Nieprzyzwoicie tani mikroskop
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (4/2015):
Mikroskop wręcz podświadomie kojarzy się z funkcjonalnością i precyzją wykonania. Dla uzyskania dobrych rezultatów jest konieczne wykorzystanie jak najdoskonalszych soczewek i jak najprecyzyjniej wykonanych elementów mechanicznych. To wszystko wpływa oczywiście na cenę tych urządzeń: dobry mikroskop nie jest zwykle tani i vice versa. Z punktu widzenia zainteresowanych nauczycieli, uczniów, wszelkich pasjonatów czy nawet zawodowych naukowców jest to często duży problem. Argument braku środków finansowych jest często podnoszony także przez kierownictwo szkół jako odpowiedź na zarzuty braku prowadzenia zajęć praktycznych, choćby w czasie lekcji biologii.
Między innymi z tych powodów w poprzednim numerze „Biologii…” opisałem prostą metodę wizualizacji mikroorganizmów przy wykorzystaniu powszechnie dostępnych wskaźników laserowych [1]. Sposób ten niewątpliwie działa i zapewnia zaskakująco dobre rezultaty – uwzględniając oczywiście prostotę rozwiązania. Mimo wszystko, uzyskany w ten sposób obraz nie jest idealny, ponieważ nie zapewnia odwzorowania szczegółów wewnętrznej budowy obserwowanych obiektów, a jedynie ich kształtu. Doświadczenie to przydaje się w szczególności do rozbudzenia ciekawości przyrodniczej. By jednak móc dokonać głębszej analizy uzyskanych rezultatów należy uciec się do rozwiązań, które zapewnią bardziej szczegółowy obraz.
Dlatego tym razem chciałbym zaproponować szanownemu Czytelnikowi zbudowanie taniego cyfrowego mikroskopu, który umożliwi obserwację zróżnicowanych preparatów: od stosunkowo dużych, jak np. całe owady, do naprawdę niewielkich, jak m.in. komórki roślinne, czy jednokomórkowe orzęski.
Na rynku są dostępne elektroniczne mikroskopy o dobrych parametrach, które są przeważnie tańsze od klasycznych mikroskopów świetlnych. Ich cena w wielu wypadkach niestety i tak bywa zaporowa. Samodzielna budowa takiego urządzenia da z pewnością wiele satysfakcji każdemu eksperymentatorowi. Proponowane rozwiązanie jest także dosyć ekonomiczne: koszt mojego urządzenia zamknął się w kwocie kilkudziesięciu złotych. Dlatego myślę, że nawet biorąc pod uwagę pewne ograniczenia gra jest warta świeczki.
Budowa
Podstawowym elementem opisywanego mikroskopu jest kamera internetowa. Najlepiej wykorzystać najtańszą kamerę internetową podłączaną do komputera za pomocą złącza USB. Niska cena jest tutaj zaletą, ponieważ cięcie kosztów przez producentów powoduje, że takie konstrukcje są maksymalnie uproszczone pod względem mechanicznym. W dużym stopniu ułatwia to niezbędne przeróbki.
Pierwszą czynnością jaką musimy wykonać jest demontaż obudowy. Zwykle nie jest to trudne – wystarczy odkręcić kilka niewielkich śrubek. Niestety, czasem elementy obudowy są klejone. Wtedy najlepiej posłużyć się ostrym nożem. Wszystkie opisywane czynności należy prowadzić ostrożnie, by nie uszkodzić delikatnych elementów wewnętrznych urządzenia.
Wewnątrz obudowy można zwykle znaleźć pojedynczą płytkę drukowaną, na której umieszczone są elementy tworzące układ elektroniczny kamery, a także niewielki tubus mieszczący optykę (Fot.1). Do płytki są też oczywiście podłączone przewody stanowiące linie zasilające i sygnałowe złącza USB, które służy do komunikacji urządzenia z komputerem. Czasem występują też dodatkowe przewody, którymi do płytki podłączony może być na przykład niewielki mikrofon elektretowy. Nie będzie nam on potrzebny. Dodatkowe przewody można więc po prostu odciąć, aby nie przeszkadzały w dalszych pracach. Trzeba przy tym zadbać, by nie doszło do zwarć.
