Применение микроскопа в биологии

Биология — это наука о живых организмах, их строении, обитании и образе жизни. Существует множество ее областей. Зоология изучает животных, ботаника — растительный мир, микробиология исследует микроорганизмы. Есть даже космическая биология, которая занимается вопросами жизни человека на космических кораблях и станциях, поиском внеземных форм жизни.

Микроскоп широко используется биологами, знания которых применяются в медицине, растениеводстве, животноводстве и охране природы.

Историческая справка

Кто знает, как развивалась бы сейчас биология, если бы не первые микроскопы и пытливые ученые. Что-либо разглядеть и понять в давние времена было очень сложно, ведь тогда не существовало хорошей техники, и многие биологи изготавливали линзы для микроскопов, а нередко и сами приборы своими руками. Увидев что-либо интересное, ученый рисовал неизвестные объекты, а затем думал, анализировал, сравнивал — так рождались открытия.

Рассматривая срез пробкового дерева, Роберт Гук заметил множество одинаковых мешочков, или ячеек, зарисовал их и назвал клетками. После ученые предположили, что люди и животные также состоят из множества клеток.

Роберт Гук

Антони ван Левенгук был одним из выдающихся исследователей природы. Он первым увидел, что кровь — это не какая-то однородная жидкость, как думали его современники, а живой поток, в котором движется великое множество мельчайших телец. Теперь их называют эритроцитами. Важным открытием Левенгука были сперматозоиды, которые он увидел в семенной жидкости. Это те маленькие клетки с хвостиками, которые, внедряясь в яйцеклетку, оплодотворяют ее, в результате чего возникает новая жизнь. Антони ван Левенгук настолько был увлечен микромиром, что пытался рассмотреть все: воду из лужи, налет с зубов, тину из водных каналов, глаза насекомых, слюну.

Он первым разглядел в зубном налете множество мелких организмов, которым дал имя «анималькулюсы». Позже их назовут бактериями. Немало было желающих взглянуть на диковинные создания, и среди них — русский царь Пётр I.

Антони ван Левенгук

Достижения биологов

Многие заболевания растений и животных можно распознать только под микроскопом. Этим пользуются ботаники, ветеринары и работники сельского хозяйства и с успехом борются с ними.

Растения из пробирки — очень интересный способ получения большого количества копий от одного-единственного растения, которое обладает какими-либо ценными для ученого свойствами. Этот процесс называется «микроклональным размножением» и проводится в стерильной культуре тканей; микроскоп используют лишь на отдельных этапах наблюдения и контроля.

Микроскоп есть и у селекционеров — специалистов, которые создают новые сорта и гибриды растений и животных. Чтобы оценить выращенные растения, селекционер изучает под микроскопом срезы стеблей, семена, листья, корни и плоды. Затем он может сравнить результаты своего труда с предыдущими поколениями. Одни селекционеры стараются вывести растения более крупных размеров или с более сочными плодами. Другие — трудятся над созданием необычной окраски, например, лепестков роз и тюльпанов, чтобы потом эти цветы радовали людей, расцветая на городских клумбах.

Фермер-селекционер Карл Барнс из штата Оклахома (США) занимается выведением разноцветной кукурузы

В 2004 году японские селекционеры вывели синюю розу

Клетка — единица живого

Из клеток, как из множества кирпичиков, состоят все живые существа на Земле — бактерии, грибы, растения, животные, человек. Клеточного строения нет, пожалуй, только у вирусов. В клетках происходят важные процессы — питание, дыхание, размножение и многое другое.

Что внутри

Рассмотреть подробное строение клетки возможно только под микроскопом. Клетка похожа на маленький дом, жители которого постоянно заняты какой-то работой. Здесь есть хозяин, который руководит всеми процессами, — это ядро. Есть маленькие труженицы — митохондрии, в них значительная часть энергии питательных веществ преобразуется в энергию молекул АТФ. Второе название митохондрий — энергетические станции. Лизосомы, словно маленькие уборщики, растворяют все ненужное. Вакуоль — хранительница соков в растительных клетках.

В ДНК особым способом записана, хранится и передается вся информация о существе, которому она принадлежит

Только в клетке растений есть хлоропласты — зеленые жители, которые старательно добывают энергию из солнечного света.

Все обитатели дома словно находятся в своеобразном в бассейне, заполненном цитоплазмой — жидкостью, похожей на кисель.

Строение растительной клетки

Дом окружает оболочка, которая называется мембраной. У некоторых клеток, например растений и грибов, есть более надежная защита поверх мембраны — клеточная стенка.

Ядро есть в клетках растений, животных, грибов, человека. В нем расположено особое вещество — ДНК. Здесь записана и хранится вся информация о клетках.

В клетках бактерий нет ядра, а ДНК свободно располагается внутри.

Такие разные клетки

Клетки бывают самой разной формы и выполняют различные функции. Одинаковые клетки, выполняющие одну и ту же задачу, объединяются в ткани, а ткани — в органы.

Инфузория-туфелька — это одна-единственная клетка в форме башмачка

Клетка — основа существования любого живого организма, она наполнена жизненной силой и энергией.

Размеры клеток тоже очень отличаются. Многие бактерии не видны невооруженным глазом, но при достаточном увеличении различимы в световой микроскоп, а есть клетки мякоти апельсина, арбуза, лимона, видимые невооруженным глазом. Кроме того, существуют гигантские клетки, например млечные ходы молочайных растений. У человека отростки нервных клеток могут достигать одного метра!

Одни живые существа, например бактерии, представляют собой единственную клетку и называются одноклеточными. Большинство растений, грибов, животных имеют очень сложное строение из множества клеток и имеют название «многоклеточные».

Такие разные грибы

Грибы — очень большая и разнообразная группа живых организмов. Науке описано уже более 200 тысяч видов грибов, а общее их разнообразие оценивают в миллионы видов. Они поселяются на почве, растениях, продуктах питания, на стенах зданий и даже в теле человека. Из грибов изготавливают лекарства (антибиотики), они незаменимы в производстве сыров, кваса, пива, хлеба.

С помощью микроскопа изучают споры грибов, определяют грибковые заболевания человека, животных и растений.

Полезные грибы

С древних времен человек употребляет грибы в пищу. Они чрезвычайно богаты белками и приятны на вкус. Грибникам нужно уметь отличать съедобные грибы от несъедобных и ядовитых. Многие грибы выращиваются искусственно на специальных фермах.

Голубая плесень на сыре

Плесневые грибы находят применение в пищевой промышленности. Существует целая индустрия по выращиванию плесени. В различные виды сыров добавляют белую, голубую и красную (оранжевую) плесень.

Плесенью спасают человеческие жизни: из нее делают антибиотики — вещества, способные убивать вредные бактерии.

Антибиотик пенициллин

Широко используются дрожжи — полезные одноклеточные грибы. Без них невозможно изготовление хлеба, кваса, пива, спирта, вина, витаминов.

Вредные грибы

Многие грибы докучают человеку. На стенах зданий поселяется черная плесень, споры которой могут вызвать аллергию.

Черная плесень — это плесневый гриб аспергилл

Плесень портит продукты и может вызвать отравление. Употреблять заплесневелые хлеб, варенье, овощи, фрукты крайне опасно для здоровья.

Многие грибы вызывают болезни растений и губят урожай. Например, головня и спорынья поражают злаковые растения и могут стать причиной сильнейших отравлений у человека, поэтому на зернообрабатывающих заводах обязательно делают микроскопический анализ зерна.

Болезни, вызываемые паразитическими грибами, называются микозами. Обнаружить споры этих грибов можно только под микроскопом.

Парша — грибная болезнь яблонь

Грибы окружают нас всюду. В одном кубометре воздуха находится до 500 спор грибов. В одном грамме почвы — тысячи спор и сотни метров грибных нитей!

Грибы оказывают огромное влияние на окружающую среду, жизнь и здоровье человека.

Охрана природы

Каждый день деятельность человека влияет на природу. Выхлопные газы автомобилей, отходы заводов, ядохимикаты сельского хозяйства — все это загрязняет окружающую среду. Страдают не только животные, птицы, растения, человек, но и представители микромира, населяющие почву, воду и воздух.

Микроскопический анализ почвы

В почве обитают дрожжевые грибы, водоросли, бактерии, простейшие организмы (например, амебы).

Состояние почвы оценивают комплексом микробиологических, химических и других методов. Микроскопия помогает изучать отдельные организмы и структуры, но сама по себе не определяет общую степень загрязнения.

Проба почвы для микроскопического анализа

Особенно загрязняют почву и являются опасными сточные воды мясокомбинатов, которые могут вызвать инфекционные заболевания человека и животных. Санитарные службы строго следят за тем, чтобы отходы на предприятиях обязательно обезвреживались.

Кроме того, в почве находится огромное количество плесневых грибов. Некоторые плесневые грибы образуют микотоксины, поэтому заражение пищевого сырья контролируют лабораторными методами; одной микроскопии для оценки токсичности недостаточно.

Спорынья — плесневый гриб злаков. При попадании такого зерна в хлеб происходит сильнейшее отравление ядами этих грибов

Микроскопический анализ воды

Озера, реки, моря и даже грунтовые воды населены невидимыми микроорганизмами. Вредные бактерии попадают в воду из почвы, которая загрязняется промышленными и бытовыми стоками. Даже родниковая и артезианская вода не гарантированно свободна от микроорганизмов и должна оцениваться по санитарным показателям. За состоянием воды очень строго следят санитарные службы, ведь часто содержащиеся в ней бактерии становятся виновниками инфекционных заболеваний у человека. Кишечную палочку и родственные колиформные бактерии используют как индикаторы возможного фекального загрязнения воды. Большинство штаммов E. coli безвредны, но существуют и патогенные варианты, но если ее обнаруживают в водоемах, это говорит о том, что рядом могут быть и опасные бактерии, попавшие сюда из канализационных стоков.

Проба воды из городского водоема

Микроскопический анализ воздуха

В крупных городах, где есть тяжелая промышленность, в воздухе больше всего микроорганизмов, а вот в полях и лесах вдали от городов воздух почти не содержит микробы.

Благодаря микроскопу и специальным методам можно обнаружить в прозрачном и вроде бы чистом воздухе бактерии, дрожжевые и плесневые грибы

Санитарные микробиологи особенно тщательно изучают микроскопический состав воздуха больниц, ведь операционные отделения и палаты с больными и ослабленными людьми должны быть очень чистыми. Для обеззараживания воздуха используют ультрафиолетовые лампы.

Микроскопический анализ воды, почвы и воздуха позволяет оценить степень их загрязнения и предпринять меры по защите окружающей среды.

Бактерии вокруг нас: друзья и враги

Микроорганизмы играют большую роль в природе и жизни людей. Их состав в почве, воде и воздухе меняется при любых загрязнениях окружающей среды. Экологи знают эту особенность и тщательно следят за жизнью мельчайших созданий, а также изучают их влияние на человека.

Микроскопы экологов

Оптический микроскоп

Обычно экологи используют оптические микроскопы, дающие увеличение до 1000 раз. Для этого в световом микроскопе устанавливаются объективы, увеличивающие в 100 раз, и окуляры с 10-кратным увеличением.

В почве могут встречаться бактерии рода Clostridium; некоторые их виды образуют опасные токсины

Темнопольный микроскоп

В темнопольной микроскопии используют специальное освещение: прямой свет не попадает в объектив, и объект выглядит светлым на темном фоне. Такой микроскоп нужен для исследования мельчайших бактерий или бактерий с очень низкой контрастностью, которые чересчур сливаются с окружающей средой.

Вольвокс — микроскопическая водоросль пруда в темнопольный микроскоп

Фазово-контрастный микроскоп

Служит для изучения живых и неокрашенных микроорганизмов. Принцип работы — повышение контрастности.

Люминесцентный микроскоп

Необходим экологам для наблюдения за микроорганизмами, способными излучать свет, если их окрасить специальными красителями или облучить определенным диапазоном света. Высокая четкость изображения и светящиеся микробы — вот два преимущества, которые помогают работать быстро и качественно.

Электронный микроскоп

Позволяет изучать все микроорганизмы, которые невозможно увидеть в световой микроскоп. В нем вместо потока света используется пучок электронов, а вместо стеклянных линз — электромагнитные.

Что обнаруживают микробиологи

В почве могут длительно сохраняться споры некоторых патогенных бактерий, например возбудителей сибирской язвы и столбняка. Однако разные возбудители имеют разные пути передачи и устойчивость во внешней среде; туберкулез нельзя относить к типичным «почвенным» инфекциям. Поэтому при санитарной оценке территории специалисты при необходимости исследуют почву на наличие опасных микроорганизмов и других загрязнителей.

Актиномицеты — широко распространенные почвенные бактерии; многие из них участвуют в разложении органики и образуют биологически активные вещества

При загрязнении воды канализационными и промышленными стоками в нее попадают опасные бактерии холеры и брюшного тифа. Поэтому контроль за качеством питьевой воды, в которой не должно содержаться никаких вредоносных бактерий, осуществляется особенно тщательно.

Заботясь об охране окружающей среды, вы сохраняете экологическое равновесие в природе.