Лекция 13. Микроскопия как метод исследования клеток и тканей.

1. Световая микроскопия.

2. Электронная микроскопия.

Современная цитология располагает многочисленными и разнообразными методами исследования, без которых было бы невозможно накопление и совершенствование знаний о строении и функциях клеток. В настоящей главе мы познакомимся лишь с основными, наиболее важными методами исследования.

Современный световой микроскоп представляет весьма совершенный прибор, который до сих пор имеет первостепенное значение в изучении клеток и их органоидов. С помощью светового микроскопа достигается увеличение в 2000-2500 раз. Увеличение микроскопа зависит от его разрешающей способности, т. е. наименьшего расстояния между двумя точками, которые видны раздельно.

Чем меньше частица, видимая в микроскоп, тем больше его разрешающая способность. Последняя, в свою очередь, определяется апертурой объектива (апертура - действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагмами) и длиной волны света.

Определение разрешающей способности микроскопа производится по формуле: а = 0,6 ,где а -- минимальное расстояние между двумя точками; -- длина волны света; п -- показатель преломления среды, находящейся между препаратом и первой, т. е. фронтальной, линзой объектива; a -- угол между оптической осью объектива и наиболее сильно отклоняющимся лучом, попадающим в объектив, или угол дифракции лучей.

Величина, указанная в знаменателе дроби (n sin a), постоянна для каждого объектива и называется его численной апертурой. Численная апертура, а также увеличение гравируются на оправе объектива. Соотношение между численной апертурой и минимальным разрешаемым расстоянием таково: чем больше численная апертура, тем меньше это расстояние, т. е. тем выше разрешение микроскопа.

Повышение разрешающей способности микроскопа, совершенно необходимое для исследования деталей строения клетки, достигается двумя путями:

1) увеличением численной апертуры объектива;

2) уменьшением длины волны света, которым освещается препарат.

С целью увеличения численной апертуры применяются иммерсионные объективы. В качестве жидкостей служат: вода (я=1,33), глицерин (я=1,45), кедровое масло (/1=1,51) по сравнению с п воздуха, равным 1.

Поскольку показатель преломления иммерсионных жидкостей больше 1, то численная апертура объектива повышается и в него могут попадать лучи, составляющие с оптической осью объектива больший угол, чем в том случае, когда между фронтальной линзой объектива и препаратом находится воздух.

Второй путь увеличения разрешающей способности микроскопа заключается в применении ультрафиолетовых лучей, длина волны которых меньше длины волны лучей видимого света.

Однако разрешающая способность микроскопа может быть повышена только до определенного предела, ограниченного длиной световых волн. Наименьшие частицы, которые хорошо видны в современный световой микроскоп, должны иметь величину больше "/з длины волны света. Это значит, что при использовании видимой части дневного света с длиной волны от 0,004 до 0,0007 мм в микроскоп будут видны частицы не меньше 0,0002-0,0003 мм. Следовательно, с помощью современных микроскопов удается рассмотреть те детали строения клетки, которые имеют величину не меньше 0,2-0,3 мк.

В настоящее время создано много разнообразных моделей световых микроскопов. Они обеспечивают возможность многостороннего исследования клеточных структур и их функции.

Биологический микроскоп. Биологический микроскоп (МБИ-1, МБИ-2, МБИ-3, МБР и др.) предназначен для изучения препаратов, освещаемых проходящим светом. Именно этот тип микроскопа наиболее широко распространен для изучения строения клеток и других объектов.

Однако с помощью биологического микроскопа удается детально изучить главным образом фиксированные и окрашенные препараты клеток. Большинство живых неокрашенных клеток в проходящем свете бесцветны и прозрачны (они не поглощают света), п их не удается рассмотреть подробно.

Фазовоконтрастная микроскопия . Контрастное изображение препаратов живых клеток, почти невидимых при наблюдении их в биологическом микроскопе, дает фазовоконтрастное устройство).

Метод фазового контраста основан на том, что отдельные участки прозрачного препарата отличаются от окружающей среды по показателю преломления. Поэтому проходящий через них свет распространяется с различной скоростью, т. е. испытывает смещение фаз, что выражается в изменении яркости. Фазовые изменения световых волн превращаются в световые колебания разной амплитуды, и получается воспринимаемое глазом контрастное изображение препарата, в котором распределение освещённостей соответствует распределяет широкие возможности в изучении живых клеток, их органоидов и включений в неповрежденном состоянии. Это обстоятельство играет важную роль, так как фиксация и окраска клеток, как правило, повреждает клеточные структуры.

