Какие увеличительные приборы используют современные ученые краткое сообщение по биологии 5

Обновлено: 05.07.2024

Оптические приборы помогают нам исследовать окружающий мир. Телескоп позволяет обнаружить и рассмотреть очертания и детали далеких космических тел, а микроскоп раскрывает тайны нашей планеты, такие как строение живых клеток.

Когда появились увеличительные стекла, люди, естественно, попытались использовать вместо одного два таких стекла, чтобы получить еще большее увеличение. Экспериментальным путем было обнаружено, что при определенном расстоянии между линзами отдаленный объект можно увидеть со значительным увеличением. Такое расположение линз послужило основой для создания первого телескопа, который в то время назывался зрительной трубой. Изобретение этого прибора иногда приписывают жившему в XIII веке английскому философу и естествоиспытателю Роджеру Бэкону. Но, возможно, пальма первенства принадлежит арабским ученым.

Зрительная труба, созданная в 1608 году голландским оптиком Хансом Липперши, привлекла внимание итальянского ученого Галилея. В течение короткого времени ученый усовершенствовал конструкцию Липперши и создал несколько труб с улучшенными характеристиками. С их помощью он совершил ряд открытий, включая горы и долины на Луне, а также четыре спутника Юпитера.

Открытия Галилея показали важность телескопа, а используемый им тип прибора получил известность как телескоп Галилея. Выпуклая линза его объектива собирала свет от наблюдаемого объекта. А вогнутая линза окуляра отклоняла световые лучи таким образом, что они создавали увеличенное прямое изображение. Линзы устанавливались в трубах, одна из которых (меньшего диаметра) скользила внутри другой. Это позволяло регулировать расстояние между линзами, получая при этом четкое изображение.

Телескоп Галилея работает с использованием принципа преломления (отклонения) света и поэтому известен также как телескоп-рефрактор. Другой вид телескопа-рефрактора характеризуется выпуклостью обеих линз. Такая конструкция создает увеличенное, но перевернутое изображение и известна как астрономический телескоп.

При использовании ранних телескопов-рефракторов возникала одна существенная проблема, которая обусловлена дефектом линз, называемым хроматической аберрацией и приводящим к появлению вокруг изображений нежелательных цветных ореолов. Для устранения этого недостатка английский ученый Исаак Ньютон в 1660-е годы сконструировал телескоп-рефлектор. Для концентрации световых лучей и создания изображения в нем вместо линзы объектива используется вогнутое зеркало, не образующее цветных ореолов. Плоское зеркало отражает свет в выпуклую линзу окуляра, установленную на главной трубе сбоку. Прибор такого типа известен как телескоп Ньютона.

Увеличительное стекло иногда называют простым микроскопом, т. к. его используют при наблюдении мелких объектов.

Сложный микроскоп состоит из двух выпуклых линз. Линза объектива создает увеличенное изображение, которое затем снова увеличивается линзой окуляра. Как и в астрономическом телескопе, это изображение перевернуто. Многие сложные микроскопы имеют комплект объективных линз с различной степенью увеличения.

Решение

В современной науке для исследований используется множество приспособлений и специального оборудования. Не являются исключением и увеличительные приборы, которые позволяют максимально точно изучить строение живых организмов путем увеличения их изображения в несколько сотен раз.
Современные ученые используют в своей научной деятельности разные увеличительные приборы: лупу, микроскоп, телескоп. Лупа является наиболее простым увеличительным прибором, который позволяет получить увеличенное в 20 раз изображение изучаемого предмета.
Микроскоп – это более сложное оборудование по сравнению с лупой, позволяющее рассмотреть и изучить самые мелкие предметы путем их увеличения до нескольких тысяч раз. Впервые микроскопы появились еще в XVI веке и состояли только из двух линз. Уже в 1665 году английский ученый Роберт Гук первым использовал усовершенствованный вид микроскопа для ознакомления со строением среза дубовой пробки. На ее поверхности при помощи увеличительного прибора он увидел поры. Такие же поры были и в сердцевине бузины. Это позволило ученому сделать вывод, что такие поры являются клетками. А уже во второй половине XVII века голландским ученым Левенгуком был сконструирован прибор, который смог увеличивать изучаемые объекты в 270 раз. С его помощью и были открыты микроорганизмы.
На сегодняшний день ученые используют оптические, электронные, сканирующие зондовые и рентгеновские микроскопы. Оптический микроскоп – это самое простое и бюджетное устройство, позволяющее получить увеличение изображения в 2000 раз. Более совершенной конструкцией является электронный микроскоп, обеспечивающий увеличение изучаемого предмета минимум в 20 000 раз. Его особенность в том, что вместо луча света, как у оптических приборов, в нем направляется пучок электронов. А получение изображения происходит благодаря специальным магнитным линзам, которые реагируют на движение электронов в колоне прибора.
При помощи сканирующего зондового микроскопа удается получать изображение с изучаемого объекта специальным зондом. В результате исследованию подлежит трехмерное изображение с максимально точными данными характеристики этого объекта. А вот рентгеновские микроскопы относятся к лабораторному оборудованию, которое используется для изучения объектов, чьи размеры сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Эффективность увеличения такими устройствами находится между электронными и оптическими. Получить изображение с помощью рентгеновского микроскопа можно благодаря рентгеновским лучам, которые отправляются на изучаемый объект, после чего на их преломление реагируют чувствительные датчики. Таким образом, и создаётся картинка поверхности исследуемого предмета.

Клеточное строение, т. е. тела всех организмов состоят из клеток. Клетки достаточно микроскопичны. Для того чтобы рассмотреть мелкие предметы, невидимые невооруженным глазом, необходимы увеличительные приборы.

Самый распространенный увеличительный прибор — лупа — дает увеличение в 3-5 раз. С ее помощью рассматривают мелкие предметы, плохо различимые глазом. Ее основа — обычное увеличительное стекло. Для удобства в использовании оно вставляется в оправу с ручкой. Более сложные лупы снабжены штативом и предметным столиком из прозрачного стекла. Штативные лупы дают увеличение в 10-25 раз (рис. 1).

Рис.1 Ручная и штативная лупы

Устройство микроскопа

Микроскоп (от греч. микрос — малый, скопэ — смотрю) — сложный прибор, позволяющий получать увеличенное изображение очень мелких предметов (рис. 2). Обычный световой микроскоп дает увеличение до 1500 раз. Значительно большее увеличение дают электронные микроскопы.

Рис.2 Световой микроскоп

Основная часть микроскопа — тубус (от лат. тубус — труба) с увеличительными стеклами. В верхней части тубуса установлен окуляр (от лат. окулярис — глазной), в нижней части — объектив (от лат. объективус — предметный). С обеих сторон тубуса имеются винты настройки.

Тубус крепится к штативу. С помощью винта можно опускать и поднимать тубус. В центре предметного столика имеется маленькое отверстие, под которым установлено вращающееся зеркало для улавливания света. Мощный пучок света просвечивает исследуемые объекты насквозь, поэтому такие микроскопы называются световыми.
Чтобы узнать, во сколько раз увеличивается рассматриваемое изображение, необходимо умножить числа, указанные на объективе и окуляре. Например, если на окуляре число 15, на объективе — 40, то 15 х 40 = 600. Значит, предмет увеличивается в 600 раз.

Приготовление микропрепарата

Оборудование, необходимое для работы с микроскопом:

предметное и покровное стекла,
препаровальная игла,
пипетка,
вода.

Прежде чем рассматривать микропрепарат под микроскопом, нужно его приготовить (рис. 3). Для этого берем предметное стекло, наносим на него пипеткой 1-2 капли воды и размещаем на нем снятую кожицу лука, расправляя ее в капле воды. Накрываем покровным стеклом, устанавливаем на предметный столик и рассматриваем.

Рис.3 Приготовление микропрепарата кожицы лука

При увеличении под микроскопом видны продолговатые клетки, плотно прилегающие друг к другу. Особенно хорошо видны оболочка, цитоплазма и ядро клетки. Если вместо воды капнуть слабый водный раствор йода, ядро приобретет темно-коричневый оттенок и будет более четко видно под микроскопом.

Правила работы с микроскопом:

1. С микроскопом работают только сидя на стуле. Микроскоп устанавливают на расстоянии 5-8 см от края стола. Перед работой его необходимо протереть сухой салфеткой и не передвигать до конца работы.
2. Препарат помещают на предметный столик.
3. На препарат направляют зеркалом свет (попадание света наблюдается через окуляр).
4. Пользуясь винтом настройки, плавно опускают и поднимают тубус, пока не появится четкое изображение предмета.
5. После работы микроскоп тщательно протирают и убирают в футляр.
6. Нельзя ставить микроскоп рядом с химическими реактивами. Он должен храниться в чистом шкафу отдельно.

Исследование микроорганизмов стало возможным после изобретения и использования увеличительных приборов. В данной статье мы вспомним материал за 6 класс биологии и повторим, какие приборы существуют, как они работают, познакомимся с историей открытия микроскопа.

Увеличительные приборы

Познавая окружающий мир, человечество столкнулось с тем, что без специального оборудования невозможно рассмотреть и изучить строение живых организмов. Современной науке уже известно, что организмы состоят из клеток. Чтобы удостовериться в этом, учёные изобрели увеличительные приборы, которые помогают увеличить изображение в несколько сотен раз. К такому оборудованию относятся:

Лупа– простой прибор, способный увеличить изображение до 20 раз. Состоит из ручки и оправы с увеличительным стеклом. Существует ещё и штативная лупа – это прибор, на котором стекло закрепляется на штативе. С помощью такого прибора можно увидеть клетки, но познать их строение не получится.

Микроскоп– более сложное оборудование, которое позволяет рассмотреть и изучить самые мелкие предметы. Его способность увеличивать достигает несколько тысяч раз.

Строение микроскопа

Световой микроскоп увеличивает изображение прозрачных и полупрозрачных предметов. Световые лучи пронизывают исследуемый объект, а с помощью увеличительных линз (их здесь несколько) увеличивают изображение в сотни, тысячи раз.

Строение увеличительного прибора следующее:

тубус (трубка) с окуляром, расположенным в верхней его части;
окуляр имеет оправу и пару увеличительных стёкол;
нижний конец тубуса имеет объектив, состоящий из оправы и нескольких увеличительных стёкол;
штатив, к которому прикрепляется тубус;
винты для поднятия и опускания трубки;
предметный столик;
зеркало.

Чтобы рассмотреть объект, его, с помощью зажимов, закрепляют на предметном столике.

Рис. 2. Световой микроскоп.

Современные электронные микроскопы могут увеличивать изображение в 3,5 тысячи раз.

История создания микроскопа

Во второй половине XVII века голландский учёный Левенгук сумел сконструировать прибор, способный увеличивать в 270 раз. Так он открыл микроорганизмы.

Рис. 3. Микроскоп Левенгука.

Создание увеличительного оборудования основало изучение клеточного строения живых организмов.

Что мы узнали?

Увеличительные приборы бывают двух видов: лупа и микроскопы. С их помощью стало возможно изучение микроорганизмов и клеточного строения всего живого на планете. Современные микроскопы способны увеличивать изображения в несколько тысяч раз, тем самым помогая лучше познать строение и жизнедеятельность клеток, а также законы природы.

Как и многие другие технологические устройства, микроскопы имеют очень долгую историю. Самые ранние микроскопы содержали простое увеличительное стекло с малой мощностью (до 10 раз). Их использовали для наблюдения за маленькими насекомыми, такими как блохи.

Ранние версии оптических микроскопов были разработаны в конце 15 века. Хотя изобретатель неизвестен, за эти годы было сделано несколько заявлений. Использование микроскопов для исследования органических тканей появилось только в 1644 году.

Сегодня у нас есть микроскопы, которые могут обеспечить разрешение в 50 пикометров с увеличением до 50 миллионов раз, что достаточно для наблюдения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов.

Современные микроскопы можно классифицировать по-разному. Один из способов сгруппировать их - это способ их взаимодействия с образцами для создания изображений. Основываясь на том же факторе, мы перечислили 5 основных типов микроскопов и их использование.

1. Оптические микроскопы

Оптические микроскопы являются наиболее распространенными микроскопами, которые используют свет, чтобы пройти через образец для генерации изображений. Они могут иметь очень простую конструкцию, хотя сложные оптические микроскопы направлены на повышение разрешения и контрастности образца.

В дальнейшем их можно подразделить на два типа: простые и сложные микроскопы. Простой микроскоп использует одну линзу (например, увеличительное стекло) для увеличения, в то время как сложные микроскопы используют несколько линз для увеличения образца.

Они часто оснащены цифровой камерой, поэтому образец можно наблюдать с помощью компьютера. Это позволяет провести глубокий анализ микроскопического изображения.

Оптические микроскопы могут обеспечивать увеличение до 1250 раз с теоретическим пределом разрешения 0,250 микрометров. Тем не менее развитие сверхразрешенной флуоресцентной микроскопии в последнее десятилетие привело оптическую микроскопию в наноразмерность.

Варианты оптического микроскопа

Стереомикроскоп: предназначен для наблюдения образцов в 3D при небольшом увеличении.
Сравнительный микроскоп: используется для исследования бок о бок образцов.
Поляризационный микроскоп: используется в оптической минералогии и петрологии для выявления минералов и горных пород в тонких срезах.
Двухфотонный микроскоп: позволяет получать изображения живых тканей глубиной до 1 мм.
Инвертированный микроскоп: исследует образец снизу; обычно используется для металлографии и клеточных культур в жидкости.
Эпифлуоресцентный микроскоп: разработан для анализа образцов, содержащих флуорофоры.

Применение

Основные оптические микроскопы часто встречаются в классах и дома. Сложные широко используются в фармацевтических исследованиях, микробиологии, микроэлектронике, нанофизике и минералогии.

Они часто используются для исследования тканей с целью изучения проявлений заболеваний. В клинической медицине исследование биопсии или хирургического образца относится к гистопатологии.

2. Электронные микроскопы

Электронный микроскоп использует пучок ускоренных электронов для получения изображения образца. Точно так же, как оптические микроскопы используют стеклянные линзы, электронные микроскопы используют фасонные магнитные поля для создания систем электронно-оптических линз.

Поскольку длина волны электрона может быть намного короче, чем у фотонов, электронные микроскопы имеют более высокую разрешающую способность и увеличение, чем обычные оптические микроскопы. Они могут выявить структуры объектов размером с пикометр.

Первый электронный микроскоп, который превысил разрешение, достигнутое с помощью оптического микроскопа, был разработан немецким физиком Эрнстом Руской в 1933 году. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для дальнейшего улучшения увеличения и разрешения микроскопа.

Современные электронные микроскопы способны увеличивать образцы до 2000000 раз, однако они все еще полагаются на прототип Руска (разработанный в 1931 году) и его связь между разрешением и длиной волны.

Электронные микроскопы имеют некоторые ограничения: они дороги в изготовлении, обслуживании и должны быть размещены в стабильных средах, таких как системы подавления магнитного поля. Также объекты должны просматриваться в вакууме.

Современный просвечивающий электронный микроскоп | Предоставлено: Дэвид Морган из Кембриджа, Великобритания.

Два основных типа электронного микроскопа

1. Просвечивающий электронный микроскоп: используется для наблюдения за тонкими образцами, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. Он может захватывать мелкие детали размером с колонку атомов.

В этом случае образец обычно представляет собой очень тонкий срез (

Современный сканирующий зондовый микроскоп

Распространенные типы сканирующих зондовых микроскопов

А) Атомно-силовой микроскоп: имеет разрешение порядка долей нанометра, что позволяет получать изображения практически любого типа поверхности, включая стекло, полимеры и биологические образцы.

B) Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля: может достигать производительности пространственного разрешения сверх классического дифракционного предела. Он может быть использован для изучения всех проводящих, непроводящих и прозрачных образцов.

C) Сканирующие туннельные микроскопы: могут достигать бокового разрешения 0,1 нм и глубины 0,01 нм. Образцы могут быть отображены в экстремальных условиях, при температурах от почти абсолютного нуля до более 1000 ° C.

Кроме того, сканирующий туннельный микроскоп был первым микроскопом, который использовал квантовые концепции , которые проложили путь к развитию квантового микроскопа запутывания и фотоионизационного микроскопа.

Применение

Сканирующие зондовые микроскопы используются в широком спектре естественных наук, включая медицину, клеточную и молекулярную биологию, физику твердого тела, химию полимеров и полупроводниковую науку и технику.

Например, в молекулярной биологии этот метод микроскопии используется для анализа структуры и механических характеристик белковых комплексов и сборок. В клеточной биологии он используется для определения взаимодействия между определенными клетками и различения нормальных клеток и раковых клеток на основе твердости клеток.

В физике твердого тела он используется для изучения взаимодействия между соседними атомами и изменений в расположении атомов посредством атомных манипуляций.

4. Сканирующие акустические микроскопы

Сканирующий акустический микроскоп измеряет изменения акустического импеданса с помощью звуковых волн. Он в основном используется для неразрушающей оценки, анализа отказов и выявления дефектов в недрах материалов, в том числе обнаруженных в интегральных микросхемах.

Этот тип микроскопа был впервые разработан в 1974 году в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для повышения его точности и разрешения.

Микроскоп непосредственно фокусирует звук от датчика в маленькой точке на образце. Звук, падающий на объекты, либо поглощается, либо рассеивается под разными углами. Эти рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении, дают полезную информацию об образце.

Разрешение образца изображения либо ограничено шириной звукового луча (зависит от частоты звука), либо физическим разрешением сканирования.

В отличие от обычных оптических микроскопов, которые позволяют наблюдать поверхность образца, акустические микроскопы фокусируются на определенной точке и получают изображения из более глубоких слоев. Кроме того, они обеспечивают более точные результаты и увеличивают объём данных, сохраняя при этом целостность образца.

Сканирующий акустический микроскоп Sonix HS 1000

Применение

Многие компании используют этот тип микроскопии в аналитических лабораториях для определения качества своих электронных компонентов. Производители также используют его для контроля качества, квалификации поставщиков, тестирования надежности продукции, а также для исследований и разработок.

В биологии эти микроскопы предоставляют полезные данные о физических силах, удерживающих структуры в определенных формах, таких как эластичность клеток и тканей. Это чрезвычайно полезно при изучении процесса подвижности клеток (способность организма самостоятельно передвигаться, используя метаболическую энергию).

5. Рентгеновский микроскоп

Рентгеновские микроскопы генерируют увеличенные изображения объектов, используя электромагнитное излучение в мягком луче. Они способны выдавать 3D-изображение компьютерной томографии относительно больших образцов с высоким разрешением.

Для идентификации рентгеновских лучей, проходящих через образец, используется детектор с зарядовой связью. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают сквозь вещество, микроскопы этого типа могут отображать внутреннюю часть образцов, непрозрачных для видимого света.

Современные рентгеновские микроскопы позволяют наблюдать различные образцы, в том числе те, которые имеют низкий контраст поглощения и более плотный материал, например керамические композиты. Чтобы достичь этого, микроскоп изменяет длину волны рентгеновского излучения, что увеличивает контраст или проникновение.

Его разрешение лежит между оптической микроскопией и электронной микроскопией. В отличие от традиционных электронных микроскопов, рентгеновские микроскопы могут отображать толстые биологические материалы в их естественном состоянии.

Рентгеновский микроскоп ZEISS Xradia 510 Versa

Применение

Рентгеновская микроскопия оказалась чрезвычайно полезной в области медицины и материаловедения. Он был использован для анализа структуры различных тканей и образцов биопсии.

В области материаловедения рентгеновские микроскопы могут определять структуру кристалла вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Он также обеспечивает неразрушающий, неинвазивный метод поиска дефектов в трех измерениях.

Читайте также: