Факультет

Студентам

Посетителям

Усовершенствование микроскопа и развитие микроскопической техники в начале XX века

Последняя четверть XIX столетия ознаменовалась углублением исследований строения тканей и клеток, что сделалось возможным вследствие успехов, достигнутых в усовершенствовании микроскопа и особенно в разработке тех приемов микроскопического исследования, какими мы пользуемся и в настоящее время.

Высокие и неуклюжие, на наш взгляд, микроскопы первой половины XIX в. во второй его половине принимают более практичные формы. Укорачивается тубус, устанавливается стандартная высота предметного столика. Штатив становится более массивным и устойчивым, ножка его, которой ранее придавалась круглая форма или вид треножника, теперь устраивается чаще всего в виде подковы, что дает лучшую устойчивость. Отверстие предметного столика снабжается диафрагмами в виде сменяющихся цилиндров или круга с отверстиями разного диаметра, вращающегося под предметным столиком. Все микроскопы снабжаются микрометрическим винтом, а большие штативы, кроме того, кремальерой.

Окуляры начинают изготовлять более светосильными, причем обращается внимание на выпрямление поля зрения. Особенные улучшения были достигнуты в конструкции объективов. Уже в первой половине XIX в. некоторые фирмы изготовляли объективы, дававшие с сильными окулярами увеличение более чем в 1000 раз. Но практическое применение таких сильных систем было ограничено тем, что поле зрения становилось темным, так как при малом фокусном расстоянии значительное количество лучей, преломляясь в воздухе, отклонялось и не попадало в объектив. Коренное улучшение было достигнуто введением иммерсионных объективов.

Принцип иммерсии, т. е. погружения объектива в жидкую среду, помещенную между объектом и фронтальной линзой, предложил в 1850 г. Дж. Амичи. Вначале он употреблял для иммерсии растительное масло, но отличия в показателе преломления заставили заменить масло водой. Хотя вода также отличалась по показателю преломления от стекла, все же водная иммерсия была известным достижением и для некоторых специальных целей употребляется и в наше время.

Во второй половине прошлого века появилось большое число оптических фирм, изготовлявших микроскопы. Кроме уже ранее получившей известность фирмы Шевалье, продолжает работу оптический институт Оберхейсера; из Франции он был переведен в Германию и в Потсдаме продолжал деятельность под фирмой Гартнака (Hartnack). В 1859 г. эта фирма внесла в конструкцию иммерсионных объективов некоторые улучшения, и в 60-х и 70-х годах микроскопы Гартнака считались одними из лучших. Продолжала деятельность фирма Шик в Берлине. Бывший институт Фраунгофера под фирмой Мерц (G. und С. Merz) изготовлял большие штативы с многими объективами и механическими приспособлениями. В 1849 г было организовано производство микроскопов в Ветцларе (Германия), позже получившее широкую известность под фирмой Лейтца (Ernst Leitz).

Прогресс в конструкции микроскопов во второй половине XIX в. неразрывно связан с немецкой оптической фирмой Цейсса, обязанной своими успехами выдающемуся физику Аббе.

В 1846 г. оптик Карл Цейсс (Cazl Zeiss, 1816—1888) основывает в Иене мастерскую, которую талант и выдающиеся способности Аббе превратили в оптический институт мирового значения. Личность Аббе представляет, помимо его научных заслуг, большой интерес. Сын ткацкого мастера в Эйзенахе, в детстве видевший нужду в семье, Эрнст Аббе (Ernst Abbe, 1840— 1905) уже мальчиком обнаружил исключительные способности, обратившие на него внимание учителей, настоявших на его дальнейшем образовании. По окончании университета Аббе занимает кафедру теоретической физики в Иене (1870), а позже становится директором Иенской обсерватории (1877—1890). По предложению Цейсса, состоявшего университетским механиком, Аббе принимает участие в работах организованных Цейссом оптических мастерских, становится совладельцем, а до смерти Цейсса владельцем фирмы. Однако Аббе отказался от прав владельца предприятия и, сохранив за собой руководство, передал доходы от предприятия в пользу рабочих и служащих Аббе разрабатывает математически теорию микроскопа, доведя до предела оптические возможности светового микроскопа. По его инициативе и под его руководством при заводе организован научный оптический институт, где разрабатывается система измерений, дающих научный критерий для оценки качеств микроскопа. Создаются новые сорта стекла (по инициативе Аббе создано известное производство «иенского стекла» Шотта); производство микроскопов становится на подлинно научное основание. Н. А. Умов (1846—1915), выдающийся русский физик, в проникновенной статье, посвященной памяти Аббе, писал: «Аббе заменил работу ощупью и наугад точным теоретическим вычислением наиболее выгодных форм оптических стекол, их кривизны и взаимных расстояний в связи с физическими свойствами стекол, из которых они должны быть изготовлены. Через несколько лет упорного труда микроскопы Цейсса, построенные по указаниям Аббе, превзошли по своим качествам все до того времени известные» (Н. А. Умов, 1905).

