Электронный микроскоп — штука, которая позволяет увидеть атомы

Дисклеймер: я не эксперт в физике, но тем не менее попытался расписать то, как всё это работает. Если найдёте какую-то ошибку, пишите в комменты, всё поправлю

Как-то в 6 классе я не верил, что человек состоит из молекул.

Я думал, что всё живое сделано из клеток. А молекулы — это то, что в неживом. В стуле, например. Когда получил за это свою честную двойку, у меня это прям в голове не укладывалось...

И вот, я подрос. Теперь я знаю, что клетка состоит из каких-то там органелл, и вот они уже состоят из молекул. Ну а органеллы — это всякие там ядра с генами, митохондрии и бла-бла-бла...

Но с фига ли всё это так?

Включим кРиТиЧеСкОе мЫшЛеНиЕ и посмотрим на фотку клетки в дорогущий микроскоп. Полмиллиона евро вложили в то, чтобы вы могли заглянуть в нее настолько глубоко и чётко, насколько это вообще возможно.

Видите здесь ядро? А гены внутри? Нет, это ещё что: а хоть одну молекулу видите? Да это какое-то месиво! Тут вообще нифига не видно.

Это 4 клетки. В каждой валяется по жирной фасолине — это ядра. А всё остальное — вообще хз что. Ни один специалист вам не скажет, где тут какая органелла. Молекул даже близко не видно.

Вам втирают это с 6 класса, но на самом деле, увидеть молекулы своими глазами чисто физически невозможно.

Ведь что значит «увидеть»? Это значит, что частичка света вылетит из лампы, врежется в молекулу, отрикошетит вам в глаз и мозг такой о, так вот оно что!

Но молекулы настолько мелкие, что частичка света по сравнению с ними — тот ещё жиробас. Она тупо проходит насквозь и летит дальше, как будто вообще ни во что не врезалась.

🫠 Вставка для душных. Пропустите её, если в вашей комнате итак мало кислорода. На самом деле, с точки зрения физики у частиц света нет никаких размеров. Куда важнее их длина волны. Это её я показал на картинке. И именно из-за того, что длина волны у свеа довольно большая, увидеть мелкие штуки нельзя.

Если что-то меньше, чем частичка света, его невозможно увидеть! А это дофига всего интересного: атомы, многие вирусы, некоторые бактерии, гены — всё это ну никак нельзя увидеть глазами.

Так откуда мы тогда знаем, что всё это существует?

Да, мы не можем увидеть всё это своими глазами. Но мы можем сфотографировать этот микро-мир при помощи очень необычных фотоаппаратов — электронных микроскопов.

Выглядит как какая-то инопланетная пушка, и это не так далеко от правды!

Труба сверху — это метровая электронная пушка, которая стреляет по тому, что вы запихнёте внутрь, пучком элементарных частиц — электронов. Ими микроскоп ощупывает поверхность объекта и потом рисует её вам на экране.

Звучит дико хайпово, хоть на РенТВ выступай! А кадры какие...

Я потратил 3 месяца (приходя в лабораторию от силы раз в неделю, но не суть) и всё это время учился пользоваться тем самым электронными микроскопом! Оказалось, это вам не селфи на айфончик запилить...

Как оно работает?

Итак, для начала надо разобраться, как вообще работает электронный микроскоп. Элементарные частицы, которыми он ощупывает поверхность — это электроны.

Те самые, которые есть внутри атомов и которые бегают у вас по проводам. Они настооооолько маленькие, что физики считают, что никакого размера у них в принципе нет.

Работает это всё довольно просто. Всё, что делает электронный микроскоп — это берёт электроны из розетки и швыряет их по тому, что вы хотите разглядеть.

Для этого в самом верху стоит большая электронная пушка. Да, она реально так называется. Она концентрирует электроны и делает точный выстрел. Но электроны всё равно разлетаются в разные стороны, поэтому специальные магниты удерживают их рядом.

Затем пучок электронов врезаются в ковид или что вы там фоткаете и отлетает в специальный фотоаппарат на дне микроскопа. Фотоаппарат смотрит на всё это и в конце выдаёт вам красивую чб фотку.

