13.01.04
Die Entwicklung der Mikrotechnologie erleichtert Wissenschaftlern den Zugang zur Mikrowelt. Unter dem gewöhnlichen Mikroskop sehen Zellen jedoch immer gleich aus und sind nur schwer zu unterscheiden. Wissenschaftler haben hierfür verschiedene Methoden entwickelt: Sie nutzen gentechnische Verfahren zur Zelltransformation und färben Zellen mit Farbstoffen. Unter dem Mikroskop erscheint die Zelle schließlich nicht mehr eintönig, sondern bietet ein wunderschönes Bild.
Ob wir es mögen oder nicht, das Auge nutzt vor einem Objekt immer die gleiche Methode zur Informationsaufnahme: Netzhautzellen erfassen Photonen. Die Informationen werden an das Gehirn weitergeleitet, das die Bilder dann verkleinert. Ist das Objekt zu klein, ist die Reflexion des Photons zu gering, und das menschliche Auge kann dessen Struktur nicht erkennen. Hierfür ist die mikroskopische Technik erforderlich. Die in diesem Artikel gezeigten Bilder haben nicht nur einen hohen akademischen Wert, sondern auch eine starke künstlerische Wirkung. Sie repräsentieren die fortschrittlichsten optischen Mikroskopietechniken in der biologischen Forschung.
Die optische Mikroskopie erlebt derzeit einen beispiellosen Wandel. Wissenschaftler nutzen neuartige Fluoreszenzmarker und Gentechnik, um Gewebeproben zu modifizieren und sie unter dem Mikroskop farbig zu machen – ein Weg zu neuen Entdeckungen. Diese neue Technologie wird von Forschern genutzt. Mit dieser Technik wird jeder Nerv im Maushirn in verschiedenen Farben dargestellt und ist somit lesbar. So können wir die komplexe neuronale Netzwerkverfolgung und -analyse spezifischer Axonen analysieren und eine vollständige neuronale Netzwerkkartierung erstellen – eine Aufgabe, die mit herkömmlichen Bildgebungstechnologien nicht zu bewältigen ist.
Auch die Genauigkeit des Mikroskops wurde verbessert. Wir können ein bestimmtes Protein markieren und dann mithilfe des Mikroskops dessen Aktivitäten entlang der Zelllinie beobachten. Zellteilung und -differenzierung lassen sich im Detail auf einen Blick erfassen. Forscher können bei hellem Licht schnell aktuelle Ereignisse in einer Zelle oder einem Gewebe erfassen und so feine intrazelluläre Lebensprozesse bei schwachem Licht beobachten. Mit der Entwicklung der Mikrotechnologie wird der Widerspruch zwischen Geschwindigkeit und Auflösung der Bilderfassung aufgelöst.
Gegenwärtig können mehrere mikroskopische Techniken sogar die subtilsten biologischen Strukturen untersuchen (und eine große Anzahl von Beobachtungsdaten wurden beobachtet). Die breite Anwendung dieser Techniken hat eine solide Grundlage für unser Verständnis der Essenz des Lebens gelegt.
Komplexe Gehirne: Thomas Deerinck von der University of California in San Diego entnahm mithilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie ein nur 400 µm dickes Stück Kleinhirngewebe einer Maus mit feiner Mikrostruktur (siehe Abbildung oben). Grün stehen für Purkinje-Zellen, rot für Astrozyten und blau für den Zellkern. Jean Livet von der Harvard University entnahm mithilfe der Konfokalmikroskopie einen 340 µm dicken Schnitt von Hirnstammgewebe einer Maus. Durch die genetische Veränderung weist jedes Neuron der Maus eine andere Farbe auf (siehe unten). Indem den Neuronen eine andere Farbe gegeben wird (z. B. „Gehirnbogen“), können die Wissenschaftler die Richtung eines einzelnen Axons in einem komplexen neuronalen Netzwerk beobachten.
Gewebestruktur des Innenohrs einer Maus
Da der Raum eng und schwer zu trennen ist, ist die Struktur des Innenohrs sehr schwer zu beobachten. Sonja Pyott vom Wilmington Campus der University of North Carolina hat Haarzellen im Innenohr einer Maus (oben links) aufgenommen. Diese Zellen können Schallwellen mechanisch in elektrische Impulse umwandeln. Auf dem Bild sind die Haarzellen grün, die Haarzellen rot und blau, und der Zellkern ist zu sehen (Konfokalmikroskopie). Glenn MacDonald von der University of Washington verwendet eine ähnliche Färbemethode, um die Gewebestruktur des Innenohrs einer Maus zu erfassen (Konfokalmikroskopie).
