Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методы микроскопического анализа в ботанике. Учебно-методическое пособие для студентов биологического факультета, обучающихся по направлению подготовк.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
танике люминесцентную микроскопию используют для изучения живых клеток, химического состава клеток и тканей, кариотипов и хромосом рас­тений.
Лазерный конфокальный микроскоп – разновидность светового оп-
тического микроскопа, который позволяет получать максимально возмож­ное, для световых микроскопов, разрешение благодаря применению лазера в качестве источника освещения и особому способу получения изображе­ния. За счёт ограничения глубины фокуса и использования точечных коге­рентных источников света в этом типе микроскопов происходит послойное формирование изображения объекта на одном уровне глубины резкости. Это позволяет проводить оптическое секционирование образца по глубине, т. е. получать серию изображений на разных глубинах фокальной плос­кости, а затем на их основе реконструировать трехмерное изображение ис­следуемого объекта. Это применимо для визуализации как фиксированных, так и живых клеток и тканей.
Конфокальная микроскопия имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной оптической микроскопией: 1) возможность контроля глубины резкости; 2) устранение или уменьшение шумов вне фокуса (фон приводит к ухудшению качества изображения); 3) возможность сбора последователь­ных оптических срезов из толстых образцов. Разрешение конфокальных микроскопов превышает разрешение оптических широкопольных микро­скопов, но значительно меньше разрешения просвечивающих электронных микроскопов. Вследствие чего конфокальную микроскопию считают своего рода мостом между этими двумя типами микроскопии.
Мультифотонный микроскоп – разновидность люминесцентного (флуоресцентного) микроскопа, в котором возбуждение флуорофора (фраг­мента молекулы, придающий ей флуоресцентные свойства) достигается при одновременном (в интервале около 10–15 с) поглощении нескольких фотонов с большей длиной волны, которые действуют как одиночный фотон с более короткой длиной волны. При этом фотоны с большей длиной волны обладают меньшей фототоксичностью и способны глубже проникать в ткани.
Мультифотонная микроскопия схожа с конфокальной и обеспечивает четкие преимущества для трехмерной визуализации. Она хорошо подходит для визуализации живых клеток и тканей.
Электронный микроскоп – прибор, позволяющий получать изоб­ражение объектов с максимальным увеличением до
106раз. Разреше-
ние электронного микроскопа измеряется в нанометрах. Это достигается использованием вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 эВ – 400 кэВ и более. В результате возможности электронного мик­роскопа превышают пределы классического светового микроскопа более чем в 500 раз. В настоящее время выпускается три типа электронных микроскопов: 1) просвечивающий (трансмиссионный); 2) просвечивающий
11
растровый (сканирующий); 3) растровый (сканирующий). Все электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании. Их следует размещать только в устойчивых зданиях (иногда под землёй) и в помещениях, свобод­ных от источников посторонних излучений, так как электроны чувствитель­ны к электромагнитному полю. Исследуемые объекты должны находиться в вакууме во избежание рассеивания электронов молекулами воздуха.
В просвечивающем электронном микроскопе для формирования изображения применяется пучок ускоренных электронов с энергией 50–200 кэВ. Он создается катодом, затем ускоряется, фокусируется системой магнитных линз, проходит через исследуемый объект и систему увеличивающих линз и, наконец, формирует изображение на люминес­центном экране, фотопластинке или ПЗС-камере (специализированной аналоговой интегральной микросхеме, состоящей из светочувствительных фотодиодов). Просвечивающие микроскопы используются для визуализа­ции биологических образцов с максимальным разрешением 0,1–0,2 нм. Для сравнения – у оптических микроскопов этот показатель равен всего 200 нм. Однако кроме преимуществ электронные просвечивающие микроскопы имеют и некоторые недостатки, к числу которых относятся:
1) возможность исследовать только ультратонкие срезы (около 100 нм);
2) неустойчивость (разложение) образцов под пучком электронов. Кроме того, просвечивающий электронный микроскоп не может обеспечить адекватный контраст органических материалов, что делает необходимым окрашивание изучаемого объекта тяжелыми металлами.
В просвечивающем растровом (сканирующем) электронном микро- скопе пучок электронов пропускается через сверхтонкий образец, но, в от­личие от предыдущего типа электронного микроскопа, пучок электронов фокусируется в точку, в которой проводят растровое сканирование изуча­емого образца. Это позволяет добиться высокого контраста изображения органических и других мягких материалов. В результате устраняется необ­ходимость окрашивания объекта, что упрощает протоколы их подготовки к микроскопированию и визуализацию в естественном, неокрашенном со­стоянии.
