04.01.2013
Die Entwicklung der Mikrotechnologie ermöglicht es Wissenschaftlern, leichter in die Mikrowelt vorzudringen. Doch unter dem herkömmlichen Mikroskop erscheinen Zellen einheitlich und sind schwer zu unterscheiden. Daher haben Wissenschaftler verschiedene Methoden entwickelt: die Veränderung von Zellen mithilfe von Gentechnik, die Anfärbung von Zellen mit Farbstoffen usw. Schließlich erscheint die Zelle unter dem Mikroskop nicht mehr eintönig, sondern als ein faszinierendes Bild.
Ob wir es wollen oder nicht, unsere Augen nutzen stets dieselbe Art der Informationsgewinnung: Netzhautzellen fangen Photonen ein. Diese Information wird an das Gehirn weitergeleitet, das sie zu einem Bild verarbeitet. Ist das Objekt zu klein, ist die Photonenreflexion zu gering, sodass das menschliche Auge seine Struktur nicht erkennen kann. In diesem Fall ist die Mikroskopie erforderlich. Die in dieser Arbeit gezeigten Bilder besitzen nicht nur einen hohen wissenschaftlichen Wert, sondern auch eine starke künstlerische Wirkung. Sie repräsentieren die modernsten optischen Mikroskopietechniken in der biologischen Forschung.
Die optische Mikroskopie erlebt derzeit einen beispiellosen Wandel. Wissenschaftler nutzen neuartige Fluoreszenzmarker und gentechnische Verfahren zur Modifizierung von Gewebeproben, um diese mikroskopisch farbig darzustellen und so neue Wege zu eröffnen. Diese innovative Technologie wird von Forschern intensiv genutzt. Mit ihr lassen sich die Nervenfasern im Gehirn von Mäusen in verschiedenen Farben darstellen und sind somit gut erkennbar. Dies ermöglicht die Analyse komplexer neuronaler Netzwerke, insbesondere die Verfolgung spezifischer Axone, und die Erstellung einer vollständigen Kartierung des neuronalen Netzwerks – eine Aufgabe, die mit herkömmlichen Bildgebungsverfahren unmöglich war.
Die Genauigkeit des Mikroskops wurde ebenfalls verbessert. Wir können ein bestimmtes Protein markieren und anschließend dessen Aktivitäten entlang der Zellstruktur beobachten; Zellteilung und -differenzierung lassen sich bis ins kleinste Detail erfassen. Forscher können so schnell und präzise bei hellem Licht blitzschnell Ereignisse innerhalb einer Zelle oder eines Gewebes festhalten und selbst feinste intrazelluläre Lebensprozesse bei schwachem Licht beobachten. Mit der Weiterentwicklung der Mikrotechnologie wird der Widerspruch zwischen Geschwindigkeit und Auflösung der Bildaufnahme gelöst.
Gegenwärtig können verschiedene mikroskopische Techniken selbst die subtilsten biologischen Strukturen darstellen (und die Behandlung wurde in einer großen Anzahl von Beobachtungsdaten beobachtet), die breite Anwendung dieser Techniken hat für uns eine solide Grundlage geschaffen, um das Wesen des Lebens zu verstehen.
Komplexe Gehirne: Mithilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie (2-Photonen-Mikroskopie) untersuchten Thomas Deerinck von der University of California, San Diego, nur 400 µm dicke Gewebeproben des Kleinhirns von Mäusen und deren feine Mikrostruktur (siehe Abbildung oben). Grün repräsentiert Purkinje-Zellen (Purkinje-Neuronen), Rot Astrozyten (Gliazellen) und Blau den Zellkern. Jean Rivet von der Harvard University nutzte die Konfokalmikroskopie (konfokale Mikroskopie) an 340 µm dicken Gewebeschnitten des Hirnstamms gentechnisch veränderter Mäuse. Durch die genetische Modifikation weist jedes Neuron in der Maus eine andere Farbe auf (siehe unten). Durch die unterschiedliche Farbgebung der Neuronen (sog. „Brainbow“) können Wissenschaftler die Richtung einzelner Axone im komplexen neuronalen Netzwerk beobachten.
Gewebestruktur des Innenohrs der Maus
Da der Raum eng und schwer zu trennen ist, ist die Beobachtung der Innenohrstruktur sehr schwierig. Sonia Piot (Sonja Piot) vom Wilmington-Campus der University of North Carolina hat die Haarzellen des Maus-Innenohrs (oben links) abgebildet. Diese Zellen können Schallwellen mechanisch in elektrische Impulssignale umwandeln. Im Bild sind die Haarzellen grün, die Zellen innerhalb der Haarzellen rot und blau dargestellt, gefolgt vom Zellkern (Konfokalmikroskopie). Glenn MacDonald (MacDonald Glen) von der University of Washington verwendet eine ähnliche Färbemethode, um die Gewebestruktur des Maus-Innenohrs mittels Konfokalmikroskopie darzustellen.
Muskelfaser in Drosophila
Muskelzellen bilden ein festes Muskelgewebe. Die Abbildung oben zeigt einen Querschnitt der Zungenmuskulatur von Mäusen, aufgenommen von Thomas Deerinck von der University of California, San Diego. Die folgende Abbildung zeigt die vergrößerten Muskelfasern von Fruchtfliegen, aufgenommen von Hermann Aberle Hermann von der Universität Münster. Aufgrund genetischer Variationen erscheinen die Muskelfasern der Fruchtfliege ungeordnet (Konfokalmikroskopie).
Ziegenknochen 4 Mal
Flossen und Ziegenknochen: Zwei Bilder zeigen die dichte Gewebestruktur des Wirbeltierkörpers. Ramat Gan, Israel, Samuel Silberman Shamuel Silberman legte einen hundertfach vergrößerten Fischflossenknochen darauf, der oben mit gesprenkelter Herbstfärbung versehen war (unter Verwendung von Faseroptik-Beleuchtungstechnologie). Um die Veränderungen der Knochenbildung in Bezug auf Knochenmineraldichte und Mineralgehalt mit zunehmendem Grad zu beobachten, vergrößerten Mark Lloyd (Mark Lloyd) und Noel Clark (Noel Clark) im Mo Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, einen Ziegenknochen vierfach (siehe Diagramm, Hirono-Mikroskopie).
Ziegenknochen 4 Mal
Flossen und Ziegenknochen: Zwei Bilder zeigen die dichte Gewebestruktur des Wirbeltierkörpers. Ramat Gan, Israel, Samuel Silberman. Shamuel Silberman vergrößerte einen Fischflossenknochen hundertfach, und die Oberfläche zeigte eine gefleckte Herbstfärbung (mittels Faseroptik-Beleuchtung). Um die Veränderungen der Knochenbildung, der Knochenmineraldichte und des Mineralgehalts zu beobachten, vergrößerten Mark Lloyd und Noel Clark vom Missouri Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, einen Ziegenknochen vierfach (siehe Diagramm, Hirono-Mikroskopie). Mikrotubuli bilden sich um die Chromosomen (blau).
Hier ist Jan Schmoranza (Sch-moranzer Jan), Columbia University, die Zellmembran von Zellen, die durch Serumhunger behandelt wurden, und die Struktur der Mikrotubuli (grün). Aus der Grafik geht hervor, dass die Mikrotubuli von Fibroblasten ein abnormales Verhalten zeigen. Der Durchmesser der Mikrotubuli beträgt etwa 20 nm. Normalerweise aggregieren die Mikrotubuli bei einer Lücke in der Zellmembran an der Bruchstelle, was hier jedoch nicht der Fall ist. In der Interphasezelle, Duke U - serdar, Tulu (U. serdar Tulu), ist in 138 µm breiten Horizonten das Chromosom (blau) eingefangen, um das herum sich Mikrotubuli (gelb, unten) bilden.
Diese Bilder erinnern mich unweigerlich an den berühmten Physiker Richard Feynman und seine humorvolle Anekdote. Ein Freund Feynmans hatte einmal gesagt, dass Wissenschaftler die Schönheit von Blumen nicht so tiefgründig erkennen wie Künstler, und dass selbst die schönsten Blumen, die sich ständig verändern, irgendwann uninteressant werden. Feynman stimmte der Ansicht seines Freundes nicht zu und sagte: „Ich finde ihn wirklich etwas seltsam. Erstens, worin besteht der Unterschied zwischen ihm und mir und dem, was ich sehe? Ich glaube, dass ich, selbst wenn ich nicht dieselbe ästhetische Ausbildung wie er habe, die Schönheit einer Blume durchaus zu schätzen weiß … Stellen wir uns nur einmal die Bewegung einer Zelle vor – ist das nicht faszinierend? Ich meine, die Schönheit der Blume liegt nicht nur in ihrer makroskopischen Form, sondern auch in ihrer mikroskopischen, ihre innere Struktur ist ebenso faszinierend. Und die Tatsache, dass Insekten Blumen wahrnehmen und miteinander kämpfen, ist an sich schon sehr interessant, zumal Insekten möglicherweise auch Farben unterscheiden können. Angesichts der Schönheit der Blumen möchte ich eine Frage beantworten: Können auch niedere Tiere die Schönheit von Blumen wertschätzen? Warum besitzen sie die Fähigkeit zu schmecken? Diese interessanten Fragen zeigen, dass wissenschaftliche Erkenntnisse die Blumen nur noch geheimnisvoller, aufregender und beeindruckender machen.“
