Ако някога сте се питали как учените успяват да „надникнат“ в клетката — най-малката, но и най-сложна градивна единица на живота — отговорът се крие в един прост, но революционен инструмент: микроскопът. В тази първа статия от поредицата ни за цитология и анатомия ще си изясним основните понятия в морфологията, ще проследим накратко историята на клетъчната теория и ще разгледаме различните видове микроскопи, които се използват в съвременната биология и медицина.
Какво изучава морфологията?
Терминът „морфология“ идва от гръцките думи morphe (форма) и logos (наука) и означава буквално „наука за формата“. Морфологията е онзи дял от биологията, който се занимава с изучаването на формата и строежа на живите организми — както на видимата им външност (форма, размер, оцветяване), така и на устройството на вътрешните им структури.
В рамките на морфологията обособяваме два основни дяла, които изграждат основата на медицинското образование:
- Ембриология — науката за зародиша. Тя изследва как от единствена оплодена яйцеклетка, стъпка по стъпка, под строг контрол, се формира цял организъм. Познаването на ембрионалното развитие е ключово не само за разбирането на нормалните връзки между клетки, тъкани и органи, но и за изясняване на произхода на различни вродени аномалии.
- Цитология — науката за клетката, нейния строеж, функции и химичен състав. Именно цитологията е фундаментът, върху който стъпва хистология и патология, защото клетката е основен структурен и функционален елемент на всеки жив организъм — от нея се изграждат тъканите, от тъканите — органите, от органите системите, от тях апаратите и от апаратите — цялостният организъм.
Кратка история: как открихме клетката
Клетката е описана през 1665 г. от английския учен Робърт Хук, който, наблюдавайки тънък срез корк под примитивен микроскоп, забелязва малки, подредени като пчелна пита кухини и ги нарича „cellulae“ (килийки) — оттук идва и терминът „клетка“. Това откритие поставя началото на цяла нова наука и постепенно довежда до формулирането на клетъчната теория — една от най-важните обединяващи концепции в биологията.
Основният метод, чрез който изучаваме строежа на клетката и до днес, си остава микроскопията.
Какво представлява микроскопът?
Микроскопът е оптичен уред, създаден около 1590 г., чиято основна задача е да увеличи разделителната способност на човешкото око. Разделителна способност (резолюция) на дадена оптична система наричаме нейната възможност да представи два обекта, разположени близо един до друг, като две отделни, ясно различими изображения, вместо като едно размазано петно. Колкото по-висока е тази способност, толкова по-фини детайли можем да различим.
В зависимост от вида лъчение, което използват за формиране на изображението, микроскопите се делят на два големи класа:
- Светлинни (оптични) микроскопи — работят с видима светлина.
- Електронни микроскопи — работят с поток от електрони.
Светлинен микроскоп
Светлинният микроскоп е оптичен уред, при който източник на лъчение е фотонен сноп (видима светлина), средата за разпространение е въздухът, а крайното изображение се формира в окото на наблюдателя. Лещите, през които преминава светлината, са изработени от стъкло. Типичното увеличение, което може да постигне светлинен микроскоп, е около 500 пъти.
Устройството на светлинния микроскоп може да се раздели на три основни части:
Механична част
Включва статив, колона с рамо за придържане на тубуса, самия тубус, револверно устройство за смяна на обективите, предметна масичка, държач за кондензора, както и система за фина настройка на фокусното разстояние (макро- и микровинт).
Оптична част
Състои се от обективи и окуляр, който осигурява вторично увеличение на изображението. Именно обективът определя разделителната способност на микроскопа, т.е. най-малкото разстояние, на което два съседни детайла все още могат да се различат като отделни. Комбинацията между обектив и окуляр не е случайна — за да се получи най-качествено изображение, се предпочита съчетаването на по-силен обектив с по-слаб окуляр, а не обратното.
Осветителна част
Включва светлинния източник и кондензора. Тяхната задача е да генерират сноп светлинни лъчи, които преминават през препарата (или се отразяват от него) и по този начин изграждат неговото изображение.
Специализирани видове светлинни микроскопи
Освен класическия светлинен микроскоп, в лабораторната и научноизследователската практика се използват и няколко специализирани разновидности, всяка от които решава конкретен проблем при наблюдението на биологичен материал.
Фазово-контрастен микроскоп. Разработен от нидерландския физик Фриц Церника, този микроскоп се базира на факта, че скоростта и посоката на светлината се променят, когато тя преминава през среди с различен коефициент на пречупване. Благодарение на това фазово-контрастната микроскопия позволява наблюдение на неоцветени, живи клетки и тъкани — нещо, което класическият светлинен микроскоп трудно постига. Близка по принцип е и техниката на тъмнополевата микроскопия, при която препаратът се осветява странично и се наблюдава разсеяната от него светлина; тя намира широко приложение в микробиологията.
Интерференчен микроскоп. Използва два отделни светлинни лъча, за да направи възможно количественото измерване на плътността на изследвания обект.
Поляризационен микроскоп. Работи с поляризирана светлина, която позволява анализ на структури с двойно лъчепречупване. Веществата, които не могат да променят посоката на поляризираната светлина, се наричат изотропни, а тези, които я разлагат — анизотропни. Този тип микроскоп е незаменим при изследване на мускулни и колагенови влакна, микрофиламенти и други подобни структури.
Флуоресцентен микроскоп. Използва ултравиолетова светлина, която се поглъща от определени структури в препарата. Преминавайки през тях, UV-лъчението предизвиква видимо свечаване — т.нар. флуоресценция. Тя може да се дължи както на естествени съставки на тъканта, така и на специално въведени багрила (флуорохроми), които се свързват избирателно с определени клетъчни компоненти.
Конфокален микроскоп. Създаден през 1988 г., този микроскоп позволява точно определяне на локализацията на отделни клетъчни органели в живи клетки, като изгражда изображението от последователни оптични срезове на различна дълбочина. Резултатът е компютърно обработено, обемно изображение на клетката и нейните структури.
Електронен микроскоп
Електронният микроскоп е създаден около 1932 г. от немските изследователи Ернст Руска и Макс Кнол. По принцип на устройство той наподобява светлинния микроскоп, но вместо фотонен сноп използва поток от електрони. Тъй като електроните се разсейват във въздушна среда, вътре в електронния микроскоп се поддържа постоянен вакуум. Ролята на лещите тук изпълняват електромагнити, чиито магнитни полета отклоняват траекторията на електроните по желания начин; електромагнит изпълнява и функцията на кондензор.
Благодарение на много по-късата дължина на вълната на електроните спрямо видимата светлина, електронният микроскоп постига несравнимо по-висока разделителна способност — увеличение до около 500 000 пъти. Именно затова той е основният инструмент в съвременната ултраструктурна цитология, позволявайки изучаването на детайли от клетката, които са напълно недостъпни за светлинната микроскопия — мембрани, органели, макромолекулни комплекси.
Обобщение
| Тип микроскоп | Носител на изображението | Приблизително увеличение | Основно приложение |
|---|---|---|---|
| Светлинен (класически) | Видима светлина | до ~500x | Обща цитология и хистология |
| Фазово-контрастен | Видима светлина | до ~500x | Наблюдение на живи, неоцветени клетки |
| Флуоресцентен | UV светлина | до ~500x | Локализация на специфични органели |
| Конфокален | Видима светлина, лазер | до ~1000x | Триизмерна реконструкция на клетки |
| Електронен | Електронен сноп | до ~500 000x | Ултраструктура на клетката |
Изборът на подходящ микроскоп зависи изцяло от въпроса, на който изследователят търси отговор — дали иска да наблюдава жива клетка в реално време, да локализира конкретна молекула, или да разгледа финната структура на клетъчна мембрана с резолюция от нанометри. В следващата статия от поредицата ще разгледаме как биологичният материал се подготвя за микроскопско изследване — процесите на фиксация, обработка и оцветяване на тъканите.
Въпроси:
- Кои са частите на светлинния микроскоп?
- Колко вида обективи познавате?
- Как можете да изчислите общото увеличение на системата обектив-окуляр?
- Какво е резолюция на микроскопа?
- Какви са предимствата на електронния микроскоп в сравнение със светлинния?