|
|
Философия наук. Микроскоп. Введение Понятие микроскопа и микроскопии
Оглавление
Введение………………………………………………………………………….
Понятие микроскопа и микроскопии…………………………………………..
История развития микроскопа и микроскопии……………………………….
Клеточная теория организации живых организмов…………………………..
Исследования клеток живых организмов……………………………………..
Открытие одноклеточных организмов……………………………………………
Исследования в области анатомии и физиологии ……………………………..
Заключение………………………………………………………………………..
Список литературы………………………………………………………………..
Введение
Современный этап развития науки тесно и неразрывно связан с использованием специальных, высокотехнологичных приборов, являющихся инструментами в процессе научных исследований. Именно благодаря такому инструментальному подходу были сделаны наиболее значимые и выдающиеся научные открытия, во многом предопределившие дальнейшее развитие, не только самой науки, но и человечества в целом.
Одним из таких технологических инструментов научного познания является микроскоп. Наиболее значимые открытия последнего столетия были сделаны именно в той части, которая лежит за границами восприятия человеческого глаза. При этом, уже невозможно представить физику и химию без знаний о строении атомов и молекул, биологию без клеточной теории, медицину без знаний о бактериях и вирусах. Но все эти открытия были сделаны именно при помощи микроскопии.
Особое значение применение микроскопии имеет в биологии, развитие которой можно четко разделить на два этапа – до применения микроскопа и с применением микроскопа. Применение микроскопии произвело настоящую революцию в биологии, вызвало глубокую перестройку всей науки, добавило ей настоящую глубину научного познания. Как только взгляд исследователя проник в зону микроскопических размеров, сразу началась глобальная качественная перестройка все биологической науки. Полностью изменился ее концепт, появилась масса новых подходов, новых направлений.
Количество научных открытий, сделанных при помощи микроскопии трудно сосчитать и перечислить, но каждое из них внесло свой вклад в развитие науки о живом.
Сегодня микроскопия продолжает оставаться ведущим методом изучения в целом ряде наук, и в настоящее время с ее помощью продолжают совершаться открытия, дополняющие биологическое знание и даже в корне меняющие его. Все вышеперечисленные обстоятельства определяют актуальность данной работы.
Целью работы является рассмотрение такого направления науки, как микроскопия и определение ее значения в развитии биологической науки, путем определения важнейших научных открытий, сделанных при помощи данного метода.
Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:
1. Определить понятие микроскопа и микроскопии.
2. Рассмотреть современные виды микроскопов.
3. Проследить историю развития микроскопов и микроскопии.
4. Определить ученых, внесших наиболее важный вклад в развитие микроскопии.
5. Выявить наиболее значимые открытия, сделанные при помощи микроскопии в области биологических наук.
Решение всех поставленных задач поможет установить место микроскопии в общей картине развития современной науки, поможет показать важнейшее место, которое занимает данный метод научного познания в современных научных биологических исследованиях.
Понятие микроскопа и микроскопии
Микроскоп (др.-греч. μικρός «маленький» и σκοπέω «смотрю») — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооруженным глазом.
Важнейшей характеристикой микроскопов является его разрешающая способность, представляющая собой способность выдавать четкое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора. Эта характеристика определяется прежде всего длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.
В настоящее время существуют следующие виды микроскопов.
1. Оптические микроскопы:
- Ближнепольный оптический микроскоп;
- Конфокальный микроскоп;
- Двухфотонный лазерный микроскоп.
2. Электронные микроскопы:
- Просвечивающий электронный микроскоп;
- Растровый электронный микроскоп.
3. Сканирующий зондовый микроскоп:
- Сканирующий атомно-силовой микроскоп;
- Сканирующий туннельный микроскоп.
4. Рентгеновские микроскопы:
- Рентгеновские микроскопы отражательные;
- Рентгеновские микроскопы проекционные;
- Лазерный рентгеновский микроскоп (XFEL).
5. Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп.
Рассмотрим каждый вид микроскопов в отдельности.
Оптические микроскопы. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на так называемое расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет 0,2 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов значительно меньше этой величины.
До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм). Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до
0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло
2000 крат.
Электронные микроскопы. Пучок электронов, которые обладают свойствами не только частицы, но и волны, может быть использован в микроскопии.
Длина волны электрона зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронов при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет порядка 0,1 нм. Электроны легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое.
Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема.
Сканирующие зондовые микроскопы – это класс микроскопов, основанных на сканировании поверхности зондом.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На сканирующих зондовых микроскопах изображение получают путем регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью. На данном этапе развития возможно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему сканирующие зондовые микроскопы по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.
Рентгеновский микроскоп — устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Принцип его работы основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра.
Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров.
Микроскопия представляет собой область науки, рассматривающая, как производство и развитие самих микроскопов, так и использование данных приборов в процессе научных исследований. Исходя из определения, можно четко выделить два аспекта данного научного направления:
1) Разработка производство микроскопов. Данное направление деятельности основано на оптической физике, а также физике волн и частиц. Главной его задачей является выявление методов увеличения разрешающей способности микроскопов, а также организация их производства, с целью удовлетворения потребностей научных организаций.
2) Использование микроскопа в научных исследованиях. Данное направление рассматривает методы непосредственного применения различных видов микроскопов в различных видах исследований. Оно охватывает не только процесс использования микроскопов, но и все, связанные с ним сопутствующие процессы.
Современная микроскопия носит междисциплинарный характер и является одним из ведущих методов изучения в таких науках, как физика, химия, геология, биология, ветеринария, медицина.
Таким образом, микроскоп представляет собой сложный прибор, позволяющий получить изображение объекта при огромном увеличении. В настоящий момент существуют различные типы микроскопов, такие как оптические, электронные, рентгеновские, сканирующее зондовые. Наука о создании, производстве микроскопов, а также проведение с их помощью научных исследований называется микроскопией.
История развития микроскопа и микроскопии
Сегодня сложно ответить, кто первым изобрел микроскоп. Вероятно, этот вопрос будет также широко обсуждаться, как и создание арбалета. Однако, в отличие от оружия, изобретение микроскопа действительно произошло в Европе, хотя точное его авторство по сей день однозначно неизвестно.
Само понятие линзы существовало уже в Древнем Риме и Греции. Например, в Древней Греции при помощи выпуклых стекол удавалось разжигать огонь, а в Древнем Риме давно заметили свойства стеклянных сосудов, наполненных водой. Они позволяли увеличивать изображения, хотя и не во много раз. Дальнейшее развитие линз неизвестно, хотя очевидно, что прогресс на месте стоять не мог. Известно, что в шестнадцатом веке в Венеции вошло в практику применение очков. Подтверждением этого являются факты о наличии станков для шлифовки стекла, что позволяло получать линзы. Также имелись чертежи оптических приборов, представляющих собой зеркала и линзы. Авторство данных работ принадлежит Леонардо да Винчи.
Но еще раньше люди работали с увеличительными стеклами: еще в 1268 году Роджер Бэкон выдвинул идею создания подзорной трубы, которая позже была реализована. Таким образом, очевидно, что авторство линзы никому конкретно не принадлежало.
В 1285 году итальянцем Сальвинио дели Арлеати были изобретены первые очки.
Вероятность того, что первооткрывателем микроскопа стал Ханс Янсен, голландский мастер по производству очков, достаточно высока. Имеются сведения, что первый прибор типа микроскопа был создан в Нидерландах его сыном З. Янсеном около 1590 года. Взяв две выпуклые линзы, он смонтировал их внутри одной трубки, за счет выдвижного тубуса достигалась фокусировка на изучаемом объекте. Прибор давал десятикратное увеличение предмета, что было настоящим достижением в области микроскопии. Янсен изготовил несколько таких микроскопов, значительно совершенствуя каждый последующий прибор.
В то же время, другие исследователи развития оптики и оптических приборов заявляют, что документы, подтверждающие авторство З. Янсена в изобретении микроскопа не заслуживают доверия и указывают, что первой была сконструирована «земная зрительная труба», которая получила название «голландской» или «галилеевой», а позже телескоп. «Земная (подзорная) труба», как считается, была изобретена отдельно Липерсгеем и Мециусом в Нидерландах (1608) и Галилеем (1608-1609) в Италии. Но однозначно принять данную точку зрения, ввиду отсутствия ее достоверного подтверждения, также не представляется возможным.
Сначала появились простые микроскопы, состоящие из одного объектива, а затем были сконструированы более сложные, имеющие, кроме объектива, и окуляр.
Уже в 1609 году появился и еще один механизм, который создал Галилео Галилей. Он назвал его «occhiolino» и презентовал публике Национальной академии. Доказательством того, что в тот период уже мог использоваться микроскоп, является знак на печати Папы Римского Урбана III. Считается, что он представляет собой модификацию изображения, полученного путем микроскопирования. Световой микроскоп (составной) Галилео Галилея состоял из одной выпуклой и одной вогнутой линзы. Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.
Примерно в этот же период времени, в 1625 г., членом Римской «Академии зорких» («Akudemia dei lincei») Джованни Фабером, для нового изобретения был предложен термин «микроскоп». Так данный оптический прибор получил современное название.
Уже через десять лет после изобретения Галилея Корнелиус Дреббель создает составной микроскоп, имеющий две выпуклые линзы, а позже, то есть уже к концу 1600-х годов, Кристиан Гюйгенс разработал двухлинзовую систему окуляров. Микроскопы подобного класса производятся и в настоящее время, хотя, стоит отметить, что им не хватает широты обзора.
Сложные микроскопы, созданные из двух линз, появились в начале семнадцатого века. Многие факты свидетельствуют о том, что изобретателем сложного микроскопа был голландец К. Дребель, состоявший на службе у короля Англии Иакова I. Микроскоп Дребеля имел два стекла, одно (объектив) было обращено к изучаемому предмету, другое (окуляр) — обращено к глазу наблюдателя.
В 1633 году английский физик Р. Гук усовершенствовал микроскоп Дребеля, дополнив его третьей линзой, названной коллективом. Такой микроскоп получил большую популярность, по его схеме изготавливалось большинство микроскопов конца семнадцатого и начала восмемнадцатого веков.
В 1646 году было опубликовано сочинение А. Кирхера, в котором он описал изобретение века — простейший микроскоп, получивший название «блошиного стекла». Лупу вставляли в медную основу, на которой крепился предметный столик. Изучаемый объект помещали на столик, под которым было вогнутое или плоское зеркало, отражавшее солнечные лучи на объект и освещавшее его снизу. Лупу передвигали с помощью винта, пока изображение предмета не становилось отчетливым.
Изобретение микроскопа является уникальным событием в науке Средневековья и Нового времени, потому как благодаря устройству удалось найти множество новых предметов для научного обсуждения. Более того, множество теорий разрушилось благодаря микроскопированию. И в этом большая заслуга Антони ван Левенгука. Он смог усовершенствовать микроскоп так, чтобы он позволял детально увидеть клетки. И если рассматривать вопрос в этом контексте, то Левенгук действительно является отцом микроскопа такого типа.
Сам световой микроскоп Левенгука представлял собой пластинку с линзой, способной многократно увеличивать рассматриваемые объекты. Эта пластинка с линзой имела штатив. Посредством него она монтировалась на горизонтальный стол. Направляя линзу на свет и располагая между нею и пламенем свечи исследуемый материал, можно было разглядеть клетки простейших одноклеточных организмов. Причем первым материалом, который Антони ван Левенгук исследовал, был зубной налет. В нем ученый увидел множество существ, назвать которые пока не мог. Уникальность микроскопа Левенгука поражает даже современного исследователя. Имеющиеся тогда составные модели не давали высокого качества изображения. Более того, наличие двух линз только усиливало дефекты. Потому потребовалось более ста пятидесяти лет, пока составные микроскопы, изначально разработанные Галилеем и Дреббелем, начали давать такое же качество изображения, как устройство Левенгука. Сам же Антони ван Левенгук все равно не считается отцом микроскопа, но по праву является признанным мастером микроскопирования материалов и клеток.
Левенгук изготовил около четырехсот простейших микроскопов, представлявших собой маленькие двояковыпуклые линзы, диаметр некоторых из них был меньше 1 мм, полученных из стеклянного шарика. Сам шарик шлифовался на простейшем шлифовальном станке, либо получался посресдством оплавления стеклянной нити. Один из таких микроскопов, дающий трехсоткратное увеличение, хранится в Утрехте в университетском музее.
В то же время, целый ряд ученых, ссылаясь на данные современных исследований, утверждают, что Левенгук не шлифовал свои линзы, а использовал совершенно другой способ их изготовления. Он нагревал стеклянные нити на открытом огне, что приводило к появлению на нижнем нагреваемом конце нити стеклянного шарика, который уже имел ровную поверхность и представлял собой готовую линзу. Причем, чем меньше был диаметр шарика, тем более сильное увеличение он давал. Именно этим объясняются такие маленькие размеры его линз.
В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа.
В 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.
В начале восемнадцатого века микроскопы появились в России; здесь Эйлер впервые разработал методы расчета оптических узлов микроскопа.
В восемнадцатом и девятнадцатом столетиях микроскопы продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G.В. Amici) впервые применил иммерсионный объектив.
В тот же период времени была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для микроскопов, благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое таким микроскопом, возросло с 500 до 1000 раз.
В 1847 году Карл Фридрих Цейс приступил к производству микроскопов. Затем его компания стала лидером в разработке оптических стекол. Она существует до сегодняшнего дня, оставаясь одной из ведущих компаний в данной отрасли. С ней сотрудничают все компании, которые занимаются производством фото- и видеокамер, оптических прицелов, дальномеров, телескопов и прочих оптических устройств.
В 1850 г. английский оптик Генри Клифтон Сорби (Н.С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете, который использовал для изучения метеоритов. По другим сведениям, данный оптический прибор был сконструирован в 1863 году.
В 1872—1873 гг. Эрнст Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в микроскопе. Данная теория была успешно перенята на производстве Карла Цейса. Как считается, его компания добилась вышеозначенных успехов именно за счет применения данной теории.
Труды английского оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии.
В 1903 г. Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп.
В 1911 г. исследователем М. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный микроскоп.
В 1935 г. Ф. Зернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в микроскопах прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов.
В 1931 году создается электронный микроскоп. Он стал новым видом аппарата, позволяющим видеть намного больше, чем световой. В нем для просвечивания применялись не фотоны и не поляризованный свет, а электроны - частицы куда более мелкие, нежели самые простые ионы.
Наука после успехов многих ученых развивалась все быстрее. А потому целью, продиктованной новыми реалиями, стала необходимость разработки высокочувствительного микроскопа. И уже в 1936 году Эрвином Мюллером выпускается полевой эмиссионный прибор.
В 1938 году Джеймс Хиллер строит просвечивающий электронный микроскоп.
В 1951 году производится еще одно устройство - полевой ионный микроскоп что явилось открытием чрезвычайной важности, потому как он впервые позволил ученым видеть атомы.
В 1953 г. финским физиологом Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп.
В 1955 году Ежи Номарский разрабатывает теоретические основы дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии, что позволяет микроскопии развиваться, как самостоятельной области науки и техники, при том имеющей междисциплинарный характер.
Кроме вышеозначенных ученых большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем микроскопа и микроскопической техники внесли М.В. Ломоносов, И.П. Кулибин, Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский, А.А. Лебедев, С.И. Вавилов, В.П. Линник, Д.Д. Максутов и целый ряд других исследователей.
Изобретение микроскопа еще не является успехом, потому как заставить ионы или фотоны проходить через биологические среды, а потом рассматривать полученное изображение, в принципе, нетрудно. Вот только вопрос повышения качества микроскопии был действительно важным. После умозаключений подобного рода ученые создали пролетный масс-анализатор, который получил название сканирующего ионного микроскопа. Это устройство позволяло сканировать отдельно взятый атом и получать данные о трехмерной структуре молекулы. Вместе с рентгеноструктурным анализом этот метод позволил значительно ускорить процесс идентификации многих веществ, встречающихся в природе.
В 1981 году был создан сканирующий туннельный микроскоп, а в 1986 - атомно-силовой микроскоп.
В 1988 происходит изобретение и создание микроскопа сканирующего электрохимического туннельного типа.
Самым последним и наиболее полезным изобретением в области микроскопии является силовой зонд Кельвина, который был разработан в 1991 году.
Вопрос об авторстве изобретения микроскопа по сей день остается открытым. Точно известно, что огромный вклад в создание данного прибора был внесен З. Янсеном, Г. Галилеем, А. ван Левенгуком и целым рядом других исследователей. Особенно стоит отметить работы именно Левенгука, который первым стал широко применять микроскоп, как инструмент научных исследований, и во многом сформировал методологию данного рода исследований.
Начиная с конца шестнадцатого века микроскоп прошел длительный путь развития, что привело к созданию принципиально новых приборов, позволяющих решить те же задачи. В настоящее время широко применяются не только оптические микроскопы, но и электронные, рентгеновские, сканирующие зондовые микроскопы.
За указанный период времени микроскопия стала самостоятельным методом научного познания, изначально носящим междисциплинарный характер.
Клеточная теория организации живых организмов
Изобретение микроскопа и широкое применение микроскопии в практике научных исследований произвели настоящую революцию в науках биологической направленности – самой биологии, зоологии, ботанике, медицине, ветеринарии. Можно с полной уверенностью утверждать, что развитие вышеупомянутых наук четко делится на период до применения микроскопа и период с применением микроскопа, столь революционными и фундаментальными были научные открытия, сделанные при помощи микроскопии.
Одним из наиболее важных открытий, сделанных при помощи микроскопии стало открытие клеточной структуры организмов. Как считается, первооткрывателем клеток живых организмов стал английский физик и естествоиспытатель Р. Гук. Рассматривая под микроскопом срез пробкового дуба, он обнаружил, что древесина состоит из отдельных замкнутых ячеек, которые он и назвал клетками. Это открытие, имевшее для биологии очень важное значение, Р. Гук в 1665 г. опубликовал в своей книге «Микрография».
До открытия Гука ученые не представляли, каким образом организованы и устроены живые организмы на столь глубинном уровне, так как до изобретения и применения микроскопии отсутствовала техническая возможность проведения наблюдений за столь малыми объектами.
Но, несмотря на открытие Р. Гука, потребовалось немало времени и работы многих ученых, прежде чем факт о клеточном строении живых организмов был однозначно принят и перестал оспариваться. Стоит отметить, что все исследования в данной областипроводились с применением микроскопии.
В 1827 г. русский ученый П. Ф. Горянинов в книге «Начальные основания ботаники» впервые изложил тезисы о клеточном строение живых растений. Его выводы были основаны на многочисленных наблюдениях под микроскопом.
В 1834 г., базируясь на целом ряде дальнейших наблюдений, П.Ф. Горяниров четко сформулировал представление о клеточном строении живой материи.
В 1838—1839 гг. немецкие ученые ботаник М. Шлейеден и зоолог Т. Шванн, изучая при помощи микроскопии строение тканей растений и животных, независимо друг от друга пришли к выводу, что все живые организмы состоят из клеток, еще раз сормулировав клеточную теорию устройства всего живого
В 1855 г. Р. Вирхов сформулировал теорию, что все клетки происходят только от других, ранее существовавших клеток. С тех пор ведутся многочисленные микроскопические исследования, в которых структура всевозможных животных и растительных клеток тщательно изучается.
Таким образом, при помощи микроскопии были открыты истинные принципы построения живой материи, что дало новый мощный импульс для развития биологической науки, позволило создать целые новые отрасли данной науки, такие, как гистология и цитология.
Кроме того, открытие клеточной структуры всего живого позволило начать формировать новые методы исследований и деятельности в медицине и ветеринарии.
Исследования клеток живых организмов
Открытие при помощи микроскопии клеточной структуры живых организмов привело к бурному развитию исследований живых клеток, появлению новых отраслей биологической науки и медицины, таких, как гистология и цитология.
Исследования живых клеток начались сразу после их открытия, и первым важным шагом стало осознание того, что клетка не является единым и неделимым объектом, а представляет собой сложную комплексную биологическую систему, включающую в себя множество органелл – составных частей клетки, выполняющих свою функцию
Стоит отметить, что все исследования клеток могут проходить только с использованием методов микроскопии, а все открытия в области устройства клетки, открытия ее органелл и их функций были сделаны с помощью микроскопии.
Еще в 1831 году Английский ботаник Роберт Броун, более известный по открытию теплового движения молекул – броуновского движения, которое было сделано также при помощи микроскопа) открыл в растительных клетках новую структуру — ядро.
Тогда же биологи обратили внимание на то, что ядро находится в вязкой жидкости, которой заполнена клетка. Эта жидкость, образующая внутреннюю среду клетки, получила название цитоплазма (от греческого «цитос» — сосуд и «плазма» — содержимое).
В течение длительного времени не могло быть и речи о глубоком изучении функции клетки из-за отсутствия надлежащей измерительной техники. Это особенно становится ясным, если принять во внимание, что как раз жизненно важные биохимические изменения в клетке происходят на молекулярном уровне и невидимы в микроскоп. Успешному, систематическому изучению коренных проблем живого вещества закономерно предшествовал расцвет физической науки, открытие строения атома, электронного микроскопа, рентгеноструктурного исследования, создание электронно-вычислительной техники. Лишь после этого возникла реальная возможность изучения тонких механизмов живого вещества.
Именно изобретение электронного микроскопа позволило развиваться гистологии. Теперь ученые обрели полную уверенность, что их суждения о клетке и ее органеллах действительно правильные.
Одним из самых важных открытий, сделанных с помощью электронного микроскопа, было обнаружение сложной системы мембран, пронизывающей цитоплазму всех эукариотических клеток. Эта сеть мембран, получившая название эндоплазматический ретикулум (ЭР от лат. reti ulum — сеть), очень хорошо развита в клетке, но лежит за пределами разрешающей способности светового микроскопа. Нередко мембраны усеяны мелкими частицами, которые были названы рибосомами.
Основным признаком эукариотической клетки является наличие ядра, содержащего преобладающую часть клеточной ДНК. Эта ДНК существует в виде многокомпонентного комплекса с большим набором белков, называемого хроматином. Обычно ядро содержит несколько огромных двуспиральных молекул ДНК, каждая из которых состоит из десятков или даже нескольких сотен миллионов нуклеотидов. На определенных стадиях, предшествующих клеточному делению, хроматин конденсируется и в световой микроскоп можно наблюдать характерные структуры. Эти структуры называют хромосомами, они были обнаружены задолго до того, как ученые узнали, что ДНК является важнейшим переносчиком наследственной информации.
В конце XIX в. было открыто, что число хромосом удваивается с образованием пар идентичных хромосом непосредственно перед делением клетки. Таким образом, Томас Морган постулировал, что хромосомы являются основными структурами, отвечающими за наследственность. Хромосомная теория наследственности является одной из основных теорий генетики — биологической дисциплины, изучающей наследственность живых организмов. Общепризнано, что хромосомы не образуются заново при конденсации хроматина, а существуют в виде определенных органелл во все время жизни клетки, правда в довольно диффузной форме.
За сто тридцатилетний период развития цитология, используя световой микроскоп, установила основные составные части клетки и выяснила их значение. С помощью световой микроскопии в цитологии были сделаны важнейшие открытия. Однако на протяжении длительного периода она оставалась преимущественно наукой описательной. Качественно новый этап в изучении взаимосвязи строения и жизнедеятельности клеточных структур наступил в последние годы в связи с развитием молекулярной биологии.
Благодаря электронному микроскопу в 50-60-х годах XX в. в биологии произошла настоящая революция: было детально изучено внутреннее строение клетки, выявлено сходство и отличие клеток растений и животных, грибов и бактерий. Эти исследования позволили не только увидеть, как устроена клетка, но и понять, как она работает.
Рибосомы и комплекс Гольджи были открыты с помощью электронной микроскопии нобелевским лауреатом Джорджем Паладе в 1955 году.
Таким образом, вся наука о клетке своим появлением обязана использованию метода микроскопии. Все органеллы клетки также были открыты при помощи микроскопа. Без микроскопа невозможно представить изучение того, что происходит внутри живой клетки и на межклеточном уровне, в то время, как без учета поведения живых клеток и их взаимодействий, невозможно представить современную биологическую науку, в особенности медицину.
Открытие одноклеточных организмов
Сегодня сложно поверить, что в течении огромного количества времени человечество не подозревало, что могут иметь место другие формы жизни, кроме многоклеточных организмов. Но, с появлением микроскопа произошла настоящая революция в осознании многообразия форм жизни, существующих на планете. Именно с помощью микроскопа были открыты микроскопические одноклеточные организмы: бактерии, одноклеточные животные, водоросли и грибы.
В данной области науки сложно переоценить вклад Антони ван Левенгука, который не только совершил целый ряд научных открытий, но и во многом сформировал методологию микроскопических исследований, которой пользуются все исследователи и о настоящего времени.
С помощью микроскопа он открыл целый мир микроскопических организмов, которые назвал «анималькулями», что можно перевести с латыни, как «зверушки». Среди знаменитых «анималькуль» Левенгука — микроскопические водоросли и животные, одноклеточные микроскопические грибы — дрожжи. Открытая группа живых существ получила название «простейшие». Именно при помощи микроскопии было выявлено, что их средой обитания является все, что окружает человека.
Открытие простейших одноклеточных организмов позволило не только расширить представления о жизни и ее возможностях, но и заложить предпосылки для позднейшего возникновения и развития эволюционных теорий.
Другим немаловажным открытием в области новых видов живых существ, сделанных при помощи микроскопа, стало открытие бактерий являющиеся прокариотическими организмами. Открытие бактерий, которые являются возбудителями различных заболеваний, произвело революцию в медицине. Стали известны и понятны истинные причины развития заболеваний (ранее, как правило, болезни считались следствием нечистоплотности и антисанитарии), что открыло пути для поиска новых способов лечения и предотвращения болезней. По большому счету, именно микроскопические исследования положили начало созданию современной концепции медицины. Именно после этого, медицина начала бороться именно с возбудителями, с причинами заболеваний, а не с их симптомами и последствиями.
Открытие бактерий стало важным шагом и для понимания эволюции и развития жизни на планете.
Другим фундаментальным открытием, сделанным при помощи микроскопии, стало открытие вирусов – внеклеточной формы жизни. Вирусы, как и бактерии, являются возбудителями множества заболеваний человека и животных, но некоторые из них (бактериофаги) являются естественными врагами бактерий, в том числе болезнетворных.
С помощью микроскопа было выявлено, что вирусы делятся на ДНК-содержащие и РНК- содержащие, что не только позволило медицине эффективно бороться с ними, но и дало толчок к понимаю самых ранних этапов эволюции живых существ на планете.
Таким образом, открытые при помощи микроскопа новых видов одноклеточных живых организмов, а также внеклеточных форм жизни, стало мощным толчком в развитии, как медицины, так и эволюционных теорий.
Исследования в области анатомии и физиологии
В настоящее время микроскопия является ведущим способом изучения в физиологии и медицине, так как только при мощном увеличении существует возможность изучить, как снутренне строение тканей, так и обменные процессы, протекающие в них.
Огромное значение имело развитие микроскопии для исследований в области анатомии и физиологии человека. Левенгук открыл клетки крови, в том числе эритроциты, описал мертвые клетки кожи и их строение, строение мышц человека, открыл и зарисовал сперматозоиды (1677).
При помощи микроскопии были сделаны выдающиеся открытия в области физиологии. В 1968 г. Stretton и Kravitz в Гарварде показали, что краситель (проционовый желтый), введенный микропипеткой в тело нервной клетки, переносится в отростки, где его можно увидеть при помощи флуоресцентной микроскопии. Для клеточной нейробиологии это было ключевым открытием, так как давало исследователю возможность увидеть всю картину ветвящихся отростков регистрируемой клетки. Получалась как бы окраска по Гольджи именно того нейрона, какой хотели изучить. С тех пор с этой целью применяют массу разных веществ, в том числе ПХР.
Еще А. Левенгук в хвосте маленькой рыбки, увидел те капиллярные кровеносные сосуды, по которым кровь переходит из артерий в вены, и таким образом дополнил открытие англичанина Гарвея о циркуляции крови.
При помощи микроскопии были сделаны открытия в других областях биологии. Были изучены детали глаза насекомых и клеточное строение корней водного растения ряски. В числе прочего, Левенгук описал бактерии (1683), дрожжи, простейших, волокна, нашел и описал ряд коловраток, почкование гидр, открыл инфузории и описал многие их формы.
Томас Моуффет изучал при помощи микроскопа мелких клещей (0,2-0,4 мм), в частности, он со всей четко установил различия между чесоточным и сырным клещами.
В тот же период был описан и такой сложный процесс, как движение гемолимфы у вши.
Уже в 1625 г. член академии Стеллути опубликовал свои наблюдения о строении органов пчелы, сделанные с помощью микроскопа. В частности, он впервые увидел и описал фасеточных строение глаза насекомых. Ф.Чези (1628) использовал микроскоп Галилея, изучая спорангии папоротников и описал с его помощью споры, считая их, семенами.
Велико значение микроскопии при изучении работы организма. В то время как свойства белковых ансамблей, обнаруженных в мышцах, описаны со многими интересными подробностями, остается открытым наиболее важный вопрос каким образом мышечная машина использует свободную энергию гидролиза АТФ для совершения механической работы. На основании данных электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей было установлено, что в состоянии окоченения все поперечные мостики, образуемые миозиновыми головками, оказываются прочно прикрепленными к тонким нитям актина. Добавление же АТФ приводит к мгновенному отсоединению мостиков от тонких нитей. В расслабленной мышце тонкие нити могут свободно двигаться на участках, прилегающих к толстым нитям, что придает мышце свойство слабо натянутой резиновой полоски. Однако активация мышцы под действием нервного импульса, сопровождаемая освобождением ионов кальция, заставляет тонкие нити скользить между толстыми, приводя в результате к укорочению мышцы.
Особенно большую роль микроскопия сыграла в развитии биологии. Микроскопия позволила сформулировать и подтвердить клеточную теорию строения живых организмов, что дало начало таким отраслям биологической науки, как гистология и цитология. При помощи микроскопов были открыты и исследованы органеллы клеток, клеточные мембраны, открыт механизм передачи наследственной информации через молекулы ДНК.
Другим важным направлением применения микроскопии стало изучение анатомии и физиологии человека. Посредством микроскопии были открыты структура тканей человеческого организма, клетки крови.
Исследования при помощи микроскопов привели к открытию ранее неизвестных одноклеточных организмов – простейших, бактерий, одноклеточных растений и грибов. Открытие бактерий, как возбудителей различных заболеваний привело к революции в области медицины и ветеринарии, что создало данные отрасли научного знания в их современном виде.
Заключение
Микроскоп представляет собой сложный оптический прибор, позволяющий получить многократное увеличение исследуемого объекта. Основной характеристикой микроскопа является его разрешающая способность.
В настоящее время существует множество видов микросокпов, различающих по разрешающей способности: оптические, лектронные, рентгеновские, сканирующие зондовые.
Вопрос об авторстве изобретения микроскопа по сей день остается открытым. Точно известно, что произошло это в Европе на рубеже шестнадцатого и семнадцатого веков. Огромный вклад в создание данного прибора был внесен З. Янсеном, Г. Галилеи, А. ван Левенгуком. Особенно стоит отметить работы именно Левенгука, который первым стал широко применять микроскоп, как инструмент научных исследований, и во многом сформировал методологию данного рода исследований.
Начиная с конца шестнадцатого века микроскоп прошел длительный путь развития, что привело к созданию принципиально новых приборов, позволяющих решить те же задачи.
Микроскопия представляет собой процесс разработки, создания и использования микроскопов в научных исследованиях.
Значение микроскопии для науки трудно переоценить. Микроскопия применяется практически во всех отраслях естественных наук. С помощью микроскопа были сделаны выдающиеся открытия в области физики (описаны молекулы и атомы, а также процессы, происходящие с ними, описана внутренняя структура атома, движение электронных облаков, открыто броуновское движение), химии (описаны структуры кристаллов и процессы их формирования, структура сплавов), но особенно большую роль микроскопия сыграла в развитии биологии. Но особенно большую роль сыграла микроскопия в развитии биологии.
Микроскопия позволила сформулировать и подтвердить клеточную теорию строения живых организмов, что дало начало таким отраслям биологической науки, как гистология и цитология.
При помощи микроскопов были открыты и исследованы органеллы клеток, клеточные мембраны, открыт механизм передачи наследственной информации через молекулы ДНК.
Другим важным направлением применения микроскопии стало изучение анатомии и физиологии человека. Посредством микроскопии были открыты структура тканей человеческого организма, клетки крови, описаны процессы взаимодействия, протекающие в тканях и органах человека.
Исследования при помощи микроскопов привели к открытию ранее неизвестных одноклеточных организмов – простейших, бактерий, одноклеточных растений и грибов. Открытие бактерий, как возбудителей различных заболеваний привело к революции в области медицины и ветеринарии, что создало данные отрасли научного знания в их современном виде.
Так же при помощи микроскопа были открыты и внеклеточные формы жизни – вирусы и бактериофаги.
Открытие одноклеточных и внеклеточных форм жизни позволили составить более полную картину разнообразия форм жизни, а также дало мощный толчок к пониманию возникновения и развития жизни на планете, позволило дополнить существующие и сформировать новые эволюционные теории.
Таким образом, изобретение микроскопа и применение микроскопии в научном познании позволило науке перейти на качественно новый уровень развития, сформироваться естественнонаучным и биологическим дисциплинам в современном виде, создать новые и дополнить имеющиеся научные теории. Все это, в конечном итоге привело к качественному улучшению жизни людей.
Современная биологическая наука полностью связана с использованием микроскопии, без нее уже невозможно себе представить современную биологию. Учитывая, что продолжают разрабатываться новые виды микроскопов, позволяющие получить все большее и большее увеличение, можно с уверенностью отметить, что биологическую науку ждут новые удивительные открытия.
Таким образом, решены все поставленные задачи, достигнута главная цель исследования.
Список литературы
Акимушкин, И. Занимательная биология / И. Акимушкин. - М.: Молодая Гвардия, 2017. - 336 c
Английский язык для врачей. Стоматология. Офтальмология. Терапия. Хирургия. Биология. Экология. Медицинские приборы и аппаратура / ред. В.Ф. Новодранова. - М.: Валент, 1994. - 336 c.
Барыкина Р. П. и др. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. — М.: Изд-во МГУ, 2004. — 312 с. — 2000 экз. — ISBN 5-211-06103-9. — УДК 58:57.08
Биология. - М.: Росмэн, 2007. - 560 c.
Биология. Эволюция. Экосистема. Биосфера. Человечество. В 2 книгах. Книга 2 / В.Н. Ярыгин и др. - М.: Высшая школа, 2010. - 336 c.
Василевский А. М., Кропоткин М. А., Тихонов В. В. Оптическая электроника. — Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. глава 3.
Вилли, К. Биология (биологические процессы и законы) / К. Вилли, В. Детье. - М.: Мир, 1980. - 822 c.
Вилли, К. Биология: биологические процессы и законы / К. Вилли, В. Детье. - М.: Мир, 1975. - 824 c.
Глезер, А.М. Сканирующая электронная микроскопия и рентгено-спектральный микроанализ / А.М. Глезер. - М.: Техносфера, 2009. - 208 c.
Додонов, В.В. Инварианты и эволюция нестационарных квантовых систем / В.В. Додонов, В.И. Манько. - М.: [не указано], 1987. - 419 c.
Дюков В.Г., Непийко С.А., Седов Н.Н Электронная микроскопия локальных потенциалов./ АН УССР. Ин-т физики. – Киев: Наук. думка, 1991. – 200 с.
Зайцева, Е. Ю. Биология. Система, многообразие и эволюция живой природы. Экспресс-репетитор для подготовки к ГИА. 9 класс / Е.Ю. Зайцева, А.И. Зайцев. - Москва: Высшая школа, 2011. - 128 c.
Захаров, В.Б. Биология. Общие закономерности / В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, В.И. Сивоглазов. - М.: Школа-Пресс, 1996. - 624 c.
Идея эволюции в биологии и культуре. - М.: Канон+РООИ "Реабилитация", 2011. - 640 c.
Карузина, И.П. Биология / И.П. Карузина. - М.: Медицина, 1977. - 328 c.
Кириленко, А. А. Биология. Эволюция органического мира. Подготовка к ЕГЭ. Теория и тренировочные задания / А.А. Кириленко. - М.: Легион, 2014. - 256 c.
Кириленко, А. А. Биология. Эволюция органического мира. Подготовка к ЕГЭ. Теория и тренировочные задания. Учебное пособие / А.А. Кириленко. - М.: Легион, 2013. - 224 c.
Козлова, Л. А. Биология. Надорганизменные системы. Эволюция органического мира. Экосистемы и присущие им закономерности. Экспресс-репетитор для подготовки к ЕГЭ / Л.А. Козлова. - Москва: СПб. [и др.] : Питер, 2010. - 160 c.
Кругликов, Г.Г. Атлас функциональной морфологии клеток крови и соединительной ткани (сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия) / Г.Г. Кругликов. - М.: Медицина, 2005. - 176 c.
Кулаков Ю.А Электронная микроскопия. – М.: Знание,1981. – 64 с.
Лэмб, М. Биология старения / М. Лэмб. - М.: Мир, 1980. - 208 c.
Малиновский, А.А. Биология человека / А.А. Малиновский. - М.: Знание, 2006. - 452 c.
Мамонтов, С.Г. Биология: Справочное издание / С.Г. Мамонтов. - М.: Высшая школа, 1991. - 478 c.
Маркеев, О. Демон власти: генезис, эволюция и кризис системы власти / О. Маркеев. - М.: Самотека, 2007. - 288 c.
Мухамметдинов, Р.Ф. Зарождение и эволюция тюркизма / Р.Ф. Мухамметдинов. - М.: Казань: Заман, 1996. - 270 c.
Пантелеев, В. Компьютерная микроскопия / В. Пантелеев. - М.: Техносфера, 2005. - 304
Пасечник, В.В. Биология. Бактерии, грибы, растения / В.В. Пасечник. - М.: Дрофа; Издание 10-е, стер., 2007. - 272 c.
21. Пикеринг, В.Р. Биология человека в диаграммах / В.Р. Пикеринг. - М.: АСТ, 2003. - 181 c.
Попечителев, Е.П. Аналитические исследования в медицине, биологии и экологии / Е.П. Попечителев, О.Н. Старцева. - М.: Высшая школа, 2003. - 279 c.
Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с
Рид, С. Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия в геологии / С. Рид. - М.: Техносфера, 2008. - 232 c.
Рид, С.Д., Б. Мир наук о земле. Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия в геологии / С.Д. Б. Рид. - М.: Техносфера, 2008. - 232 c.
Свищев, Г.М Конфокальная микроскопия и ультрамикроскопия живой клетки / Г.М Свищев. - М.: Физматлит, 2011. - 120 c.
Синдо, Д. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия / Д. Синдо, Т. Оикава. - М.: Техносфера, 2006. - 256 c.
Синдо, Д. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия для материаловедения / Д. Синдо, Т. Оикава. - М.: Техносфера, 2006. - 256 c.
Скворцов, П.М. Биология - полный школьный курс / П.М. Скворцов, А.И. Никишов, В.С. Рохлов, и др.. - М.: АСТ-Пресс, 2000. - 571 c.
Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения: Пер. с англ./Под ред. В. Н. Рожанского. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит.,1986. – 320 с., ил.
Суворов А. Л. Микроскопия в науке и технике / Отв. ред. д-р физ.-мат. наук В. Н. Рожанский; Академия наук СССР. — М.: Наука, 1981. — 136, [1] с. — (Наука и технический прогресс). — 36 000 экз. (обл.)
Томас Г., Горинж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов: Пер. с англ./Под ред. Б.К. Вайнштейна – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983 – 320с
Тринчер, К.С. Биология и информация / К.С. Тринчер. - М.: Наука, 2011. - 100 c.
Фульц, Б. Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов / Б. Фульц. - М.: Техносфера, 2011. - 904 c.
Хаббард Дианетика: эволюция науки / Хаббард, Рон. - М.: Нью Эра, 2007. - 200 c.
Хорстхемке, В. Индуцированные шумом переходы: теория и применение в физике, химии и биологии / В. Хорстхемке, Р. Лефевр. - М.: [не указано], 1987. - 903 c.
Цузмер, А.М. Биология: человек и его здоровье (учебник для 9 класса средней школы) / А.М. Цузмер, О.Л. Петришина. - М.: Просвещение; Издание 19-е, перераб., 1990. - 240 c.
Чебышев Биология. Новейший справочник / Чебышев, Н.В. и. - М.: Махаон, 2007. - 512 c.
Чебышев, Н. В. Биология. Пособие для поступающих в ВУЗы. Том 2. Ботаника. Анатомия. Эволюция и экология / Н.В. Чебышев, С.В. Кузнецов, С.Г. Зайчикова. - М.: Оникс, Новая Волна, 2006. - 412 c.
Шабатура, Н.Н. Биология человека 8/9 / Н.Н. Шабатура, Н.Ю. Матяш, В.А. Мотузный. - К.: Генеза, 1999. - 432 c.
Электронная микроскопия в минералогии: Пер. с анг./Под общей ред. Г.-Р. Венка. – М.: Мир, 1979. – 485с., ил.
|
|
|
Скачать 158.5 Kb.