В основе принципа работы растрового (сканирующего) электронно- го микроскопа лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца. Электронный луч, сжатый магнит­ными линзами в тонкий (1–10 нм) зонд, сканирует поверхность образца, формируя на ней растр из нескольких тысяч параллельных линий. При электронной бомбардировке поверхности изучаемого объекта возникают вторичные излучения. Они регистрируются детекторами и преобразуются в видеосигналы, модулирующие электронный луч в электроннолучевой трубке. Разрешающая способность данного типа микроскопа варьирует от 5–7 до 0,3–0,4 нм и определяется не только его конструкцией, но и характеристиками исследуемого образца (электро- и теплопроводностью,
12
однородностью состава, особенностями рельефа поверхности и др.). Такие микроскопы используют для изучения микроморфологии и тонкой струк­туры поверхности образцов.

1.3. Устройство светового микроскопа

Микроскоп состоит из четырёх частей: механической, оптической (осветительной), воспроизводящей и визуализирующей (рис. 3). К ме- ханической части относится штатив (основание), предметный столик, коробка механизмов с макро- и микрометрическими винтами. Штатив представляет собой блок, на котором крепится весь микроскоп. В простых микроскопах на основание устанавливают осветительные зеркала или накладные осветители. Предметный столик служит для размещения на нем предметного стекла с микропрепаратами. Он может перемещаться в горизонтальной плоскости, что позволяет менять участки препарата, попадающие в поле зрения. Макро- и микровинты поднимают и опускают тубус или предметный столик (в зависимости от конструкции микроскопа), обеспечивая настройку резкости изображения. Макровинт используется при работе на малом увеличении, а микровинт – на большом.
Оптическая часть включает тубус (трубка в форме цилиндра), в верх­ней части которого располагаются окуляры, а в нижней части – устройство
Рис. 3. Современный световой учебный микроскоп
13
для крепления объективов. Система линз объектива обеспечивает увеличе­ние изображения. Окуляр позволяет видеть объект, увеличивая изображе­ние, данное объективом.
Воспроизводящая составляющая оптической части микроскопа пред­назначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с тре­буемым для исследования качеством изображения и увеличения (т. е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех де­талях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей). Воспроизводя­щая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа. Воспроизводящая часть включает объектив и промежуточную оптическую систему. Современные микроскопы последнего поколения базируются на оптических системах объективов, скорректированных на бесконечность. Это требует дополни­тельно применения так называемых тубусных систем, которые параллель­ные пучки света, выходящие из объектива, «собирают» в плоскости изо­бражения микроскопа.
Визуализирующая составляющая оптической части микроскопа пред­назначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотопленке или пластинке, на экране телевизионного или компьютерно­го монитора с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения). Визуализирующая часть расположена между плоскостью изображения объ­ектива и глазами наблюдателя (камерой, фотокамерой). Визуализирующая часть включает монокулярную (см. рис. 1, б–е), бинокулярную (см. рис. 3) или тринокулярную (см. рис. 2) визуальную насадку с наблюдательной си­стемой (окулярами, которые работают как лупа). Кроме того, к этой части относятся системы анализа и документирования изображения (фотоадаптер, процессор, монитор).
Осветительная часть микроскопа состоит из источника света (лампы и электрического блока питания) и оптико-механической системы (коллек­тора, конденсора, полевой и апертурной регулируемой/ирисовой диафраг­мы). У микроскопов проходящего света осветительная часть располагается за объектом под объективом, в инвертированных микроскопах – перед объ­ектом над объективом (см. рис. 2). Линзы конденсора фокусируют лучи све­та на препарате. Поднимая и опуская конденсор (с помощью специального винта), можно настраивать фокусировку лучей. При подъеме конденсора попадающие на препарат лучи рассеиваются, при опускании – концентри­руются на препарате, но на более ограниченном участке. Обычно работа­ют при конденсоре, поднятом до уровня столика. В конденсор встраива­ется диафрагма, которая представляет собой систему подвижных тонких металлических пластинок («лепестков»), закрепленных в круглой оправе. Диафрагма предназначена для ограничения светового потока, падающего
14
на препарат. Как правило, при использовании малого увеличения и интен­сивного освещения, пластинки диафрагмы сдвигают, уменьшая отверстие, и, наоборот, при большом увеличении и слабом освещении препарата диа­фрагму раздвигают полностью. При использовании объективов с большим увеличением отверстие диафрагмы следует уменьшить для ослабления сфе­рической аберрации.

