Световой и электронный микроскоп. Область использования

Реферат по биологии, 11 класс.

Автор: Ярослав Д, 11 класс, Редькинская школа.

Концепция клеточного строения и клеточная теория

Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве единого структурного элемента живых организмов.

Одно из основополагающих понятий в биологии — это представление о том, что структурной и функциональной единицей живых организмов является клетка. Представление это, известное как клеточная теория, было сформулировано двумя учеными — бельгийским ботаником Шлейденом (Schleiden) в 1838 г. и немецким зоологом Шванном (Schwann) в 1839 г. 

Открытие клетки явилось следствием быстрого развития в XIX веке микроскопической техники, что пробудило среди ученых большой интерес к изучению строения живых организмов. 

Позже в том же XIX в., а затем уже в XX в. в этой области произошло много новых важных событий. Существенную же часть клеточной теории составляет впервые высказанное в 1855 г. утверждение, что все новые клетки образуются только из других клеток.

Клетку можно представить себе как мешок, наполненный различными химическими веществами, живой и способный к самовоспроизведению. Находящиеся внутри него вещества во многом отличаются от тех, которые его окружают.

Трудности исследований

К началу 1900-х годов продвижение в изучении структуры клетки приостановилось, потому что даже самый совершенный световой микроскоп не мог обеспечить увеличение свыше 1500. Ограничение определялось самой природой света. Свет — это одна из форм электромагнитного излучения, способного распространяться в виде последовательности волн. Глаз человека воспринимает электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 400 нм (фиолетовый цвет) до 700 нм (красный цвет). Этот видимый свет составляет лишь небольшую часть полного электромагнитного спектра, включающего излучения с разной длиной волны. 

Излучения с любой длиной волны распространяются со скоростью света, но чем меньше длина волны, тем большую энергию она несет. Нельзя разглядеть объект размером меньше половины длины волны используемого излучения, потому что объект должен быть достаточно велик, чтобы препятствовать прохождению волн.

Мельчайший объект, который можно увидеть, используя видимый свет, должен быть поэтому не менее 200 нм в диаметре (половина длины волны в фиолетовой области спектра).

Учитывая размеры некоторых клеток и клеточных органелл, легко понять, что, например, митохондрии должны выглядеть в световом микроскопе как какие-то мелкие гранулы внутри клеток. Рибосомы же в нем вообще не видны. 

Отсюда возникли попытки сконструировать микроскоп с меньшей длиной волны. Вскоре выяснилось, что наилучшие результаты способен дать электронный микроскоп.

Образцы растительных клеток:
световой и электронный микроскоп

Посмотрим фотографии одних и тех же растительных клеток, сделанные с помощью светового (А) и электронного (Б) микроскопов при одном и том же увеличении (около х2500).

Световой микроскоп.

Электронный микроскоп.

Электронные микроскопы

Электронные микроскопы появились в 1930-х годах и вошли в повсеместное употребление 1950-х.

Электронный микроскоп перевернут «вверх дном» по сравнению со световым микроскопом. Излучение подается на образен сверху, а изображение формируется внизу. Принцип действия электронною микроскопа в сущности тот же, что и светового микроскопа. Электронный пучок направляется конденсорными линзами на образец, а полученное изображение затем увеличивается с помощью других линз.

Посмотрим на схему работы:

Траектория пучка электронов в трансмиссионном электронном микроскопе.


Современный трансмиссионный электронный микроскоп.

В чем разница?

Предел разрешения в электронном микроскопе составляет на практике около 0,5 нм, тогда как для светового микроскопа он равен 200 нм. Но это не значит, что электронный микроскоп лучше. Просто они созданы для разного.

Два эти микроскопа предназначены для разных целей. Световой микроскоп по-прежнему незаменим как прибор, позволяющий составить общее представление о клетках и тканях. К тому же и подготовить для него материал можно намного быстрее и проще. Он также позволяет наблюдать живые объекты, что совершенно невозможно сделать с помощью электронного микроскопа.

А какие еще есть микроскопы?

Помимо оптического (светового) и электронного, существуют и другие виды микроскопов.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На СЗМ изображение получают путём регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью. Можно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему СЗМ по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.

Рентгеновские микроскопы — устройства для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. По разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). Сегодня существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров.

Новые микроскопы и методы исследования позволят совершать новые открытия в разных областях наук, включая биологию.

Список использованной литературы:

Тейлор Д., Грин Н., Стаут У.
Биология: В 3-х т. Т. 1: Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера - 3-е изд., - М.: Мир, 2010. - 454 с, ил.
ISBN 978-5-03-003826-1

Альбертс, Брей, Хопкин: Основы молекулярной биологии клетки.
Essential cell biology. Изд. Лаборатория знаний, 2017.

Журнал "В мире науки" (Scientific American) № 8/9, 2017.

Журнал "В мире науки" (Scientific American) № 10, 2017.

Журнал "В мире науки" (Scientific American) № 11, 2017.

Википедия, свободная энциклопедия.