§30. Органоидтердің сызықтық ұлғаюын есептеу. Оптикалық және электрондық микроскоптардың үлкейтуі және айқындау мүмкіндіктері арасындағы айырмашылық
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: жасуша құрамбөліктерінің нақты мөлшерін анықтау.
Егер үлкейту масштабы белгілі болса, яғни фотода 1 см-де неше микрометр бар екені көрсетілсе, жасуша мен органоидтердің өлшемін қалай анықтауға болады?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 9-сыныпқа арналған оқулықтан 2-параграфты, 9-сыныптан №1 модельдеуді қайталау керек.
Үлкейту және айқындау арасындағы айырмашылық. Үлкейту – микроскоп немесе басқа ұлғайтқыш аспап нысанды неше есе үлкейтетінін көрсететін көрсеткіш. Аспаптың айқындау қабілеті – кішкентай екі нысанды олардың кескіні біреу болып қосылып кетпеу үшін жеке бейнелеу қабілеті.
Өткен ғасырдан бастап жарық микроскопының айқындау қабілетінің қатаң шектелген айқындау шегі бар деп есептеледі. Микроскоп жарықтық болғандықтан, оның мүмкіндігі физикалық шамалармен шектелген. Бұл шектеу тұрақты физикалық көрсеткішпен – жарық толқынының ұзындығымен түсіндіріледі.
Микроскоптың айқындау қабілетін мынадай формула бойынша есептеуге болады: λ/(2nsin u), бұл жердегі λ – жарық толқынының ұзындығы, n – қарайтын нысан мен микроскоптың жақын линзасы арасындағы орта сынуының көрсеткіші; ал u – объективтің оптикалық осі мен ең шеткі сәуле арасындағы қарайтын нысанды тесіп өтетін және объектив арқылы адам көзіне көрінетін бұрыш. Әдетте айқындау жарық толқыны ұзындығының жартысын құрайды деп есептеледі. Бірақ көрсеткіштерді сынуды (n) өзгертіп, біршама жақсартуға болады. Вакуумда n =1. Ауаның бұл көрсеткіші бірге өте жақын, ал суда ол – 1,33303, микроскопияда максимал айқындау үшін қолданылатын арнайы сұйықтықта 1,78-ге дейін жетеді. Бірақ бұл кезде бұрыш u қандай болса да, sin u шамасы бірден көп болуы мүмкін емес. Осылай оптикалық микроскоп рұқсаты жарық толқыны ұзындығы үлесінен аспайды.
Құрылымы стандарт жарық микроскопының рұқсаты – 0,2 мкм. Бұл шамамен 1500 есе үлкейтуге сәйкес келеді. Бірақ бұл көрсеткіш адамның көруінен шамамен 500 еседей артық.
Практикада микроскоптың «айқындауын шектеу» деген не? Бұл деген бір-бірінен 0,2 мкм-ден аз қашықтықта болатын екі сызықты бейнелейтін микрофотографияны алсақ, қанша үлкейтсең де бұл екі сызық бір сызыққа қосылып кететінін білдіреді. Яғни оларды ажырату мүмкін емес.
Қазіргі оқушыға сандық фотографияларды үлкейту үдерісін еске түсіріп, мұны түсіну оңай. Егер фотоаппараттың айқындау қабілеті кішкентай болса, бейнені, мысалы, компьютер мониторында қанша ұлғайтса да кішкентай бөлшектерді көре алмайсың, себебі олардың кескіні қосылып кетеді. Сендер түсініксіз көмескі нүктелерден тұратын бір бейнені көресіңдер. Яғни нашар айқындау болған кезде қанша үлкейтсең де кішкентай нысандардың пішіні мен мөлшерін, олардың арасындағы шегараны ажырату қиын. Осылай үлкейту көбінесе пайдасыз деп аталады. Себебі үлкейтуге дейін көрмеген бейне көрінбейді, олар анық болмайды.
Нысанды тесіп өтетін жарықтың енуіне негізделген кез келген микроскоп ұзақ уақыт дифракциялық шек деп атаған осы көрсеткішпен шектеледі деп есептелді. Көптеген жасушалық құрылымның өлшемдері 0,2 мкм-ден (бұл деген – 200 нанометр) едәуір кіші. Олар ондаған және бірлік нанометр болуы мүмкін, мысалы, мембрана қалыңдығы – 7–8 нм, бактерия рибосомаларының өлшемі 20 нм-ге дейін, кейбір вирустар 30–300 нм болады және т.б. Биологтар микроскоп арқылы жасушаны және бүкіл микроәлемді зерттеу басқа техникалық шешім табылмаса, осымен бітті деп есептеді. Ол шешімді физиктер тапты.
ХХ ғасырдың 30–50-жылдары жарық микроскопын электрондық микроскоп алмастырды. Бұл ірі жаңалық фото түсіруге және 250 000 есе үлкейтіп, нысанның анық бейнесін көруге мүмкіндік берді.
Электрондық микроскоп жұмысының жалпы принципі жарық микроскопының жұмысына ұқсайды, айырмашылығы: нысан арқылы жарық фотоны емес, бағытталған электрондар шоғыры өтеді. Жарық айна көмегімен нысан арқылы бағытталатыны естеріңде болар. Егер нысан қалың болса, ол арқылы жарық өтпейді де, бейнені көрмейміз. Электрондық микроскоп та шамамен осылай жұмыс істейді. Электрондар ағыны өту үшін микропрепараттар жарық микроскопындағыға қарағанда өте жұқа болуы керек. Тағы бір ерекшелігі: электрондар шоғыры нысанға жарық шоғыры сияқты «төменнен» емес, «жоғарыдан» беріледі. Нысан, электрондар шоғыры және линза арасында вакуум болуы тиіс. Әйтпесе электрондардың ауа бөлшектерімен соқтығысуы үдерісті тиімсіз етеді. Электрондарды беру үлкен 50 000 В кернеумен жүреді. Электрондар ағынының жарық шоғырынан ерекшелігі: адамның көзіне түспейді, себебі электрондардың фотоннан айырмашылығы олар фоторецепторларды қоздырмайды да, ешқандай бейнені көрмейміз. Электрондар флуоресцирлейтін экранға бағытталады, одан бүйір линзалар арқылы ғалым бейнені қарайды. 6-кестеде берілген электрондық және жарық микроскопы жұмысының кейбір сипаттамаларын салыстырайық.
Оптикалық және жарық микроскопы. Бұл екі термин синоним сөздер ретінде жиі қолданылады. Бірақ соңғы уақытта жарық микроскопы мүмкіндігін жақсартатын табысты зерттеулер жүргізілуде. Олардың осындай жақсартылған нұсқалары көбінесе оптикалық деп аталады. «Электрондық микроскоп тұрғанда, жарық микроскопын не үшін жақсарту керек?» деген сұрақ туындайды. Шын мәнінде, себептер көп. Бастысы: электрондық микроскоп арқылы тек өлі жасушаларды көруге болады. Ол арқылы тірі нысандарды бақылау мүмкін емес және басқа кемшіліктері: таза техникалық. Бұл микроскопты жасау және қызмет көрсету қымбат. Құрал-жабдыққа және жұмыс істейтін және қызмет көрсететін мамандарды дайындау керек. Препараттарды дайындау күрделі, олардың бағасы қымбат және т.б.
Сондықтан физик-оптиктер оптикалық микроскоптың жақсартылған нұсқасын жасау жұмысын жалғастыруда. Уақыт өте келе электрондық және оптикалық микроскоптарды кескінді есте сақтауға мүмкіндік беретін алуан түрлі құрылғылармен жабдықтай бастады. Адамның өмірін алдымен кәдімгі фото және кинокамералар, кейін сандық камералар толықтырды. Сандық камерадағы пиксель мөлшері артып жатыр, алайда бұл өзінен-өзі оптикалық микроскоптардың айқындауын жақсарта алмайды. Бірақ бұл бағытта табысты зерттеулер жүргізілуде. («Бағалау» тапсырмасындағы қосымша мәтінді оқыңдар).
Үлкейту, айқындау қабілеті, дифракциялық шек.
Білу және түсіну:
1. Микроскоптың үлкейту және айқындау мүмкіндіктері мен арасындағы айырмашылықтарды қалай түсінесіңдер?
2. Микроскоп түрлерін сипаттаңдар.
Қолдану:
1. Микроскоптың алуан түрін не үшін шығарады және қолданады?
2. Электрондық және жарық микроскопын салыстырыңдар. Сәйкес бағанға Х белгісін қойыңдар.
Талдау:
1. Электрондық және жарық микроскоптарының құрылысын, олардың ұқсастықтары мен айырмашылықтарын көрсетіп, сызба түрінде бейнелеңдер. Электрондық микроскопты не үшін жасау қажет болды? Жарық – оптикалық микроскопты не үшін жетілдіру жалғастырылуда?
Синтез:
1. Берілген микрофотографиядан органоидтердің сызықтық үлкейтуін бағалаңдар. Аталған органоидтердің шынайы өлшемдерін есептеп, өлшем бірліктері мен параметрлерін – ұзындығын, енін, диаметрін (дөңгелек нысандар үшін) және жасушаның шамамен өлшемдерін көрсетіңдер.
Бағалау:
1. Заманауи электрондық, жарық және оптикалық микроскоптардың қолданудағы тиімділігін бағалаңдар.
2. Мынадай ғылыми-көпшілікке мәлім мақаланы талқылаңдар. Ресей ғалымдары наноскоптардың жаңа конфигурациясын ұсынды. Макс Планк (Гёттинген) ғылыми қауымдастығының Биофизикалық химия институтының неміс ғалымы Штефан Хелл (Stefan Hell) тобы аргентиналық ғалым Мариано Боссимен (Mariano Bossi) бірге қызмет жасап, 2006 жылы «наноскоп» деп аталатын оптикалық микроскоп жасады. Ол Аббе¹ кедергісін жоюға және өлшемі шамамен 10 нм (2010 жылы одан да кіші) болатын нысанды бақылауға мүмкіндік береді, көрінетін сәулелену диапазонында қалып, бұл кезде бұрын кәдімгі жарық және жетілдірілген оптикалық микроскопта қолжетпес болған нысанның сапасы жоғары, үшөлшемді бейнесін алады.
99% таза бор изотоптарынан гексагональды торы бар (hBN) бор нитридінің кристалдарын алу жұмыстары жүргізілуде. Линзаның осындай материалы кристалл бетінде түзілетін поляритондар есебінен, дифракциялық шекті көп есе төмендетуге, ондаған және бірлік нанометр айқындауға жетуге мүмкіндік береді.
Томбы мемлекеттік политехникалық университетінен ресейлік ғалымдар наноскопта классикалық конфигурациядағы сияқты микролинзаны емес, алтын пластинкалары бар арнайы дифракциялық торды пайдаланып жетілдірді. Осындай аспаптан бейнені алған кезде бір мезгілде аномалды амплитудалық аподизация эффектісі, Фабри – Перо резонансы және Фано резонансы іске қосылады. Олар бірге кәдімгі дифракциялық тормен салыстырғанда айқындауды 0,3 λ дейін арттыруға көмектеседі.
3. Наноскоптар – жетілдірілген оптикалық микроскоптарды қолданудың ғылыми және экономикалық салдарын бағалаңдар.
¹ Эрнст Аббе – неміс физик-оптигі, λ/(2nsin u) формуласының авторы. Бұл формула әйгілі болғаны соншалықты оны автор ескерткішіне қашап жазған.
«Жасушалық биология» бөлімі бойынша қорытынды
Жасушаның барлық органоидтері топтарға бөлінеді. Таңдаған қағидатқа байланысты олар эукариоттардың әртүрлі патшалықтары өкілдерінің жасушаларындағы мембрана саны, жасуша құрамы немесе құрылысының ерекшелігі бойынша ажыратылуы мүмкін. Микрофотографиядан әртүрлі органоидтерді ажырату – осы бөлімді оқып білу мақсатының бірі. Микрофотографияда бейнеленген сыртқы құрылысы бойынша бірқатар органоидтерді ажыратуға болады. Мысалы, хлоропластар мен митохондриялар әдетте айқын граналары мен кристалары арқылы жақсы ажыратылады.
Талшықтар, кірпікшелер мен жасуша орталығы микрофотографияда ядроға (орталыққа) не жасуша мембранасынан шығып тұратын (қозғалу органоидтері) ретті жіпше құрылым ретінде көрінеді. Көлденең кесіндісінде формуласы 9+2 болатын өзіне тән жүйе түзеді. Ядросын мөлшері, жасуша ортасында орналасуы, хроматин және ядрошық түріндегі ішкі құрылымы бойынша оңай ажыратуға болады.
Вакуоль, лизосома, пероксисома мен диктиосоптар сырттай ұқсас болады, олардың барлығы көпіршікті құрылымды. Бірақ ескірген өсімдік жасушасында мөлшеріне байланысты вакуолін оңай ажыратуға болады. Пластидтерінің болуын немесе болмауын, басқа да өзіне тән органоидтерін көре отырып, жасуша типі (жануар немесе өсімдік) және олардың сыртқы мембрана мен Гольджи жиынтығына байланысты басқа көпіршікті органоидтер туралы қорытынды жасауға болады.
ЭПТ және Гольджи жиынтығы мөлшері, орналасуы (ЭПТ ядроға жақын емес, бүкіл цитоплазмада болады) және бұдыр ЭПТ-да рибосомалардың болуына байланысты ажыратылады. Олардың мөлшері жасушалардың ерекшеліктері мен рибосомалардың құрылысына ғана емес, микрофотография сапасына да байланысты.
Цитологиялық зерттеулердің әртүрлі әдістерінің дамуына қарамастан, жасуша құрылысын зерттеудің негізгі әдісіне микроскоппен зерделеу (микроскопирование) жатады. Жарық микроскоптарында ұзын жарық толқынымен шектелген шегі болады. Оның айқындау қабілетінің шегі 200 нанометрден немесе 0,2 мкм-ден аспайды. Қарайтын микронысанға жарық емес, электрон шоғы өткізілетін электрондық микроскопты пайдалану осы мәселені шешті. Электрондық микроскоп нанометрден кішкентай емес (0,5–0,2 нм) нысандарды қарауға мүмкіндік береді. Бұл микроскоптың кемшілігі – тірі нысандарды және ақ-қара бейнелерді қарау мүмкін еместігі және микроскоптың, микропрепараттың жалпы күрделілігі әрі қымбаттығы болып табылады. Соған байланысты ғалымдар жарық және электрондық (трансмиссиялық) микроскоптарды жетілдіруге мүмкіндік беретін техникалық шешімдерді іздеуде. Негізінен ол микроскоптарды микронысандарды суретке түсіретін сандық камералармен жабдықтауда.