САМОЕ БОЛЬШОЕ И САМОЕ МАЛЕНЬКОЕ
В прекрасный летний день вы идете на прогулку: купаетесь в речке, бродите по лесу, отдыхаете на лесной полянке.
Тихо шелестят деревья, щебечут птицы, журчат ручьи.
Мир, окружающий вас, полон различных красок и звуков.
С жужжанием от цветка к цветку перелетают пчелы, бесшумно порхают в воздухе мотыльки, ползают по земле муравьи, прыгают с ветки на ветку белки. Изредка промелькнет перед вашими глазами чем-то испуганная серо-зеленая ящерица, где-то вдали промычат коровы, загоняемые с поля на колхозную ферму, а вы все лежите и лежите на земле, устремив глаза в безоблачное голубое небо, наслаждаясь покоем и отдыхом.
Видимый простым глазом мир, окружающий вас, чудесен.
Начинает вечереть. Смеркается. Пора возвращаться домой.
В небе бесчисленными огоньками вспыхивают яркие звезды. Вот Большая Медведица, вот Млечный путь, а вот и планеты нашей солнечной системы. Красноватым цветом светит Марс, ярко сияет голубой Юпитер, мерцает в небе Полярная звезда.
Бесконечность — вот первое, что приходит вам в голову при виде этого величественного зрелища.
Огромные расстояния отделяют небесные тела друг от друга.
Велика скорость световых лучей, но и им нужны многие миллионы лет, чтобы дойти до нашей Земли.
Расстояния между небесными телами настолько велики, что их трудно измерять километрами. Эти огромные расстояния измеряют в других единицах — в световых годах.
Известно, что свет в межпланетном пространстве проходит со скоростью около трехсот тысяч километров в одну секунду. Расстояние, которое проходит свет в течение года, и условились называть световым годом.
Трудно представить себе, насколько велико расстояние между какой-нибудь звездой и Землей, если свет от иных звезд идет до нас миллионы световых лет.
Невооруженным глазом невозможно рассмотреть такие далекие миры.
На помощь людям приходят телескопы — гигантские зрительные трубы. С их помощью открыты многие невидимые простым глазом звезды, горы на Луне, солнечные пятна, спутники планет.
Это мир больших величин, мир гигантов, мир, который мы, несмотря на огромные расстояния, можем рассмотреть в зрительные трубы и телескопы.
Но кроме того мира, который мы видим простым глазом и в телескопы, существует еще и другой мир. Это мир ничтожно малых величин, невидимых ни простым глазом, ни в самые мощные телескопы. Ничтожные по своим размерам бактерии, молекулы различных химических веществ, очень тонкие, нежные клетки нервной системы, микроскопические кристаллы металлов и сплавов не различимы простым глазом.
Их можно увидеть только в особые приборы — микроскопы.
Но человечество узнало о мире ничтожно малых величин — микромире — сравнительно недавно.
ВОЛШЕБНЫЕ СТЕКЛА
В семнадцатом веке в Голландии жил человек по фамилии Левенгук. Он работал привратником городской ратуши, то-есть был кем-то вроде сторожа в учреждении, управлявшем городом Дельфтом, и одновременно торговал мануфактурой.
В свободное время Левенгук занимался тем, что шлифовал увеличительные стекла (линзы). В этом искусстве он достиг высокого совершенства. Он шлифовал свои стекла очень тщательно. Ему хотелось добиться все большего и большего увеличения предметов, которые можно было бы разглядывать через линзы.
В конце концов Левенгук отшлифовал линзы настолько точные и симметричные, что смог увидеть с их помощью мельчайшие предметы в сказочно ясном и увеличенном виде.
Это были поистине волшебные стекла. Через них Левенгук заглянул в новый мир, куда до него не мог проникнуть взором ни один человек.
Он увидел мельчайшие живые существа, названные нм «зверюшками». «Зверюшки» были очень забавны, чрезвычайно подвижны и разнообразны. Были и круглые, как шарики, и вытянутые в длинные нити, и спиралеобразные. Некоторые из них беспрестанно и быстро двигались в различных направлениях, другие же были неподвижны.
Этих «зверюшек» Левенгук увидел и в капле воды из лужицы, и в кусочке грязи с подошвы ботинок, и даже в налете со своих зубов. Он с большим интересом рассматривал в свои увеличительные стекла этих забавных «зверюшек» и зарисовывал их.
Волшебные стекла Левенгука давали увеличение в 100–150 раз. Левенгук рассматривал через них блошиные лапки, волоски гусениц, прозрачные пленки хвоста головастика и многое другое.
Через линзы Левенгук видел на блошиных лапках огромные когти, волоски гусениц были похожи на толстые морские канаты, а в хвосте головастика он обнаружил тоненькие трубочки, по которым текла холодная лягушечья кровь.
Левенгук увидел в свои волшебные стекла мельчайшие живые существа. Одни из них были с подвижными отростками, другие со странными ножками-щупальцами, а у третьих быстро колебались тысячи тончайших ножек- ворсинок.
Все эти существа (амебы, туфельки и другие инфузории) двигались, ловили добычу, переваривали ее, размножались и умирали.
Это был новый чудесный мир, который кишел около человека, но был незаметен и невидим простым, невооруженным глазом.
В свои линзы Левенгук сумел разглядеть, как ему тогда казалось, менее интересные, почти неподвижные палочки и изогнутые тельца.
Это были микробы. И именно они-то и оказались впоследствии самым важным и интересным из всего того, что увидел Левенгук в свои волшебные стекла.
Но об этом люди узнали только спустя двести лет после открытия Левенгука, когда ученые стали разглядывать микробов не в простые увеличительные стекла, а в сложные приборы — микроскопы.
Так человечество узнало о том, что, кроме привычного видимого мира, где шумели деревья, расцветали цветы, где резвились птицы, летали и ползали насекомые, существуют и другие миры как части единого целого.
В одном из этих миров в громадном безвоздушном пространстве с бешеной скоростью несутся звезды и планеты.
Другой мир, обступающий людей вплотную, кишит мельчайшими живыми существами, природа и деятельность которых не ясна и не разгадана.
Ученые заинтересовались этим микроскопическим миром. Они построили микроскопы — приборы, более совершенные, чем линзы Левенгука, и с их помощью стали изучать неведомые доселе организмы.
РАЗГАДКА ВОЛШЕБНОГО СТЕКЛА
В чем же тут дело? Почему обычное плоское стекло не увеличивает рассматриваемый предмет, а кривое стекло — линза — его увеличивает во много раз? Почему волшебные стекла Левенгука увеличивали предметы, которые невозможно рассмотреть простым глазом?
Весь секрет заключается в так называемом угле зрения. Что же это за угол? Углом зрения принято называть угол, который составляют две прямые, проведенные к глазу от крайних точек рассматриваемого предмета.
Допустим, что мы рассматриваем яблоко. Линии, проведенные от верха и от низа яблока, сходятся в нашем глазу под каким-то углом. Этот угол и называют углом зрения. Чем ближе от глаза находится рассматриваемый предмет, тем угол зрения будет больше. Наоборот, чем дальше расположен предмет, тем меньше угол зрения.
Углы, как известно, измеряются градусами, минутами и секундами. Полная окружность составляет развернутый угол в 360 градусов. Прямой угол равен 90 градусам. Каждый градус можно разделить на еще меньшие углы — минуты. Условились за минуту принимать угол, равный одной шестидесятой доле градуса.
Тут интересно следующее обстоятельство. Оказывается, что мы не можем увидеть простым глазом ни одного предмета, если угол зрения меньше одной минуты. Одна минута — это предел для нашего глаза.
Представьте себе обыкновенную пятнадцатикопеечную монету. Поперечник (диаметр) монеты в пятнадцать копеек равен 20 миллиметрам.
Возьмем эту монету в руку и отнесем ее от глаза на расстояние четверти метра. Мы ее отлично видим — угол зрения большой.
Попросим кого-нибудь отнести монету на большее расстояние. Она будет все уменьшаться и уменьшаться. Монета как бы тает на наших глазах. Вот она уже на расстоянии 10 метров и кажется совсем, совсем маленькой. Это значит, что уменьшился угол зрения, угол между двумя воображаемыми прямыми, проведенными в наш глаз с верха и с низа монеты.
Геометрия учит, что предмет, удаленный на расстояние, в 57 раз большее его поперечника, должен представиться наблюдателю под углом зрения в один градус.
Если произвести вычисления, то окажется, что мы будем смотреть на нашу пятнадцатикопеечную монету под углом в один градус уже и тогда, когда она удалена от нас на расстояние всего лишь немногим больше одного метра.
Как только угол зрения станет меньше одной минуты, мы совсем потеряем монету из виду.
«Но при чем же тут волшебные стекла Левенгука?» спросит читатель.
Оказывается, что световые лучи, проходя через выпуклое стеклышко — линзу, преломляются и увеличивают угол зрения. Поэтому невидимый предмет через линзу становится отлично видимым.
Гранильщики драгоценных камней, вышивальщицы тончайших узоров на тканях, часовых дел мастера, резчики художественных изделий из слоновой кости — все это люди с очень зоркими глазами. Их наметанный глаз способен различать мельчайшие детали рисунка, недоступные другим. Но даже и эти «сверхзоркие» люди не могут увидеть предметы размером меньше одной десятой доли миллиметра.
Схема преломления лучей: вверху — в невооруженном глазу, внизу — в лупе.
Если такие маленькие предметы приблизить к глазам почти вплотную, то все равно ничего не увидишь. Это потому, что угол зрения будет меньше одной минуты.
Но стоит только между предметом и глазом поместить линзу, как угол зрения сразу же увеличивается, и рассматриваемый предмет будет отлично виден.
Чтобы прочесть книгу, напечатанную мелким шрифтом, мы приближаем ее к нашим глазам. Благодаря этому увеличивается угол зрения, под которым мы видим буквы. Но как бы близко мы ни приближали к нашим глазам каплю воды с плавающими в ней микробами, мы ничего не увидим. Эти мельчайшие живые существа останутся недоступными для нашего зрения.
И все это потому, что лучи света, отраженные от них, падают в наш глаз под углом зрения в сотые и тысячные доли минуты.
Только при помощи увеличительных стекол, преломляющих световые лучи и увеличивающих угол зрения, под которым видны рассматриваемые предметы, удалось увидеть микробы и другие мельчайшие предметы.
Это объясняется устройством нашего глаза. Отраженный от предмета свет попадает на сетчатку глаза. Сетчатка состоит из нервных окончаний — палочек и колбочек, чувствительных к свету. Если свет на сетчатку попадает под углом зрения, меньшим чем одна минута, то возбуждается только небольшое количество нервных клеток глаза, и мы видим вместо предмета одну точку. При еще меньших размерах предмета мы не видим даже и точки.
Мельчайшие предметы совершенно ускользают от нашего зрения, и единственное средство для того, чтобы их рассмотреть, — это увеличение угла зрения.
ПЕРВЫЕ НАХОДКИ
Левенгук добился того, что смог одной линзой увеличивать изображение предмета в десятки раз.
Если же взять несколько хорошо отшлифованных и точно сделанных линз и расположить их одну над другой, то изображение предмета можно увеличить еще больше.
В сложных оптических приборах — микроскопах — путем подбора линз удалось добиться увеличения изображений предметов в 1500–2000 раз[1]. Все более и более мелкие живые организмы и частицы становились доступными для изучения.