Muskelfasern bei Drosophila
Muskelzellen bilden ein zähes Muskelgewebe. Das obige Bild zeigt einen Querschnitt der Zungenmuskulatur von Mäusen, aufgenommen von Thomas Deerinck von der University of California, San Diego. Das folgende Bild zeigt die Hand von Hermann Aeberli von der Universität Münster, die die vergrößerten Muskelfasern der Fruchtfliege zeigt. Aufgrund genetischer Variationen wirken die Muskelfasern der Fruchtfliege ungeordnet (Konfokalmikroskopie).
Ziegenknochen 4 mal
Flossen und Ziegenknochen: Zwei Bilder zeigen die dichte Gewebestruktur des Wirbeltierkörpers. Samuel Silberman aus Ramat Gan, Israel, untersuchte einen hundertfach vergrößerten Fischflossenknochen und legte ihn (mithilfe von Glasfaser-Beleuchtungstechnologie) auf die gesprenkelte Oberfläche. Um die zunehmenden Veränderungen der Knochenmineraldichte und des Mineralgehalts während der Knochenbildung zu beobachten, vergrößerten Mark Lloyd und Noel Clark vom Mo Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, den Ziegenknochen viermal (siehe Diagramm, Hirono-Mikroskopie).
Ziegenknochen 4 mal
Flossen und Ziegenknochen: Zwei Bilder zeigen die dichte Gewebestruktur des Wirbeltierkörpers. Samuel Silberman, Ramat Gan, Israel, untersuchte einen hundertfach vergrößerten Fischflossenknochen und legte ihn auf die gesprenkelte Oberfläche (mithilfe von Glasfaser-Beleuchtungstechnologie). Um die zunehmenden Veränderungen der Knochenmineraldichte und des Mineralgehalts während der Knochenbildung zu beobachten, vergrößerten Mark Lloyd und Noel Clark vom Mo Moffett Cancer Center in Tampa, Florida, den Ziegenknochen um das Vierfache (siehe Diagramm, Hirono-Mikroskopie). Um die Chromosomen herum bilden sich Mikrotubuli (blau).
Hier ist Jan Schmoranza (Sch-moranzer Jan) von der Columbia University, die Zellmembran einer mit Serummangel behandelten Zelle und die Struktur der Mikrotubuli (grün). Wie aus der Grafik hervorgeht, zeigen die Mikrotubuli der Fibroblasten ein abnormales Verhalten. Der Durchmesser der Mikrotubuli beträgt etwa 20 nm. Normalerweise aggregieren die Mikrotubuli an einer Lücke in der Zellmembran, was jedoch nicht der Fall ist. In der Interphase der Zelle hat Duke U-serdar, Tulu (U. serdar Tulu) in einem 138 µm breiten Horizont das Chromosom (blau) eingefangen, und darum herum bilden sich Mikrotubuli (gelb, unten).
Bei diesen Bildern muss ich unweigerlich an die „lustige“ Geschichte des berühmten Physikers Richard Feynman denken. Ein Freund von Feynman hatte geglaubt, dass Wissenschaftler die Schönheit von Blumen nicht so sehr erkennen wie Künstler, sondern dass schöne Blumen, die sich in allen Farben und Formen öffnen, irgendwann uninteressant werden. Feynman war mit dem Standpunkt seines Freundes nicht einverstanden und sagte: „Ich finde ihn wirklich ein bisschen komisch. Zunächst einmal: Was ist der Unterschied zwischen ihm und mir und dem, was ich sehe? Ich glaube, auch wenn ich nicht die gleiche ästhetische Ausbildung habe wie er, kann ich die Schönheit einer Blume auch schätzen … Stellen wir uns die Bewegung einer Zelle vor: Ist ihre verblüffende Schönheit nicht gerade schön? Ich meine, die Schönheit einer Blume liegt nicht nur in ihrer makroskopischen Form, auch im mikroskopischen Bereich ist ihre innere Struktur faszinierend. Und Blumen sind für Insekten die Vorsehung und der Kampf gegen Yan, was an sich schon sehr interessant ist, zumal Insekten möglicherweise auch Farben unterscheiden können. Um die schönen Blumen zu sehen, möchte ich eine Frage klären: Wissen auch niedere Tiere die Schönheit von Blumen zu schätzen? Warum können sie schmecken? Diese interessanten Fragen haben bewiesen, dass wissenschaftliche Erkenntnisse die Blumen nur noch geheimnisvoller, aufregender und ehrfurchtgebietender machen werden.“
