Հիմնական նյութ

Դասընթաց․ (Կենսաբանություն) > Բաժին 8

Դաս 1: Բջիջներ․ ներածություն

Մանրադիտում

Ծանոթություն մանրադիտակներին և նրանց աշխատանքին։ Ներառում է լուսային մանրադիտակը, ֆլյուորեսցենտ և էլեկտրոնային մանրադիտակները։

Ներածություն

Եթե մի օր հանգամանքների բերումով հանդիպես բջջային կենսաբանների և հարցնես, թե ամենաշատը ինչն է նրանց դուր գալիս իրենց աշխատանքում, կհասկանաս, որ նրանք բոլորն էլ մանրադիտակի մոլի երկրպագուներ են: Երբ բոլոր գործերը վերջացրած են լինում, օրվա ավարտին նրանք սիրում են փոքր և մութ սենյակում ժամերով նստել և գեղեցիկ մանրադիտակի ոսպնյակների միջոցով բջջի՝ իրենց սիրելի տեսակի հետ շփվել: Սա գուցե տարօրինակ է, բայց իրականում բջիջները կարող են խճապակիների նման գրավիչ լինել: Իմ սիրելի օրինակներից է ստորև տեղադրված նկարը, որում պատկերված են մանանեխի հետ ընդհանրություն ունեցող մի ծաղկավոր բույսի՝ արաբիդոպսիսի շատ երիտասարդ տերևի բջիջներ:

Նկարի աղբյուրը՝ Carrie Metzinger Northover, Bergmann Lab, Stanford University։

Այս նկարը սովորական մանրապատկեր չէ. այն հատուկ նախապատրաված բույսի լուսարձակող նկար է, որտեղ բջջի տարբեր մասեր նշված են հատուկ պիտակներով, որոնք լույս են արձակում: Այսպիսի գեղեցիկ ու բարդ բջջային կազմավորումները մշտապես մեր շուրջն են՝ անկախ այն բանից՝ մենք դրանք տեսնում ենք, թե ոչ:

Այսպիսի բարդ նախշերով ու գեղեցիկ ձևավորված բջիջներ կարող ես տեսնել ցանկացած բույսի մեջ՝ ձեր բակում աճող վարդից և մայթեզրի խոտածածկույթից մինչև նախաճաշին կերածդ գազարը: Սակայն այս ամենը միայն բույսերով չի սահմանափակվում. բջիջների բազմատեսակ շերտեր կարելի է գտնել քո մաշկի, միջատների թևերի և առհասարակ ցանկացած այլ կենդանի օրգանիզմի մեջ: Մենք և մեզ շրջապատող աշխարհը բջիջներից բաղկացած տաճարներ ենք: Դա գնահատելու համար մեզ միայն մանրադիտակ է պետք:

Մանրադիտակներ և ոսպնյակներ

Թեև բջիջները լինում են տարբեր չափերի, այնուամենայնիվ, դրանք բավականին փոքր են: Օրինակ՝ մարդու արյան կարմիր բջջի տրամագիծը մոտավորապես ութ միկրոմետր է (0,008 միլիմետր): Որպեսզի ավելի հստակ պատկերացնես, թե դա որքան փոքր է, նշեմ, որ գնդասեղի գլխիկի տրամագիծը մոտ մեկ միլիմետր է, ինչը նշանակում է, որ գնդասեղի գլխիկին 125 արյան կարմիր բջիջ կտեղավորվի: Բացառությամբ մի քանի դեպքի՝ առանձին բջիջներ անզեն աչքով անտեսանելի են, այդ պատճառով գիտնականներին օգնության են գալիս մանրադիտակները (micro՝ մանր, scope ՝ դիտել): Մանրադիտակը գործիք է, որ խոշորացնում է չափազանց փոքր առարկաները՝ ստեղծելով պատկեր, որի մեջ առարկան ավելի մեծ է երևում: Բջիջների նկարների մեծամասնությունն արված է մանրադիտակի միջոցով, որոնք կոչվում են մանրապատկերներ:

Վերոնշյալ սահմանումից կարելի է ենթադրել, որ մանրադիտակը խոշորացույցի տեսակ է: Իրականում խոշորացույցներն էլ իրենց հերթին մանրադիտակներ են, սակայն քանի որ դրանք ունեն միայն մեկ ոսպնյակ, կոչվում են պարզ մանրադիտակներ: Առավել առաջադեմ գործիքները, որոնք պատկերացնում ենք «մանրադիտակ» բառը լսելիս, իրականում բարդ մանրադիտակներն են, քանի որ բաղկացած են բազմաթիվ ոսպնյակներից: Ոսպնյակների դասավորությամբ պայմանավորված՝ բարդ մանրադիտակները կարող են թեքել լույսը՝ ստեղծելով շատ ավելի խոշոր պատկերներ, քան խոշորացույցը կկարողանար:

