Атомно-силовая микроскопия.

Первый атомно-силовой микроскоп был сконструирован Г. Биннигом, Х. Гербером и С. Квайтом в 1986 году, после того как годом ранее Г. Бинниг показ принципиальную возможность неразрушающего контакта зонда с поверхностью образца.

Действительно, если подвести зонд к образцу на расстояние в несколько ангстрем, то между атомами, образующими острие, и атомами, расположенными на поверхности образца, начнет действовать Ван-дер-Ваальсова сила притяжения. Под действием этой силы зонд будет приближаться к образцу до тех пор, пока не начнется электростатическое отталкивание одноименно (отрицательно) заряженных электронных оболочек атомов зонда и поверхности (в химии обычно используют специальную форму кривой, описывающего такие взаимодействия – так называемый «потенциал 6-12»).

В современных атомно-силовых микроскопах зонд закрепляют на гибкой балке, называемой «кантилевером» или консолью. При подводе зонда к образцу на расстояние в несколько ангстрем и возникновении отталкивающего взаимодействия «кантилевер» изгибается до тех пор, пока давление со стороны зонда (определяемое силой упругости консоли) не окажется больше предела упругой деформации материала образца или зонда. Таким образом, основным свойством «кантилевера» является его жесткость, а подбор материала и геометрических характеристик «кантилевера» позволяет использовать метод АСМ для самых различных приложений.

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, «кантилевер» изгибается, отслеживая ее рельеф. Однако при сканировании образца в контактном режиме поверхность образца частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда, зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволили увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения «кантилевера» предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков, интерферометров, систем отклонения светового луча или пьезоэлектрических датчиков. В современных приборах угол изгиба «кантилевера» регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик. Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет «системой нанопозицонирования».

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т.д. Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между зондом и проводящей поверхностью.

Изучение биологических объектов с помощью АСМ осложняется особыми свойствами биологических мембран, особенно – эукариотических клеток, на поверхности которых локализуются многочисленные молекулярные «хвосты». В настоящее время в основном метод АСМ используют для визуализации бактерий и вирусов.

В современной науке существует множество методов визуализации биологических объектов, и появляются все новые и новые, и зачастую трудно выбрать адекватный тому или иному исследованию метод. Однако, этот выбор делать нужно, потому что именно выбор адекватного метода исследования – залог его успеха.

Клеточная теория. Химический состав клетки.

Несомненно, современная биология базируется на клеточной теории, начало которой было положено Робертом Гуком, который в 1665г открыл клетки, наблюдая срез пробкового дерева в микроскоп, ввел понятие "клетка". Примерно в это же время (1680г) Левенгук открыл одноклеточные микроорганизмы. Интересно, что последующие открытия, позволившие сформулировать клеточную теорию, были сделаны гораздо позже, по мере совершенствования микроскопической техники :

1831г - Роберт Броун: открыл ядро в клетке

1838г - Матиас Шлейден показал, что ядро - неотъемлемая часть растительной клетки

1839г - Томас Шванн показал, что ядро - неотъемлемая часть животной клетки

1858г - Рудольф Вирхов выдвинул постулат: суть происхождения клетки - деление ("Omnis cellula ex cellula" = «Каждая клетка из клетки»).

Современная клеточная теория включает следующие положения: 1. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – структурная, функциональная единица живого, основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого; 2. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ. 3. Размножение клеток происходит путём их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки. 4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны

и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции. 5. Клеточное строение организмов – свидетельство того, что все живые организмы имеют единое происхождение.

Итак, клеточная теория была сформулирована на основе изучения клеток в простых световых микроскопах, без специальных методов обработки и приготовления препаратов, которые были введены в практику во второй половине Х1Х века. Улучшение техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток.

Клетка является универсальной ячейкой жизни. Клетки вездесущи, они охватывают мир бактерий, растений, животных, человека, подчеркивая их общность, их органическое единство в огромном царстве живой природы. В клетке сконцентрированы все важнейшие атрибуты живого и, прежде всего, способность к росту и размножению. Клетка - это элементарная основа жизни.

Клетка - самая мелкая единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты. Клетка представляет собой элементарную живую систему, способную к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению. Но в природе не существует некой универсальной клетки: клетка мозга столь же сильно отличается от клетки мышц, как и от любого одноклеточного организма. Все клетки имеют один и тот же набор структур, одни и те же биохимические основы функционирования, поэтому все же можно говорить о клетке в обобщенно смысле. Наука «цитология» оперирует неким собирательным образом клетки.

Открытие вирусов показало, что утверждение "вне клеток нет жизни" не бесспорно. Хотя вирусы, как и клетки, состоят из двух основных компонентов нуклеиновой кислоты и белка, структура вирусов и клеток резко различна, что не позволяет считать вирусы клеточной формой организации материи. Вирусы не способны самостоятельно синтезировать компоненты собственной структуры, - нуклеиновые кислоты и белки, - и их размножение возможно только при использовании ферментативных систем клеток. Поэтому вирус не является элементарной единицей живой материи. Значение клетки как элементарной структуры и функции живого, как центра основных биохимических реакций, протекающих в организме, как носителя материальных основ наследственности делает цитологию важнейшей общебиологической дисциплиной.