Weird Science

Laserowy mikroskop

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2015):

Ilustracja

Ples M., Lase­rowy mikro­skop - Zrób to sam, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2015), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 60-62

Zrób to sam

Sądzę, że mikro­skop zaj­muje bar­dzo ważne miej­sce w życiu każd­ego bio­loga. Pozwolę sobie nawet stwier­dzić, że jest to miej­sce szcze­gólne. Uwa­żam tak nie tylko dla­tego, że jest to narzędzie bar­dzo przy­datne w pracy nau­kowca czy nau­czy­ciela. Mikro­skop jest swego rodzaju sym­bo­lem nau­ko­wego zacie­ka­wie­nia tajem­ni­cami natury, co jest począt­kiem ich zro­zu­mie­nia. Możl­i­wość wej­rze­nia w mikro­świat fascy­no­wała nie tylko ludzi nauki, ale także arty­stów. W 1858 pocho­dzący ze Szko­cji pisarz Fitz James O'Brien napi­sał słynne opo­wia­da­nie „Dia­men­towa soczewka” [1], zaś pra­wie 40 lat późn­iej two­rzący w duchu impre­sjo­ni­zmu hisz­pański malarz Joa­quín Sorolla y Bastida nama­lo­wał „Por­tret dok­tora Simarro przy mikro­sko­pie”.

Ilustracja

Joa­quín Sorolla y Bastida, Por­tret dok­tora Simarro przy mikro­sko­pie, źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/d/da/Por­trait_of_Dr_Simarro_at_the_micro­scope.JPG, dostęp: 23.05.2015

Nie jest łatwo wska­zać wyna­lazcę mikro­skopu. Niek­tórzy wska­zują tutaj na pewne zasługi Rogera Bacona [2], trzy­na­sto­wiecz­nego filo­zofa fran­cisz­kańs­kiego, lecz nie zostało to potwier­dzone. Bar­dziej pow­szech­nie przyj­muje się, że pierw­sze mikro­skopy optyczne zostały zbu­do­wane około roku 1590 przez Holen­drów: Hansa Jans­sena i jego syna, Zacha­ria­sza. Wysoka cena i nie­wiel­kie możl­i­wo­ści tych kon­struk­cji nie pozwo­liły jed­nak na ich szer­sze wyko­rzy­sta­nie. Do kolej­nego prze­łomu dopro­wa­dził w XVII wieku kupiec Antoni van Leeu­wen­hoek, który udo­sko­na­lił mikro­skop i wdro­żył jego pro­duk­cję na szer­szą skalę. Wśród jego doko­nań jako przy­rod­nika należy wspom­nieć o tym, że doko­nał obser­wa­cji krwi­nek czer­wo­nych, plem­ni­ków, struk­tury mięśni i kości, a także bak­te­rii i orzęsków [3].

Od tam­tej pory dalece udo­sko­na­lono mikro­skopy optyczne, co stało się przy­czyną wielu odkryć, nie tylko na polu bio­lo­gii – inne dzie­dziny także zaw­dzięczają bar­dzo wiele tym przy­rządom. Mikro­sko­pia sama w sobie roz­ro­sła się do potężnej dzie­dziny wie­dzy. Dziś, oprócz mikro­sko­pów optycz­nych (w tym flu­o­re­scen­cyj­nych, pola­ry­za­cyj­nych, kon­tra­stowo-fazo­wych, kon­fo­kal­nych itp.) roz­różn­iamy także mikro­skopy elek­tro­nowe, aku­styczne, sił ato­mo­wych i inne.

Nie każda szkoła może pozwo­lić sobie na zakup nawet pro­stych mikro­sko­pów i pozo­sta­łego sprzętu potrzeb­nego przy korzy­sta­niu z nich. Dla­tego chciałbym zapre­zen­to­wać spo­sób, w jaki można bar­dzo małym kosz­tem zbu­do­wać układ do obser­wa­cji mikro­or­ga­ni­zmów. Opis ten może być przy­datny nie tylko ucz­niom, nau­czy­cie­lom, ale także wszel­kim pasjo­na­tom.