Так это и работает!

Без иронии: настолько простая штука позволяет нам заглянуть в мир чуть ли не бесконечно глубоко! Насколько конкретно? В Японии есть вот такая громадина — мегавольтный электронный микроскоп.

Он так называется, потому что электроны в нём летают под напряжением ~2–3 миллиона Вольт. Как в маленькой молнии. А чем больше Вольт у пучка электронов, тем меньше у них длина волны и тем более мелкие штуки ими можно разглядеть.

И этого достаточно, чтобы увидеть отдельные атомы!

Бриллиантовый микроскоп

Перейдем к практике. Не зря ж я попёрся к реальному электронному микроскопу!

Итак, вы решили сфоткать атом в электронный микроскоп и доказать, что он существует. Что для этого нужно?

Для начала — расстроиться. К сожалению, там, где я учусь и работаю, нет таких таких электронных микроскопов. Наши МГУшные могут сфоткать только жалкий молекулярный уровень, например, клетки нашего тела. Увы, мы не в Японии и даже не в РАН.

Разочарование № 2. Электроны не проходят через воздух. Именно поэтому из розетки не бьёт током во все стороны, и вы всё ещё живы.

Так что внутри микроскопа нужно создать космический вакуум, и только тогда электроны смогут свободно летать и всё фоткать. Иначе они будут врезаться в молекулы воздуха, и вы ничего не увидите.

Разочарование № 3. Знаете, что будет с любой клеткой в таком вакууме? Примерно через пикосекунду она резлетится во все стороны, как человек без скафандра в открытом в космосе, и фоткать будет нечего.

Поэтому перед электронным микроскопом от клеток оставляют жёсткий скелет. Для этого их несколько недель вымачивают в тетраоксиде осмия. Это что-то вроде клея. Заодно осмий, как тяжёлый металл, отлично контрастирует на итоговой фоточке.

Осмий пипец какой токсичный. Всё, с чем он соприкасается, либо покрывается чёрными пятнами, либо растворяется. Если попадёт на кожу, можно пожать руку будущему раку. Поэтому у нас в лаборатории есть отдельная комната для работы с ним.

А ещё конкретно в нашей лаборатории его хранят в стеклянных ампулах, которые хранят в пластиковом кейсе, который завёрнут в газетку, которая лежит в коробочке, которую прячут в сейфе, ключ от которого есть всего у одного человека. Вот настолько все боятся осмия.

Ну а клетке уже пофиг. Гипер-токсичный осмий намертво зафиксирует её остатки, и в вакууме с ней ничего не произойдёт. Неприятная смерть.

Когда клетка отлежалась в осмии хотя бы часок, её заливают эпоксидкой. Вот, как это выглядит:

Если положить весь этот кусок эпоксидки в электронный микроскоп, вы ничего не увидите. Он слишком толстый, и все электроны тупо застрянут в эпоксидке.

Поэтому надо нарезать её на тонкие слайсы. Толщиной в... 90 нанометров. Это как....... Вирус гриппа??? А, нет, грипп чуть толще. Пипец.

Короче, придётся пострадать. Нужна вот такая штука:

Это автоматический нарезатель 3000 — называется микротом. В него надо вставить осколок эпоксидки.

Зацените, кстати, что этот микротом сделала компания Leica. На видно логотип. Это компания, которая собирает топовые фотики, всегда мечтал о таком. Офигеть, конечно, у них диверсификация бизнеса...

Дальше надо бритвенным лезвием, смотря в микроскоп, вырезать микроскопическую пирамидку. Это пипец как сложно. Я резал это около часа и дважды всё зафакапил — её ширина должна быть в ОДНУ ДЕСЯТУЮ МИЛЛИМЕТРА.

Я даже глазами такое не вижу, а тут это надо вырезать руками. Это нужно, чтобы потом срезать с её верхушки тонюсенькие слайсики, которые влезут в электронный микроскоп (большие штуковины конкретно в этот микроскоп не влезают, так что надо страдать).

После часа страданий начинается красивая часть — нужно сделать лезвие, которое доведёт пирамидку до идеальной формы. Чтобы лезвие было максимально острым, мы делали его сами, вручную, из осколков стекла. Оно гораздо острее любого металла.

Раскалыватель стекла безумно умный. Он устроен так, что самой острой будет именно верхняя (или нижняя? я забыл...) половинка, причём только одна конкретная её сторона (какая? я и это забыл...). Вторую называют антилезвие. И оно реально тупое.

Этим лезвием (не антилезвием!) надо довести пирамидку до идеальной формы. Потом в ход идёт следующее лезвие — ещё острее. Бриллиантовое.

Это самое острое лезвие, которое вообще существует на планете. Это единственный способ сделать слайсик клеток нужной нам толщины.

Обычно в алмазных ножах от алмаза только напыление. И то не всегда. А тут это реально один большой алмаз! Стоит около $5000, и когда он тупится, его не выбрасывают, а отправляют на заточку в Швейцарию. У нас, кстати, затупился))) Пожелайте ножу хорошего евротрипа.

Кстати, обратите внимание, что слайсы блестят золотым. Это значит, что они нужной толщины в 90 нанометров! Рядом даже памятка висела, как по блику узнать толщину.

И вот теперь, после стольких страданий, у нас есть тонюсенькие срезы клеточек, которые можно положить в тот самый электронный микроскоп.

🎞️ Первые фотографии

Напомню, всё это время мы обрабатывали человеческие клетки. Ну а хотели увидеть молекулы или хотя бы органеллы. Итак, вот, как выглядят клетки вблизи:

Нифига непонятно, да? Сначала нам нужна схема клетки:

• В центре клетки ядро. В ядре ДНК, а там все наши гены.
• Рядом — фабрика белков, эндоплазматическая сеть. С трудом запомнил эти слова. Именно она спамит антителами в кровь и она же в ковид собирала оболочки вирусов. Гадина.
• А чуть подальше митохондрия! Она переваривает сахар и жиры, чтобы у вас была энергия на жизнь.

И вот теперь время разбираться с реальной клеткой. Почти весь кадр занят одной единственной клеточкой человека, а слева сверху она держится за другую клеточку.

В этой громадной клетке есть огромная чёрная пятнистая штука. Как будто к сковородке что-то пригорело. Это ядро. Пятнышки внутри — это запутанные нити ДНК. Именно на них записаны гены.

Просто чтобы вы понимали толщину. Каждая ниточка ДНК толщиной всего в 2 молекулы! То есть даже на нашем стареньком электронном микроскопе вы видите мОлЕкУлЯрНыЙ уРоВеНь.

Справа плавает та самая эндоплазматическая сеть, а на ней чёрные точки — рибосомы. Фабрики белков. Когда вы ходите в качалку, ваши мышцы растут как раз за счёт рибосом: они делают много новых белков и набивают ими клетки мышц.

Всё пространство клетки зернистое. В основном это тоже рибосомы — это самые крупные компоненты клеточного бульона. Там они тоже делают самые разные белки.

А вот вам следующий экземпляр — митохондрия:

Митохондрия полосатая как тигр. Слышали, что шизонародная медицина советует детоксить митохондрии? Мол это из-за них вы стареете, и вообще ууууу окислительный стресс уууууу...

Но вообще конкретно этой митохондрии правда хреново. Она вроде как пытается поделиться на два отдельных тигра, но чё-то правого перекосило и наполовину развалило. Помянем этого добряка.

А вот тут вообще чудеса народной медицины — аутофагия! Клетка пожирает себя изнутри и пузырится.

Говорят, что когда вы голодаете, ваш организм запускает эту самую аутофагию и типо самоочищается (ещё и рак убивает! поэтому некоторые лечат его голоданием)

Вот только ваши клетки постоянно занимаются аутофагией. Им пофиг, голодаете вы или нет: они постоянно обновляются, и это нормально.

А вот при голодании клетки правда впададают в стресс и начинают пожирать себя активнее. Это что-то вроде клеточного каннибализма, ведь так они извлекают энергию из ненужных органов. Всё равно что поедать свою руку, чтобы не умереть с голоду.

Да и связь между голоданием и аутофагией нормально показана только на отдельных животных клетках. А вот с людьми как-то не очень понятно: то ли она есть, то ли нет, то ли не всегда. Но пользу аутофагия точно приносит не всегда: в отдельных случаях она наоборот может помочь раку прорасти. Так что не голодайте пж.

Золотой микроскоп

Но это не всё! Я поработал сразу за двумя принципиально разными электронными микроскопами.

Прошлый назывался просвечивающий (на умном трансмиссионный). А следующий микроскоп будет сканирующим. Тут не надо ничё нарезать: он как бы сканирует поверхность объекта и делает его точнейший 3D-слепок.

Допустим, мы хотим посмотреть на муравья. Вы его уже увидели в начале статьи. Для этого надо превратить его в идеальное зеркало. Так он будет отражать от себя все электроны, и по тому, как и куда они разлетаются, микроскоп поймёт, какой формы муравей.

Как превратить муравья в зеркало? Отдать на зеркальный завод

Все ваши домашние зеркала — это тонкая серебряная плёнка поверх стекла. Но у серебра есть гадкая фишка: оно быстро чернеет. Ну а поскольку препараты для этого микроскопа хранят годами, их покрывают не серебром, а золотом.

На муравья уходят жалкие микрограммы, так что расход не очень большой. Зато золото никак не меняется с годами, и поэтому мы смотрели на препараты, которые в молодости делали наши преподы. Ну и свои сделали для потомков.

И вот теперь засовываем нашего муравья в электронную пушку и любуемся!

Но давайте будем чуть серьёзнее. Это вообще-то установка за дофига миллионов, а мы в неё муравья со стола пихаем и золото на него тратим!

Го запихнём пыльцу)))0)))0)

А вот те самые клетки, которые вы уже видели в прошлой главе. Раньше мы нарезали их как колбасу и смотрели, что внутри. Но смотрите, какие у них морщины снаружи!

Им бы ботекс кольнуть... Но для клеток это нормально.

Конкретно это клетки рака шейки матки (в лабораториях и не такое есть), и мы застали их в процессе деления. Прямо сейчас клетка как бы пытается располовиниться и превратиться в две клетки. Но увы, теперь она покрыта золотом и вряд ли сможет закончить этот процесс... Не жалко этого добряка.

Кстати, обратите внимание, что на каждой фотке написано, во сколько раз она приближена.

Обычный микроскоп приближает ну от силы в 1000–2000 раз, и на таком увеличении вы уже почти ничё не видите. А тут мы приближали в 20 000 раз и всё равно всё хорошо видим!

Вот, например, прыщики на поверхности клеток — называются микроворсинки. Ими удобно хвататься за своих братьев-клеток и изучать мир вокруг. У клеток же нет глаз.

И зачем всё это?

Эта статья довольно нишевая. Она душная! Кому в норме интересно, как работает какой-то там микроскоп?

Но для меня это было всё равно что прикоснуться к бесконечности. Я вижу фотки с этого микроскопа с 7 класса. В 10-ом писал КРшки по тому, как он устроен. Зубрил строение клеток и верил в существование молекул просто потому что иначе поставят двойку.

Но тут я впервые увидел это вживую!

Я своими глазами увидел ДНК, 2 мембраны у ядра, митохондрии, аутофагию и деление человеческих клеток. Некоторые учёные деньги платят, чтобы кто-то талантливый поглядел, как там чё выглядит под электронным микроскопом. А я научился этому сам!

И теперь, когда вы увидите в статьях и новостях странные чб фоточки, вы точно будете знать, что это и каких трудов стоит одна такая фотка!

Для меня это офигенский опыт, и мне очень хотелось увековечить его в небольшой статье. Да и вдруг вы такие же душные и нишевые :)

Это перепост из моего блога с микро-адаптациями под Клуб. Тут удобнее комментироать, а там чуть аккуратнее форматирование.