Советский электронный микроскоп

 

В начале 1940 года академик А. А. Лебедев вместе со своими сотрудниками В. Н. Верцнером и Н. Г. Зандиным начал проектировать и строить первый советский электронный микроскоп.

В обычном световом микроскопе в его нижней части помещается источник света или зеркальце, отражающее лучи какого‑либо источника света. Его лучи проходят сквозь стеклянную линзу, которая называется конденсорной или собирательной. Она собирает световые лучи в конический пучок и направляет их на стеклянную пластинку, на которой лежит исследуемый предмет.

Световые лучи, прошедшие сквозь этот предмет, попадают в первую увеличительную линзу микроскопа, которая называется объективной линзой, так как обращена к объекту исследования.

Объективная линза увеличивает изображение предмета примерно в 50 раз.

Это увеличенное изображение исследователь рассматривает сквозь окулярную линзу, тоже дающую увеличение в 10–20 раз.

В результате общее увеличение обеих линз – объективной и окулярной – получается равным произведению этих чисел, то есть от 500 до 1000 раз.

В электронном микроскопе вместо источника света имеется электронная пушка. Она посылает пучок электронных лучей, который попадает в первую – конденсорную линзу микроскопа.

Разумеется, эта линза не стеклянная, стекло было бы тут только помехой, и ее форма ничем не напоминает увеличительное стекло. Это всего лишь электромагнитная катушка с отверстием по оси. Сквозь это отверстие проходит электронный луч. Внутри катушки нет ни стекол, ни воздуха, так как из электронного микроскопа выкачан почти весь воздух. Но называется такая катушка – линзой, потому что ее действие на электронный луч подобно действию стеклянной линзы на световой луч (рис. 76).

Рис. 76. Устройство электронного микроскопа подобно устройству оптического микроскопа.

 

Световые лучи, выходящие из одной точки, пройдя сквозь двояковыпуклую линзу, преломляются в стекле, отклоняются от прежнего направления и собираются коническим пучком на объекте.

Точно также и электроны, пролетев сквозь отверстие катушки‑линзы, фокусируются – сходятся конусом и попадают на предметный «столик», создавая на нем яркое «электронное освещение». В центре «столика» вырезано круглое отверстие. Поверх этого отверстия натягивают тончайшую (толщиной 0,1–0,2 микрона) прозрачную пленку коллодия, на которой помещают то, что хотят исследовать.

Объектом исследования могут служить колонии вирусов или бактерий, частицы какого‑либо вещества, мельчайшие кристаллы и т. п.

Электроны, летящие со скоростью в несколько тысяч километров в секунд}у, пронизывают предметы, лежащие на пленке.

В тех местах, где вещество более плотно или имеется какое‑либо утолщение, электроны встречают больше препятствий и, рассеиваясь, несут большие потери в своих рядах. Места менее плотные электроны преодолевают с меньшим отсевом: электронный поток получается здесь плотнее, гуще.

Чтобы изображение предметов получилось увеличенным, электронный пучок по пути от предметного столика до экрана проходит сквозь две магнитные линзы.

Сразу же за предметным столиком электронный ноток перехватывает объективная катушка‑линза.

Она собирает электроны, выходящие из каждой точки предмета, и таким образом дает промежуточное, сильно увеличенное изображение.

Следующая линза, которая в оптическом микроскопе называется окулярной, потому что посылает лучи в глаз наблюдателя (по‑латински окулюс – глаз), в электронном микроскопе получила название проекционной, потому что она отбрасывает изображение на светящийся под ударами электронов экран.

Проекционная линза еще больше увеличивает изображение.

Экран электронного микроскопа будет светиться не везде одинаково. Где электронов упадет побольше, там и свечение будет поярче, а где электронный поток потерял значительную часть электронов, экран будет светиться слабее. На экране вырисуется изображение предмета.

Кроме линз на пути электронного пучка стоят еще диафрагмы – металлические пластинки с отверстиями, ограничивающими ширину пучка. Электроны, которые в результате встреч с атомами рассматриваемого предмета слишком сильно отклонились в сторону, натыкаются на диафрагмы и не проходят сквозь их отверстия. Диафрагмы служат возле линз как бы привратниками: они пропускают вперед только ту часть пучка электронных лучей, которая несет к экрану правильное, неискаженное изображение.

Кроме того, в электронном микроскопе имеется несколько вспомогательных механизмов – два насоса, которые откачивают воздух из внутренней полости прибора, электрооборудование, которое подает высокое напряжение, фотокамера для фотографирования изображений, приборы управления.

Первый образец советского электронного микроскопа был готов в середине 1940 года и давал увеличение в десять тысяч раз, то есть вдесятеро больше своего оптического собрата.

Ободренные первым успехом, ученые стали строить вторую модель, которая должна была дать увеличение в 25 тысяч раз!

 

Увеличение в сто тысяч раз

 

Создателям первого советского электронного микроскопа академику А. А. Лебедеву, В. Н. Верцнеру и Н. Г. Зандину была присуждена Сталинская премия.

В модели 1947 года, законченной к тридцатилетию Советской власти, изобретатели применили много новых усовершенствований.

Рис. 77. Расположение основных частей электронного микроскопа.

 

Так как электронный микроскоп увеличивает изображение в 25 тысяч раз, а фотографию можно увеличить еще в 4 раза – общее увеличение достигло 100 000 раз!

И это далеко не предел. Электронный микроскоп еще далек от совершенства и пока только «учится» смотреть.

Но учится он быстро, быстрей своего предшественника. За 300 лет оптический микроскоп достиг наибольшего полезного увеличения в тысячу раз. Электронный микроскоп уже дал увеличение в 100 000 раз.

Когда электронный микроскоп приобретет полную меру своей зоркости, он поможет науке еще глубже проникнуть в мир ничтожно‑малых существ и даже молекул.

Уже самые первые наблюдения, сделанные с помощью электронного микроскопа, раскрыли загадки, перед которыми наука стояла до сих пор как бы с завязанными глазами.

До изобретения электронного микроскопа врачи не знали, почему человек, заболевший туберкулезом, несмотря на самое энергичное лечение, иногда буквально сгорает в несколько недель; в других же случаях он сравнительно быстро поправляется. Иногда туберкулезные палочки оказываются невероятно живучими и зловредными, а иногда настолько слабыми, что гибнут сами собой.

Электронный микроскоп раскрыл секрет этого злейшего врага человека. Оказалось, что туберкулезные бациллы способны надевать на себя панцырь – плотную жировосковую оболочку, которая оберегает их от действия лекарств и защитных сил организма. Тайна панцыря этого маленького чудовища теперь раскрыта, и медицина нашла способ борьбы с опаснейшей болезнью человека.

С помощью электронного микроскопа удалось увидеть бактериофагов. Эти таинственные друзья‑ невидимки оказались маленькими шариками с длинными хвостиками. Длина хвостика бактериофага равна примерно 100 или 120 миллимикронам, а его круглое тельце раза в 2–3 меньше хвостика. Поперек самой тонкой, паутинной, нити уляжется 30 телец бактериофагов.

«Почуяв» присутствие дизентерийной бактерии, бактериофаги устремляются к ней со всех сторон и облепляют ее, как муравьи гусеницу, забравшуюся в муравейник. Присосавшиеся бактериофаги вызывают быстрый распад болезнетворной бактерии (рис. 78).

Рис. 78. Бактериофаги атакуют возбудителя дизентерии. Увеличение 28 000 раз.

 

К сожалению, в безвоздушном пространстве электронного микроскопа под воздействием электронного луча гибнет все живое. Поэтому на снимке видны не живые бактериофаги, а мертвые.

Они погибли вместе с дизентерийным микробом в тот момент, когда шли на него в атаку.

Возможно, что ученым удастся преодолеть этот недостаток электронного микроскопа, и тогда можно будет понаблюдать, как движутся бактериофаги и как они нападают и уничтожают микробов.

Особенно поразительные результаты дали наблюдения вирусов. Рисунок 79 изображает вирусы гриппа – оказывается, они имеют вид шариков.

Рис. 79. Снимок вирусов гриппа. Увеличение 35 000 раз.

 

Об их размерах позволяет судить масштаб, – на рисунке нарисована черная линия, длина которой соответствует одной десятитысячной доле сантиметра – микрону.

Некоторые вирусы, выделенные из зараженных тканей, кристаллизуются почти так же, как кристаллизуются соль, сахар или квасцы. В кристаллическом виде это полупрозрачное белковое вещество. Его можно несколько раз подряд растворять в воде и снова кристаллизировать. Никаких признаков жизни оно не подает.

Попадая в живые ткани растений, это вещество заражает его. Кристаллы вируса начинают увеличиваться в числе, проявляя тем самым способность размножаться.

Белковые вещества, из которых состоят вирусы, – это особая форма организованной материи, которая, как предполагают биологи, стоит на грани живой и мертвой природы.

В течение многих веков в науке господствовало убеждение, внушенное религией, будто бы жизнь, все живое, способное питаться, дышать, расти и размножаться, есть творение божественных сил и что оно резко отличается от неживого, неспособного питаться, расти и размножаться.

Идеалистическая философия учила, что между живой и мертвой природой лежит непреодолимая пропасть, разграничивающая эти два противоположных мира. Никакого звена, связывающего живое с неживым, она не допускала.

Против порочного идеалистического мировоззрения, увлекавшего науку на ложный путь, страстно боролся Владимир Ильич Ленин. Еще в 1908 году он писал: «Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи».[23]

Электроника заставила воочию убедиться в справедливости гениального предвидения В. И. Ленина. Она подвела исследователей к грани между живой и неживой природой, и никакой пропасти там не оказалось. Грань между живым и неживым действительно условна, относительна, подвижна.

Изучение нуклеопротеидов, возможно, позволит ученым разгадать еще одну тайну природы – создать своими руками молекулы живого белка, способного питаться, дышать, расти и размножаться.

И это будет величайшим открытием, грандиозной победой человеческого ума, равной которой не было за всю историю науки.