Budowa

Mikro­skop optyczny składa się z kilku pod­sta­wo­wych ele­men­tów. Są to między innymi oświe­tlacz, kon­den­sor, sto­lik, na którym umiesz­cza się obser­wo­wany pre­pa­rat, obiek­tyw, tubus i oku­lar [4]. Da się jed­nak pro­ściej!

Do zbu­do­wa­nia pro­stego, lase­ro­wego mikro­skopu nie jest konieczne posia­da­nie dro­giego czy trud­nego do zdo­by­cia sprzętu. Wystar­czą do tego:

Igłę do zastrzy­ków należy stępić poprzez zesz­li­fo­wa­nie jej ostrej końc­ówki za pomocą pil­nika do metalu lub kamie­nia szli­fier­skiego.

Najt­rud­niej­szy do zdo­by­cia wydaje się być laser. Rze­czy­wi­stość oka­zuje się być jed­nak dla nas łaskawa, ponie­waż w tej roli całk­o­wi­cie wystar­cza­jący będzie wskaźnik lase­rowy [Fot.1]. Nie należy jed­nak wyko­rzy­sty­wać wskaźn­i­ków dających świa­tło czer­wone, ponie­waż dłu­gość fali takiego świa­tła jest zbyt duża i uzy­skany obraz jest nie­zbyt wyraźny. Dodat­kowo, czu­łość ludz­kiego oka na barwę czer­woną jest sto­sun­kowo nie­wielka. Z tych powo­dów w doświad­cze­niu zasto­so­wano wskaźnik o świe­tle zie­lo­nym (λ=532nm) i mocy pro­mie­nio­wa­nia mniej­szej niż 10mW.

Prze­strze­gam przed bez­po­śred­nim kie­ro­wa­niem świa­tła lase­ro­wego w oczy – może to spo­wo­do­wać usz­ko­dze­nie wzroku!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Wskaźnik lase­rowy wyko­rzy­stany w doświad­cze­niu

Sta­tyw czy łapy labo­ra­to­ryjne są przy­datne do umo­co­wa­nia wszyst­kich ele­men­tów, ale nie są nie­zbędne. Każdy sta­bilny spo­sób zamo­co­wa­nia ele­men­tów skła­do­wych spełni swoje zada­nie. Jako ekran można zasto­so­wać ekran do prze­zro­czy, białą tablicę, ścianę, czy choćby roz­wie­szone prze­ście­ra­dło.

Wodę zawie­ra­jącą mikro­or­ga­ni­zmy można pozy­skać z nasło­necz­nio­nego stawu lub z stan­dar­do­wej hodowli pan­to­felka Para­me­cium cau­da­tum lub innego mikro­or­ga­ni­zmu. Można też zasto­so­wać wodę z wazonu, w której przez przy­najm­niej kilka dni stały kwiaty.

Wszyst­kie ele­menty należy zesta­wić według sche­matu (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat budowy mikro­skopu

Igła jest osa­dzona w strzy­kawce napełn­io­nej wodą, w której są obecne inte­re­su­jące nas mikro­or­ga­ni­zmy.

W opi­sy­wa­nym mikro­sko­pie rolę soczewki pełni kro­pla wody. Zwisa ona z końc­ówki zesz­li­fo­wa­nej igły do zastrzy­ków i zawiera mikro­or­ga­ni­zmy, które zamie­rzamy obser­wo­wać. Pro­mień świa­tła lase­ro­wego skie­ro­wany na kro­plę ulega zała­ma­niu na niej i two­rzy obraz na ekra­nie. Gotowy zestaw przed­sta­wia też Fot.2.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Gotowy układ

Kro­pla powinna mieć kilka mili­me­trów śred­nicy. Jej wiel­kość można regu­lo­wać ope­ru­jąc tłocz­kiem strzy­kawki. Ważna jest sta­bil­ność układu – w razie nawet najm­niej­szych wstrząsów kro­pla spad­nie i będzie konieczne ufor­mo­wa­nie kolej­nej.