Фазовоконтрастное устройство к биологическому микроскопу состоит из набора фазовых объективов, отличающихся от обычных наличием кольцеобразной фазовой пластинки, конденсора с набором кольцевых диафрагм и вспомогательного микроскопа, который увеличивает изображение кольцевой диафрагмы н фазовой пластинки при их совмещении.

Интерференционная микроскопия. Метод интерференционного контраста близок к методу фазовоконтрастной микроскопии и дает возможность получать контрастные изображения неокрашенных прозрачных живых клеток, а также вычислить сухой вес клеток. Специальный интерференционный микроскоп, применяемый для этих целей, устроен так, что пучок параллельных световых лучей, идущих от источника света, разделяется на две параллельные ветви -- верхнюю и нижнюю.

Нижняя ветвь проходит через препарат, и фаза ее светового колебания изменяется, а верхняя волна остается неизменной. За препаратом, т.е. в призмах объектива, обе ветви вновь соединяются и интерферируют между собой. В результате интерференции участки препарата, обладающие различной толщиной или неодинаковыми показателями преломления, окрашиваются в разные цвета и становятся контрастными и хорошо видимыми.

Флуоресцентная микроскопия . Подобно методу фазового контраста флуоресцентная (или люминесцентная) микроскопия дает возможность изучать живую клетку. Флуоресценцией называется свечение объекта, возбуждаемое поглощенной им световой энергией. Возбуждать флуоресценцию можно ультрафиолетовыми, а также синими н фиолетовыми лучами.

Целый ряд структур и веществ, содержащихся в клетках, обладает собственной (или первичной) флуоресценцией. Например, зеленый пигмент хлорофилл, содержащийся в хлоропластах растительных клеток, обладает характерной ярко-красной флуоресценцией. Довольно яркое свечение дают витамины А и B, некоторые пигменты бактериальных клеток; это позволяет распознавать отдельные виды бактерий.

Однако большинство веществ, содержащихся в клетках, не обладает собственной флуоресценцией. Такие вещества начинают светиться, обнаруживая разнообразную окраску, только после предварительной обработки люминесцентными красителями (вторичная флуоресценция). Эти красители носят название флуорохромов, К ним относятся флуоресцеин, акридин оранжевый, берберин-сульфат, флоксин и др. Флуорохромы обычно применяются в очень слабых концентрациях (например, 1:10000, 1:100000) и не повреждают живую клетку. Многие из флуорохромов избирательно окрашивают отдельные клеточные структуры и вещества в определенный свет. Так, акридин оранжевый при определенных условиях окрашивает дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) в зеленый, а рибонуклеиновую кислоту (РНК) в оранжевый цвета. Поэтому вторичная флуоресценция с акридином оранжевым сейчас один из важных методов изучения локализации нуклеиновых кислот в клетках различных организмов.

Кроме того, применение флуорохромов дает возможность получить контрастные, удобные для наблюдения препараты, на которых легко можно найти нужные структуры, распознать клетки бактерий и сосчитать их. Метод флуоресцентной микроскопии позволяет также изучить изменения клеток и отдельных внутриклеточных структур при разных функциональных состояниях, дает возможность различать живые и мертвые клетки.

При использовании в качестве источника флуоресценции синих и фиолетовых лучей света аппаратура состоит из обычного биологического микроскопа, низковольтной лампы (для микроскопа) е синим светофильтром, который пропускает лучи, возбуждающие флуоресценцию, и желтого светофильтра, убирающего излишние синие лучи. Применение же ультрафиолетовых лучей как источника флуоресценции требует специального флуоресцентного микроскопа с оптикой из кварца, пропускающего ультрафиолетовые лучи.

Поляризационная микроскопия . В основе метода поляризационной микроскопии лежит способность различных компонентов клеток и тканей к преломлению поляризованного света. Некоторые клеточные структуры, например нити веретена деления, миофибриллы, реснички мерцательного эпителия и др., характеризуются определенной ориентацией молекул и обладают свойством двойного лучепреломления. Это так называемые анизотропные структуры.

Исследование анизотропных структур производится с помощью поляризационного микроскопа. От обычного биологического микроскопа он отличается тем, что перед конденсором помещается поляризатор, а за препаратом и объективом помещены компенсатор и анализатор, позволяющие детально исследовать двойное лучепреломление в рассматриваемом объекте. При этом в клетках обычно наблюдаются светлые или окрашенные структуры, вид которых зависит от положения препарата по отношению к плоскости поляризации и от величины двойного лучепреломления.