Изобретение оптического микроскопа, с помощью которого можно было наблюдать и изучать предметы, недоступные невооруженному глазу, помогло расширить представление о живой и мертвой природе, окружающей нас.
Оптический микроскоп позволил изучить тонкое строение клеток растений и животных, строение минералов, металлов и их сплавов. В оптический микроскоп были рассмотрены невидимые простым глазом тончайшие ответвления нервных волокон и кровеносных сосудов. С помощью оптического микроскопа были открыты микробы туберкулеза, холеры, брюшного тифа, дизентерии, сапа и других заболеваний.
Оказалось, что эти опасные для жизни болезни вызывались ничтожными «зверюшками», наподобие тех, которых видел Левенгук в свои увеличительные стекла.
Эти мельчайшие существа были живыми. Они двигались, питались, быстро размножались и убивали выделяемыми ими ядами — токсинами — организмы человека и животных.
Формы бактерий.
Крошечные убийцы были открыты учеными, которые изучили условия их жизни и нашли способы борьбы с ними.
Удалось создать такие лекарственные вещества, которые уничтожают микробов. Были разработаны точные методы обнаружения заболеваний.
До этих открытий трудно было распознавать болезни. Заболел человек. Поднялась температура. Началась рвота. А в чем дело, неизвестно. И лишь тогда, когда были открыты возбудители заболеваний (микробы), люди научились быстро распознавать болезни и бороться с ними.
Сотни тысяч человеческих жизней были спасены благодаря изобретению оптического микроскопа.
НОВАЯ ТАЙНА НЕВИДИМОГО МИРА
Однако все попытки обнаружить возбудителей некоторых других заразных (инфекционных) болезней не давали никаких результатов.
Страшная болезнь бешенство, некоторые виды энцефалита, оспа, корь, грипп и другие инфекционные заболевания изучались многими видными учеными.
Но никаких возбудителей этих болезней ученым обнаружить не удалось. А люди болели и умирали.
Оптические микроскопы были бессильны показать ученым тот таинственный мир, в котором скрывались невидимые, мельчайшие микробы. Туберкулезную палочку, холерного вибриона и многих других страшных микробов помог изучить исследователям оптический микроскоп.
Но показать ученым бациллы бешенства, оспы, энцефалита, гриппа было не в его силах. А может быть, их и нет совсем, этих бацилл? Может быть, это одна лишь фантазия, выдумка настойчивых ученых, почему-то видевших во всех заразных болезнях одну единственную причину — микробов?
И многие жрецы науки в бессилии разводили руками и пожимали плечами. Может быть, действительно, думали они, напрасно мы ищем того, чего нет! Может быть, на самом деле болезни, возбудителей которых мы не можем обнаружить, вызываются какими-то другими причинами, а не микроорганизмами? Может быть, причину многих страшных болезней, уничтожающих человечество, следует искать в божьем гневе?
Русский ученый Д. О. Ивановский был не согласен с этим мнением. Одновременно с ним работал другой русский ученый, микробиолог Н. Ф. Гамалея. В 1856 году он произвел опыт, доказывавший существование мельчайших, невидимых в оптический микроскоп микробов. Гамалея пропустил кровь зараженного чумой животного через специальный мелкопористый фильтр, не пропускающий бактерий. Жидкость, которая просочилась через этот фильтр, была впрыснута Гамалеей здоровому теленку. Теленок заболел чумой. Отсюда Гамалея сделал вывод, что профильтрованная жидкость, хотя и была свободна от микробов, которые не смогли пройти сквозь поры фильтра, все же содержала какое-то невидимое под микроскопом заразное начало. Ивановский упорно искал невидимых даже в оптический микроскоп крохотных убийц и в конце концов напал на их след. Ивановский разгадал эту новую тайну невидимого мира.
ОТКРЫТИЕ РУССКОГО УЧЕНОГО
Как же сделал Ивановский свое замечательное открытие, которому суждено было сыграть в дальнейшем столь большую роль в науке?
