Mikroskops
Lielumi, attālumi, izmēri
Baktērijas ir mazākie dzīvie organismi.
To lielums stipri variē, bet orientējoši varētu teikt, ka to vidējais lielums ir
2 mikrometri (µm) vai viena 500 daļa no milimetra, tāpēc tos ar aci nevar saskatīt.
Mazākais punkts, ko cilvēks vēl var redzēt ir 80 mikrometri, t. i. aptuveni 1/12
milimetra. Par mikrometru mazākus attālumus mēra un izsaka nanometros (nm). Viens nanometrs
ir 1/1000 no mikrometra vai 1/1 000 000 no milimetra (3. tab.). Nanometros
parasti nākas izteikt īekššūnas veidojumus, vīrusu un lielu makromolekulu izmērus.
Mikroorkanismu nelielo izmēru dēļ
mikrobioloģijas attīstība cieši saistīta ar speciālu, par mikroskopiem sauktu, ierīču
izveidi, ar kuru palīdzību iespējams iegūt tūkstoškārtīgus un vēl lielākus
palielinājumus.
3. tabula. Mazu attālumu mērvienību savstarpējā saistība.
Milimetri (mm)
|
Mikrometri (µm)
|
Nanometri (nm)
|
1
|
1 000
|
1 000 000
|
0,1
|
100
|
100 000
|
0,01
|
10
|
10 000
|
0,001
|
1
|
1 000
|
0,0001
|
0,1
|
100
|
0,00001
|
0,01
|
10
|
0,000001
|
0,001
|
1
|
Redzamās gaismas mikroskopi
Pirmie mikroskopi bija līdzīgi palielināmajam
stiklam un tajos tika izmantota tikai viena stikla vai slīpēta kalnu kristāla
lēca. Par vienu no pirmajiem mikroskopa radītājiem (1610.g.) uzskata fiziķi
un matemātiķi Galileo Galileju.
Lielākas tehniskās iespējas un labāku
attēla kvalitāti var iegūt ar divlēcu mikroskopu. Šādas ierīces izveide
saistīta ar angļu fiziķa Roberta Huka vārdu (1665. g.) Viņš arī saskatīja
un ieviesa zinātnē jēdzienu šūna. Taču šis mikroskops palielināja tikai
30 reizes un bija par vāju, lai saskatītu baktērijas.
Savam laikam izcilu meistarību mikroskopu
darināšanā sasniedza Holandes drēbju tirgotājs Antonijs van Lēvenhuks (1632
– 1723). Darināt dažādas lēcas viņu mudināja profesionāla interese, jo
linu auduma kvalitāti vislabāk varēja noteikt aplūkojot auduma šķiedras
ar stipru palielināmo stiklu. Aizrāvies ar lēcu slīpēšanu, viņš savas iemaņas
pilnveidoja tik tālu, ka spēja iegūt lēcas, kuras palielināja 200 – 270
reizes (tagad fiziķi aprēķinājuši, ka vienas stikla lēcas palielinājuma
robeža ir 250 – 300 reizes). Lēcas tika iestiprinātas speciāli veidotā
statīvā (4. att.), jo, sasniedzot šādu palielinājumu, ir svarīgi, lai pētāmais
objekts būtu nostiprināts precīzi pretī un noteiktā attālumā no lēcas.
Savas dzīves laikā Lēvenhuks uzbūvēja pāri par 200 (iespējams pat 500)
mikroskopus. Viņš arī bija pirmais cilvēks, kuram izdevās saskatīt baktērijas
(1676.g., 5.att.).
4. att. A. van Levenhuka darināts
mikroskops. A – skrūve pētāmā objekta noregulēšanai tieši pretī lēcai;
B – metāla plāksne; C – skrūve ar spicu galu, uz tās uzdūra pētāmo paraugu
un ar to paraugu varēja arī grozīt; D – sfēriska lēca. Plašāku skaidrojumu
par Levenhuka miroskopiem var atrast http://www.freeweb.pdq.net/headstrong/micro.htm,
šeit arī praktiski padomi, kā pavisam vienkāršu un arī sarežģītāku mikroskopu
pagatavot paša spēkiem.
5. att. Pirmoreiz saskatītās baktērijas
(pēc Levenhuka)
Piemēram, izcili vienkārša metode
kā pagatavot lēcu. Jāpaņem kniepadata ar cilpveida galu, vai kādas drāts
galā jāizloka apaļa cilpa ar 2 mm diametru. Pēc tam to iemērc un strauji
izņem no ūdens, vai vēl labāk, eļļas. Cilpā paliek šķidruma piliens ar
abpusēji izliektu (tātad lēcveida) formu, kurš darbojas kā lēca vai palielināmais
stikls. Tiesa gan šādas lēcas izliekums un gaismas laušanas pakāpe nebūs
tik liela kā Levenhuka mikroskopam, un baktērijas ar to saskatīt nevarēs,
taču par tās spējām palielināt var pārliecināties katrs pats. Arī pēc adreses
http://www.funsci.com/fun3_en/usph/usph.htm
var atrast padomus mikroskopu būvēšanā.
Kopš viduslaikiem gaismas mikroskops
ir ticis pilnveidots un pielāgots dažādām praktiskām un pētnieciskām vajadzībām.
Patreizējie modeļi ir stipri atšķirīgi gan pēc tehniskajām iespējām gan
pēc ārējā izskata (6. att.).
6. att. Gaismas mikroskopa attīstība
bildēs. Lai labāk izprastu un izsekotu mikroskopa attīstībai, izveidoti
vairāki virtuālie mikroskopijas muzeji (atveriet
attēlu ar saiti jaunā logā!). http://www.cas.muohio.edu/~mbi-ws/microscopes/index.html
A: http://www.utmem.edu/~thjones/hist/hist_mic.htm
B: http://library.utmb.edu/scopes/makers.htm
C: http://fmc-container.mach.uni-karlsruhe.de/~timo/mikro1.html
D: http://www.microscopyu.com/museum/index.html
E: http://microscopy.fsu.edu/primer/museum/
Pilnveidojušās arī mikroskopijas
metodes. Kā pamat metode palikusi caurejošās gaismas mikroskopija, kurā
gaisma iet taisni cauri objektam. Bieži vien pētāmie objekti ir tik plāni,
ka paši par sevi tie ir pilnībā caurspīdīgi, un tos var saskatīt tikai
pēc krāsošanas vai kontrastēšanas ar speciālām krāsvielām. Papildus ierīces
vajadzīgas mikroskopiem, kuros izmanto fāzu kontrasta, tušā lauka vai luminiscences
mikroskopijas metodes.
Daudz domāts par ērtāku objektu
vērošanu - var skatīties ar abām acīm, attēlu vērot uz ekrāna; un - redzētā
iemūžināšanu: mikroskopi ar foto kamerām vai videokamerām. Ar pēdējiem
mikropasaulē notiekošo var uzņemt videofilmā, iegūtos attēlus apstrādāt
un pētīt ar datoru palīdzību.
Neskatoties uz dažādiem pilnveidojumiem
un tehnikas straujo attīstību, gaismas mikroskopu iespējas ir ierobežotas.
To nosaka neapgāžami fizikas likumi, proti, lietojot redzamo gaismu, nav
iespējams iegūt skaidru attēlu lielākā palielinājumā kā 1 500 reizes. Šāds
palielinājums mums atļauj saskatīt baktērijas, novērtēt to formu, taču
neatļauj pētīt baktērijas šūnas uzbūvi un iekšējo struktūru. Tāpēc mikroskopijas
tālākā attīstībā tika radīta ierīce, ko sauc par elektronu mikroskopu.
Elektronu mikroskopi
Elektronu mikroskopos gaismas vietā
(9. att.) cauri pētāmajam objektam tiek laista elektronu plūsma. Elektroni
kā sīkākās atomu uzbūves daļiņas ļauj izšķirt daudz mazākas struktūras
un līdz ar to iespējams iegūt līdz 1 000 000 reižu lielu palielinājumu.
Šāds palielinājums ļauj saskatīt ne tikai baktēriju šūnu uzbūvi, bet arī
vīrusus un atsevišķas molekulas.
Taču elektronu mikroskopi ir daudz
sarežģītākas un dārgākas ierīces. Tajos lēcu vietā tiek izmantoti precīzi
elektromagnēti. Lai radītu paātrinātu elektronu plūsmu nepieciešams liels
paātrinošais spriegums (50 000 – 300 000 V) un dziļš vakuums. Gaisa klātbūtnē
šāds spriegus radīs gāzizlādi (kaut ko līdzīgu zibens spērienam). Arī pētāmais
paraugs jāievieto šajā vakuuma telpā.
Lai paraugs izturētu vakuumu un
spēcīgo elektronu plūsmu, tas pirms apskates jāsagatavo, apstrādājot to
ar speciālām metodēm. Bieži nepieciešams iegūt ļoti plānus parauga griezumus.
Tādā gadījumā šūna tiek sagriezta 100 – 1000 plānās šķēlītēs. Parasti šī
apstrāde ilgst aptuveni nedēļu. Šo iemeslu dēļ elektronu mikroskops nav
spējis izspiest redzamās gaismas mikroskopiju un neizdarīs to arī nākotnē,
kaut vai tāpēc, ka elektronu mikroskopā nav iespējams novērot dzīvu šūnu.
Vakuums un lielā elektronu plūsmas enerģija momentā nonāvē jebkuru dzīvu
organismu.
9. att. Redzamās gaismas mikroskopa
un elektronmikroskopa salīdzinoša shēma. (Attēli skenēti no Neil O. Cambel
"Biology", p. 128)
Pirmo elektronu mikroskopu 1931.
g. uzbūvēja vācu fiziķis Ernsts Ruska (1906. – 1988.) Par šo sasniegumu
un pētījumiem elektronmikroskopijas pilnveidošanā 1986. g. zinātniekam
tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
(Par šo un citiem izciliem atklājumiem vairāk var uzzināt apmeklējot elektronisko
Nobela muzeju: http://www.nobel.se/physics/laureates/1986/ruska-autobio.html
(Nobela prēmija
- augstākais novērtējums par sasniegumiem pasaules zinātnes attīstībā Tā
nodibināta 1901. gadā un to katru gadu saņem kāds zinātnieks vai zinātnieku
grupa par nozīmīgākajiem atklājumiem vairākās zinātnes nozarēs: fizikā,
ķīmijā, medicīnā literatūrā un miera procesu veicināšanā. Kopš 1968 gada
prēmija tiek piešķirta arī ekonomikā. Prēmija ietver medaļu, diplomu un
naudas prēmiju).
Arī elektronu mikroskops laika gaitā
ir attīstījies un pilnveidojies (7. att.).
1953. gadā Lielbritānijā tika uzbūvēts
pirmais skanējošais elektronu mikroskops. Atšķirībā no caurstarojošajiem,
skanējošajā elektronu mikroskopā elektronu kūlis neiet cauri paraugam,
bet tiek no tā atstarots. Tādējādi ar skanējošo elektronu mikroskopu var
iegūt parauga virsmas telpisku attēlu. (8. att.)
8. att. a) Skanējošais elektronu
mikroskops (JEOL), b) mikroskopiskās sēnes Streptomyces lividans
attēls skanējošajā elektronmikroskopā (http://biosci.cbs.umn.edu/asirc/lib/Pictures.html).
Interesentiem ieteicams apmeklēt
mikroskopu ražotājfirmas „Olympus“ piedāvāto virtuālo skanējošo elektronu
mikroskopu, kur katram pašam iespējams izvēlēties apskatāmo objektu un
regulēt attēla asumu, palielinājumu un citus lielumus.
http://www.olympusmicro.com/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/
|