Первым крупным достижением оптического института Цейсса явилось изготовление масляного иммерсионного объектива, так называемой гомогенной иммерсии, основанной на применении кедрового масла. Этот объектив был рассчитан на применение в качестве иммерсионной среды кедрового масла и имел неоспоримое преимущество перед водной иммерсией Амичи. Масляный иммерсионный объектив был изготовлен впервые в 1878 г. по указанию Стефенсона (Stephenson) в Лондоне и под руководством Аббе. Это было крупнейшим достижением в технике микроскопии. Исследователь получил сильный объектив, который давал возможность применять большие увеличения, не ослабляя освещенности поля зрения. Масляная гомогенная иммерсия быстро завоевала признание и обусловила успехи цитологии в последней четверти прошлого века.

Применение масляной иммерсии требовало реконструкции системы освещения объекта. Еще в 1873 г. Аббе конструирует особый осветительный аппарат, позволяющий использовать все достоинства нового объектива. Этот «осветительный аппарат по Аббе» становится обязательной частью всякого исследовательского микроскопа.

По вычислениям Аббе фирма Цейсс выпустила в 1886 г. новые объективы-апохроматы, где коррекция сферической и хроматической аберрации доведена до предела. В комбинации с особыми компенсационными окулярами апохроматы явились последним словом оптической техники светового микроскопа. Как показали исследования Аббе, изготовлением апохроматов с высокой апертурой достигнут предел разрешающей способности линз микроскопа, поставленный длиной светового луча (в нашем веке этот предел возможностей микроскопического исследования преодолен изобретением электронного микроскопа). Аббе сконструировал также рисовальный аппарат, позволяющий производить точную зарисовку микроскопических объектов.

Достижения Аббе были использованы другими фирмами, получившими известность во вторую половину прошлого столетия. В Ветцларе в 1873 г. открыла производство фирма Зейберт (Seibert); ее микроскопы славились в конце прошлого столетия. Около 1872 г. в Гёттингене открывается оптический институт Винкеля (Winkel), изготовлявший превосходные инструменты и выпустивший флюоритные системы, более дешевые, чем апохроматы, но сохраняющие ряд свойственных им преимуществ. Нет надобности упоминать множество других оптических производств этого периода. Отметим только сыгравшую значительную роль в распространении микроскопа французскую фирму Нашэ (Nachet), микроскопы которой имели в прошлом веке значительное распространение, и австрийскую фирму Рейхерт (С. Reichert) в Вене, основанную в 1876 г., микроскопы которой при хорошем качестве подкупали относительной дешевизной. Несколько своеобразно развивалось производство микроскопов в Англии, где долгое время были распространены громоздкие штативы на треножниках, мало похожие на установившуюся на континенте форму микроскопа.

Обращено было внимание также и на конструкцию штатива микроскопа. Во второй половине прошлого столетия существенную лепту в этом отношении вложил А. И. Бабухин (1835—1891), крупный русский гистолог, основатель московской гистологической школы и одной из первых микробиологических лабораторий, в ходу был даже термин «бабухинский штатив». Прямая колонка микроскопов, характерная для конца прошлого столетия, в нашем столетии приобрела форму изогнутой ручки. Особенно резкие изменения приобрел штатив в последние десятилетия: тубус принял изогнутую форму, винты перенесены под предметный столик; в ряде моделей микроскоп монтируется вместе с лампой, микрофотографическим аппаратом и т. д.