Поляризационный микроскоп дает возможность определить ориентировку частиц в клетках и других структурах, четко видеть структуры с двойным лучепреломлением, а при соответствующей обработке препаратов можно сделать наблюдения над молекулярной организацией той или иной части клетки.

Микроскопия в темном поле. Изучение препаратов в темном ноле осуществляется с помощью особого конденсора. От обычного конденсора светлого поля темнопольный конденсор отличается тем, что пропускает только очень косые краевые лучи источника света. Поскольку краевые лучи имеют сильный наклон, они не попадают в объектив, и поле зрения микроскопа оказывается темным, а объект, освещенный рассеянным светом, кажется светлым.

На препаратах клеток обычно содержатся структуры разной оптической плотности. На общем темном фоне эти структуры четко видны благодаря их различному свечению, а светятся Они потому, что рассеивают попадающие на них лучи света (эффект Тиндаля).

В темном поле можно наблюдать разнообразные живые клетки.

Ультрафиолетовая микроскопия . Ультрафиолетовые (УФ) лучи глазом человека не воспринимаются, в силу чего непосредственное изучение клеток и их структур в них невозможно. Для целей исследования препаратов клеток в УФ лучах Е.М. Брумберг (1939) сконструировал оригинальный ультрафиолетовый микроскоп МУФ-1, и в настоящее время имеется несколько моделей этого микроскопа. Метод Е.М. Брумберга основан на том, что многие вещества, входящие в состав клеток, имеют характерные спектры поглощения УФ лучей.

При исследовании различных веществ в живых или фиксированных неокрашенных клетках и тканях в таком микроскопе препарат фотографируется трижды (на одной и той же пластинке) в лучах трех различных зон УФ спектра.

Для фотографирования длины УФ волн подбираются так, чтобы в каждой зоне находилась полоса поглощения какого-либо одного вещества, не поглощающего лучи в двух других зонах. Поэтому вещества, которые видны на фотографиях, оказываются разными на всех снимках.

Затем полученные снимки помещают в особый прибор, называемый хромоскопом. Один снимок рассматривают в синих, второй - в зеленых, а третий - в красных лучах.

Получаются три цветных изображения, которые в хромоскопе сводятся в одно, и на этом конечном изображении объекта различные вещества клетки оказываются окрашенными в разные цвета.

Но ультрафиолетовый микроскоп позволяет, не только фотографировать, а и производить визуальные наблюдения над тканями и клетками, для чего в нем имеется специальный флуоресцирующий экран.

С помощью этого микроскопа удаётся рассмотреть частички несколько меньших размеров, чем в обычный биологический микроскоп, благодаря тому что УФ лучи обладают значительно более короткой длиной волны, чем обычные световые лучи.

Поэтому разрешающая способность УФ микроскопа равна 0,11 мк, в то время как разрешающая способность биологического микроскопа при использовании обычного освещения равна 0,2-0,3 мк.

При помощи ультрафиолетового микроскопа проводится количественное определение поглощения УФ лучей нуклеиновыми кислотами и другими веществами, содержащимися в клетках, т. е. определяется количество этих веществ в одной клетке.

Микрофотографирование . Микрофотографирование разнообразных микроскопических препаратов проводят для того, чтобы получить их увеличенное изображение -- микрофотографию. На микрофотографиях удобно изучать отдельные структуры клеток и других объектов; микрофотографии представляют документы, очень точно отражающие все детали строения микроскопического препарата.

Фотографирование микроскопических препаратов производится с помощью специальных микрофотоустановок или микрофотонасадочных камер. Последние получили широкое распространение и пригодны для микрофотографирования с биологическим и любым другим микроскопом. Микрофотонасадочная камера - это фотоаппарат, у которого объектив удален и заменен микроскопом.

Оптическая система микроскопа выполняет роль объектива этого фотоаппарата. Имеется несколько типов микрофотонасадок. Очень удобны из них микрофотонасадки типа МФН-8.

Существует также и специальный биологический микроскоп МБИ-6 с постоянной фотокамерой. МБИ-6 позволяет производить обычное визуальное исследование препаратов и их фотографирование в проходящем и отраженном свете, в светлом и темном полях зрения, с фазовым контрастом и в поляризованном свете.

Большую роль в изучении процессов жизнедеятельности клетки играет микрокиносъемка. Для исследования деталей важнейших процессов, протекающих в клетке, таких, как деление, фагоцитоз, течения цитоплазмы и др., применяют цейтраферное устройство.

С помощью этого устройства можно производить либо ускоренную съемку, применяемую обычно при быстро протекающих процессах, либо замедленную съемку тех изменений в клетке, для которых характерно медленное течение.

