04.01.2013
Развитие микротехнологий позволило ученым легче проникать в микроскопический мир. Однако под обычным микроскопом клетки выглядят одинаково, их трудно различить. Для решения этой проблемы ученые изобрели множество способов: использование генной инженерии для трансформации клеток, окрашивание клеток красителями и т.д. В итоге, под микроскопом клетка перестает быть монотонной, а становится прекрасным зрелищем.
Нравится нам это или нет, но глаза всегда используют один и тот же способ сбора информации: клетки сетчатки захватывают фотоны. Эта информация передается в мозг, который обрабатывает изображение. Если объект слишком мал, отражение фотонов слишком незначительно, человеческий глаз не может увидеть его структуру. В этом случае нам необходимы микроскопические методы наблюдения. Представленные в данной работе изображения не только имеют важную научную ценность, но и обладают сильной художественной красотой. Эти изображения демонстрируют самые передовые методы оптической микроскопии в биологических исследованиях.
В настоящее время оптическая микроскопия претерпевает беспрецедентные изменения. Ученые используют новые флуоресцентные маркеры и технологии генной инженерии для модификации образцов тканей, что позволяет микроскопу окрашивать образцы тканей, открывая путь к «открытиям». Это новая технология, которую активно используют исследователи. Благодаря этой методике каждый нерв головного мозга мыши демонстрирует множество цветов, что делает изображение разборчивым и позволяет проводить сложный анализ отслеживания нейронных сетей для конкретных аксонов, а также создавать полные карты нейронной сети — задача, невыполнимая для старых технологий визуализации.
Точность микроскопа также повышается. Мы можем отметить определенный белок, а затем использовать микроскоп для наблюдения за его активностью в организационных процессах; детально рассмотреть деление и дифференциацию клеток, а также все происходящее с первого взгляда. Исследователи могут быстро запечатлеть мгновенные события внутри клетки или ткани при ярком свете, а также наблюдать за тонкими внутриклеточными процессами в условиях слабого освещения. С развитием микротехнологий будет решено противоречие между скоростью и разрешением получения изображений.
В настоящее время ряд микроскопических методов позволяет изучать даже самые тонкие биологические структуры (и результаты исследований получены на основе большого количества наблюдений), широкое применение этих методов заложило прочную основу для понимания сущности жизни.
Сложные структуры мозга: с помощью двухфотонной микроскопии (2-фотонной микроскопии) Томаса Диринка (Thomas Deerinck) из Калифорнийского университета в Сан-Диего, был исследован образец ткани мозжечка мыши толщиной всего 400 мкм с тонкой микроструктурой (изображение выше), где зеленым цветом обозначены клетки Пуркинье (нейроны Пуркинье), красным — астроциты (глиальные клетки), синим — ядро. Жан Риве (Livet Jean) из Гарвардского университета, используя конфокальную микроскопию (микроскопию конфокальную), исследовал срезы ткани ствола мозга генетически модифицированной мыши (340 мкм). В результате генетической модификации каждый нейрон у мыши приобретает свой цвет (см. ниже). Чтобы придать нейронам разный цвет (т.е. «Мозговая радуга»), ученые смогут наблюдать направление отдельного аксона в сложной нейронной сети.
Структура тканей внутреннего уха мыши
Из-за узкого и трудноразделимого пространства структуру внутреннего уха очень сложно наблюдать. Соня Пиот (Sonja pyott) из кампуса Университета Северной Каролины в Уилмингтоне получила изображение волосковых клеток внутреннего уха мыши (вверху слева). Эти клетки способны механически преобразовывать звуковые волны в электрический импульсный сигнал. На изображении волосковые клетки обозначены зеленым цветом, а клетки волосковых клеток – красным и синим, затем показано ядро (метод конфокальной микроскопии). Гленн Макдональд (MacDonald Glen) из Университета Вашингтона использует аналогичный метод окрашивания для получения изображения структуры ткани внутреннего уха мыши (конфокальная микроскопия).
Мышечные волокна у дрозофилы
Мышечные клетки образуют прочную мышечную ткань. На изображении выше показан поперечный срез мышц языка мышей, полученный Томасом Диринком (Thomas Deerinck) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. На следующем снимке показана рука Германа Эберли (Aberle Hermann) из Мюнстерского университета (Германия), демонстрирующая увеличенные мышечные волокна плодовых мушек. Из-за генетической изменчивости мышечные волокна плодовых мушек выглядят дезорганизованными (конфокальная микроскопия).
Козья кость 4 раза
Плавники и кость козы: на двух изображениях показана плотная тканевая структура тела позвоночных. Рамат-Ган, Израиль, Самуэль Сильберман. Самуэль Сильберман увеличил в сто раз кость плавника рыбы, и на ней была видна пятнистая осенняя окраска (с использованием технологии волоконно-оптического освещения). Для наблюдения за изменениями в формировании кости, увеличением минеральной плотности и содержания минералов, Марк Ллойд (Марк Ллойд) и Ноэль Кларк (Ноэль Кларк) из онкологического центра Моффетт в городе Тампа, штат Миссури, увеличили кость козы в четыре раза (см. диаграмму, микроскопия Хироно).
Козья кость 4 раза
Плавники и кость козы: на двух изображениях показана плотная тканевая структура тела позвоночных. Рамат-Ган, Израиль, Самуэль Сильберман. Самуэль Сильберман увеличил кость плавника рыбы в сто раз, и на ней была видна пятнистая осенняя окраска (с использованием волоконно-оптической технологии освещения). Чтобы наблюдать за изменениями в формировании кости, увеличением минеральной плотности и содержания минералов, Марк Ллойд (Марк Ллойд) и Ноэль Кларк (Ноэль Кларк) из онкологического центра Моффетт в городе Тампа, штат Миссури, увеличили кость козы в четыре раза (см. диаграмму, микроскопия Хироно). Вокруг хромосом образуются микротрубочки (синий цвет).
На рисунке показана клеточная мембрана клеток, подвергнутых голоданию по сыворотке, и структура микротрубочек (зеленый цвет) из Колумбийского университета, принадлежащая Яну Шморанце (Sch-moranzer Jan). Из графика видно, что микротрубочки фибробластов демонстрируют аномальное поведение. Диаметр микротрубочек составляет около 20 нм; обычно, при наличии разрыва в клеточной мембране, микротрубочки агрегируются в месте повреждения, но в данном случае это не так. В интерфазной клетке Duke U-serdar Tulu (U. serdar Tulu) в горизонте шириной 138 мкм захватывается хромосома (синий цвет), вокруг которой образуются микротрубочки (желтый цвет, ниже).
Эти фотографии невольно напоминают мне знаменитого физика Ричарда Фейнмана (Фейнман Ричард) и его забавные истории. Один из друзей Фейнмана считал, что красоту цветов ценят не столько художники, сколько сами художники, которые, распустившись в разные стороны, в итоге становятся совершенно неинтересными. Фейнман не согласился с точкой зрения друга, сказав: «Я думаю, он действительно немного забавен. Во-первых, в чем разница между ним и мной и тем, что вижу я? Я считаю, что даже если у меня нет такой же эстетической подготовки, как у него, но я все равно умею ценить красоту цветка… Давайте представим, что в движении клеток его загадочность – это не красота? Я имею в виду, красота цветка заключается не только в макроскопической форме, в микроскопическом мире его внутренняя структура не менее завораживает. А цветы для насекомых – это само по себе очень интересно, с той стороны, что насекомые тоже могут различать цвета. Чтобы увидеть красивые цветы, я хотел бы выяснить один вопрос: умеют ли низшие животные тоже ценить красоту цветов? Почему у них есть способность ощущать вкус? Эти интересные вопросы доказывают, что научные знания только сделают цветы более загадочными, более захватывающими, более внушающими благоговение».