Выдвинутое Брюкке предположение о сложности строения «элементарного организма» — клетки носило априорный характер; фактических данных для такого предположения тогда еще не было. Чтобы клетка в понимании биолога перестала быть простым комочком протоплазмы, нужны были более совершенные методы исследования, чем те способы микроскопического изучения тканей, какие применялись в первой половине прошлого столетия. Но постановка проблемы есть путь к ее решению. Потребность проникновения в тонкое строение клетки побуждала к поискам новых методов микроскопического исследования. Вся последняя четверть прошлого века проходит под знаком усовершенствования микроскопической техники, причем это касается как микроскопа и ряда вспомогательных приборов, так и методики подготовки объектов для изучения.

История микроскопической техники остается пока ненаписанной главой науки. В литературе встречаются лишь случайные и порой неточные справки, касающиеся отдельных деталей. Поэтому написание этой главы книги представило значительные трудности, и она содержит многочисленные пробелы.

Микроскоп, как бы он ни был усовершенствован, не дал бы возможности проникнуть в тонкие гистологические структуры, если бы параллельно с совершенствованием микроскопа не развивалась техника обработки материала, техника изготовления «микроскопического препарата». Микроскописты первой половины XIX в. изучали ткани либо в свежем состоянии, либо в состоянии начального посмертного изменения. Методы подготовки материала ограничивались расщипыванием или раздавливанием тканей и применением таких реактивов, как уксусная кислота, щелочи, йод и редко спирт. Постоянных препаратов в тот период не изготовляли, и это, конечно, очень затрудняло исследование.

Уже во второй четверти прошлого столетия начинаются поиски консервирующих жидкостей, в которых ткани можно было бы сохранить на препарате в течение продолжительного времени. Главным ингредиентом в таких жидкостях была сулема, применявшаяся в большом разведении. В 1839 г. Гудбай (Goodbay) предложил «универсальную консервирующую жидкость» для изготовления постоянных препаратов, содержавшую сулему, поваренную соль и квасцы. Поэтому образцу ряд других микроскопистов пытались создать варианты консервирующих сред для заключения объекта. Но консервирующее действие таких сред было плохим, и их нельзя ставить на один уровень с современными фиксаторами. Положительное их значение заключалось в том, что они выявили преимущество изучения тканей не в воздухе, а в жидкой среде, и поэтому, начиная с сороковых годов, делаются попытки найти удобные среды для заключения объекта. С другой стороны, эти жидкости имели и отрицательное значение. В то время как раньше изучались преимущественно свежие объекты, появление консервирующих жидкостей повело к тому, что исследователь, подвергнув ткань расщипыванию или раздавливанию, заключал ее в консервирующую среду и полагал, что он изготовил «постоянный препарат». В действительности же в этой жидкости ткани подвергались таким изменениям, что строение не сохранялось, и изучались искаженные остатки структуры.

Только в шестидесятых годах начали применяться более рациональные методы заключения объекта в жидкие среды. Удовлетворительным методом явилось заключение в глицерин, которое начали впервые применять в Англии. Наряду с глицерином применялись различные смеси: глицерин с желатиной, глицерин с гуммиарабиком. Эти среды давали несомненное преимущество перед водой и в шестидесятых годах имели широкое применение.

Канадский бальзам (обычная среда для заключения объекта в современной микротехнике) пробовали применять давно. Еще в 1832 г. его пытался использовать Бон (Bond), а в 1835 г, — Причард (J. С. Pritchard, 1786—1848). Но первые попытки применения канадского бальзама давали плохие результаты, так как объекты предварительно подвергались просушиванию. Впервые в 1851 г. английский невролог Кларк (Jacob A. L. Clarke, 1817—1880), изготовляя препараты мозга, попытался обойти высушивание и использовал обезвоживание препарата спиртом, а затем просветление его в скипидаре. Тем не менее еще в 1868 г. английский микроскопист Бил (L. S. В. Beal, 1828— 1906) в руководстве микротехники указывает, что при применении канадского бальзама объект должен быть высушен при высокой температуре. Метод Кларка также не давал хороших результатов, так как обезвоживание было недостаточным. В 1865 г. немецкий патологоанатом Риндфлейш (Rindfleisch, 1836—1908) предложил применять гвоздичное масло, а в 1863 г. русский гистолог К. З. Кучин (1834—1895), а позже дерптский анатом Л. X. Штида (1837—1918) применили креозот. Штида также ввел в употребление бергамотное масло. При плохом обезвоживании эти средства давали вначале недостаточные результаты (лучше других был креозот, допускающий меньшее обезвоживание). Только в семидесятых годах, когда научились производить достаточное обезвоживание объекта, канадский бальзам получает преимущество перед другими средами и находит широкое применение.

Однако основным недостатком старой техники изготовления постоянных препаратов было отсутствие фиксации. Методы фиксации возникли на основе методики уплотнения тканей. Для изготовления срезов из мягких тканей исследователи искали средства их уплотнения. Одним из первых уплотняющие жидкости начал применять Пуркине. В 40—50-х годах уплотнение тканей для изготовления разрезов становится общепринятым.

В 1840 г. датский анатом и патолог Ганновер (Adolph Н. Hannover, 1814—1894) помещает в «Мюллеровском архиве» статью о «хромовой кислоте, превосходном средстве для микроскопических исследований», и с этого времени хромовая кислота является одним из употребительнейших реактивов для уплотнения, а в дальнейшем — и фиксации животных тканей. Позже для этой цели начинает применяться двухромокислый калий. В поисках лучших средств для сохранения структуры тканей микроскописты пытаются составлять сложные фиксаторы, в состав которых входят различные ингредиенты. Г. Мюллер (Н. Muller, 1820—1864), профессор анатомии в Вюрцбурге, известный своими исследованиями по анатомии глаза, предложил в 1859 г. уплотняющую жидкость, из комбинации двухромокислого калия и сернокислого натрия, знаменитую «мюллеровскую жидкость», в течение многих лет являвшуюся распространенным гистологическим фиксатором. В конце 60-х годов французский гистолог Ранвье (Louis A. Ranvier, 1835—1922) предложил для уплотнения и фиксации пикриновую кислоту, которая нашла в дальнейшем широкое признание.

Значительный прогресс в фиксации тканей был достигнут применением для этой цели сулемы. В консервирующих жидкостях она употреблялась давно, но там ее концентрация была недостаточна для фиксации тканей. В качестве фиксатора сулема вошла в гистологическую технику лишь после 1878 г., когда швейцарский зоолог Ланг (Arnold Lang, 1855—1914) предложил применять ее в концентрированных растворах и в комбинации с уксусной кислотой. Для фиксации тонких гистологических структур сулему впервые употребил выдающийся немецкий физиолог Рудольф Гейденгайн (Rudolf Heidenhain, 1834—1897) в 1888 г. Ингредиенты для составления фиксаторов обогатились далее введением в гистологическую технику осмиевой кислоты (Макс Шульце, 1864), сохраняющей особенно хорошо липоидные структуры клетки. Применение осмиевой кислоты в качестве фиксатора в комбинации с другими реактивами широко вошло в обиход гистологической техники. Флеш (Max Flesch) в 1879 г. предложил комбинацию хромовой и осмиевой кислот, а в 1882 г. Флемминг, один из крупнейших гистологов конца прошлого века (с его именем мы встретимся дальше), предложил свою известную фиксирующую жидкость. Вплоть до 70-х годов микроскописты говорили не о фиксации, а о консервировании и уплотнении тканей. Термин «фиксация» и связанное с ним понятие входит в употребление только в начале 80-х годов. В состав флемминговской жидкости входили хромовая, осмиевая и уксусная кислоты; она долгое время считалась лучшим фиксатором для изучения тонкого строения клеток. Современные фиксирующие жидкости Шампи и Мевеса представляют собой ее модификацию. В 1894 г. К. Ценкер (К. Zenker) предложил свое видоизменение мюллеровской жидкости, добавив к ней сулему и уксусную кислоту. Эта ценкеровская жидкость и теперь остается одним из лучших и употребительнейших фиксаторов. В 1893 г. Блум (F. Blum) вводит в употребление формалин, получивший в дальнейшем широкое применение как фиксатор.

Таким образом, к 80-м годам гистология обогащается значительным арсеналом фиксаторов, сохраняющих структуру тканей; отходит на задний план изучение тканей в свежем состоянии; с каждым годом пополняется список реактивов, применяемых для фиксации гистологических объектов; множатся бесчисленные предложения о составе фиксирующих жидкостей и смесей, из которых только небольшое количество прочно вошло в микроскопическую практику.