Микрокиносъемка представляет собой не только метод, позволяющий детально исследовать разнообразные структуры и процессы в живой клетке, но и метод документации этих процессов и всех тех изменений, которые с ними связаны.

Световая микроскопия применяется с целью изучения объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности* невооружённого глаза человека (составляет примерно 0,1–0,2 мм).

Препарат для световой микроскопии (микропрепарат) - это объект, помещённый на предметное стекло и защищённый сверху покровным стеклом. Исследуя микропрепарат с помощью оптических приборов, получают увеличенное изображение объекта или его участка.

Элементарным приспособлением для получения увеличенного изображения предметов является лупа - двояковыпуклая линза, вставленная в оправу-держатель. В биологии используется препаровальная лупа со сменными линзами-окулярами (рис. 1), которая увеличивает предметы в 10–40 раз.

Чтобы получить б?льшее увеличение объекта, используют световой микроскоп. В медико-биологических исследованиях чаще всего применяются:

прямые микроскопы проходящего света (биологические);

инвертированные биологические микроскопы;

стереоскопические микроскопы;

анализаторы изображения.

Устройство и назначение световых микроскопов

Биологический микроскоп предназначен для наблюдения в проходящем свете окрашенных и неокрашенных объектов. Типичный световой микроскоп (рис. 2) состоит из трёх основных частей: механической, осветительной (электрической) и оптической.

Механическая часть включает штатив, предметный столик, кремальеру (макрометрический винт), микрометрический винт, тубус и револьвер.

Штатив является главным механическим блоком микроскопа. Он состоит из тубусодержателя (колонки) и основания. На колонке монтируются основные части прибора:

револьверное устройство - вращающийся механизм смены объективов, который крепится на «салазках» с помощью специальных направляющих;

система винтов грубой (макрометрической) и точной (микрометрической) настроек микроскопа;

предметный столик (неподвижный или перемещающийся) для размещения объекта наблюдения;

узел крепления и перемещения конденсора;

узел крепления сменных насадок (фотографических, телевизионных и т. п.) - если предусмотрен конструкцией прибора.

Основание придает микроскопу устойчивость; на нём также устанавливаются накладные или встроенные источники освещения.

Осветительная часть обеспечивает равномерное освещение объекта. Она включает зеркало (либо электрический осветитель) и конденсор.

Зеркало микроскопа двухстороннее - с плоской и вогнутой отражающими поверхностями. Вогнутая поверхность применяется при естественном освещении, а плоская - при искусственном.

Конденсор - это система линз, собирающая световые лучи в пучок с меньшим поперечным сечением. Диаметр светового пучка можно регулировать, изменяя просвет диафрагмы конденсора с помощью специального рычажка.

Оптическая система микроскопа состоит из окуляра и объектива, связанных полой трубкой - тубусом .

Окуляр вставлен в верхнее отверстие тубуса; предназначен для проекции изображения на сетчатку глаза наблюдателя. На передней или верхней части корпуса окуляра имеется маркировка, указывающая его увеличение и размер видимого поля изображения (в мм); например, «10?/18».

В учебном микроскопе используются сменные окуляры с увеличением 7 ?, 10 ? и 15 ?, нередко снабжённые микроуказкой в виде радиальной тёмной полоски. Окуляр состоит из двух групп линз: глазной (ближайшая к глазу наблюдателя) и полевой (направлена к объективу).

Объектив ввинчен в револьвер и расположен у нижнего конца тубуса. Он включает в себя несколько линз, общее число которых может достигать 14. Чем больше линз, тем выше качество изображения.

На корпусе каждого объектива указываются данные о нём:

увеличение - 4?, 8?, … 90?, 100?;

апертура (диаметр полевой линзы) - 0,20; 0,65;

дополнительная буквенная маркировка, если объектив специальный (фазовый - Ф (Рh ), поляризационный - П (Pol ), люминесцентный - Л (L ) и т. п.).

На иммерсионных объективах имеются маркировка цветным кольцом и буквенное обозначение типа иммерсии * : чёрное кольцо - МИ (0il ), белое - ВИ (W ), оранжевое - ГИ (Glyc ). Иммерсионные объективы позволяют получить максимально возможное в световой микроскопии увеличение объекта или его участка.

Объективы бывают малых (до 10?); больших (до 50?) и сверхбольших (около 100?) увеличений. В учебном микроскопе чаще всего используются два вида объективов: малого увеличения (в 8 раз) и большого (в 40 раз).

Общее увеличение микроскопа определяется путём умножения показателей увеличений объектива и окуляра. Например, общее увеличение микроскопа с объективом 40х и окуляром 7? будет 40 · 7 = 280?.

Если между объективом и окуляром расположена одна или несколько увеличивающих систем, то общее увеличение микроскопа равно произведению показателей всех увеличений. Современные световые микроскопы могут увеличивать объект примерно в 1500–2000 раз.

Инвертированный и стереоскопический микроскопы изображены на рис. 3.

Инвертированный микроскоп представляет собой «перевернутую» конструкцию обычного микроскопа: у него осветитель расположен над объектом, а объективы - под предметным столиком. Такое устройство обеспечивает свободный доступ инструмента (манипулятора, палочки, пипетки) к исследуемому образцу в процессе наблюдения.

Р
ис. 3. Инвертированный (А ) и стереоскопический (Б ) микроскопы

Для инвертированных микроскопов толщина объекта не играет большой роли: с его помощью можно исследовать габаритные объекты или объекты, расположенные в лабораторной посуде (в стеклянных колбах, в чашках Петри).

Стереоскопический микроскоп позволяет наблюдать объект обоими глазами по оптическим осям, наклонённым под углом 12–17° друг к другу. При этом возникает визуальный эффект объёмного изображения предмета. Для стереомикроскопии толщина исследуемого образца также не имеет особого значения.

Анализаторы изображения применяются с конца 80-х годов ХХ века и основаны на применении современных методов обработки изображения объекта с элементами сбора, систематизации и анализа информации. Причём базой может служить любой микроскоп, имеющий насадку для фото-, видео- или цифровой камеры и дополнительный вывод изображения на видеоконтрольный монитор. Изображение передаётся в компьютер, оснащённый специальной программой для анализа изображений. С помощью компьютера можно улучшить и отредактировать качество введенного изображения, подчеркнуть детали, выделить границы, сделать надписи, составить новые изображения из фрагментов старых и т.п. На полученном изображении можно проводить любые измерения с автоматической регистрацией результатов. При повторении одних и тех же манипуляций (либо при рутинных измерениях) достаточно составить необходимый алгоритм операций - статистическую обработку результатов компьютер произведет самостоятельно.

В световых микроскопах предусмотрена возможность установки дополнительных принадлежностей, предназначенных для:

улучшения условий работы (например, препаратоводитель, бинокулярная насадка, насадки для фото- и видеосъёмки);

измерения и подсчета (объект-микрометры, окулярные микрометры, окуляры со вставными сетками);

расширения функциональных возможностей микроскопа (например , к онденсоры косого освещения и тёмного поля, фазово-контрастные устройства, оптические светофильтры, съёмный люминесцентный осветитель).

1. Все живые организмы на Земле состоят из клеток, сходных по строению, химическому составу и функционированию. Это говорит о родстве (общем происхождении) всех живых организмов на Земле (о единстве органического мира).

2. Клетка является:

• структурной единицей (организмы состоят из клеток)
• функциональной единицей (функции организма выполняются за счет работы клеток)
• генетической единицей (клетка содержит наследственную информацию)
• единицей роста (организм растет за счет размножения его клеток)
• единицей размножения (размножение происходит за счет половых клеток)
• единицей жизнедеятельности (в клетке происходят процессы пластического и энергетического обмена) и т.п.

3. Все новые дочерние клетки образуются из уже существующих материнских клеток путем деления.

4. Рост и развитие многоклеточного организма происходит за счет роста и размножения (путем митоза) одной или нескольких исходных клеток.

Мужики

Гук открыл клетки.

Левенгук открыл живые клетки (сперматозоиды, эритроциты, инфузории, бактерии).

Броун открыл ядро.

Шлейден и Шванн вывели первую клеточную теорию («Все живые организмы на Земле состоят из клеток, сходных по строению»).

Методы

1. Световой микроскоп увеличивает до 2000 раз (обычный школьный - от 100 до 500 раз). Видно ядро, хлоропласты, вакуоль. Можно изучать процессы, происходящие в живой клетке (митоз, движение органоидов и т.п.).

2. Электронный микроскоп увеличивает до 10 7 раз, что позволяет изучать микроструктуру органоидов. Метод не работает с живыми объектами.

3. Ультрацентрифуга. Клетки разрушаются и помещаются в центрифугу. Компоненты клетки разделаются по плотности (самые тяжелые части собираются на дне пробирки, самые легкие - на поверхности). Метод позволяет избирательно выделять и изучать органоиды.

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Укажите формулировку одного из положений клеточной теории
1) Оболочка грибной клетки состоит из углеводов
2) В клетках животных отсутствует клеточная стенка
3) Клетки всех организмов содержат ядро
4) Клетки организмов сходны по химическому составу
5) Новые клетки образуются путем деления исходной материнской клетки

Ответ

Выберите три варианта. Какие положения содержит клеточная теория?
1) Новые клетки образуются в результате деления материнской клетки
2) В половых клетках содержится гаплоидный набор хромосом
3) Клетки сходны по химическому составу
4) Клетка – единица развития всех организмов
5) Клетки тканей всех растений и животных одинаковы по строению
6) Все клетки содержат молекулы ДНК

Ответ

1) биогенной миграции атомов
2) родстве организмов

4) появлении жизни на Земле около 4,5 млрд. лет назад

6) взаимосвязи живой и неживой природы

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой метод позволяет избирательно выделять и изучать органоиды клетки
1) окрашивание
2) центрифугирование
3) микроскопия
4) химический анализ

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. В связи с тем, что в любой клетке происходит питание, дыхание, образование продуктов жизнедеятельности, ее считают единицей
1) роста и развития
2) функциональной
3) генетической
4) строения организма

Ответ

Выберите три варианта. Основные положения клеточной теории позволяют сделать выводы о
1) влиянии среды на приспособленность
2) родстве организмов
3) происхождении растений и животных от общего предка
4) развитии организмов от простого к сложному
5) сходном строении клеток всех организмов
6) возможности самозарождения жизни из неживой материи

Ответ

Выберите три варианта. Сходное строение клеток растений и животных - доказательство
1) их родства
2) общности происхождения организмов всех царств
3) происхождения растений от животных
4) усложнения организмов в процессе эволюции
5) единства органического мира
6) многообразия организмов

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Клетку считают единицей роста и развития организмов, так как
1) она имеет сложное строение
2) организм состоит из тканей
3) число клеток увеличивается в организме путем митоза
4) в половом размножении участвуют гаметы

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Клетка – единица роста и развития организма, так как
1) в ней имеется ядро
2) в ней хранится наследственная информация
3) она способна к делению
4) из клеток состоят ткани

Ответ

1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. С помощью световой микроскопии в растительной клетке можно различить:
1) эндоплазматическую сеть
2) микротрубочки
3) вакуоль
4) клеточную стенку
5) рибосомы

Ответ

2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. В световой микроскоп можно увидеть
1) деление клетки
2) репликацию ДНК
3) транскрипцию
4) фотолиз воды
5) хлоропласты

Ответ

3. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. При изучении растительной клетки под световым микроскопом можно увидеть
1) клеточную мембрану и аппарат Гольджи
2) оболочку и цитоплазму
3) ядро и хлоропласты
4) рибосомы и митохондрии
5) эндоплазматическую сеть и лизосомы

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. В разработку клеточной теории свой вклад внесли:
1) Опарин
2) Вернадский
3) Шлейден и Шванн
4) Мендель
5) Вирхов

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Метод центрифугирования позволяет
1) определить качественный и количественный состав веществ в клетке
2) определить пространственную конфигурацию и некоторые физические свойства макромолекул
3) очиститить макромолекулы, выведенные из клетки
4) получить объемное изображение клетки
5) разделить органоиды клетки

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Каково преимущество использования электронной микроскопии перед световой?
1) большее разрешение
2) возможность наблюдать живые объекты
3) дороговизна метода
4) сложность приготовления препарата
5) возможность изучать макромолекулярные структуры

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие органоиды были обнаружены в клетке с помощью электронного микроскопа?
1) рибосомы
2) ядра
3) хлоропласты
4) микротрубочки
5) вакуоли

Ответ

Определите два признака, «выпадающих» из общего списка, и запишите в ответ цифры, под которыми они указаны. Основные положения клеточной теории позволяют сделать вывод о
1) биогенной миграции атомов
2) родстве организмов
3) происхождении растений и животных от общего предка
4) появлении жизни на Земле около 4,5 млрд. лет назад
5) сходном строении клеток всех организмов

Ответ

1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. В цитологии используют методы
1) гибридологический
2) генеалогический
3) центрифугирования
4) микроскопирования
5) мониторинга

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019

Для того чтобы можно было рассмотреть мелкий объект, необходимо его увеличить. Увеличение достигается с помощью системы линз, расположенных между глазом исследователя и объектом. Огромное значение для микроскопических наблюдений имеют контрастность и разрешение, позволяющие четко отличать объект от фона и раздельно видеть очень близкие детали изображения. В зависимости от принципа создания изображения микроскопия делится на световую, электронную и лазерную.

Современные световые микроскопы являются сложными и имеют три системы линз (рис. 2.1). Система конденсора отвечает за правильное освещение поля зрения и расположена между источником света и объектом. При внешнем источнике света лучи направляются в конденсор зеркалом. Многие современные микроскопы имеют встроенный источник света, и зеркало у них отсутствует. Увеличивают изображение системы линз объектива, обращенного к объекту, и окуляра, соприкасающегося с глазом исследователя. Общее увеличение определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Разрешающая способность микроскопа зависит от длины волны используемого света, оптических свойств линз и показателя преломления среды, контактирующей с наружной линзой объектива.

Рис. 2.1.

Самым простым приемом, повышающим разрешающую способность микроскопа, является применение иммерсии. Между наружной линзой объектива и объектом помещают каплю жидкости, показатель преломления которой превышает показатель преломления воздуха. Для каждой жидкости используют специальный иммерсионный объектив. Наиболее распространены водные (с белым кольцом) и масляные (с черным кольцом) объективы. Модификациями обычной светопольной микроскопии являются ультрафиолетовая, темнопольная, фазово-контрастная микроскопия.

Применение более коротковолновых ультрафиолетовых лучей также позволяет повысить разрешающую способность микроскопа. Однако использование специальных источников света и кварцевой оптики приводят к существенному удорожанию микроскопических исследований.

В темнопольной микроскопии объект освещается только косыми боковыми лучами с помощью специального темнопольного конденсора. При таком освещении поле зрения остается темным, а мелкие частицы светятся отраженным светом. Темнопольная микроскопия позволяет различить контуры объектов, лежащих за пределами видимости обычного микроскопа, например, прокариотических жгутиков. Однако при таком способе наблюдения нельзя рассмотреть внутреннее строение объекта.

При применении фазово-контрастного устройства можно наблюдать живые прозрачные объекты, которые практически не отличаются по плотности от окружающего фона. Цвет и яркость проходящих через такие объекты лучей почти не меняются, но происходит фазовое смещение, не регистрируемое человеческим глазом. Фазово-контрастное устройство, применяемое как приставка к обычному микроскопу, преобразует фазовые различия световых волн в изменения их цвета и яркости. Прозрачные объекты становятся более четкими, и в клетках крупных микроорганизмов можно наблюдать даже отдельные структуры и включения.

Свойства объёмного стекла увеличивать изображение были знакомы людям очень давно. Самая древняя линза, найденная археологами в Ираке близ города Нимруд, датируется VIII веком до нашей эры. Изобретатели этого полезного приспособления так и остались неизвестными. Неясно также, кто впервые применил его для создания микроскопа. Есть достоверные сведения, что комбинации из двух линз для своих приборов использовали знаменитые учёные XVI-XVII веков - Галилео Галилей, Джироламо Фракасторо, Кристиан Гюйгенс. История умалчивает, были эти приспособления изобретены до них, или нет. Но именно в ту эпоху оптика стала впервые применяться для изучения микромира.

Исследователи быстро поняли, что при использовании сразу нескольких линз их кратности увеличения предметов не складываются, а перемножаются друг на друга. И это даёт значительный эффект, позволяющий рассмотреть объекты микромира. Проблема состояла в том, что первые линзы были несовершенны и достаточно грубо обработаны. Поэтому изображение получалось с дефектами, которые увеличивались вместе с объектом исследований. Для решения этой проблемы разрабатывались микроскопы с единственной мощной линзой, один из которых позволил Антони Ван Левенгуку разглядеть растительную клетку. Лишь через полтора столетия многосоставные микроскопы, обладающие несколькими линзами, завоевали широкую популярность среди учёных. А с появлением электричества стала использоваться подсветка, значительно облегчившая процесс наблюдения. Именно так появился прибор, схожий по принципу работы с современным световым микроскопом.

Принцип работы

Световой микроскоп использует одно из неотъемлемых свойств луча света - преломление. Лучи подсветки отражаются в зеркальце, расходятся от объекта и параллельным пучком идут внутри тубуса, в котором размещены линзы. При помощи линз лучи преломляются, т.е. изменяют угол своего падения таким образом, что происходит их концентрация на сетчатке глаза. Таким способом объект наблюдения увеличивается и проступают его незаметные прежде детали.

Кратности увеличения

Окуляром микроскопа называется линза, в которую непосредственно смотрит глаз наблюдателя. Обычно для этих целей используются линзы с десятикратным увеличением. Ниже, в тубусе, располагается ряд объективов, каждый из которых имеет своё увеличение - 4, 10, 40 или же 100. Поскольку кратности перемножаются, то, в зависимости от выбранного объектива в сочетании с десятикратным окуляром, можно достигать кратности от 40 до 1000 соответственно.

Обычно наблюдение начинают с выбора четырёхкратного объектива, дающего наименьшее увеличение в 40 раз. Зачем? Дело в том, что для подробного рассмотрения какого-либо объекта нужно сперва этот объект найти. Осуществлять такой поиск при слишком большом увеличении неудобно. Поэтому при изучении микроскопического предмета, как правило, начинают от самого малого увеличения к большему. Объектив с маленьким увеличением позволяет гораздо быстрее фокусироваться, чем с большим.

Полезное и бесполезное увеличение

Увеличение бывает как полезным,так и бесполезным. В чём разница между тем и другим? Дело в том, что возможности любого светового микроскопа имеют предел. Теоретически возможно, используя множество линз, увеличить кратность прибора до бесконечности.

Но на практике наступает предел, после которого дальнейшее увеличение не делает видимыми новые детали объекта. До этого предела увеличение считается полезным, а после - бесполезным.

Разрешающая способность

Увеличивать изображение до бесконечности нет смысла потому, что разрешающая способность прибора конечна. Этой способностью называется расстояние между двумя близкими линиями, позволяющее видеть их раздельно. Для светового микроскопа такое расстояние достигает максимум 0,2 мкм. Именно этот фактор, а вовсе не конечные значения кратности, ограничивают область применения световой микроскопии. Более мелкие объекты доступны электронным и другим более современным микроскопам.

бъектив представляет собой цилиндр из металла (тубус), в который вмонтированы несколько линз. Его увеличение обозначают цифры.

Две или три линзы используются для окуляра. Предназначение расположенной между ними диафрагмой - фокусировка поля зрения. Нижней линзой фокусируются исходящие от объекта лучи, а само наблюдение происходит с помощью верхней.

В осветительном устройстве используются зеркало или электрический осветитель. Важной деталью является наличие конденсора, в состав которого входят две или три линзы. Подымаясь или опускаясь на кронштейне со специальным винтом, он может концентрировать или рассеивать свет, падающий на объект. Диаметр потока света изменяется специальной диафрагмой управляемый рычажком. Степень освещённости объекта регулирует кольцо, имеющее матовое стекло или светофильтр.

Составляющие механической системы микроскопа:

• Подставка.
• Коробка с микрометренными приспособлениями.
• Тубус.
• Тубусодержатель.
• Винт грубой наводки.
• Кроншетейн и винт перемещения конденсора.
• Револьвер.
• Предметный столик.

На предметном столике располагается объект наблюдения. Микрометренные механизмы предназначены для небольших перемещений тубусодержателя с тубусом, чтобы расстояние между объективом и объектом было оптимальным для наблюдения. Для более значительного смещения используют винты, осуществляющие грубую наводку. Функция револьвера - быстрая смена объективов. Это чрезвычайно удобное приспособление, которого не имели первые микроскопы, поэтому испытатели прошлого вынуждены были тратить на данную процедуру чрезвычайно много времени и усилий. Кронштейн, на котором держится конденсор, также способен подниматься и опускаться при помощи винта.

Обычно в световой микроскоп рассматривают микроскопические биологические объекты. Именно с его помощью была открыта живая клетка. Сегодня с помощью светового микроскопа можно исследовать целый ряд клеточных органелл, играющих важную роль в функционировании живого организма.

Именно такой микроскоп используется при преподавании школьного курса биологии.

В частности, при помощи этого прибора можно увидеть:

• Ядро , являющееся основным её компонентом.
• Стенку, образующую поверхностный клеточный аппарат, включая мембрану.
• Хлоропласты, содержащие важный для растительной клетки хлорофилл, с помощью которого углеводородов из воды и углекислого газа.
• Митохондриальные структуры и коплекс Гольджи, важные для клеточного метаболизма.

различные виды ресничек, жгутиков, вакуолей и светочувствительных органелл.

Новейшие достижения — самые мощные микроскопы

В 2006 году исследовательской группой во главе с немецким учёным Штефаном Хелем и аргентинцем Мариано Босси была завершена разработка оптического (светового) микроскопа, ставшего настоящим прорывом в технологиях исследований с помощью высокоточной оптики. Изобретение, которое назвали наноскопом, позволяет вести наблюдение за объектами размерами менее 10 нм. При этом получаются их высококачественные изображения в трёхмерном формате. Вероятно,это не предел - исследования в разных странах, направленных на повышение разрешающей способности светового микроскопа, продолжаются.