Когда отступает фантастика

Некоторые же ученые, например профессор Анатолий Александрович Смородинцев, полагают, «что и сейчас в природе существуют древние формы свободно живущих неклеточных организмов — предки современных вирусов и клеточных микробов».

Вот, собственно, и все. Как говорится, осталось только поставить точку. Так бы я, наверно, и сделал, если бы очерк писался каких-нибудь полгода назад. Но жизнь идет вперед, а наука в своем развитии иногда делает такие повороты, которые не в силах предугадать не только писатели-фантасты, но и даже специалисты.

Чаще всего это случается тогда, когда ученые в результате технических открытий получают в свои руки новые методы исследования. Так, Левенгук, применив микроскоп для изучения живой природы, открыл мир микробов, о существовании которого никто в те времена и не подозревал.

Однако на этот раз все произошло несколько по-иному.

Двое московских ученых — микробиолог-почвовед Денис Иванович Никитин и специалист по электронной микроскопии вирусолог Стефан Борисович Стефанов в отличие от Левенгука пользовались в своей работе инструментом, теперь уже довольно распространенным и сравнительно хорошо освоенным биологами, — обычным электронным микроскопом, и тем не менее… Но сначала все-таки несколько слов о самом электронном микроскопе.

Как известно, самые малые предметы, различаемые человеческим глазом, имеют размер около 0,2 миллиметра. Для наблюдения более мелких частиц обычно прибегают к оптическим системам, позволяющим получить увеличенные изображения. Наиболее совершенные из них — световые микроскопы — дают возможность наблюдать структуры, которые в 2 тысячи раз меньше предметов, различимых невооруженным глазом. Спрашивается: можно ли при световой микроскопии добиться больших увеличений? Оказывается, можно. Но бесполезно. Бесполезно потому, что при этом не становятся видимыми какие-либо новые, более мелкие детали рассматриваемых объектов, а изменяется лишь масштаб изображения. Другими словами, разрешающая способность остается такой же, что и у системы с увеличением в 2 тысячи раз. Никакие технические усовершенствования тут не помогут, так как разрешающая способность микроскопов ограничивается самой природой света, длиной световой волны. При идеальных условиях самые лучшие оптические микроскопы позволяют наблюдать частицы размером около одной трети световой волны.

Для видимого света с длинами волн от 0,4 до 0,7 микрона это соответствует объектам размером не менее 0,2 микрона; для более коротких невидимых ультрафиолетовых лучей — объектам в 0,1 микрона.

Отсюда ясно, почему дальнейшее проникновение в мир малых объектов недоступно самым совершенным световым микроскопам. Ясно и другое, что в приборах, которые могут позволить рассмотреть более мелкие объекты, недоступные для обычного микроскопа, следует использовать лучи не световые, а какой-то иной природы, имеющие меньшую длину волны.

Таким прибором и является электронный микроскоп. В нем изображение исследуемых объектов получается с помощью электронных лучей. Длина волны пучка электронов в условиях безвоздушного пространства — вакуума — оказывается в 100 тысяч фаз более короткой, чем длина волн видимого света. В остальном же принципиальная схема электронного микроскопа не отличается от схемы микроскопа светового. Но здесь вместо оптических линз установлены особые, так называемые магнитные и электромагнитные линзы. Кроме того, электроны в этом микроскопе движутся в пустоте (вакууме), а изображение исследуемых объектов получается на специальном экране, почти таком же, как экран телевизора. Современные электронные микроскопы дают полезное увеличение более 100 тысяч раз, и с их помощью можно увидеть даже отдельные крупные молекулы.

Первый электронный микроскоп был сконструирован в 1932 году. Сделали это немецкие ученые Кнолл и Руски. Прошло всего семь лет, и в печати появились работы, в которых рассказывалось об исследованиях, проведенных при помощи электронного микроскопа. Освоение чудесного и загадочного мира ультрамалых объектов началось. Человеческий гений проник еще в одну область неизвестного. Однако впереди ученых ждали не только новые замечательные открытия и разгадки тайн природы, но и новые трудности, разочарования и поражения.

Особенно тяжело пришлось биологам. Прошло довольно много времени, прежде чем электронный микроскоп вошел в их лаборатории. Можно сказать, что только теперь биологи начинают со всей полнотой использовать этот прибор. В сотнях лабораторий, с необыкновенным упорством преодолевая бесконечные методические трудности и неудачи, под стук вакуумных насосов ученые создают новую главу биологии, главу, которая уже имеет свое название — электронная микроскопия биологических объектов.

Непосвященному человеку может показаться, что дело это не особо сложное, — ведь на помощь биологам пришел электронный микроскоп. Возьмите теперь любой микроорганизм, поместите в микроскоп и рассматривайте его строение вплоть до отдельных молекул. Тем более что лучшие марки электронных микроскопов дают возможность не только видеть отдельные крупные молекулы, но позволяют различать даже некоторые детали их строения. Так или примерно так может рассуждать человек, мало знакомый с электронной микроскопией. Но в действительности все обстоит значительно сложнее.

Допустим, мы взяли амеб. Обработали их специальными веществами (фиксаторами), которые убили клетки, но сохранили при этом их прижизненное строение.

Дальше следует длинный ряд всяческих манипуляций и ухищрений, в результате которых клетки, наконец, оказываются нанесенными на специальную сеточку с очень маленькими (100 микрон) ячейками.

Приготовленный таким путем препарат помещаем в электронный микроскоп.

Включаем вакуумные насосы и следим за приборами. Движение стрелки показывает, как создается в колонне микроскопа вакуум. Частички воздуха убираются с пути следования электронов. Но вот вакуум есть. Включаем электронную пушку (так называется та часть микроскопа, где помещается вольфрамовая нить, дающая под действием сильного тока пучок электронов).

Микроскоп работает, его экран светится, и на нем хорошо видно мутно-черное расплывшееся пятно неправильной формы, закрывающее почти все поле зрения. Что же это за пятно?

Как это ни печально, но мы видим клетку, ту самую амебу, детали строения которой так хотелось рассмотреть. Но о каких деталях строения здесь можно говорить, когда нельзя даже различить ядра клетки? Темное пятно! Мрак! Вот все, что мы видим. Клетка оказывается непроницаемой для электронного пучка. Она для этого слишком толста. «Позвольте, — скажете вы, — ведь ее толщина всего несколько микрон». Да, действительно, несколько микрон, всего несколько тысячных долей миллиметра, но для электронов это непреодолимая стена. Стена, поглощающая все электроны и, значит, не прозрачная для электронного пучка. Рассмотреть строение целой клетки в электронный микроскоп не удается. Нужно сделать отдельные срезы, разрезать амебу на тоненькие, прозрачные ломтики, причем толщина таких срезов должна быть 3000–4000 ангстрем, то есть составлять сотые доли микрона. Только в этом случае можно надеяться рассмотреть клеточные структуры и детали их строения.

Но когда мы имеем дело с такими мелкими существами, как вирусы, размеры которых обычно лежат за гранью разрешающей способности светового микроскопа, то их резать нет никакой необходимости: электронный микроскоп позволяет изучать вирусы в целом виде.

Стефан Борисович Стефанов работал с вирусами. Однако его не совсем удовлетворяла общепринятая методика электронно-микроскопического изучения этих объектов. Вирусы приходилось выделять из их среды обитания, очищать, фильтровать, и только в таком рафинированном виде они попадали в электронный микроскоп. Ученому же хотелось изучить вирусы в их естественной обстановке, как выражаются, биологи, в нативном состоянии. Оригинальная методика, дающая такую возможность, и была разработана Стефановым несколько лет назад. Работа с вирусами двинулась вперед, и увлеченный исследователь меньше всего думал о почвенной микрофлоре. Уж слишком далеко в стороне от сферы его научных интересов находилась эта область микробиологии.