Chwilowo zatrzymajmy się w tym punkcie, by zastanowić się nad sposobem działania takiej kamery. Na Rys.1 przedstawiam jej uproszczony schemat.
Funkcjonowanie urządzenia jest dosyć proste: obraz za pomocą soczewki jest rzutowany na światłoczułą matrycę, a powstały w niej sygnał zostaje przetworzony przez układ elektroniczny i przesłany do komputera. Czytelnik z pewnością odnotuje analogię do budowy i sposobu działania oka. Kamery internetowe posiadają też zwykle dodatkowy filtr podczerwieni – bywa on umieszczany przed lub za soczewką. Ostrość obrazu reguluje się dzięki zmianie odległości soczewki od elementu światłoczułego, poprzez wkręcanie lub wykręcanie obiektywu wyposażonego w gwint o niewielkim skoku. Po usunięciu tego elementu wraz z soczewką można zobaczyć matrycę (Fot.2), w tańszych kamerach wykonaną zwykle w technice CMOS (ang. Complementary metal-oxide semiconductor).
Trzeba uważać, by nie zabrudzić matrycy. Nawet najmniejsze zanieczyszczenia czy pyłki kurzu obecne na jej powierzchni zemszczą się potem wyraźnym pogorszeniem jakości uzyskiwanego obrazu.
Zastanówmy się teraz, w jaki sposób taką zabawkę można przekształcić w użyteczny edukacyjnie elektroniczny mikroskop. Jak już wcześniej wspomniałem, ostrość reguluje się tutaj poprzez zmianę odległości soczewki obiektywu od matrycy. Im bliżej matrycy położona jest soczewka, tym dalej od kamery może znajdować się fotografowany przedmiot, tak by uzyskany obraz był wyraźny. W naszym przypadku większe znaczenie ma fakt, że przy odpowiednio zwiększonej odległości matryca-soczewka możliwe staje się otrzymanie wyraźnego obrazu przedmiotów znajdujących się bardzo blisko soczewki! Daje to możliwość uzyskania całkiem sporych powiększeń, oczywiście jak na tak prostą konstrukcję.
Konieczność zbliżania soczewki do obserwowanego obiektu na niewielką odległość skutkuje potrzebą niewielkiej przeróbki obiektywu. Soczewka znajduje się w jego dolnej części, tak więc obiektyw jest zwyczajnie zbyt długi (Fot.3A). Mogłoby to przeszkadzać w umieszczeniu obserwowanego obiektu w odpowiednio małej odległości od soczewki.
Obiektyw należy skrócić o przednią cześć, która nie zawiera soczewki. Element ten jest wykonany z tworzywa sztucznego, więc modyfikacja nie nastręcza trudności. Najlepiej ciąć tworzywo przy pomocy piły włośnicowej, uważając by nie uszkodzić soczewki i pozostałego gwintu. Powstałą krawędź dobrze jest wygładzić przy pomocy drobnoziarnistego papieru ściernego, a następnie oczyścić soczewkę z powstałego pyłu. W przypadku użytej w doświadczeniu kamery długość obiektywu wynosiła pierwotnie 17mm, zaś po modyfikacji 9mm (Fot.3B).
Tak przygotowany obiektyw umieszczamy z powrotem w oprawie z matrycą światłoczułą. Regulacja odległości między matrycą a soczewką, a także między soczewką a preparatem pozwala na uzyskanie wyraźnych obrazów przy zróżnicowanych powiększeniach.
Musimy jeszcze umożliwić regulację odległości obiektywu kamery od obserwowanego obiektu. Dokładność tej regulacji jest warunkiem otrzymania jak najwyraźniejszych obrazów. Na Rys.2 przedstawiam proponowane przeze mnie rozwiązanie.
Głównym elementem nośnym konstrukcji mikroskopu jest sztywna belka A, wykonana np. z płaskownika lub kątownika aluminiowego dostępnego w sklepach budowlanych. W nagwintowanym otworze w tej belce jest umieszczony wkręt B opierający się w środkowym punkcie elastycznej belki C – w tej roli zastosowałem zwykłą linijkę z tworzywa sztucznego. Belki mają zbliżoną do siebie długość, w przypadku mojego urządzenia jest to 20 cm. Są one połączone na końcach przez kilkukrotnie owinięcie taśmą izolacyjną z tworzywa sztucznego. Do belki C przymocowano kamerę D, której obiektyw powinien być skierowany w dół, czyli w kierunku obserwowanego preparatu E. Cała konstrukcja opiera się na podstawach F, których rolę mogą pełnić niewielkie statywy laboratoryjne, stosy książek lub cokolwiek innego, co umożliwi solidne oparcie.
Poprzez pokręcanie wkręta B, powodujemy mniejsze lub większe ugięcie belki C. Tym samym zyskujemy możliwość dokładnej regulacji odległości soczewki obiektywu kamery od preparatu, a więc też ostrości obrazu. Zakres regulacji jest wystarczający - nie należy pozwalać na zbyt duże ugięcie elastycznej belki, ponieważ może to doprowadzić do jej złamania. Zestawiony układ można zobaczyć na Fot.4, natomiast Fot.5 przedstawia zbliżenie układu regulacji. Jak widać, w roli elementów nośnych zastosowałem stalowe podstawy niewielkich statywów laboratoryjnych. Ustawiłem je nietypowo, to jest bokiem.
Zaletą proponowanego rozwiązania jest to, że wykorzystano w nim jedynie łatwo dostępne materiały. Przy odpowiedniej staranności wykonania uzyskane efekty są całkowicie zadowalające. Wypróbowałem także inny sposób, z wykorzystaniem korpusu mikroskopu wraz z mechanizmem śruby makro- i mikrometrycznej. Umożliwia to znacznie doskonalszą regulację i jest godne polecenia, oczywiście jeśli ktoś ma dostęp do tego typu sprzętu.
Obserwowane obiekty mogą być zarówno przezroczyste, jak i nieprzezroczyste. Jako oświetlenie dobrze nadaje się zwykła lampa biurowa, ale nic nie stoi na przeszkodzie by zastosować prawie dowolne źródło światła. Nietrudno też zbudować prosty oświetlacz, tak by prowadzić obserwacje także w świetle przechodzącym. Barwę tła i sposób oświetlenia należy dobierać tak, aby uzyskać jak największy kontrast obrazu.
Rozdzielczość uzyskanych obrazów zależy od możliwości matrycy. W przypadku tanich kamer jest to zwykle 640x480 lub 800x600 pikseli. Nie jest to dużo, ale całkowicie wystarczająco do przeprowadzenia wielu obserwacji. Na dowód użyteczności opisywanego rozwiązania można przytoczyć Fot.6. Przedstawia ona uzyskany właśnie w ten sposób obraz skali szkiełka mikrometrycznego. Z łatwością można rozróżnić na niej działki o rozpiętości zaledwie 0,01mm.
Obserwacje
By nie być gołosłownym, chciałbym zaprezentować wyniki uzyskane przy pomocy tego prostego mikroskopu. Są to oczywiście jedynie przykładowe spostrzeżenia – zachęcam Czytelnika do własnych eksperymentów!
Urządzenie nadaje się wręcz wyśmienicie do prowadzenia obserwacji zewnętrznej budowy ciała niewielkich zwierząt, na przykład owadów.
Niesamowite wrażenie robi już nawet widok głowy osy średniej należącej do błonkoskrzydłych Hymenoptera (Fot.7). Zwracają uwagę masywne żuwaczki, segmentowane czułki, a także duże oczy złożone.
U osowatych Vespidae oczy złożone mają kształt nerkowaty, co jest wyraźnie widoczne na zdjęciu. Jak wiemy, u owadów Insecta, należących do typu stawonogów Anthropoda, występują przeważnie oczy złożone o budowie mozaikowej. Można to z łatwością zauważyć na Fot.8A, ukazującej oko w większym zbliżeniu.
Oko złożone jest zbudowane z wielu pojedynczych elementów nazywanych omatidiami lub fasetkami, dlatego ten typ oka bywa nazywany także fasetkowym. Co więcej, u owadów występują też dodatkowe, proste narządy wzroku określane jako przyoczka. W opisywanym przypadku występują trzy przyoczka, położone między oczami złożonymi (Fot.7B i Fot.8B). Nie dostarczają one owadowi wyraźnego obrazu, mogą jednak dawać informację o jasności przedmiotów [2].
Bardziej subtelne obserwacje wymagają nieco większych wartości powiększeń. Wystarczy spojrzeć na Fot.9 przedstawiającą widok odnóża krocznego muchy domowej, by zrozumieć czemu stawonogi zawdzięczają swoją nazwę. Dawniej były one zresztą nazywane członkonogami [3]. Wśród widocznych elementów odnóża szczególnie interesujące są dwa pazurki położone na ostatnim tarsomerze stopy. To one, wraz z towarzyszącymi im przylgami (niewidocznymi na zdjęciu) pozwalają owadowi na wspinanie się po gładkich powierzchniach, czy nawet zawisanie głową w dół, choćby na suficie.
Niezapomnianych wrażeń może dostarczyć obserwacja rozwielitek, inaczej nazywanych dafniami. Są one niewielkimi skorupiakami Crustacea należącymi do wioślarek Cladocera i zasiedlają wody słodkie, także okresowo wysychające. Rozwielitki są interesujące z tego względu, że ich cienki chitynowy pancerz nazywany karapaksem jest przejrzysty. Dzięki temu z łatwością można analizować szczegóły budowy nie tylko zewnętrznej, ale i wewnętrznej np. u rozwielitki pchlicy (Fot.10). Głównym organem służącym lokomocji są silnie rozbudowane, rozgałęzione czułki drugiej pary. Pierwsza para czułków jest dalece zredukowana i pełni funkcje czuciowe. U rozwielitek, podobnie jak u pozostałych wioślarek, występuje pojedyncze ruchliwe oko powstałe z połączenia się dwóch oczu złożonych. Przy znaczniejszych powiększeniach daje się też zauważyć szczątkowe oko naupliusowe. Odnóża tułowiowe (5 par) są spłaszczone i ukryte pod karapaksem – służą one filtrowaniu z wody cząstek organicznych stanowiących pokarm. Pięknie prezentuje się uderzające z dużą częstotliwością serce skorupiaka.
Co ciekawe, rozwielitki posiadają zdolność do rozmnażania na drodze partenogenezy (dzieworództwa). Przy sprzyjających warunkach środowiska, skorupiaki te wytwarzają jaja, do których rozwoju nie jest wymagane zapłodnienie – są to tak zwane jaja letnie. Rozwijają się one w komorze lęgowej pod karapaksem i dają początek następnym partenogenetycznym pokoleniom samic. Znacznie mniejsze samce pojawiają się jedynie okresowo, w szczególności przed zimą. Są one potrzebne do zapłodnienia tzw. jaj zimowych, które są zdolne do przetrwania w trudnych warunkach środowiska, tak by na wiosnę mogły rozwinąć się kolejne pokolenia samic. Zjawisko to nosi miano heterogonii [4].
Poznawanie szczegółów budowy ciała niewielkich zwierząt nie wyczerpuje możliwości mikroskopu. Za jego pomocą można prowadzić też obserwacje komórek zarówno roślinnych, jak i zwierzęcych.
Szczególnie łatwo jest przygotować preparat ze skórki wewnętrznej strony liścia spichrzowego cebuli zwyczajnej. Naturalny preparat jest prawie przezroczysty, można dosyć łatwo zauważyć jedynie układ komórek epidermy (Fot.11A). Dla uzyskania większego kontrastu konieczne jest wykorzystanie odpowiednich barwników, np. eozyny, safraniny, fioletu gencjanowego czy innych substancji chemicznych wiążących się z określonymi strukturami komórkowymi. Właśnie dzięki temu procesowi obraz widoczny na Fot.11B jest znacznie bardziej kontrastowy i możemy na nim zaobserwować choćby ciemno wybarwione jądra komórkowe. Prawie całą objętość komórki wypełnia tutaj pojedyncza wakuola – wybarwiona na różowo cytoplazma jest widoczna jedynie obwodowo. Można tu pokusić się o obserwację zjawiska plazmolizy po umieszczeniu komórek w środowisku roztworu hipertonicznego [5].
Już przy niezbyt dużych powiększeniach można poczynić pewne ciekawe spostrzeżenia w przypadku komórek glonów, których przedstawicielem jest np. skrętnica (fot. 12). Wewnątrz komórek budujących jej plechę można łatwo zauważyć zielone, helikalne struktury. Są to oczywiście chloroplasty.
Doskonałymi obiektami do obserwacji są także orzęski Ciliata, uważane za jedne z najwyżej uorganizowanych organizmów należących do królestwa protistów Protista. Ich nazwa wiąże się z obecnością bardzo licznych rzęsek stanowiących organella ruchu, lub mogących służyć pobieraniu pokarmu. Są one ułożone wzdłuż ciała w charakterystycznych szeregach i mogą wykonywać skoordynowane ruchy. Okrywająca komórkę orzęsków pelikula ma bardzo złożoną strukturę, przez co wodniczki mogą się tworzyć lub opróżniać jedynie w tych jej obszarach, które są pozbawione rzęsek. Pokarm jest więc pobierany przez tzw. cytostom, a niestrawione pozostałości są usuwane przez cytopyge. Wśród orzęsków spotyka się formy pływające, pełzające lub osiadłe.
Do bardziej znanych orzęsków należą te z rodzaju pantofelków Paramecium. Są one heterotrofami, czyli organizmami cudzożywnymi. Mikroorganizmy te nie posiadają chloroplastów, nie mogą więc prowadzić fotosyntezy. Widoczne jednak na Fot.13 komórki pantofelków mają zieloną barwę. Jak to wyjaśnić?
Okazuje się, że orzęski należące do gatunku Paramecium bursaria egzystują w endosymbiozie z glonem Chlorella paramecii. Glon żyjący wewnątrz komórki gospodarza jest nazywany zoochlorellą i jako autotrof dostarcza orzęskowi wytworzone na drodze fotosyntezy węglowodany (głównie maltozę i glukozę) oraz tlen. Z tych powodów pantofelek ten może z powodzeniem funkcjonować w warunkach niekorzystnych dla przedstawicieli innych gatunków, pozbawionych zoochlorelli. Zoochlorella otrzymuje od gospodarza potrzebne składniki mineralne i metabolity, a dodatkowo zyskuje ochronę przed warunkami środowiska i zdolność ruchu [6][7].
Jak więc widać, nawet przy pomocy tak prostego i taniego urządzenia można dokonać bardzo wielu interesujących obserwacji. Brak dużych środków finansowych nie może być więc wymówką! Wystarczy jedynie nieco chęci do poznawania świata, a sposób się zawsze znajdzie.
Literatura:
- [1] Ples M., Laserowy mikroskop - Zrób to sam, Biologia w Szkole, 3 (2015), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 60-62 powrót
- [2] Razowski J., Słownik entomologiczny, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1987 powrót
- [3] Simm K., Zoologia dla przyrodników i rolników. T. 2 - Członkonogi (dokończenie), szkarłupnie, mięczaki, strunowce, Poznań, 1949 powrót
- [4] Jura Cz., Bezkręgowce, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1997 powrót
- [5] Szweykowska A., Szweykowski J., Botanika. Tom 1 – Morfologia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2007 powrót
- [6] Kawecka B., Eloranta P. V., Zarys ekologii glonów wód słodkich i środowisk lądowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1994 powrót
- [7] Kvitko K.V., Migunova A.V., Karelov D.V., Prokosheva M.J., Molecular taxonomy of virus-sensitive Chlorella sp. – symbionts of Paramecium bursaria, Protistolog, 2 (2), 2001 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Uzupełnienie autora
Jako dodatek do powyższego artykułu chciałbym zaprezentować Czytelnikowi krótki film, będący jego swoistym podsumowaniem:
Marek Ples