Журнал "Здоровье" №10 (94) 1962

Электронная микроскопия

Кандидат медицинских наук С.Б. Стефанов

Глаза доставляют человеку важнейшую информацию об окружающем мире. Не только в повседневной жизни, но и в научных исследованиях зрительные впечатления играют огромную роль. Вот почему микроскоп нашел такое широкое применение почти во всех отраслях естествознания и промышленности.

Лучшие современные световые микроскопы дают увеличение в 3–4 тысячи раз; к сожалению, это предел, который они не смогут преодолеть. Между тем необходимы увеличения в сотни тысяч, миллионы раз, чтобы ученые могли объективно и точно исследовать тончайшие структуры живого организма, увидеть тысячи мельчайших деталей там, где световой микроскоп мог показать только одну. Ученые остро почувствовали эту потребность еще в конце прошлого века. Но только в тридцатых годах нашего столетия был создан, в отличие от светового, принципиально новый, электронный микроскоп, в котором магнитное поле заменило стеклянные линзы, а изображение создается с помощью потока электронов.

Электронный микроскоп представляет собой сложную машину весом от 1,5 до 3 тонн. В ней использованы новейшие достижения радиоэлектроники, вакуумной техники, точной механики и ряда специальных отраслей физики и техники.

Известно, что пучок электронов, движущихся в безвоздушном пространстве, под влиянием магнитного поля изменяет направление своего движения. Воспользовавшись этим, ученые создали магнитную линзу, которая фокусирует электронный поток точно так же, как стеклянная линза фокусирует поток света. Система магнитных линз и составляет колонну микроскопа, в которой изображение объекта создается электронами подобно тому, как свет строит изображение в тубусе светового микроскопа.

Однако есть и существенные отличия. Электроны очень легко рассеиваются атомами любого вещества. Их движению мешают даже остатки газа. Поэтому в колонне электронного микроскопа мощные насосы непрерывно поддерживают глубокий вакуум — безвоздушное пространство. Наконец, электроны изменяют строение и химический состав объекта гораздо сильнее, чем свет.

Построенное электронами изображение видно на светящемся экране и легко переносится на фотопластинку. Изменяя силу тока в магнитных линзах колонны, можно изменять увеличение изображения от нескольких сотен раз до десятков и сотен тысяч раз.

Даже краткое описание показывает, что для работы с этой сложной аппаратурой требуются разносторонние знания.

Электронная микроскопия применяется в биологии и медицине шире, чем во всех остальных областях науки и практики.

На первый взгляд может показаться, что именно в биологии электронный микроскоп неприемлем. Ведь исследуемый объект помещается в безвоздушное пространство, из него практически удаляется вся вода. Поток электронов, проходя через объект, нагревает его иногда до 300–400 градусов и вызывает необратимые изменения. Все это быстро убивает живые организмы, введенные для исследования в электронный микроскоп.

Более ста лет назад создатели клеточной теории провозгласили, что все живое состоит из клеток. Клетка была признана простейшей единицей живого тела. Основную массу клетки называли протоплазмой (от греческих слов «протос» — первичный и «плазма» — материя, масса). В протоплазме плавало полужидкое ядро. С помощью светового микроскопа исследователи видели протоплазму прозрачной, иногда слегка пенистой массой, в которой перемещались мельчайшие зернышки, волоконца, сгущенные капельки различных веществ.

Кроме того, бактериальные клетки и частицы некоторых вирусов слишком «толсты», электроны не могут их «просвечивать». Чтобы судить о внутреннем строении мельчайших живых частиц, их приходится разрезать на несколько слоев. Но разрёзать на тонкие слои мягкое, влажное тело невозможно. Его нужно сначала высушить, пропитать затвердевающими составами и только после этого на специальных машинах — микротомах— резать на слои толщиной в десятитысячные доли миллиметра. Здесь уместно напомнить, что ультрамикротом также является одним из достижений современной науки и техники.

После подобных воздействий объекты исследования теряют свою первоначальную функцию и видоизменяют форму. На экране микроскопа мы видим лишь изображение того, во что превратилось живое тело в результате подобных, пока еще неизбежных изменений.

Почему же, несмотря на все это, именно в биологических исследованиях электронная микроскопия применяется наиболее широко? Да потому, что она дала возможность проникнуть в новый мир, раскрыла перед исследователями гигантское поле деятельности.

Ультрамикротом является одним из достижений современной науки и техники. В правом верхнем углу вы видите в увеличенном виде режущий аппарат микротома. Кромкой стеклянного ножа срезаются тончайшие слои плексигласа, в который вкраплена ткань. Площадь ее равна приблизительно четверти квадратного миллиметра. Но и этого достаточно, чтобы в электронном микроскопе исследователь мог разглядеть мельчайшие структуры ткани.

Слева от ножа — тонкая игла; через нее по каплям подается вода в ванночку, куда попадает срез.

_{Фото Вл. Кузьмина}

Сегодня мы уже не ищем в протоплазме равномерно-полужидких участков, ибо знаем, что там их нет! Электронные микроскопы позволили увидеть в любом участке протоплазмы сложную и тонкую структуру. Вся толща клетки пронизана сетью извитых трубочек. Стенки их состоят из двойных пленок, между которыми ясно виден слой крупных молекул.

Понятие протоплазма потеряло смысл. Даже стенку трубочек нельзя считать первичной и простейшей, так как мы хорошо видим ее составные части. Теперь употребляется другой термин — цитоплазма — клеточная материя (от греческого «цитос» — клетка).

Постепенно открывалась сложнейшая система структур, взаимосвязей и взаимопревращений там, где прежде исследователи видели только полужидкую, лениво текущую массу. Трубочки протоплазмы связаны с ядром в единую систему.

Такая сложная система структур не может действовать хаотично. Прежде движение струек веществ, содержащихся в клетке, представлялось вполне естественным процессом, который по существу и не требовал регуляции: струйки смешивались и взаимодействовали по физико-химическим и гидродинамическим законам. Теперь для такого представления просто не осталось места; совершенно очевидно, что движение веществ по трубочкам направлено и организовано архитектурой сети трубочек, с одной стороны, и характером обменных процессов в клетке — с другой.

Эти новые представления о жизни клетки заставили ученых переосмыслить многие положения биологии, считавшиеся ранее незыблемыми, поставили перед учеными массу новых сложнейших вопросов.

Какие процессы направляют и координируют сложную жизнь клетки? Какие силы перемещают вещества по трубочкам? Ведь если судить по количеству деталей структуры, открытых с помощью электронного микроскопа, нужно признать, что в клетке одновременно протекают многие десятки тысяч быстрых, направленных, поразительно точно согласованных во времени и пространстве процессов. Значит, должен существовать механизм координации внутриклеточных процессов. О нем пока нет никаких представлений, кроме уверенности, что он должен быть. Электронная микроскопия успешно начала разведку и на этом участке научного фронта.

Раскрыв эти тайны жизнедеятельности клеток, ученые, а затем и врачи получат возможность управлять всеми процессами в клетке, узнают, как начинаются и протекают те или иные заболевания, как взаимодействуют заболевшие клетки с лекарственными препаратами. А что может быть важнее такой победы биологии и медицины?! Ведь это путь к наиболее эффективным поискам новых лекарственных средств, к искоренению любых, самых тяжелых заболеваний человека, путь к разработке наиболее целесообразных методов профилактики.

Многие десятилетия остается незыблемым еще одно положение классической биологии: считается, что вещества живого тела построены из неупорядоченно расположенных молекул, и на этом основании живое тело противопоставляется неживому, кристаллическому телу с упорядоченным расположением молекул. Сейчас электронная микроскопия обнаруживает в клетке области, где мельчайшие элементы строения расположены в строго определенном порядке, кристаллоподобно. Еще не доказано, что эти кристаллоподобные области клетки обладают всей полнотой жизненных функций. Если это подтвердится, то придется расстаться с удобным для классической биологии противопоставлением живого и неживого, искать новых определений живого.

Мы приближаемся к возможности уже непосредственно разглядеть тот переходный рубеж между живым и неживым, на котором молекулы «оживают» и взаимодействие между ними становится движущей силой жизни. Так будет сделан еще один шаг к раскрытию тайны происхождения жизни на Земле.

Страницы современной науки, на которых описывается строение вирусных частиц, являются одними из самых увлекательных. Они, пожалуй, и не могли бы возникнуть без электронного микроскопа: размер частиц большинства вирусов менее 0,0002 миллимикрона и «разглядеть» их через световой микроскоп нельзя.

Описать и классифицировать вирусные частицы в общих чертах удалось еще на заре электронной микроскопии — почти два десятка лет назад, когда техника дала возможность увеличивать исследуемые объекты в 10–20 тысяч раз. Частицы оказались разнообразными по форме; они напоминали шары, кирпичики, палочки, нити. В 50-х годах XX века было обнаружено, что вирусные частицы весьма похожи на крошечные клетки: у них нашли центральное ядро, белковую протоплазму, две — три оболочки и другие детали, — совсем как у настоящей клетки, только в миллионы раз мельче.

Ученые увидели, как из вирусной частицы вырастают тонкие щупальца, имеющие общую с ней оболочку. Поверхность вирусной частицы оказалась покрытой сложной мозаикой молекул. Все чаще находят вирусные частицы, состоящие из клубка мельчайших волоконец. Волоконца в свою очередь состоят из двойной спирали, витки которой хорошо видны в электронный микроскоп. А это не что иное, как витки знаменитой ныне дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — законодательницы наследственности всех живых организмов.

Пройдет еще немного времени и путешествие в глубины вирусной частицы станет обычным занятием микроскописта. И тогда уже наверняка исследователи расшифруют механизм передачи из поколения в поколение коварных свойств вирусных частиц, раскроют удивительную тайну — как удалось природе упаковать в такой малый объем вирусной частицы столь сложные, устойчивые и в то же время удивительно приспособляемые свойства.

Ведь вирусная частица во время своих блужданий по «безбрежным» просторам зараженной клетки попадает в различные условия существования. Клетка активно сопротивляется размножению вируса, выбрасывает его, пытается нарушить его обмен веществ. За это время вирусу «приходится решать» сложнейшие задачи борьбы с клеткой, и он не только решает их, но и остается самим собой, да еще порождает сонмы себе подобных.

Представим себе эпидемии гриппа, вызываемые вирусом, которые поражают население целых материков в течение немногих недель. Это ли не поразительная приспособляемость и активность крошечного комочка живого! Нам необходимо проникнуть в тайну этого стремительного распространения и научиться использовать ее на благо человечества, научиться таким же путем и так же стремительно распространять, скажем, живые вакцины против вирусных инфекций или какие-то специально создаваемые вещества, повышающие сопротивляемость человеческого организма к болезням.

Каких успехов достигнут биология и медицина, когда мы сумеем придать лекарственным препаратам активность вируса! Каких успехов достигнет кибернетика, если ученые научатся создавать мелкие, емкие и стойкие ячейки памяти для своих счетнорешающих машин!

Сначала присмотримся к природе, потом поймем ее, затем повторим ее, а там и улучшим! И на первом этапе «присматривания» к новому микроскопическому миру электронный «глаз» отлично справляется со своими нелегкими обязанностями разведчика.

Многого ждет от электронного микроскопа и медицина. Он уже серьезно помог ей в изучении вирусов — возбудителей многих десятков тяжелых массовых заболеваний, в частности гриппа, кори, полиомиелита. Исключительный интерес представляют исследования злокачественных опухолей. Во многих видах таких опухолей с помощью электронного микроскопа в последние год — два найдены вирусоподобные частицы. Они еще не изучены, их пока не удается выращивать в условиях лаборатории. А может быть, именно на этом пути или во всяком случае только благодаря электронно-микроскопическому проникновению в скрытые еще от нас сегодня тайны клетки будет решена проблема ранней диагностики злокачественных опухолей, обнаружения и уничтожения их задолго до того момента, когда они становятся опасными для жизни больного.

Ранняя диагностика заболеваний, по-видимому, станет одной из наиболее важных и эффективных областей применения электронного микроскопа в медицине. Серьезной помощи электронного микроскопа можно ждать в раскрытии причин и механизмов многих инфекционных и неинфекционных болезней.

* * *

Сегодня еще трудно судить о функциях тех мельчайших деталей строения живого, форму которых мы уже можем объективно увидеть, измерить, сфотографировать и даже в известных пределах химически проанализировать. Специалисты по изучению функций организма — физиологи — еще не проникают в такие глубины, на которых уже довольно уверенно чувствуют себя морфологи, изучающие форму и строение живого. Увеличивая с помощью микроскопа изображение деталей строения, мы еще не умеем, образно говоря, так же увеличивать в сотни тысяч раз и функцию. Собственно говоря, так было всегда. И от этого разрыва больше всего страдают сами морфологи, ибо они-то и попадают в положение человека, который «видит, но понять не может».

Знание нового, ранее невиданного мира станет полноценным, когда мы начнем изучать не только формы мельчайших деталей клеток и тканей, но и их динамику, их функции, их взаимосвязь.

Классическая биология достигала крупных успехов именно тогда, когда сочетала изучение формы и функции в едином методе. Электронная микроскопия привела к разрыву достигнутого ранее единства и нарушила стабильность многих установившихся принципов. Возникла напряженная, творческая, животрепещущая ситуация. Она чревата большими надеждами и разочарованиями, крупными научными открытиями и переворотами, — всем тем, что создает предпосылки для научного подвига.

Едва различимые точки на снимке — частицы бактериофага, видимые в световом микроскопе при увеличении в 4 000 раз

Отдельный участок поля, увеличенный с помощью электронного микроскопа в 30 000 раз

Увеличение в 300 000 раз позволяет детально рассмотреть строение бактериофага