Einführung
Wenn Sie einige Zellbiologen treffen und sie dazu bringen, darüber zu sprechen, was ihnen an ihrer Arbeit am meisten Spaß macht, werden Sie vielleicht feststellen, dass sie insgeheim alle Mikroskop-Freaks sind. Was sie wirklich lieben, ist die Möglichkeit, stundenlang in einem kleinen, dunklen Raum zu sitzen und durch die Linse eines wunderschönen Mikroskops mit ihrer Lieblingszellart zu kommunizieren. Das mag seltsam klingen, aber die Wahrheit ist, dass Zellen wirklich wunderschön sein können, wie lebendes Buntglas. Eines meiner Lieblingsbeispiele dafür ist das Bild unten, das Zellen in einem sehr jungen Blatt der Ackerschmalwand zeigt, einer kleinen blühenden Pflanze, die mit dem Senf verwandt ist.
Bei diesem Bild handelt es sich nicht um eine einfache lichtmikroskopische Aufnahme, sondern um ein Fluoreszenzbild einer speziell präparierten Pflanze, bei der verschiedene Teile der Zelle mit Markierungen versehen wurden, um sie zum Leuchten zu bringen. Diese Art von zellulärer Komplexität und Schönheit ist jedoch überall um uns herum, ob wir sie nun sehen können oder nicht.
In jeder Pflanze, die Sie betrachten, können Sie ebenso kompliziert gemusterte und schön geformte Zellen finden – von der Rose in Ihrem Garten über das Gras, das auf dem Bürgersteig wächst, bis hin zu den Karotten, die Sie als Snack gegessen haben. Wir sollten uns auch nicht auf Pflanzen beschränken: Erlesene Zellschichten finden sich in Ihrer Haut, im Flügel eines Insekts und in so ziemlich jedem anderen lebenden Gewebe, das Sie betrachten möchten. Wir, und die Welt um uns herum, sind Kathedralen aus Zellen. Wir brauchen nur ein bisschen Mikroskopie, um das zu erkennen.
Mikroskope und Linsen
Obwohl Zellen unterschiedlich groß sind, sind sie im Allgemeinen recht klein. Ein typisches rotes Blutkörperchen des Menschen hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa acht Mikrometern (0,008 Millimetern). Zum Vergleich: Der Kopf einer Stecknadel hat einen Durchmesser von etwa einem Millimeter, so dass etwa 125 rote Blutkörperchen in einer Reihe über den Kopf einer Stecknadel aufgereiht werden könnten. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, können einzelne Zellen nicht mit bloßem Auge gesehen werden, so dass die Wissenschaftler stattdessen Mikroskope (mikro- = “klein”; -scope = “betrachten”) verwenden müssen, um sie zu untersuchen. Ein Mikroskop ist ein Instrument, das Objekte vergrößert, die sonst zu klein sind, um sie zu sehen, und ein Bild erzeugt, auf dem das Objekt größer erscheint. Die meisten Fotos von Zellen werden mit einem Mikroskop aufgenommen, und diese Bilder können auch als Mikrofotografien bezeichnet werden.
Nach der obigen Definition könnte man meinen, dass ein Mikroskop nur eine Art Lupe ist. In der Tat sind Lupen Mikroskope; da sie nur eine Linse haben, werden sie als einfache Mikroskope bezeichnet. Die komplizierteren Instrumente, die wir normalerweise als Mikroskope bezeichnen, sind zusammengesetzte Mikroskope, d. h. sie haben mehrere Linsen. Aufgrund der Art und Weise, wie diese Linsen angeordnet sind, können sie das Licht so beugen, dass ein viel stärker vergrößertes Bild als bei einer Lupe entsteht.
Bei einem zusammengesetzten Mikroskop mit zwei Linsen hat die Anordnung der Linsen eine interessante Folge: Die Ausrichtung des Bildes, das Sie sehen, wird im Verhältnis zum eigentlichen Objekt, das Sie untersuchen, gedreht. Wenn Sie zum Beispiel ein Stück Zeitungspapier mit dem Buchstaben “e” darauf betrachten, wäre das Bild, das Sie durch das Mikroskop sehen, “ə”.
Komplexere zusammengesetzte Mikroskope erzeugen unter Umständen kein umgekehrtes Bild, da sie eine zusätzliche Linse enthalten, die das Bild wieder in seinen normalen Zustand “zurückverwandelt”.
Was unterscheidet ein einfaches Mikroskop von einem leistungsstarken Gerät, das in einem Forschungslabor eingesetzt wird? Zwei Parameter sind in der Mikroskopie besonders wichtig: Vergrößerung und Auflösung.
Die Vergrößerung ist ein Maß dafür, wie viel größer ein Mikroskop (oder eine Reihe von Linsen innerhalb eines Mikroskops) ein Objekt erscheinen lässt. Die Lichtmikroskope, die in der Regel in Schulen und Hochschulen verwendet werden, vergrößern beispielsweise bis zum 400-fachen der tatsächlichen Größe. Ein Objekt, das in der Realität 1 mm breit ist, würde auf dem Mikroskopbild also 400 mm breit erscheinen.
Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops oder Objektivs ist der kleinste Abstand, um den zwei Punkte voneinander getrennt werden können, ohne dass sie als separate Objekte erkennbar sind. Je kleiner dieser Wert ist, desto höher ist das Auflösungsvermögen des Mikroskops und desto besser ist die Klarheit und Detailgenauigkeit des Bildes. Wenn zwei Bakterienzellen auf einem Objektträger sehr nahe beieinander liegen, könnten sie auf einem Mikroskop mit niedrigem Auflösungsvermögen wie ein einziger, verschwommener Punkt aussehen, während sie auf einem Mikroskop mit hohem Auflösungsvermögen als getrennte Objekte unterschieden werden könnten.
Sowohl Vergrößerung als auch Auflösung sind wichtig, wenn man ein klares Bild von etwas sehr Kleinem haben möchte. Wenn ein Mikroskop zum Beispiel eine hohe Vergrößerung, aber eine niedrige Auflösung hat, erhält man nur eine größere Version eines unscharfen Bildes. Die verschiedenen Mikroskoptypen unterscheiden sich in ihrer Vergrößerung und Auflösung.
Lichtmikroskope
Die meisten Schülermikroskope werden als Lichtmikroskope eingestuft. Bei einem Lichtmikroskop wird sichtbares Licht durch das Präparat (die biologische Probe, die Sie betrachten) geleitet und durch das Linsensystem gebeugt, so dass der Benutzer ein vergrößertes Bild sehen kann. Ein Vorteil der Lichtmikroskopie ist, dass sie oft an lebenden Zellen durchgeführt werden kann, so dass es möglich ist, Zellen bei ihren normalen Verhaltensweisen (z. B. Wanderung oder Teilung) unter dem Mikroskop zu beobachten.
Bei den Labormikroskopen für Schüler handelt es sich in der Regel um Hellfeldmikroskope, d. h., sichtbares Licht wird durch die Probe geleitet und direkt zur Erzeugung eines Bildes verwendet, ohne irgendwelche Veränderungen. Etwas anspruchsvollere Formen der Lichtmikroskopie verwenden optische Tricks, um den Kontrast zu verstärken, so dass Details von Zellen und Geweben leichter zu erkennen sind.
Eine weitere Art der Lichtmikroskopie ist die Fluoreszenzmikroskopie, mit der Proben abgebildet werden können, die fluoreszieren (eine Lichtwellenlänge absorbieren und eine andere emittieren). Die fluoreszierenden Moleküle werden mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt, und das von ihnen emittierte Licht einer anderen Wellenlänge wird gesammelt und zur Erstellung eines Bildes verwendet. In den meisten Fällen ist der Teil einer Zelle oder eines Gewebes, den wir betrachten wollen, nicht von Natur aus fluoreszierend und muss stattdessen mit einem fluoreszierenden Farbstoff oder einer Markierung versehen werden, bevor er unter das Mikroskop kommt.
Das Blattbild am Anfang des Artikels wurde mit einer speziellen Art der Fluoreszenzmikroskopie, der konfokalen Mikroskopie, aufgenommen. Ein konfokales Mikroskop verwendet einen Laser, um eine dünne Schicht der Probe anzuregen, und sammelt nur das von der Zielschicht emittierte Licht, wodurch ein scharfes Bild ohne Interferenzen durch fluoreszierende Moleküle in den umliegenden Schichten entsteht.
Elektronenmikroskope
Einige hochmoderne Arten der Lichtmikroskopie (die über die oben beschriebenen Techniken hinausgehen) können sehr hochauflösende Bilder erzeugen. Wenn Sie jedoch etwas sehr Winziges mit sehr hoher Auflösung sehen möchten, sollten Sie eine andere, bewährte Technik verwenden: die Elektronenmikroskopie.
Elektronenmikroskope unterscheiden sich von Lichtmikroskopen dadurch, dass sie ein Bild einer Probe mit Hilfe eines Elektronenstrahls und nicht mit einem Lichtstrahl erzeugen. Elektronen haben eine viel kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht, wodurch Elektronenmikroskope Bilder mit höherer Auflösung als herkömmliche Lichtmikroskope erzeugen können. Mit Elektronenmikroskopen lassen sich nicht nur ganze Zellen untersuchen, sondern auch die subzellulären Strukturen und Kompartimente in ihnen.
Eine Einschränkung besteht jedoch darin, dass elektronenmikroskopische Proben in der Elektronenmikroskopie unter Vakuum gesetzt werden müssen (und in der Regel durch einen umfangreichen Fixierungsprozess vorbereitet werden). Dies bedeutet, dass lebende Zellen nicht abgebildet werden können.
s gibt zwei Hauptarten der Elektronenmikroskopie. Bei der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bewegt sich ein Elektronenstrahl über die Oberfläche einer Zelle oder eines Gewebes hin und her und erzeugt ein detailliertes Bild der 3D-Oberfläche. Diese Art der Mikroskopie wurde verwendet, um das rechts oben abgebildete Bild der Salmonellenbakterien aufzunehmen.
Bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hingegen wird die Probe vor der Aufnahme in extrem dünne Scheiben geschnitten (z. B. mit einer Diamantschneide), und der Elektronenstrahl geht durch die Scheibe hindurch, anstatt über ihre Oberfläche zu gleiten.
Die TEM wird häufig verwendet, um detaillierte Bilder der inneren Strukturen von Zellen zu erhalten.
Elektronenmikroskope, wie das oben abgebildete, sind wesentlich sperriger und teurer als herkömmliche Lichtmikroskope, was angesichts der subatomaren Teilchen, mit denen sie umgehen müssen, vielleicht nicht verwunderlich ist!