Բարդ՝ երկու ոսպնյակներից բաղկացած մանրադիտակներում ոսպնյակների դասավորվածությունն ունի հետաքրքիր հաջորդականություն. պատկերի ուղղվածությունը, որը տեսնում ես, շրջված է քո ուսումնասիրած իրական առարկայի նկատմամբ: Օրինակ՝ եթե նայես թերթի վրա առկա “e” տառին, մանրադիտակով քո տեսած պատկերը կլինի “ə"

^{1}

: Առավել կատարելագործված բարդ մանրադիտակները չեն ստեղծում շրջված պատկերներ, քանի որ պարունակում են հավելյալ ոսպնյակ, որը շրջված պատկերը վերադարձնում է իր բնականոն դիրքին:

Իսկ ո՞րն է սովորական մանրադիտակի և գիտահետազոտական լաբորատորիայում օգտագործվող հզոր սարքի տարբերությունը: Երկու գործոն կա, որոնք կարևոր են մանրադիտարկման մեջ՝ խոշորացումը և տարրալուծումը։

Խոշորացումը միավոր է, որը ցույց է տալիս, թե մանրադիտակը (կամ մանրադիտակի մեջ առկա ոսպնյակները) որքան մեծ կարող է ցույց տալ տվյալ առարկան: Օրինակ՝ դպրոցներում և համալսարաններում սովորաբար կիրառվող լուսային մանրադիտակները առարկան իրական չափից խոշորացնում են մինչև մոտ 400 անգամ: Այսպիսով՝ եթե որևէ բան իրականում 1 մմ է, մանրադիտակն այն կպատկերի 400 մմ:
Մանրադիտակի կամ ոսպնյակների տարրալուծումը երկու կետերի միջև նվազագույն տարածությունն է, որի միջոցով դրանք դիտարկվում են որպես առանձին առարկաներ: Որքան փոքր է այս արժեքը, այնքան մեծ է մանրադիտակի տարրալուծման ուժը, և ավելի պարզ են երևում պատկերի մանրամասները: Եթե բակտերիայի երկու բջիջ ապակու վրա իրար շատ մոտ լինեն, փոքր տարրալուծման ուժ ունեցող մանրադիտակը դրանք կպատկերի որպես մեկ ընդհանուր աղոտ կետ, մինչդեռ առավել մեծ տարրալուծման ուժ ունեցող մարնադիտակը դրանք կպատկերի որպես առանձին առարկաներ:
Բարձրորակ մանրադիտակները մեծ տարրալուծման ուժ ունեն, քան ավելի մատչելիները, այն պարզ պատճառով, որ դրանք ավելի մանրամասն են մտածված և ավելի լավ են աշխատում։
Սակայն տարրալուծման ուժը հիմնականում սահմանափակվում է ոչ թե մանրադիտակի մշակման որակով, այլ լույսի ֆիզիկական հատկություններով: Եթե երկու կառուցվածքները իրարից այնպիսի հեռավորության վրա են, որը պատկերը ստանալու համար օգտագործվող լուսային ալիքի երկարության կեսից փոքր է, հնարավոր չէ դրանք իրարից տարբերակել սովորական լուսային մանրադիտակով $^{2}$ ‍։ Այս երևույթը կոչվում է բեկման արգելք։
Էլեկտրոնային մանրադիտակը (քննարկված է ստորև) այս խնդիրը լուծում է՝ օգտագործելով էլեկտրոնների փունջ, որոնց ալիքի երկարությունը լույսից կարճ է։ Նաև՝ վերջերս մշակված գերհզոր մանրադիտակային տեխնիկան թույլ է տալիս հավաքել (կամ, ավելի տիպիկ, վերակառուցել) լուսային մանրապատկերներ, որոնց տարրալուծումը բեկման արգելքից մեծ է։

Ե՛վ խոշորացումը, և՛ տարրալուծումը կարևոր դեր ունեն շատ փոքր առարկայի հստակ պատկեր ստանալու գործում: Օրինակ՝ եթե մանրադիտակը մեծ խոշորացում ունի, բայց տարրալուծման ուժը փոքր է, ապա պարզապես կունենանք աղոտ պատկերի խոշորացված տարբերակը:

Լուսային մանրադիտակներ

Աշակերտական մանրադիտակների մեծամասնությունը լուսային մանրադիտակներ են: Այս մանրադիտակների դեպքում տեսանելի լույսը ներթափանցում է փորձանմուշի մեջ (կենսաբանական նմուշի, որն ուսումնասիրում ես) և բեկվում է ոսպնյակների համակարգում՝ թույլ տալով ստանալ խոշորացված պատկեր: Լուսային մանրադիտակի առավելությունն այն է, որ կիրառելի է նաև կենդանի բջիջների դեպքում, որը թույլ է տալիս մանրադիտակի տակ հետևել բջիջների բնականոն վարքին (օրինակ՝ տեղաշարժմանը կամ բաժանմանը):

Աշակերտական մանրադիտակները պայծառ դաշտի մանրադիտակներ են, այսինքն՝ տեսանելի լույսը, նմուշի միջով անցնելով, առանց փոփոխության օգտագործվում է պատկեր ստեղծելու համար։ Մի փոքր ավելի կատարելագործված լուսային մանրադիտակները հակադրությունն ուժեղացնելու համար օպտիկական հնարքներ են օգտագործում՝ բջիջների և հյուսվածքների մանրամասները ավելի լավ տեսանելի դարձնելով։

Լուսային մանրադիտակի մեկ այլ տեսակ է ֆլուորեսցենտային մանրադիտակը, որն օգտագործվում է լուսարձակող (ֆլուորեսցենտող) նմուշները (կլանում են լույսի մեկ ալիքի երկարությունը և արձակում մյուսը) ուսումնասիրելու համար։ Մի ալիքի երկարության լույսն օգտագործվում է լուսարձակող մոլեկուլները գրգռելու համար, և մեկ այլ ալիքի երկարության լույսը, որը դրանք արձակում են, հավաքվում է և օգտագործվում նկար ստանալու համար։ Շատ դեպքերում բջջի կամ հյուսվածքի որևէ մաս, որը մենք ցանկանում ենք ուսումնասիրել, բնականում չի լուսարձակում, այդ պատճառով մինչև մանրադիտակով ուսումնասիրելը պետք է այն նախապես պիտակավորել լուսարձակող ներկով կամ պիտակով։

Այս հոդվածի սկզբում ցուցադրված տերևի նկարն արվել է ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի մասնագիտացված մի տեսակով, որը կոչվում է կոնֆոկալ մանրադիտակ։ Կոնֆոկալ մանրադիտակում օգտագործվում է լազեր՝ նմուշի բարակ շերտը գրգռելու համար, և հավաքվում է միայն թիրախային շերտից արձակվող լույսը՝ ստեղծելով հստակ պատկեր՝ առանց շրջապատող շերտերում եղած լուսարձակող մոլեկուլների ազդեցության

^{4}

Էլեկտրոնային մանրադիտակներ

Ժամանակակից լուսային շատ մանրադիտակներ (վերը քննարկված տեխնիկաներից բացի) կարող են ստեղծել բարձրորակ նկարներ։ Սակայն եթե ցանկանում ես շատ փոքր բաները բարձր որակով տեսնել, պետք է օգտագործես մեկ այլ՝ փորձված և իրական տեխնիկա՝ էլեկտրոնային մանրադիտակ։

Էլեկտրոնային մանրադիտակները լուսային մանրադիտակներից տարբերվում են նրանով, որ առարկայի պատկերը ստեղծելու համար լույսի փոխարեն օգտագործում են էլեկտրոնների փունջ։ Էլեկտրոնների ալիքի երկարությունը շատ ավելի կարճ է, քան տեսանելի լույսինը։ Դա էլեկտրոնային մանրադիտակներին հնարավորություն է տալիս ստեղծելու ավելի բարձրորակ նկարներ, քան սովորական լուսային մանրադիտակը։ Էլեկտրոնային մանրադիտակները կարող են օգտագործվել ոչ միայն ամբողջական բջիջներ, այլև ենթաբջջային կառուցվածքներ և բջջային բաժանմունքներ ուսումնասիրելու համար։

Էլեկտրոնային մանրադիտակն, այնուամենայնիվ, մի սահմանափակում ունի. նմուշները պետք է դրվեն անօդ տարածության մեջ (սովորաբար պատրաստվում են լայնածավալ մշակման ընթացքում)։ Սա նշանակում է, որ կենդանի բջիջներն ուսումնասիրել հնարավոր չէ։

Նկարի աղբյուրը՝ OpenStax Biology, Credit a-ն մշակված է CDC/Armed Forces Institute of Pathology, Charles N. Farmer, Rocky Mountain Laboratories-ի, credit b-ն՝ NIAID, NIH-ի կողմից, իսկ մասշտաբի տվյալները՝ Matt Russell-ի։

Վերևում ցուցադրված նկարում կարող ես համեմատել, թե սալմոնելա բակտերիան ինչ տեսք ունի լուսային (ձախից) և էլեկտրոնային (աջից) մանրապատկերում։ Լուսային մանրադիտակով բակտերիաները երևում են մանուշակագույն փոքր կետերի տեսքով, իսկ էլեկտրոնային մանրապատկերում հստակ կարող ես տեսնել նրանց տեսքը և մակերևույթի կառուցվածքը, ինչպես նաև մարդու այն բջիջների մանրամասները, որոնք այդ բակտերիաները փորձում են զավթել։

Գոյություն ունի էլեկտրոնային մանրադիտակի երկու հիմնական տեսակ։ Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (ՍԷՄ) մեջ էլեկտրոնների փունջը բջջի կամ հյուսվածքի մակերևույթից հետ ու առաջ է շարժվում՝ ստեղծելով մակերևույթի մանրամասն եռաչափ պատկերը։ Վերևում ցուցադրված (աջից) սալմոնելլա բակտերիաների նկարը այսպիսի մանրադիտակով է արված։

Տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակում (ՏԷՄ), հակառակը, նմուշը մինչև նկարելը հնարավորինս բարակ շերտերի է կտրվում (օրինակ՝ օգտագործելով ադամանդի կտրող եզրը), որից հետո էլեկտորնների փունջն անցկացվում է այդ բարակ շերտի միջով՝ դրա մակերևույթի վրայով սահելու փոխարեն

^{5}

։ ՏԷՄ-ը հաճախ օգտագործվում է բջիջների ներքին կառուցվածքների մանրամասն նկարներ ստանալու համար։

Այնպիսի էլեկտրոնային մանրադիտակները, որոնց մասին խոսեցինք, զգալիորեն ավելի ծանր և ավելի թանկ են, քան ստանդարտ լուսային մանրադիտակները։ Դա գուցե զարմանալի չէ՝ հաշվի առնելով ենթաատոմային մասնիկները, որոնցով նրանք աշխատում են։

Մեջբերում

Այս հոդվածը “Studying cells”-ի մշակված տարբերակն է OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)-ի կողմից։ Անվճար ներբեռնիր հոդվածի բնօրինակը այստեղ՝ http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:16/Biology։

Մշակված հոդվածի արտոնագրի համարն է՝ CC BY-NC-SA 4.0

Օգտագործված գրականություն

Lathrop, K. (n.d.). Light microscopes. In Ms. Lathrop’s science classes. http://infohost.nmt.edu/~klathrop/Microscopes.htm.
Silfies, J. S., Schwartz, S. A., and Davidson, M. W. (2013). The diffraction barrier in optical microscopy. In MicroscopyU. Retrieved from https://www.microscopyu.com/articles/superresolution/diffractionbarrier.html.
Super-resolution microscopy. (2015, August 8). Retrieved August 9, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Super-resolution_microscopy.
Paddock, S. W., Fellers, T. J., and Davidson, M. W. (2015). Confocal microscopy: Basic concepts. In MicroscopyU. Retrieved from http://www.microscopyu.com/articles/confocal/confocalintrobasics.html
Transmission electron microscopy. (2016, May 7). Retrieved May 29, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy.

Հավելյալ հղումներ

Berestecky, John. (2008, January 16). Microscopy. In Microbiology 140. Retrieved from http://www2.hawaii.edu/~johnb/micro/m140/syllabus/week/handouts/m140.2.4.html.

Blueford, J.R. (n.d.). Classification of microscopes. In Microscopes. Retrieved from http://www.msnucleus.org/membership/html/jh/biological/microscopes/lesson2/microscopes2c.html.

Confocal microscopy. (2015, July 16). Retrieved August 9, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy.

Davidson, M. W. (2015). Resolution. In MicroscopyU. Retrieved from http://www.microscopyu.com/articles/formulas/formulasresolution.html.

DeBroglie wavelength. (n.d.). In HyperPhysics. Retrieved from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/debrog2.html.

Fluorescence microscopy. (2015, July 27). Retrieved August 9, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence_microscope.

Lathrop, K. (n.d.). Light microscopes. In Ms. Lathrop’s science classes. http://infohost.nmt.edu/~klathrop/Microscopes.htm.

Optical microscope. (2015, August 3). Retrieved August 9, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_microscope.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Microscopes are needed to visualize cells. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 63-64). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Cell structure. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 59-87). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). A tour of the cell. In Campbell Biology (10th ed., pp. 92-123). San Francisco, CA: Pearson.

Silfies, J. S., Schwartz, S. A., and Davidson, M. W. (2013). The diffraction barrier in optical microscopy. In MicroscopyU. Retrieved from https://www.microscopyu.com/articles/superresolution/diffractionbarrier.html.

Super-resolution microscopy. (2015, August 8). Retrieved August 9, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Super-resolution_microscopy.

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: