На этом примере мы видим, какую помощь в научно-исследовательской работе микробиолога может оказать микрокиносъёмка. С каждым годом в Советском Союзе этот метод находит все большее и большее применение. Во многих институтах организованы специальные отделы и лаборатории по киносъёмке микроскопических объектов.
Известно, что в микроскоп обычно рассматривают более или менее прозрачные объекты в проходящем свете. Направляемый зеркальцем микроскопа пучок света проходит через конденсор — собирательную линзу, затем через изучаемый объект и оптическую систему микроскопа и попадает в глаз наблюдателя (рис. 24 и 25).
Рис. 24. Микроскоп и ход лучей в микроскопе
Рис. 25. Современный биологический микроскоп, дающий увеличение до 2000 раз
Но как рассмотреть непрозрачный объект? Как исследовать, например, живых микробов, плавающих в крови сосуда животного?
Оказывается, и эта задача была разрешена физиками, изобретшими так называемый опак-иллюминатор, или «вертикальный иллюминатор», где объект рассматривается уже не в проходящем свете, а в ярком пучке света, падающего на непрозрачную поверхность исследуемого объекта. Положив на предметный столик такого микроскопа лапки живой крысы, можно наблюдать за оживлённым движением мельчайших паразитов — микробов-трипанозом, плавающих в её крови. Сделав отверстие в скорлупе заражённого вирусом куриного яйца и удалив из него оболочки зародыша, можно изучать поражения, возникающие под влиянием развивающегося в них вируса.
Много различных усовершенствований микроскопа получила к настоящему времени наука. Тут и исследование в «тёмном поле», где только боковые лучи освещают мельчайшие частицы, взвешенные в капле жидкости (рис. 26), тут и микроскопия в невидимом ультрафиолетовом свете, вдвое увеличивающем разрешающую способность объектива, и флюоресцентная микроскопия, основанная на превращении падающих на объект ультрафиолетовых лучей в видимый свет, который излучается флюоресцирующим объектом.
Рис. 26. Один из видов спирохет — лептоспира, возбудитель инфекционной желтухи, в «тёмном поле» микроскопа. В нижней части рисунка — схематическое изображение микроба
Все эти методы широко раздвинули границы оптической микроскопии, но ни один из них не дал возможности увидеть объекты, размеры которых меньше, чем две десятых микрона (0,2 микрона). Наиболее крупный вирус — вирус оспы — не превышает 0,175 микрона. Следовательно, все вирусы оставались за пределами видимости в световые микроскопы.
Правда, действительному члену Академии медицинских наук СССР проф. М. А. Морозову удалось разглядеть в обычный микроскоп при помощи изобретённого им метода серебрения элементарные тельца вируса оспы и ряд других вирусов. Его метод вошёл в мировую практику, но этим дело и ограничилось. До начала 50-х годов двадцатого столетия вирусы оставались невидимыми, несмотря на все ухищрения учёных. О размерах вирусов приходилось судить только косвенным образом, применяя для этого мощнейшие центрифуги, делавшие десятки тысяч оборотов в минуту, в которых по скорости оседания вирусных частиц можно было вычислить их размер, или путем фильтрования через ультрафильтры-сита с порами строго определённой величины. Отчего же нельзя было увидеть в обычный световой микроскоп вирусные частицы? Оттого, что длина волн видимого света больше вирусной частицы. Встречая на своём пути столь мелкое препятствие, световая волна не отражается, а огибает эту частицу. Световые волны проходят мимо вирусов, как бы не замечая их. А если объект не мешает распространению волн, то и сам он остаётся невидимым.
Мельчайшие вирусные частицы могут служить препятствием только для очень коротких волн — в сотни раз более коротких, чем световые. Такой короткой длиной волны обладают электронные лучи, представляющие собой потоки электронов, несущихся с огромной скоростью.
Изобретение электронного микроскопа, в котором через объект проходят электронные лучи, позволило, наконец, увидеть вирусы.
Устройство электронного микроскопа в принципе аналогично устройству светового микроскопа (рис. 27): вместо электрического осветителя или дневного солнечного света в электронном микроскопе имеется так называемая электронная «пушка», из раскаленной нити которой в безвоздушном пространстве вылетают потоки электронов — мельчайших частиц материи, несущих отрицательный заряд электричества; вместо стеклянных линз — конденсора, объектива и окуляра — ряд электромагнитов, концентрирующих, собирающих и раздвигающих поток электронов. Когда собранный первой магнитной линзой (называемой конденсорной) пучок электронов достигает объекта, например, вирусной частицы, то часть электронов, сталкиваясь с атомами вещества объекта, рассеивается в стороны. Чем плотнее или толще отдельные части объекта, тем сильнее рассеяние электронов. Пройдя через исследуемую частицу, электронный поток попадает в объективную магнитную линзу. Увеличенное объективной линзой изображение предмета ещё больше увеличивается третьей линзой — проекционной, которая и отбрасывает поток электронов на светящийся под ударами этих электронов экран или на фотографическую пластинку. Те места экрана, на которые попало больше всего электронов, будут светиться ярче всего. Рассеянные вирусом электроны частично не дойдут до экрана, причём в зависимости от различий в плотности отдельных мест объекта на экран попадает различное количество электронов. Таким образом, на экране возникает контрастное, сильно увеличенное изображение вирусной частицы. При помощи электронного микроскопа можно увеличить изображение предмета в десятки и даже в сотни тысяч раз. Таким образом, можно получить увеличение в сто раз большее, чем в обычном световом микроскопе.
Конструирование советского электронного микроскопа начато в 1940 г. группой учёных под руководством академика А. А. Лебедева. За это время было изготовлено несколько моделей микроскопов, которые дают увеличение в десятки тысяч раз. Советский электронный микроскоп по праву считается лучшим в мире и значительно превосходит американские микроскопы и по качеству изображения и по совершенству конструкции (рис. 28).
Рис. 27. Сравнительная схема устройства оптического и электронного микроскопов
Рис. 28. Советский электронный микроскоп
В электронный микроскоп учёные, наконец, увидели мельчайшие вирусы и разобрались в их форме и строении. Оказалось, что вирусы имеют разную форму. Вирус оспы, выглядевший в световом микроскопе в виде крошечных шариков, в электронном микроскопе имел слегка вытянутую в длину форму многоугольника. Вирус гриппа оказался шаровидным, а вирус табачной мозаики палочковидным. Сложно устроенным оказался бактериофаг, бактериальный вирус; в тельце бактериофага можно было различить головку размером в несколько миллионных долей миллиметра и более длинный хвостик, посредством которого он, согласно новейшим исследованиям советских ученых, прикрепляется к поверхности бактериальной клетки.
Электронный микроскоп дал возможность изучить внутреннее строение бактерий и грибов.
Правда, у электронного микроскопа имеется тот существенный недостаток, что прямолинейность потока электронов, необходимая для четкости изображения, может быть достигнута только при помощи полного вакуума — электроны должны лететь в безвоздушном пространстве. Таким образом, в электронном микроскопе можно рассматривать только полностью высушенные объекты, находящиеся в вакууме и подвергающиеся интенсивному обстрелу электронами. Конечно, при этом несколько изменяется естественное строение вируса и клетки. Кроме того, мы лишены возможности наблюдать объект в его жизнедеятельности и по существу рассматриваем только трупы микробов.