Журнал Радио 1 номер 1971 год.

Журнал Радио 1 номер 1971 год. Горизонты науки ЭЛЕКТРОНИКА И КЛЕТКА

Более ста лет биологи занимаются изучением основного «строительного» материала животных и растительных организмов — клеток. Чем глубже человек проникает в клетку, тем более подвластна становится ему природа. Вторжение электроники в биологию в последние годы существенным образом изменило представление о структуре и химическом составе клетки. Появившиеся новые электронные приборы значительно расширили границы биологических исследований.

С давних времен главным орудием биологов был оптический микроскоп. В 1500 раз он способен увеличить исследуемый объект. При этом клетка представляется комочком протоплазмы с расположенным в центре ядром. Но добиться большего увеличения оптическим микроскопом оказалось невозможным, так как детали препарата, расположенные друг от друга на расстоянии, близком к длине световой волны, становятся неразличимыми. Световая волна их огибает.

Более детально «разглядеть» клетку помог электронный микроскоп. Поток электронов, создаваемый его электронной пушкой, ускоряется электрическим полем с напряжением в несколько десятков киловольт. Далее он направляется на исследуемый объект, пройдя который, попадает на флуоресцирующий экран или фотопленку. Вместо обычных линз в электронном микроскопе применяются электронные линзы — магнитные, электростатические либо комбинированные. Увеличение получается очень большое — в десятки тысяч раз.

Но и оптический микроскоп еще не сдан в архив. Соответствующие усовершенствования его привели к созданию телевизионного микроскопа. В нем оптическое изображение исследуемого препарата сначала преобразуется в электрические сигналы, а затем в изображение на экране телевизионной трубки. При этом наблюдатель может находиться на значительном расстоянии от исследуемого объекта. Это важно, например, при работе с радиоактивными веществами. Кроме того, за полем зрения микроскопа могут наблюдать сразу несколько человек. Наконец появляется возможность увеличения контрастности изображения с помощью электронной аппаратуры, в которой осуществляется обработка сигнала. Это очень важная особенность, так как усиление едва различимой естественной контрастности клетки делает ее гораздо более удобной для наблюдения. Электронным путем можно увеличить и яркость изображения. Причем достигается это и при малой освещенности препарата. Поэтому, если сильное освещение, необходимое в оптическом микроскопе, убивает большинство микробов, то с помощью телевизионного микроскопа их можно увидеть живыми.

В телевизионном микроскопе иногда применяют фотоприемники, чувствительные к ультрафиолетовым лучам. В этом случае можно осуществить визуальное наблюдение клетки в части спектра, невоспринимаемой человеческим глазом. Так как ультрафиолетовые лучи имеют и более короткую длину волны, увеличивается также разрешающая способность оптического микроскопа.

Кроме структурного исследования клетки, большое значение имеют сведения о различных химических компонентах ее. Для их определения клетку нужно сначала разрушить, потом выделить из нее отдельные фракции, а затем подвергнуть химическому анализу. Это, конечно, довольно сложный путь. А главное интересно знать химический состав одиночной клетки, не разрушая ее. Можно ли это сделать? Решить подобную задачу опять же помогает электроника.

Многие органические вещества обладают свойством избирательной абсорбции, то есть поглощают свет только определенной длины волны. Если использовать монохроматический источник света (излучающий свет одной длины волны) и измерить степень поглощения его в клетке, то можно определить содержание в ней данного органического вещества.

Правда, это тоже не так просто, так как физический закон, связывающий поглощение света с количеством поглощающего его вещества, справедлив для случая равномерного распределения вещества по сечению пронизывающего его светового луча. Поэтому для обеспечения высокой точности измерений необходимо, чтобы площадь сечения светового зонда была бы достаточно мала по сравнению с клеткой. Тогда на площади зонда распределение вещества можно считать равномерным.

Измерение производят следующим способом. Клетку подвергают сканированию, то есть последовательному «прощупыванию» световым зондом. После этого производится суммирование результатов по всей площади клетки. Таким образом, не разрушая клетку, можно определить количество содержащегося в ней вещества. Изменяя длину волны светового зонда, можно получить сведения о различных веществах, входящих в состав клетки. Если исследуемое вещество не обладает поглощением в узкой спектральной полосе, клетку обрабатывают специальным красителем. Этот метод получил название цитофотометрического.

На рис. 1 приведена блок-схема одной из установок, служащей для изучения состава клетки по поглощению ею света.

Перед окуляром микроскопа устанавливаются источник света (1) и светофильтр либо монохроматор (2), выделяющий из спектра излучаемого света участок определенной длины волны. Выделенный свет проходит через отверстие вращающегося диска (3) и далее с помощью микроскопа (4) это отверстие в уменьшенном виде проектируется на исследуемую клетку. Таким способом сравнительно легко можно получить в плоскости расположения клетки диаметр светового зонда величиной меньше микрона, то есть во много раз меньше размеров самой клетки.

Вращающийся диск осуществляет строчную развертку. Развертку «по кадру» получают перемещением препарата (5) в радиальном направлении. Прошедший через клетку свет попадает па фотоэлектронный умножитель (6), который преобразует его в электрические сигналы. Понятно, что ток фотоэлектронного умножителя будет зависеть от поглощения клеткой света в месте сканирования. Далее сигнал попадает па усилитель (7) и затем на регистрирующее устройство (8).

В одном случае, когда интерес представляют сведения о количестве вещества в клетке, производится суммирование данных по всей площади сканирования. В другом — для получения информации о характере распределения вещества, развертка производится только по определенной строке, а напряжение с выхода усилителя регистрируется осциллографом или самописцем.

Установка (блок схему см. на рис. 1) может служить и для других целей. Например, можно построить электронную схему таким образом, чтобы сигналы, получающиеся при сканировании той части препарата, которая отличается большим поглощением (например, ядра клетки), учитывались в одном канале, а той, где поглощение меньше (например, в цитоплазме клетки) в другом. Таким образом, исследователь получит сведения о площади ядра и цитоплазмы, а также об отношении этих площадей.

Электроника позволяет определять количество вещества в клетках, производить их дифференцированный подсчет и другим путем. Для этого используется явление фотолюминесценции. Оно состоит в том, что исследуемый препарат, обладающий собственной люминесценцией либо обработанный специальными химикалиями — флуорохромами, облучается источником ультрафиолетового или синего света. При поглощении этого света происходит переход атомов вещества в возбужденное состояние. Их обратный переход в нормальное состояние сопровождается люминесцентным излучением, которое с помощью светофильтров отделяют от возбуждающего света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству люминесцирующего вещества. В этом случае нет необходимости в сканировании клетки. Достаточно лишь зарегистрировать весь излучаемый ею световой поток. Такой метод необычайно чувствителен и позволяет определять ничтожные количества вещества в клетках — до 10-10 г.

Выше отмечалось, что если сами по себе содержащиеся в клетках вещества не люмииесцируют, то их можно обработать специальными красителями — флуорохромами. Если окрашенные клетки поместить па стекло и посмотреть на них в люминесцентный микроскоп, то можно увидеть, как они светятся зеленым, красным или другим цветом. При определенном выборе красителей и условий окрашивания можно получить различие в цвете люминесценции живых и мертвых клеток, например, добиться того, чтобы живые клетки светились зеленым, а мертвые — красным цветом. Подсчитывая зеленые и красные клетки, можно определять их соотношение. Такой прибор может быть полезен и в тех случаях, когда нужно определять количество биологических микрообъектов в препаратах, представляющих совокупность объектов органического и неорганического происхождения, так как и здесь можно использовать разницу в спектре люминесценции.

Блок-схема прибора для дифференциального подсчета микрообъектов, люминесцирующих разным цветом, приведена на рис. 2. Выйдя из объектива микроскопа (1) и отразившись от зеркала (2), луч света, создаваемый люминесцирующей

клеткой, попадает на вход оптической системы. Она состоит из преломляющей призмы (3) и ряда зеркал (4—7). С помощью этой системы свет люминесценции в зависимости от длины его волны направляется на вход фотоэлектронного умножителя 8 или 9. Предметный столик микроскопа (10) вместе с анализируемым препаратом (11) перемещается с помощью электродвигателя (12). Благодаря этому в тот момент, когда свет от люминесцирующей клетки через диафрагму (13) попадает на фотокатод одного из фотоэлектронных умножителей, он вызывает появление импульса на его выходе. После усиления блоками (14 и 15) импульсы регистрируются счетчиками (16 и 17). Количество зарегистрированных счетчиками импульсов соответствует количеству люминесцирующих одним цветом частиц.

Не исключено, что автоматический подсчет люминесцирующих клеток окажется полезным и для решения одной из главнейших проблем биологии — изучения рака и борьбы с ним. Большое количество научных исследований посвящено выявлению разницы в люминесценции нормальных и раковых клеток. Некоторые авторы указывают, что свечение здоровых и больных клеток, окрашенных соответствующим флуорохромом, отличается по спектру и по интенсивности.

В биологии и медицине сейчас широко применяется измерение электрических потенциалов головного мозга, мышц и так далее. А можно ли регистрировать электрические потенциалы отдельной клетки? Оказывается, можно. Для этой цели используют очень тонкие электроды, диаметром меньше микрона. Их вводят в клетку, не повреждая ее. Это позволяет изучать жизнедеятельность клетки, отражающуюся в изменении ее электрических потенциалов.

Используемые для снятия потенциалов клетки микроэлектроды представляют собой чрезвычайно тонкие стеклянные трубочки, наполненные токопроводящим раствором. Благодаря очень малому диаметру микроэлектроды обладают большим сопротивлением. Поэтому для того, чтобы иметь возможность зафиксировать быстрые изменения потенциалов клетки, применяют специальные усилители с обратной связью, обладающие чрезвычайно малой входной емкостью при очень высоком входном сопротивлении.

Л. КАМИНИР 

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 1 номер 1971 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.