Obser­wa­cje

Powięk­sze­nie zależy od odle­gło­ści kro­pli od ekranu: im jest ona więk­sza, tym więk­szy obraz i powięk­sze­nie. Przy wzro­ście powięk­sze­nia spada jed­nak jasność obrazu. Przy odle­gło­ści zbli­żo­nej do 2 m obraz jest dosyć duży (w przy­padku moich doświad­czeń było to 0,5-1,0 m śred­nicy), przy­datne wtedy bywa jed­nak zaciem­nie­nie pomiesz­cze­nia.

Z łatwo­ścią można zau­wa­żyć wówczas podłużne komórki glo­nów (Fot.3A), nale­żące do orzęsków pan­to­felki Para­me­cium cau­da­tum (Fot.3B) i małż­ynki Sty­lo­ny­chia, a także inne mikro­or­ga­ni­zmy.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Uzy­skany obraz; A – komórki glo­nów, B – pan­to­fe­lek Para­me­cium cau­da­tum

Pan­to­felki sta­no­wią bar­dzo wdzięczny obiekt do obser­wa­cji, ponie­waż bywają one bar­dzo ruch­liwe. Na Fot.4 przed­sta­wiona jest sekwen­cja uka­zu­jąca szybki ruch (kolejne obrazy dzieli czas rzędu 0,1s) kilku tych orzęsków na tle komórek glo­nów.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Sekwen­cja uzy­ska­nych obra­zów, widoczne pan­to­felki Para­me­cium cau­da­tum oraz podłużne komórki glo­nów.

Uzy­skane efekty nie są oczy­wi­ście ide­alne. Widoczne są prążki inter­fe­ren­cyjne zakłóca­jące obraz. Zwy­kły szkolny mikro­skop optyczny ofe­ruje lep­szą jakość obrazu. Na Fot.5 i 6 przed­sta­wiono zdjęcia wyko­nane za pomocą pro­stego mikro­skopu świetl­nego wypo­sa­żo­nego w odpo­wied­nio przy­sto­so­waną tanią kamerę inter­ne­tową. Jasno widać, że nawet tak pro­ste roz­wiąza­nia zapew­niają dobre odw­zo­ro­wa­nie dosyć sub­tel­nych szcze­gółów, przy­najm­niej jak na potrzeby nau­cza­nia bio­lo­gii w szko­łach.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Wal­co­wate komórki budu­jące ple­chę skręt­nicy Spi­ro­gyra; widoczne spi­ralne chlo­ro­pla­sty
Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Komórka orzęska z rodzaju wir­czy­ków Vor­ti­cella, widoczna kurcz­liwa nóżka, za pomocą której wir­czyk przy­twier­dza się do pod­łoża, a także wie­niec oko­ło­gębowy, na którym są osa­dzone rzęski naga­nia­jące pokarm

Zni­komy koszt i duży aspekt dydak­tyczny pre­de­sty­nują jed­nak opi­sany lase­rowy układ do wyko­rzy­sta­nia w szkol­nych pra­cow­niach bio­lo­gii lub przy­rody. Dodat­kowo, uzy­skany obraz jest bar­dzo pla­styczny. W prze­ci­wieńs­twie do zwy­kłego mikro­skopu optycz­nego, gdzie obser­wo­wane mikro­or­ga­ni­zmy poru­szają się wła­ści­wie tylko w bar­dzo ogra­ni­czo­nej prze­strzeni między szkiełk­iem pod­sta­wo­wym, a nakryw­ko­wym (więc prak­tycz­nie tylko w dwóch wymia­rach), przed­sta­wiony układ umożl­i­wia obser­wa­cję ich ruchu w prze­strzeni trój­wy­mia­ro­wej.

Dobre wyniki można też uzy­skać sto­su­jąc laser nie­bie­ski, ponie­waż dłu­gość fali jego świa­tła jest mniej­sza, dzięki czemu obraz jest wyraźn­iej­szy.

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Sta­tyczne obrazy nie są w sta­nie oddać wra­że­nia, jakie spra­wia uzy­skany w ten spo­sób obraz. Z tego powodu przy­go­to­wa­łem też film, który można zoba­czyć poni­żej.

Marek Ples

Aa