1.4. Правила работы со световым микроскопом

Эффективное применение светового микроскопа для анализа биоло­гических объектов возможно только при строгом соблюдении правил его настройки и ухода за ним.
1. Микроскоп необходимо хранить в чехле и только в сухом месте. Если предполагается не использовать микроскоп в течение длительного времени, его следует плотно упаковать в полиэтиленовый пакет, поместив в него селикагель для впитывания имеющейся в воздухе влаги.
2. Для предохранения попадания пыли внутрь микроскопа окуляры должны быть вставлены в окулярные трубки, а объективы ввинчены во все гнезда револьверного устройства. При отсутствии объектива в гнездо встав­ляется специальная заглушка.
3. Подвижные металлические детали микроскопа необходимо обраба­тывать силиконовой смазкой, обновляя ее 1–2 раза в год.
4. При перемещении микроскопа следует одной рукой держать его за штатив, а другой – за основание.
5. Необходимо оберегать микроскоп от механических ударов.
6. Недопустим контакт фронтальных линз объективов, конденсора и глазных линз окуляров с химическими реактивами.
7. Нельзя касаться пальцами всех стеклянных поверхностей микроско­па (линз, зеркал и светофильтров), так как останутся жирные следы. После этого требуется проводить внеплановую чистку оптики, которая может по­влечь за собой повреждение просветляющих поверхностей.
8. При чистке внешних поверхностей линз нужно удалить с них пыль мягкой кисточкой, промытой в эфире, не нажимая на поверхность во из­бежание царапин. При необходимости поверхность линз можно протереть чистой полотняной или батистовой тряпочкой, слегка смоченной специаль­ной жидкостью для чистки оптики, в крайнем случае чистым бензином или эфиром. Нельзя использовать ксилол для удаления загрязнений с линз объективов, так как это может привести к их расклеиванию. Зеркала, имею­щие наружное серебрение, не следует протирать, пыль с них можно только сдувать резиновой грушей.
9. Перед началом или в конце работы рекомендуется оценить чисто­ту основных оптических поверхностей объектива, окуляров и конденсора микроскопа и при загрязнении немедленно их очистить.
15
10. Для продления срока службы ламп в осветителях во избежание рез­ких перепадов напряжения перед их включением и выключением следует переводить регулятор накала нити лампы (реостат) в минимальное положе­ние. Осветители без регулятора накала (реостата) следует реже выключать. Вышедшую из строя лампу во избежание повреждения линз можно заме­нять только на модель, рекомендованную производителем.
11. По окончании работы на микроскопе необходимо поставить его в нейтральное положение (малое увеличение, тубус вниз). Если использо­вали иммерсионный объектив, следует тщательно удалить остатки иммер­сионного масла с фронтальной линзы объектива. Затем накрыть микроскоп чехлом.
1.4.1. Настройка освещения микроскопа по Келлеру
Перед началом работы с микроскопом необходимо правильно настро-
ить освещение (рис. 4).
1. Препарат размещают на предметном столике и с помощью объекти­ва с увеличением 10×или более добиваются четкого изображения объекта.
2. Полевую диафрагму, расположенную на выходе светового пучка осветителя, полностью закрывают (см. рис. 4, а).
3. Перемещая конденсор вверх-вниз с помощью фокусировочного ме­ханизма, устанавливают такое его положение, чтобы в поле зрения были четко видны края закрытой полевой диафрагмы. При этом освещенной остается только часть поля зрения (см. рис. 4, б). В том случае, если световое пятно располагается не в центре поля зрения, следует переместить его в центр с помощью центрировочных винтов конденсора (см. рис. 4, в).
4. Корректируют высоту расположения конденсора, устанавливая его таким образом, чтобы стали резко видны края полевой диафрагмы, а ди­фракционный цвет на краю полевой диафрагмы стал сине-зеленым и обра­щенным за край диафрагмы (не в поле зрения!).
5. Открывают полевую диафрагму осветителя настолько, чтобы всё поле зрения стало освещенным (см. рис. 4, г). Для того чтобы добиться лучшего контраста изображения при высокой освещенности, апертурную диафрагму конденсора открывают на 80% от числовой апертуры объектива.
1.4.2. Работа с иммерсионным объективом
Иммерсия
(от лат.
immersio
– погружение) – это жидкость, которой заполняют пространство между препаратом (объектом наблюдения) и спе­циальным иммерсионным объективом (с маркировкой МИ). Применение иммерсионной жидкости повышает разрешающую способность микроско­па, улучшает видимость за счет увеличения разности показателя прелом­ления в промежутке между объективом и объектом, увеличивает глубину просматриваемого слоя и уменьшает количество рассеянного света, устра­няя блики от объекта.
16
Порядок работы с объекти­вом масляной иммерсии следую­щий.
1. Настраивают осветитель­ную систему микроскопа по прин­ципу Келлера (см. раздел 1.4.1) для работы методом светлого по­ля.
2. С помощью сухого объек­тива (×10, а затем×40 или×60) настраивают четкое изображение анализируемого объекта.
3. Выводят из хода лучей су­хой объектив.
4. На препарат наносят кап­лю иммерсионного масла (можно также немного смазать фронталь­ную линзу иммерсионного объек­тива).
5. Вводят в ход лучей иммер­сионный объектив (50×МИ или 100×МИ) и опускают его до со­прикосновения с каплей иммерси­онной жидкости, затем, наблюдая в микроскоп, с помощью макро­и микровинтов настраивают рез­кость изображения.
6. После завершения анали­за препарата необходимо поднять тубус микроскопа вверх, снять препарат и тщательно очистить фронтальную линзу иммерсион­ного объектива.
7. Процесс очистки прово­дят следующим образом. Объек­тив вывинчивают из микроскопа или устанавливают в положение, удобное для чистки. Сухим ват­ным тампоном одним движением руки снимают иммерсионное мас­ло с фронтальной линзы. Тампо­ном, смоченным спирт-эфирной смесью (или 70% спиртом), без
Рис. 4. Настройка освещения микроскопа по Келлеру: а – при увеличении 10×добива­ются четкого изображения объекта и полностью закрывают полевую диафрагму; б – перемещают конденсор так, чтобы были четко видны края закрытой полевой диафрагмы; в – перемещают световое пятно в центр поля зрения с помощью центрировочных винтов конденсора; г – откры­вают полевую диафрагму осветителя, чтобы всё
поле зрения стало освещенным
17
надавливания кругообразным движением аккуратно протирают линзу. Эту процедуру можно повторить дважды. Следует помнить, что тампон дол­жен быть чуть влажным, излишнее увлажнение недопустимо. Завершают очистку линзы, протерев ее сухим тампоном.
8. После окончания работы необходимо установить микроскоп в ней-
тральное положение (малое увеличение, тубус вниз).

2. МЕТОДЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПРЕПАРАТОВ ЖИВЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Микроскопирование органов, тканей и клеток растений можно прово­дить как на живых, так и фиксированных объектах. Прижизненно без пред­варительного препарирования можно исследовать водоросли, гифы грибов, растущих в воде, клетки дрожжей, листья мхов, листья и корневые волоски водных растений. После предварительного препарирования прижизненно можно микроскопировать клетки и ткани наземных растений. Для препа­рирования таких объектов используют три метода: изолирование отдель­ных клеток и тканей, изготовление срезов через ткани, инфильтрирование тканей.

2.1. Кратковременные прижизненные наблюдения растительных клеток

При проведении прижизненных наблюдений объект должен находить­ся в безвредной для него среде. Чаще всего для растительных объектов в качестве такой среды используют речную или водопроводную воду. По­следнюю для удаления из нее хлора необходимо выдержать в открытой посуде в течение 6–12 ч. Для того чтобы исключить вероятность плазмо­лиза анализируемых клеток, к воде можно добавить небольшое количество сахарозы (0,5–3%). Не следует применять в качестве среды дистиллирован­ную воду, так как в отличие от нейтральной речной и водопроводной воды она имеет высокую кислотность (рН 5–5,5), из-за чего способна вызвать повреждение цитоплазмы клеток. Кроме того, вследствие перегонки в ди­стиллированной воде иногда присутствуют следы меди и других металлов.
Прижизненные наблюдения также можно проводить в индифферент­ном и хорошо сохраняющем целостность клеток парафиновом масле. Од­нако такие исследования не должны быть продолжительными по времени, так как масло затрудняет доступ к клеткам кислорода.
Кутикула, покрывающая эпидерму наземных органов растений, может существенно затруднять микроскопический анализ. Часто она имеет слож­ный рельеф (борозды, складки, выросты и др.), который препятствует по-
18
лучению четкого изображения внутриклеточного содержимого. Устранить этот недостаток можно, используя в качестве среды растворы с показате­лем преломления близким к коэффициенту преломления кутикулы (1,47– 1,52). Такими показателями характеризуются силиконовые масла (1,47– 1,53), в том числе вазелиновое масло (1,48) (для сравнения коэффициент преломления воды – 1,33). Масла не токсичны для растительных клеток. Заполняя неровности поверхности кутикулы, они делают ее оптически го­могенной и прозрачной.
Содержащийся в большом количестве в межклеточниках растительных тканей воздух нередко негативно влияет на качество препарата и затрудня­ет его изучение. Сделать объект более прозрачным можно, заменив воздух в межклеточниках водой с использованием вакуумного насоса или путем инфильтрации тканей по В. Я. Александрову (1954).
2.1.1. Метод инфильтрации растительных тканей по В. Я. Александрову
Из медицинского шприца вынимают поршень. Закрывают пальцем от­верстие наконечника. В шприц заливают водопроводную воду и помещают в нее кусочек ткани или органа растения. Вставляют поршень, перево­рачивают шприц наконечником вверх и выдвигают поршень до тех пор, пока не выйдет весь воздух. Закрывают пальцем отверстие наконечника, поршень с усилием оттягивают назад. Таким образом над жидкостью со­здается вакуум. При этом из объекта выделяются пузырьки воздуха. От­пускают поршень, вакуум исчезает, и межклеточники заполняются водой. Повторяют всю процедуру 2-3 раза. Кусочки растительных тканей и орга­нов после инфильтрации можно анализировать непосредственно в капле водопроводной или речной воды, накрыв их покровным стеклом. Также можно поместить объект в каплю силиконового масла, предварительно уда­лив с его поверхности излишнюю влагу фильтровальной бумагой. Препарат анализируют с помощью светового или фазово-контрастного микроскопа.
2.1.2. Приготовление прижизненных препаратов листьев элодеи
Элодея (Elodea Michx.) – многолетнее водное покрытосеменное рас­тение семейства Водокрасовые (Hydrocharitaceae Juss.) является хорошим модельным объектом для наблюдений движения цитоплазмы растительных клеток (рис. 5). Листья элодеи состоят всего из двух слоев клеток, что позволяет исследовать их с помощью светового микроскопа без предвари­тельного препарирования.
Препарат листа элодеи для прижизненного наблюдения приготавлива­ют следующим образом:
1) молодые листья осторожно отделяют от стебля острой бритвой или тонкими острыми ножницами;
2) на чистое предметное стекло наносят каплю водопроводной или прудовой воды. Помещают в нее лист или его часть;
19
Рис. 5. Пример кратковременного прижизненного наблюдения за движением хлоропластов в клетках листа элодеи (две последовательные фотографии, сделанные с интервалом в 1 с;
стрелкой показано направление движения хлоропласта)
3) закрывают покровным стеклом. Анализируют препарат с помощью светового микроскопа.
2.1.3. Приготовление прижизненных препаратов корней водных покрытосеменных растений
Корни водных покрытосеменных растений также используют для при­жизненных наблюдений. Препарат приготавливают практически аналогич­но описанному выше способу:
1) молодые корни, густо покрытые корневыми волосками, осторожно отделяют с помощью ножниц от стебля;
2) на чистое предметное стекло наносят каплю водопроводной или речной воды. Помещают в неё корень или его часть;
3) с двух сторон от корня размещают небольшие осколки покровного стекла, которые будут выполнять функцию «подпорок» и препят­ствовать раздавливанию хрупких корневых волосков под тяжестью покровного стекла;
4) закрывают покровным стеклом.
Анализируют препарат с помощью светового микроскопа.
2.1.4. Приготовление прижизненных препаратов эпидермиса лука
Удобным объектом для прижизненных наблюдений клеток является внутренний эпидермис чешуи лука (Allium сера L.). Препараты хорошего качества, как правило, получаются из эпидермиса чешуй, расположенных в средней части покоящихся луковиц. Проросшие луковицы брать не реко­мендуют. Препарат приготавливают следующим образом:
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]