ВходС помощью световой микроскопии в растительной клетке. Методы изучения растительной клетки
Конфокальный микроскоп и изображения, сделанные с его помощью: растрескивание пыльника, сосуды ксилемы, хлоропласты в клетках рыльца.
Световая микроскопия
Одним из главных методов цитологии на сегодняшний день остается микроскопия, предназначенная для изучения структуры клетки, она широко используется в фундаментальных и прикладных исследованиях. Изобретение микроскопа связывают с именами Галилео Галилея (итал.) и братьев Янсен (гол.) в 1609-1611 гг. Термин «микроскоп» был предложен Фабер (нем.) в 1625 г.
На настоящий момент существует два основных вида микроскопии - световая и электронная. Различия между ними состоят в принципе рассмотрения объекта. В первом случае объект рассматривают в потоке видимой части электромагнитного излучения (длина волны = 400-750 нм), во втором случае - в потоке электронов. Эти два метода имеют разную разрешающую способность. Разрешающая способность или предел разрешения - это минимальное расстояние между двумя точками, при котором они видны раздельно. Предел разрешения микроскопа задается длиной волны потока излучения, в котором изучается объект. Поэтому излучение данной длины волны может быть использовано для исследования только таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны самого излучения. Предел разрешающей способности световой микроскопии был достигнут конструкторами микроскопов еще в конце 19 века, и составил 0,2 мкм. Это значит, что два объекта, если они разделены расстоянием менее 0,2 мкм, будут выглядеть как одно целое, даже если мы будем сильно увеличивать изображение, например, проецируя его на экран. Поэтому, с помощью светового микроскопа не удается рассмотреть две центриоли в клеточном центре, они выглядят как одна точка (надо сказать, что в современных микроскопах, производимых серийно, максимальная разрешающая способность не реализуется). В связи с ограничением разрешающей способности светового микроскопа он может быть использован для изучения ограниченного числа внутриклеточных структур, включая: ядро, пластиды, крупные вакуоли, оболочку растительной клетки. Мельчайшими объектами, четко различимыми в световом микроскопе являются бактерии и митохондрии, размеры которых составляют около 500 нм (0,5 мкм), более мелкие объекты видны нечетко, повышение точности обработки линз не может преодолеть это ограничение, которое задано волновой природой света.
Разрешающая способность зависит не только от длины волны источника освещения, но и от коэффициента преломления среды, через которую происходит наблюдение объекта, а также от угла наклона, под которым лучи освещения входят в объектив. Стандартный набор объективов микроскопа составляют: объективы малого увеличения (х8) с апертурой А=0,2 и объективы большого увеличения (х20) с А= 0,40 и - (х40) с А= 0,65. Эти объективы называют «сухими», так как рассмотрение объекта с их помощью происходит через воздушную среду (коэффициент преломления n=1). Но большинство микроскопов оснащены, кроме этого, специальными иммерсионными объективами, для которых необходима специальная иммерсионная среда (n=1). Такой средой может быть вода, объектив х40 ВИ имеет апертуру 0,75. Наиболее распространена масляная иммерсия (n=1,51), при х90 значение апертуры объектива А=1,25. В случае использования иммерсии улучшается разрешающая способность светового микроскопа. Однако, у объективов с высокой разрешающей способностью имеются недостатки: небольшая глубина резкости и невысокая контрастность.
Самым распространенным методом световой микроскопии является метод светлого поля, при котором световые лучи осветителя проходят через объект и попадают в объектив. Таким способом изучают клетки фиксированные и окрашенные. Открытие основных клеточных структур связано с разработкой и применением набора красителей, которые избирательно окрашивают компоненты клетки и обеспечивают контраст для их наблюдения. Имеется большое разнообразие красителей. Некоторые из них извлекаются из растений и животных, до сих пор не существует их синтетических аналогов. Например, широко используемый гематоксилин - экстракт тропического кампешевого дерева, кармин - пигмент жирового тела некоторых видов тлей. Все это так называемые ядерные красители, окрашивающие структуры, содержащие нуклеиновые кислоты. Применение неядерного красителя -азотнокислого серебра, позволило Камилло Гольджи в 1898 г. наблюдать и описать то, что позднее было названо аппаратом Гольджи.
Окрашивание живой клетки возможно лишь в редких случаях, поэтому для их изучения используют другие методы. В отличие от метода светлого поля при наблюдении объектов методом темного поля лучи осветителя не попадают в объектив и изображение создается только рассеянными лучами, идущими от объекта. При этом на темном фоне можно увидеть светящиеся частицы, которые по своим размерам меньше, чем разрешающая способность объектива, хотя размеры и форму частиц определить трудно. Темнопольная микроскопия в проходящем свете используется для изучения прозрачных объектов обычно невидимых в светлом поле и, особенно, для рассмотрения живых клеток. Совершенно по-разному на темном фоне выглядят живые и погибающие клетки. Протопласт погибающих клеток светится ярче, объяснения этому факту нет. Изобретен этот метод Зигмонди (австр.) в 1912 г. В световой микроскоп можно различать объекты, изменяющие амплитуду лучей освещения, однако живые клетки прозрачны для видимого света и лучи, проходя через клетку, практически не меняют амплитуды. Человеческий глаз не способен воспринимать смещение фазы лучей без изменения амплитуды. Поэтому специально для изучения живых клеток используются методы фазово-контрастной (изобретен Зернике (голл.) в 1934 г.) и интерференционной микроскопии (изобретен Лебедевым в 1932 г.). В таких системах прохождение света через живую клетку сопровождается изменением фазы световой волны. Свет задерживается, проходя через толстые участки клетки, например, через ядро. Возникает рекомбинация двух наборов волн, которые создают изображение клеточных структур.
Для изучения объектов, обладающих двойным лучепреломлением (крахмальные зерна, растительные волокна, кристаллы) используют поляризационную микроскопию, основы которой заложил Эбнер в 1882 г. В этом методе используют специальное устройство поляризатор, который преобразует разнонаправленные волны света и они приобретают одно направление.
При флуоресцентной микроскопии объект рассматривают в свете, излучаемом им самим. Первый люминесцентный микроскоп сконструировали Келлер и Зиндентокф в 1908 г. В основе этого метода лежит способность ряда веществ, при освещении коротковолновыми лучами (фиолетовыми или ультрафиолетовыми), светиться. Часто люминесцентная микроскопия используется для выявления специфических белков, антител, впервые использовал флуорохромы для связывания с антителами Кунс, и эта реакция получила его имя. В цитоэмбриологических исследованиях этот метод используют для изучения структур, содержащих углевод каллозу. Для этого метода используют специальную оптическую систему с ртутной лампой, связанную со световым микроскопом.
В последнее время возможности световой микроскопии существенно увеличились благодаря использованию чувствительных видеосистем. Изображение, созданное световым микроскопом, подвергается обработке в видеокамере. Оно очищается от «шумов», преобразуется в цифровые сигналы и направляется в компьютер, где подвергается дополнительной обработке для извлечения скрытой информации. Компьютерная интерференционная микроскопия позволяет достичь сильного контраста и анализировать прозрачные объекты и живые клетки.
Электронная микроскопия
Длительные непрерывные усилия по улучшению методов исследования принесли желаемые результаты в конце второй мировой войны. Именно тогда, благодаря удивительному стечению обстоятельств, почти в одно и то же время, ученые обогатились рядом новых мощных инструментов и методов исследования. В морфологии таким инструментом стал электронный микроскоп. Созданный еще в 30-е г. 20 века, он обладал достаточной разрешающей способностью, позволяющей проникнуть в клетку, вплоть до структур размером в нанометр. Вместе с тем, электронный пучок имел слабую проникающую способность, и это требовало приготовления очень тонких образцов материала и высокого вакуума. Такие жесткие требования создавали серьезные трудности, но в удивительно короткий срок удалось разработать методы для подготовки образцов тканей и сконструировать приборы для получения из них тонких срезов. Качество объектов неуклонно повышалось и к началу 60-ых годов были описаны многие из ранее неизвестных клеточных структур.
Итак, разрешающая способность электронного микроскопа намного выше, чем светового. Теоретически при напряжении 100000 В его разрешение составляет 0,002 нм, но за счет коррекции электронных линз оно уменьшается и в реальности составляет у современных электронных микроскопов 0,1 нм. Значительные трудности наблюдения биологических объектов еще более снижают нормальное разрешение, оно не превышает 2 нм. Тем не менее, это в 100 раз больше, чем у светового микроскопа, поэтому электронную микроскопию называют ультрамикроскопической.
Общая схема просвечивающего электронного микроскопа напоминает схему светового. Он существенно больше светового и как бы перевернут. В качестве источника излучения у электронного микроскопа служит нить катода, испускающая электроны (электронная пушка). Электроны испускаются с вершины цилиндрической колонны высотой около двух метров. Чтобы не было препятствий для движения электронов, происходит это в вакууме, разгоняются электроны анодом и проникают через крошечное отверстие в нижнюю часть колонны узким электронным лучом. Электронный луч фокусируется кольцевыми магнитами, расположенными вдоль колонны, они действуют подобно стеклянным линзам светового микроскопа. Образец помещается на пути электронного пучка. В момент его прохождения через образец часть электронов рассеивается в соответствии с плотностью вещества, остаток электронов фокусируется, образуя изображение на фотопластинке или на экране.
Первый электронный микроскоп был создан Сименсом в 1939 г. Он позволил увидеть в клетке множество удивительных структур. Но для этого пришлось изобрести совершенно новые методы приготовления препаратов, которые стали применять с 1952 г. Фиксация клеток при этом проводится глутаральдегидом, ковалентно связывающим белки, а затем осмиевой кислотой, стабилизирующей белковые и липидные слои. Образец обезвоживают и пропитывают смолами, образующими после полимеризации твердый блок. Срезы для электронной микроскопии должны быть примерно 1:200 часть толщины одной клетки. Для изготовления таких срезов был создан ультрамикротом (1953) , в котором используются стеклянные или алмазные ножи. Полученные срезы помещают на специальную медную сеточку. Изображение в электронном микроскопе зависит от рассеивания электронов, которое определяется атомным числом вещества. Биологические объекты состоят главным образом из углерода, кислорода и водорода, которые обладают низким атомным числом. Для усиления контраста их импрегнируют тяжелыми металлами, такими как осмий, уран, свинец. Тонкие срезы при просвечивающей электронной микроскопии не позволяют судить о трехмерной структуре клетки, компенсировать этот недостаток можно серией срезов, по которой проводится реконструкция клетки. Это долгий процесс.
Существует и прямой метод изучения трехмерного строения биологических объектов - сканирующая электронная микроскопия - она была создана в 1965 г. В этом случае для получения изображения используют электроны, рассеиваемые или излучаемые поверхностью объекта, который должен быть зафиксирован, высушен и покрыт пленкой тяжелого металла. Этот метод применим только для изучения поверхностей и его разрешение невелико - около 10 нм.
Электронный микроскоп
Просвечивающий, зондовый и растровый электронные микроскопы. Электронмикроскопическое изображение поверхности пыльника и пыльцевого зерна
Химические методы исследования клетки
Классический световой микроскоп обладает низкой разрешающей способностью, что не позволяет изучать детали строения клетки размером менее 0,25 мкм. Второй этап изучения клетки относится к тому времени, когда микроскописты трудились над усовершенствованием своих приборов. В это же время - конец 18 в. - французский ученый Антуан де Лавуазье и англичанин Джозеф Пристли создают новую науку - химию. В отличие от морфологии, которая развивается от сложного к простому, химия продвигается от простого к сложному. Начиналась химия с идентификации элементов, атомов и затем продвигалась по пути изучения некоторых их наиболее простых комбинаций - молекул.
Пересечь границу между неорганической и органической химией и позволить проникнуть в живой мир химии помог, впервые проведенный в 1828 г. Немецким ученым Фридрихом Велером, синтез биологической молекулы мочевины. Это стало началом применения химического подхода к изучению клетки. В последующие сто лет были открыты, очищены, структурно изучены и получены синтетическим путем аминокислоты, сахара, жиры, пурины, пиримидины и др. небольшие молекулы. Ученым удалось составить представление о метаболизме этих веществ в организме и путях образования из них основных биологических молекул: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Но опять возникли труднопреодолимые препятствия на пути прогресса: перед сложностями структурной комплексности этих крупных молекул классическая химия оказалась бессильна. В течение длительного времени клетки изучали в основном путем наблюдения за ними. Но по мере развития экспериментального метода в естественных науках к нему начали прибегать и при исследовании живых организмов. Это облегчалось мощными биомедицинскими исследованиями проводимыми во второй половине 19 в. В начале 20 в. американец Росс Гаррисон и француз Алексис Каррель установили, что клетки животных можно культивировать в пробирке наподобие того как это делают с одноклеточными организмами. Тем самым они продемонстрировали способность клеток к независимой жизни и создали метод культивирования, который сейчас является одним из самых актуальных.