В этом развитии микроскопической техники нельзя не отметить отрицательного момента. Во-первых, успехи методов фиксации привели к тому, что исследование свежего материала было заброшено; структуры фиксированной протоплазмы некритически воспринимались как прижизненные структуры, и на этой почве было немало увлечений и сделано немало ошибок. Сама методика фиксации развивалась эмпирически: исследователи, пробуя тот или другой фиксатор, часто не исходили из научных оснований, а бессистемно отыскивали практически пригодные реактивы.

Так как уже с XVIII в. начали применять для микроскопии проходящий свет, возникает необходимость соответствующей обработки объекта. Исследователи первой половины XIX в. пытались обойти эту трудность изучением тонких пленок или кусочков ткани, подвергнутых расщипыванию иглами или раздавливанию. Это грубо нарушало структуру тканей. По отношению к более плотным тканям для получения тонких прозрачных пластинок давно начали применять бритву. Мягкие ткани для приготовления из них срезов с помощью бритвы зажимали в мякоть ветки бузины или в уплотненную долгим пребыванием в хромовой кислоте печень. В середине прошлого столетия для изготовления срезов стали применять заливку в более плотные среды. В пятидесятых годах ботаник Фенцль (Eduard Fenzl) предложил для этой цели парафин в 1856 г. Бёттхер (А. В. Bottcher, 1831—1889), профессор в Дерпте, начал применять желатину. Вначале при заливании в парафин не получалось пропитывания объекта, и, естественно, такая заливка не давала хороших результатов. В конце 70-х годов начинают применять промежуточные среды: гвоздичное масло, креозот, бергамотное масло, ксилол; но только с введением заливки в термостатах (W. Giesbrecht, 1881) применение парафина дало хорошие результаты и вошло в постоянный обиход микроскопической техники. В 1879 г. французский гистолог Дюваль (Mathias Duval, 1844—1907) предложил новую среду для заливания объектов — коллодий. Немецкий гистолог Шиффердеккер (Paul Schiefferdecker, 1849—1931) заменил коллодий целлоидином, занявшим, наряду с парафином, прочное место в качестве среды для заливки объектов с целью получения тонких срезов.

Так как приготовление тонких срезов ручной бритвой требовало большого искусства и все же толщина их была слишком велика, возникает мысль о конструкции специального прибора для получения тонких срезов — микротома. Одна из первых попыток такого рода — «резательная машина» была по конструкции Каммингса описана Дж. Гиллом. Было и еще несколько аналогичных не удержавшихся конструкций Г Современный микротом ведет свое начало от микротома Ошатца (ученика Пуркине), сконструированного в 1844 г. Усовершенствованный немецким анатомом Велькером (Hermann Welcker, 1822—1897), микротом до конца прошлого столетия претерпел многочисленные реконструкции. Первые, так называемые цилиндрические, микротомы представляли собою объектодержатель, передвигавшийся при помощи микрометрического винта; срезы делались ручной бритвой, которую при изготовлении срезов проводили по платформе, расположенной в верхней части микротома. Вплоть до последней четверти XIX в. микротом не пользовался распространением, так как не было удовлетворительной методики заливки объектов с достаточным пропитыванием кусочков органов и тканей. Лишь в семидесятых годах, благодаря работам Гиса (Wilhelm His, 1831 — 1904), микротом начинает находить широкое применение и к концу прошлого столетия окончательно вытесняет изготовление срезов от руки. Применение микротома дало возможность изготовлять тонкие срезы и получать непрерывные серии срезов, что знаменовало собою большой успех в микроскопической технике.

Если, изучая ткани прижизненно, можно было заметить некоторые структуры, пользуясь неодинаковым преломлением света отдельными частями препарата (возникающим особенно при частичном отмирании тканей), то и эти ограниченные возможности были сведены на нет применением методов уплотнения и фиксации. Необходимо было найти способы выявления различных частей клетки после фиксации тканей и это было достигнуто применением окраски срезов. В 1858 году Корти (A. Corti, 1822—1876), исследуя (1854) орган слуха, важнейшая часть которого была названа его именем, употребил для окраски микроскопических препаратов кармин. Для ботанических объектов кармин был употреблен еще ранее Гёппертом и Коном (Goeppert und Cohn) в 1849 г. и Гартингом (Pieter Н. Harting, 1812—1885) в 1854 г. Но действительное распространение кармин получил лишь с 1858 г., когда Герлах (Josef Gerlach, 1820—1895) предложил рецепт аммиачного кармина. Ранвье, Гренахер (Н. Grenadier, 1879) и Пауль Мейер (Paul Meyer, 1881) разработали способы применения кармина в качестве красителя, специфически окрашивающего ядра, и в 80-х годах кармин был излюбленным красителем, которым пользовались в повседневной микроскопической технике.

В 1865 г. Бёмер (F. Bohmer) вводит в гистологическую технику новый краситель — гематоксилин, но вплоть до 90-х годов он не выдерживает конкуренции с кармином. Наоборот, с девяностых годов гематоксилиновая техника делает значительные успехи, постепенно гематоксилин вытесняет кармин и становится обычнейшей «ядерной» краской. Особое значение приобрел метод окраски гематоксилином с протравой железными квасцами, разработанный выдающимся гистологом конца XIX в. Мартином Гейденгайном в 1892 г. Этот метод и в настоящее время принадлежит к числу лучших способов окраски тончайших структур клеток.

Наконец, в 60-х годах начали употреблять для окраски микроскопических препаратов анилиновые красители, которые с 70—80-х годов находят широкое применение. Например, индигокармин введен в гистологическую технику Меркелем (Merkel) в 1874 г., эозин — Фишером (Ernst Fischer) в 1875 г., кислый фуксин — Эрлихом (Paul Ehrlich) в 1880 г., сафранин — Германом (Е. Hermann) в 1881 г.

Микроскопия обогащается новым арсеналом средств для выявления различных тканевых и клеточных структур, которые при применении надлежащих методов фиксации и окраски предстают перед наблюдателем с такой ясностью, о которой микроскописты первой половины XIX в. не могли даже и мечтать.

Упомянем о времени введения в микроскопическую технику некоторых других употребительных методов. Окраска гематоксилином и пикрофуксином введена Ван-Гизоном (Ira Thompson van Gieson, 1866—1913) в 1889 г.; широко известный метод окраски соединительной ткани по Маллори (Frank В. Mallory, 1862—1941) в оригинальной модификации предложен в 1900 г:, а его видоизменение — азановый метод М. Гейденгайн ввел в 1915 г. Столь употребительная теперь нуклеиновая реакция по Фёльгену (Robert Feulgen, 1884—1955) предложена в 1923 г. Применение методов серебрения начало широко внедряться после работ Гольджи, первая из которых опубликована в 1873 г. Метод серебрения Бильшовского (М. Bielschowsky, 1869—11940) предложен в 1903—1904 гг. Метиленовый синий для исследования нервной системы вошел в употребление после работ А. С. Догеля (1852—1922) и А. Е. Смирнова (1859—1910), произведенных в казанской лаборатории К. А. Арнштейна (1840—1919) и опубликованных в 1887 г.

На фиксированных, нарезанных на микротоме и окрашенных тончайших срезах перед взором микроскопистов конца XIX в. открылся целый таинственный мир расцвеченных в различные цвета структур. И гистологи конца прошлого века с увлечением принялись описывать эти невиданные структуры, открывать все новые и новые детали тонкого строения клетки. Порой это были действительно важные структурные части, порой с таким же увлечением описывались артефакты, искусственные образования, вызванные действием фиксаторов или дальнейшей обработкой препарата.

Вся последняя четверть истекшего столетия прошла под лозунгом проникновения в детали тонкого строения клетки. Накапливается громадный материал, учение о строении клетки обособляется в самостоятельную ветвь биологии — цитологию. В то время как в начале XIX в. учение о клетке разрабатывалось отдельными учеными, теперь цитология разрабатывается многочисленными исследователями. Крупные открытия являются обычно результатом целого ряда работ, и выяснить долю участия отдельных ученых в разработке той или другой проблемы является делом подчас трудным, подчас и невозможным. Мы дадим в последующем изложении исторический очерк успехов цитологии, сосредоточив внимание только на некоторых проблемах.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: