофаги представляют собой мельчайшие круглые тельца с длинным хвостом — фаги. Размер фагов со­ставляет всего 5 миллионных долей сантиметра. Их смер­тоносное действие на бактерию заключается в том, что под действием «присосавшихся» к ней бактериофагов бактерия лопается и погибает. На рисунке 30 изобра­жены фаги дизентерийных микробов в момент «атаки». На рисунке видно, как просветлела и начала распадаться левая часть дизентерийного микроба.

Применяется электронный микроскоп и для изучения более сложных организмов, чем бактерии и вирусы.

Мы уже говорили, что все живые организмы гибнут в сильно разреженном пространстве электронного микро­скопа. Этому также способствует сильный нагрев пред­мета, вызванный, главным образом, бомбардировкой электронами диафрагмы или сетки, на которой лежит предмет. Поэтому все снимки, которые были приведены выше, являются снимками уже мёртвых клеток.

Алюминия, которая более прочна в механическом отноше­нии, чем коллодиевая, и поэтому выдерживает больший нагрев. Бактерии подвергались просвечиванию электрон­ными лучами, скорость которых достигала 180 тысяч элек­трон-вольт. После исследований в электронном микро­скопе бактерии помещались в питательную для них среду и тогда споры прорастали, давая начало новым бактери­альным клеткам. Споры гибли только тогда, когда сила тока была больше определённого предела.

Изучая с помощью электронного микроскопа различ­ные клетки организмов, учёные столкнулись с таким яв­лением, когда наблюдаемая частица имеет малую вели­чину и состоит из неплотного вещества, так что рассеяние в ней электронов мало отличается от рассеяния электро­нов в тех местах плёнки, где частицы нет. Между тем, как вы видели, именно различным рассеянием электронов объясняется возможность получить изображение частиц на флюоресцирующем экране или фотопластинке. Каким же образом усилить рассеяние электронных лучей на не­больших частицах, имеющих малую плотность, и сделать их, тем самым, видимыми в электронный микроскоп?

Для этого в самое недавнее время предложен очень остроумный способ. Сущность этого способа — его назы­вают теневым — поясняется на рисунке 31. Слабая струя распыляемого металла в разреженном пространстве падает под углом на исследуемый предмет—препарат. Распыление ведётся нагревом куска металла, например, хрома или золота, в раскалённой током спирали из вольфрамовой проволоки. В результате наклонного па­дения, атомы металла покрывают выпуклости рассма­триваемого предмета (например, частицы, лежащие на плёнке) в большей степени, чем впадины (пространство между частицами). Таким образом, на верхушках вы­пуклостей оседает большее количество атомов металла и они образуют здесь своего рода металлические шапоч­ки (тюбетейки). Этот дополнительный слой металла, осев-

Ший даже на таких незначительных выступах, какими являются бактерии или фильтрующиеся вирусы, и даёт дополнительное рассеяние электронов. Кроме того, бла­годаря большому наклону летящих атомов металла, величина «тени» может быть значительно больше чем размер частицы, отбрасывающей тень! Всё это позволяет видеть в электронный микроскоп даже очень маленькие и лёгкие частицы. На рисунке 32 изображён снимок вирусов инфлуэнции, полученный по этому многообещаю­щему методу. Каждый из шариков, который виден на рисунке, представляет собой не что иное, как большую молекулу!

Широкое применение нашёл себе электронный микро­скоп в химии и физике. В органической химии при по­мощи электронного микроскопа оказалось возможным увидеть крупные молекулы различных органических ве­ществ — гемоглобина, гемоцианина и др. Размер этих мо­лекул 1—2 миллионных доли сантиметра.

Следует заметить, что наименьший диаметр частиц органических веществ, которые могут быть ещё обнару­жены в электронный микроскоп, определяется не только

Разрешающей силой микроскопа, но также и контраст - ностью этих частиц. Может оказаться, что частицу нельзя будет обнаружить только потому, что она не даст заметного рассеяния электронов. Способ усиления кон­трастности напылением металла помог и здесь. На рисунках 33 и 34 приведены две фотографии, на которых ясно видна разница между обычным методом и теневым. Необходимая контрастность препарата была достигнута в этом случае боковым напылением хрома.

Большие успехи были достигнуты при помощи элек­тронного микроскопа и в неорганической химии. Здесь изучались мельчайшие частички, так называемые кол­лоиды, всякого рода металлические пыли, копоти и т. п. Удалось определить форму и размер этих частиц.

В электронный микроскоп изучается состав глин, строение хлопка, шёлка, каучука.

Особо следует остановиться на применении элек­тронного микроскопа в металлургии. Здесь было изу­чено строение поверхностей металлов. Первоначально казалось, что изучение этих поверхностей у толстых металлических образцов возможно только при помощи эмиссионных или отражательных электронных микроско-

Пов. Однако остроумными приёмами удалось научиться исследовать поверхности толстых кусков металла... в про­ходящих электронных лучах! Это оказалось возможным сделать при помощи так называемых реплик.

Репликой называется копия интересующей нас по­верхности металла. Она получается путём покрывания поверхности металла слоем какого-либо другого веще­ства, например, коллодия, кварца, окисла того же ме­талла и т. д. Отделяя затем специальными способами этот слой от металла, вы получаете плёнку, прозрачную для электронов. Она является более или менее точной копией поверхности металла (рис. 35). Пропуская затем через такую тонкую плёнку пучок электронных лучей, вы по­лучите в разных её местах разное рассеяние электронов. Это объясняется тем, что, благодаря неровностям плёнки, путь электронов в ней будет разным. На флюоресцирую­щем экране или фотопластинке в светотенях различной яркости получится изображение поверхности металла!

На рисунке 36 приведена фотография такой поверх­ности. Кубы и параллелепипеды, которые видны на

Фотографии, представляют собой изображение мельчай­ших кристалликов алюминия, увеличенных в 11 тысяч раз.

Исследование плёнок окисла алюминия показало, между прочим, что эти плёнки совершенно лишены отверстий. Быстрые электроны проходят эти плёнки, прокладывая себе путь между атомами и молекулами, и, таким образом, не разрушают плёнку. Более крупным - и более медленным частицам, например, молекулам кисло­рода, путь через такую плёнку оказывается совершенно закрытым. Этим и объясняется замечательная устойчи­вость алюминия против коррозии, т. е. против разъ­едающего металл действия окисления. Покрывшись тон­ким слоем окисла, алюминий тем самым закрывает до­ступ к себе молекулам кислорода извне — от воздуха или воды — и предохраняет себя от дальнейшего окисления.

Совершенно другую картину дают электронно-микро­скопические исследования слоёв окисла железа. Оказы­вается, что плёнки окислов железа букзально испещрены отверстиями, через которые могут легко проникать мо­лекулы кислорода и, соединяясь с железом, разъедать его (т. е. окислять) всё глубже и глубже, образуя ржавчину.

Так, в особенностях строения плёнок окислов алю­миния и железа оказался скрытым секрет стойкости алю­миния и нестойкости железа против коррозии.

В последнее время разработан следующий способ по­лучения реплик, дающий особенно хорошие результаты. К изучаемой поверхности металла под большим давле­нием (250 атмосфер!), при температуре 160 градусов, при­жимают порошок особого вещества — полистирола. После застывания полистирол образует сплошную массу. Затем металл растворяют в кислоте, и полистироловый слой отделяется. На той его стороне, которая была обращена к металлу, благодаря большому давлению при нанесении слоя, запечатлеваются все мельчайшие неров­ности поверхности ме­талла. Но при этом вы­пуклостям поверхности м ета л л а соотв етству ют впадины на поверхности полистирола и наобо­рот. Затем на полисти­рол особым способом наносится тонкий слой кварца. Отделяя этот слой от полистирола, вы будете иметь на нём отпечатанными выпук­лости и вогнутости, соответствующие уже в точности выпуклостям и вогнутостям металлической поверхности. Электроны, проходя через кварцевую реплику, будут, поэтому, по - разному рассеиваться в разных её участках. Тем самым на флюоресцирующем экране или фотопластинке будет воспроизведено строение поверхности металла. Такие плёнки дают замечательную контрастность.

В других репликах контрастность усиливают уже знакомым нам методом напыления металла, падающего на поверхность реплики (например, коллодиевой) под утлом и покрывающего выпуклости больше, чем впа­дины.

Техника реплик может быть применена и для изуче­ния поверхностей готовых металлических изделий, на­пример, деталей машин, а также для изучения различных органических препаратов.

В самое недавнее время при помощи реплик учёные стали изучать строение костных тканей.

При определённых условиях в электронный микроскоп могут непосредственно изучаться и предметы, непрозрач­ные для электронов. Положите, например, в микроскоп кусочек лезвия безопасной бритвы, но так, чтобы он не полностью закрывал электронам дорогу к объективной линзе. Вы увидите теневое изображение острия лезвия (рис. 37). При увеличении в 5 тысяч раз оно совсем не та­кое ровное, каким его видят даже в оптический микроскоп.

Таковы первые успехи электронного микроскопа.