Но все эти методы, по сути революционные, по-прежнему, были непрямыми, клетка оставалась закрытым черным ящиком. Сохранялась неизведанной огромная пропасть между наименьшей различимой в световом микроскопе частицей и наиболее крупной молекулой, доступной химическому исследованию. В этом неизведанном пространстве были скрыты важные понятия и концепции, неизвестными оставались функции, описанных клеточных структур, их связь с известными биомолекулами - без всего этого жизнь клетки оставалась неразгаданной.
В свою очередь биохимия также обогатилась целым рядом принципиально новых приборов и методов. Особый интерес представляла хроматография, основанная на очень простом феномене - образовании каемки или ореола вокруг пятна (то, что мы видим, когда пытаемся вывести пятно специальным раствором). В основе этого явления лежат различия в скорости движения разных красок в потоке растекающейся жидкости. В начале 20 века русский физиолог и биохимик Михаил Семенович Цвет первым использовал этот феномен. Пропуская экстракт из листьев через вертикальную трубку, заполненную адсорбирующим порошком, он сумел разделить основные пигменты листьев - зеленый и оранжевый - и получить их в виде отдельных окрашенных полос или колец вдоль трубки. Свой метод он назвал хроматография (греч. khroma - цвет, graphein - записывать). Цвет умер относительно молодым и потенциальные возможности его метода оставались неиспользованными до начала 40-х гг. Сейчас существует множество вариантов хроматографии - применимой ко всем веществам, которые могут быть идентифицированы химически.
Близким к хроматографии является электрофорез в геле, при котором не поток растворителя, а электродвижущая сила способствует передвижению и разделению электрически заряженных компонентов. Эти методы произвели переворот в области химического анализа. Теперь на следовых количествах смеси практически любого состава можно провести анализ.
Вторым методом, радикально изменившем химическое исследование живых клеток, явился метод изотопного мечения. Изотопы - это разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся по атомной массе. Некоторые изотопы существуют в природе, многие могут быть получены искусственным путем в процессе ядерных реакций. Изотопы используются для специфического мечения определенных молекул, такие молекулы можно отличить от им родственных без нарушения общей структуры. Этот метод используется при анализе биосинтетических процессов, которые не могли быть изучены другим способом. Например, с получением меченых аминокислот появилась возможность изучать их соединение в белки в живом организме или в экспериментальных условиях, даже, несмотря на бесконечно малое количество вновь образованного белка, благодаря его радиоактивности. Широкое распространение этот метод получил с созданием атомных реакторов и производством широкого спектра радиоизотопов. Без метода меченых атомов достижения клеточной и молекулярной биологии были бы невозможны.
Таким образом, и морфология, и биохимия, обогащенные новыми методами постоянно совершенствовались, разрыв между их знанием становился все меньше и исчез совсем, когда появилась возможность разделить клетку на части таким образом, чтобы каждую часть можно было бы независимо изучить.
Методы, применяемые для такого фракционирования, основываются главным образом на центрифугировании. Этот метод использует различия в физических свойствах, в частности величине и плотности, тех или иных составных частей клетки для отделения их друг от друга. Это позволило изучить большую часть клетки и объединить морфологическое и биохимическое знание.
Однако одна часть клетки - ее важнейшая центральная часть, ядро - оставалась в значительной степени недоступной, пока не произошло еще одно событие. А началось оно с попытки проанализировать с помощью генетики особенности некоторых простых вирусов, инфицирующих бактерии и названные бактериофагами или пожирателями бактерий. Это исследование оказалось верным подходом к решению проблемы генетической организации, которая даже у простейших неклеточных организмов была необыкновенно сложной. Длительное время новая дисциплина известная сегодня как молекулярная биология, ограничивалась изучением вирусов и бактерий, но затем она буквально ворвалась в эукариотическую клетку, позволив изучать регуляцию жизнедеятельности клетки.
Для изучения молекулярных основ организации клетки необходим детальный биохимический анализ. Для него необходимо значительное количество клеток определенного типа, поэтому невозможно использовать кусочки ткани, ведь они содержат клетки разных типов. На первом этапе работы кусочки ткани превращают в суспензию. Это можно сделать, разрушив межклеточное вещество и межклеточные связи. Для этого ткань обрабатывают протеолитическими ферментами, разрушающими белки (трипсин, коллагеназа). В соединении клеток, их слипании большую роль играет кальций, поэтому используют и вещества хелатирующие, которые связывают кальций. Затем ткани подвергают мягкому механическому разрушению и разделяют на отдельные клетки. Второй этап - разделение суспензии на отдельные фракции. Для этого используют центрифугирование, с помощью которого крупные клетки отделяют от мелких, а легкие - от тяжелых или используют антитела, и способность клеток с разной прочностью прикрепляться к стеклу или пластмассе. Третий этап - введение выделенных клеток в культуру. Первые опыты были проведены в 1907 г. Гаррисоном, он культивировал спинной мозг амфибий в сгустке плазмы. Среды для культивирования имеют довольно сложный состав. Стандартная среда была разработана в начале 70-х, она содержит набор из 13 аминокислот, 8 витаминов, минеральные соли. Кроме того, в среду могут включаться глюкоза, пенициллин, стрептомицин, сыворотка лошади или теленка. Как показали Хайфлик и Мурхед в 1961 г., большинство клеток млекопитающих погибает в культуре после определенного числа делений. Клетки кожи человека делятся в культуре 50-100 раз. Однако в культуре иногда появляются мутантные клетки, которые могут размножаться бесконечно, образуя клеточную линию. В 1952 г. была выделена перевиваемая клеточная линия из раковой опухоли шейки матки, известная как линия HeLa. Такие линии хранят при температуре -70 С, после размораживания они сохраняют способность делиться. Метод культивирования растительных клеток был разработан к 1964 г. Пользуясь им, удалось вырастить in vitro целое растение моркови из клеток корня.
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.
Микроскопические исследования как метод познания клетки
Диаметр типичной клетки животных составляет 10-20 мкм, что в пять раз меньше мельчайшей видимой частицы. Только с появлением совершенных световых микроскопов в начале XIX века удалось установить тот факт, что все ткани животных и растений состоят из отдельных клеток. Это открытие, обобщенное в форме клеточной теории Шлейденом и Шванном в 1838 году, знаменует собой начало клеточной биологии.
Будучи чрезвычайно малыми по размерам, животные клетки к тому же бесцветны и прозрачны: следовательно, открытие их основных структур стало возможным благодаря разработке набора красителей в конце XIX столетия. Именно красители обеспечили достаточный контраст для наблюдения субклеточных структур. Сходная ситуация наблюдалась в начале 40-х годов нашего столетия, когда изобретение мощного электронного микроскопа потребовало новых методов сохранения и окраски клеток. И только после того, как они были разработаны, начала проявляться вся сложность клеточной структуры. В основе микроскопии как методологии до сих пор лежат способы приготовления образца и возможности самого микроскопа.
Обычная оптическая микроскопия
В общем случае излучение данной длины волны может быть использовано для изучения только таких структур, минимальные размеры которых еще сопоставимы с длиной волны самого излучения. Этот принцип ограничивает возможности любого микроскопа. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, которая для видимого света лежит в пределах от 0,4 мкм (фиолетовый) до 0,7 мкм (темно-красный). Из этого следует, что самыми маленькими объектами, которые еще можно наблюдать в световой микроскоп, являются бактерии и митохондрии (их ширина ~ 0,5 мкм). Более мелкие элементы клетки искажаются эффектами, вызванными волновой природой света.
Для приготовления постоянного препарата, который можно окрасить и наблюдать в микроскоп, клетки обрабатывают фиксирующим агентом с тем, чтобы иммобилизировать, убить и сохранить их. В современных методах, как правило, используется обработка альдегидами, например, формальдегидом или глутаральдегидом, которые формируют ковалентные связи со свободными аминогруппами белков и, таким образом, сшивают соседние молекулы.
После фиксации ткани обычно режут на очень тонкие "ломтики" (срезы) на микротоме. Срезы толщиной от 1 до 10 мкм помещают на поверхность предметного стекла. В качестве заключающих сред используют парафин или специальную смолу. В жидком виде эти среды пропитывают и окружают фиксированную ткань: затем они затвердевают при охлаждении или за счет полимеризации, образуя твердый блок, который удобно резать на микротоме.
Существует серьезная опасность того, что процедуры фиксации или заключения могут повредить структуру клеток или клеточных макромолекул. Вот почему предложен другой метод приготовления срезов - быстрое замораживание. Замороженную ткань режут на криостате в специальном микротоме, установленном в холодной камере.
В содержимом большинства клеток, состоящих, как правило, на 70% из воды, практически отсутствуют компоненты, способные помешать прохождению световых лучей. Поэтому в естественном состоянии большинство клеток даже после фиксации и приготовления срезов практически невидимы в обычном световом микроскопе. Одна из возможностей их увидеть состоит в окраске клеток красителями.
Флуоресцентная микроскопияПоскольку большинство макромолекул представлены в клетках относительно незначительным числом копий, одна или две молекулы красителя, связанные с макромолекулой, могут оставаться незамеченными. Альтернативный подход к проблеме чувствительности состоит в использовании флуоресценции.
Флуоресцирующие красители поглощают свет одной длины волны и излучают свет другой длины волны, более длинной. Если такое вещество облучить светом, длина волны которого совпадает с длиной волны света, поглощаемого красителем, и затем для анализа использовать фильтр, пропускающий свет с длиной волны, соответствующей свету, излучаемому красителем, флуоресцирующую молекулу можно выявить по свечению на темном поле. Высокая интенсивность излучаемого света является характерной особенностью таких молекул.
Применение флуоресцирующих красителей для окраски клеток предполагает использование специального флуоресцентного микроскопа. Такой микроскоп похож на обычный световой микроскоп, но здесь свет от осветителя, излучаемый мощным источником, проходит через два набора фильтров - один для задержания света перед образцом и другой для фильтрации света, полученного от образца.
Флуоресцентная микроскопия часто используется для выявления специфических белков или других молекул, которые становятся флуоресцирующими после ковалентного связывания с флуоресцирующими красителями. Например, флуоресцирующие красители могут быть связаны с молекулами антител, что сразу же превращает их в высокоспецифические и удобные красящие реагенты, селективно связывающиеся со специфическими макромолекулами на поверхности живой либо внутри фиксированной клетки. Для этой цели обычно используют два красителя - флуоресцеин, который дает интенсивную желто-зеленую флуоресценцию после возбуждения светло-голубым светом, и родамин, обусловливающий темно-красную флуоресценцию после возбуждения желто-зеленым светом.
Фазово-контрастная и интерференционная микроскопия
Возможность потери или нарушения образцов в процессе их приготовления всегда беспокоила микроскопистов. Единственный способ решить эту проблему состоит в изучении живых клеток без фиксации или замораживания. Для этой цели очень полезны микроскопы со специальными оптическими системами.
При прохождении света через живую клетку фаза световой волны меняется согласно коэффициенту рефракции клетки: свет, проходящий через относительно тонкие или относительно толстые участки клетки, такие, как ядро, задерживается, и его фаза соответственно сдвигается по отношению к фазе света, проходящего через относительно тонкие участки цитоплазмы. Как в фазово-контрастном, так и в интерференционном микроскопе используются эффекты интерференции, возникающие при рекомбинации двух наборов волн, которые и создают изображение клеточных структур. Оба типа световой микроскопии широко используются для наблюдения живых клеток.
Простейший способ разглядеть детали клеточной структуры - наблюдать свет, рассеивающийся различными компонентами клетки. В темнопольном микроскопе лучи от осветителя направляются сбоку и при этом в линзы микроскопа попадают только рассеянные лучи. Соответственно клетка выглядит как освещенный объект на темном поле. Одним из основных преимуществ фазово-контрастной, интерференционной и темнопольной микроскопии является возможность наблюдать движение клеток в процессе митоза и миграции
Видеокамеры и соответствующие технологии обработки изображения значительно увеличили возможности световой микроскопии. Это позволило наблюдать клетки в течение длительного времени при низкой освещенности, исключая длительное воздействие яркого света (или тепла). Поскольку изображение создается видеокамерой в форме электронных сигналов, его можно соответствующим образом преобразовать в числовые сигналы, направить в компьютер и затем подвергнуть дополнительной обработке для извлечения скрытой информации. Эти и подобные методы обработки изображения позволяют компенсировать оптические недостатки микроскопов и практически достичь предела разрешения.
Высокий контраст, достижим с помощью компьютерной интерференционной микроскопии, позволяет наблюдать даже очень мелкие объекты, как, например, отдельные микротрубочки диаметр которых менее одной десятой длины волны света (0,025 мкм). Отдельные микротрубочки можно увидеть и с помощью флуоресцентной микроскопии. Однако в обоих случаях неизбежны эффекты дифракции, сильно изменяющие изображение. Диаметр микротрубочек при этом завышается (0,2 мкм), что не позволяет отличать отдельные микротрубочки от пучка из нескольких микротрубочек.
Световая микроскопия - это самый древний и в тоже время один из распространенных методов исследования и изучения растительной и животной клетки. Предполагается, что начало изучения клетки было именно с изобретением светового оптического микроскопа. Главная характеристика светового микроскопа - это разрешение светового микроскопа, определяемое длиной световой волны. Предел разрешения светового микроскопа определяется длиной световой волны, оптический микроскоп используется для изучения структур, которые имеют минимальные размеры равные длине волны светового излучения. Многие составляющие клетки близки по своей оптической плотности и требуют предварительной обработки перед микрокопированием, в противном же случае они практически не видны в обычный световой микроскоп. Для того, чтобы сделать их видимыми, используют различные красители, обладающие определенной избирательностью. Используя избирательные красители, появляется возможность более подробно исследовать внутреннее строение клетки.
Например:
краситель гематоксилин окрашивает некоторые компоненты ядра в синий или фиолетовый цвет;
после обработки последовательно флороглюцином и затем соляной кислотой одревесневшие оболочки клеток становятся вишнево - красными;
краситель судан III окрашивает опробковевшие клеточные оболочки в розовый цвет;
слабый раствор йода в йодистом калии окрашивает крахмальные зерна в синий цвет».
При проведении микроскопических исследований большую часть тканей перед началом окраски фиксируют.
После фиксации клетки становятся проницаемыми для красителей, а структура клетки стабилизируется. Одним из наиболее распространенных фиксаторов в ботанике является этиловый спирт.
В ходе приготовления препарата для микрокопирования выполняют тонкие срезы на микротоме (приложение 1, рис.1). В этом приборе использован принцип хлеборезки. Для растительных тканей изготавливают чуть более толстые срезы, чем для животных, поскольку клетки растений относительно крупней. Толщина срезов растительных тканей для - 10 мкм - 20 мкм. Некоторые ткани слишком мягкие, чтобы из них сразу же можно было получить срезы. Поэтому после фиксации их заливают в расплавленный парафин или специальную смолу, которые пропитывают всю ткань. После охлаждения образуется твердый блок, который потом режется на микротоме. Это объясняется тем, что растительные клетки имеют прочные клеточные стенки, составляющие каркас ткани. Особенно прочны одревесневшие оболочки.
Пользуясь заливкой при приготовлении, срез возникает опасность нарушения структуры клетки, для предотвращения этого пользуются методом быстрого замораживания. При использовании этого метода обходятся обойтись без фиксации и заливки. Замороженную ткань режут на специальном микротоме - криотоме (приложение 1, рис. 2).
Замороженные срезы лучше сохраняют особенности естественной структуры. Однако их труднее готовить, а присутствие кристаллов льда нарушает некоторые детали.
фазово-контрастный (прилож. 1, рис. 3) и интерференционный микроскопы (прилож.1, рис.4) позволяют исследовать под микроскопом живые клетки с четким проявлением детали их строения. В этих микроскопах используют 2 пучка световых волн, которые взаимодействуют (налагаются) друг на друга, усиливая или уменьшая амплитуду волн, поступающих в глаз от разных компонентов клетки.
Световая микроскопия имеет несколько разновидностей.
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.