Ивановский был не врачом, а ботаником. Он всю жизнь возился с растениями и, кроме них, ничем не занимался.
Д. О. Ивановский.
В 90-х годах прошлого столетня в Крыму появилась ужасная болезнь, поражавшая растения. От этой болезни гибли большие плантации, занятые посевами табака. На листьях табака появлялись какие-то странные язвы. Табак погибал.
Молодого ботаника Ивановского послали в Крым изучить эту болезнь. Болезнь растений, носившая название «табачной мозаики», была в самом разгаре. Ивановский произвел множество опытов, но возбудителя заболевания ему обнаружить долго не удавалось.
Тогда Ивановский предположил, что заболевание вызывается токсинами — ядами, которые выделяются бактериями. Токсины можно отделить от бактерий, процедив раствор, в котором они находятся, через мелкопористый фильтр.
В одном из своих опытов Ивановский растер несколько больных листьев табака в кашицу и разбавил ее водой. Потом он профильтровал полученный раствор через фильтр, не пропускающий бактерий.
Если это заболевание вызывается бактериями, рассуждал Ивановский, то они должны задержаться фильтром. Профильтрованная же вода будет содержать только выделяемое бактериями ядовитое начало — токсин.
Ивановский впрыснул изрядную дозу профильтрованного раствора в совершенно здоровое растение. Оно заболело.
Можно было подумать, что в соке больного растения и в самом деле содержится какой-то токсин, способный вызвать заболевание. А может быть, все-таки это был не токсин, а что-то другое? Как это доказать?
Ивановский повторил опыт. Он растер в кашицу листья вновь заболевшего растения и, снова профильтровав сок, впрыснул его в другое здоровое растение, ранее никогда не болевшее.
Это растение также заболело, причем даже скорее, чем первое.
Ивановский переносил заболевание от одного растения к другому, пытаясь найти такую дозу токсина, которая была бы безвредна для растений.
Ведь токсин (если это был он!) каждый раз разбавляется соком следующего растения. Его должно становиться все меньше и меньше с каждой прививкой. В конце концов он должен разбавиться настолько, чтобы уже не вызывать заболевания. А получалось обратное — сок растений все время усиливал свою способность вызывать заболевание.
Странная история, думал Ивановский: вместо того чтобы ослабевать в своей силе, растворяясь все больше и больше в каждом последующем растении, токсин делается еще более ядовитым!
Нет, это не токсин, решил Ивановский, а какие-то мельчайшие микробы, которые пролезают через поры фильтра и все время размножаются.
Эти ничтожные из ничтожных представители животного мира были названы вирусами. Вирусы не росли на тех питательных средах (бульон, агар-агар), на которых с успехом живут и размножаются обычные, видимые в оптический микроскоп микробы.
Как потом оказалось, вирусы питаются, растут и размножаются внутри клеток организмов, в которых они паразитируют.
Элементарные тельца в клетке.
Поэтому воздействовать на вредные вирусы, уничтожить их гораздо сложнее, чем обычных микробов.
Фарфоровые фильтры, которые задерживают разведенных в воде обычных микробов, пропускают через свои мельчайшие поры открытые Ивановским вирусы. Так малы эти созданные природой ничтожные организмы!
Ученые — микробиологи не сразу поверили в это открытие. Но целой серией блестящих опытов Ивановский подтвердил свою гениальную догадку. Он сделал поистине великое дело: открыл невидимых в оптический микроскоп мельчайших из самых мелких микробов и создал новую науку — вирусологию. Недаром Ивановского называют отцом вирусологии.
В ПОГОНЕ ЗА НЕВИДИМКАМИ
С этого дня началась погоня за вирусами.
Ученые открывали один вирус за другим. Их оказалось немало. В настоящее время открыто около двухсот вирусов, вызывающих различные заболевания человека, животных и растений.
Отвратительная болезнь, оставляющая на лице человека следы на всю жизнь, — оспа, бешенство, от которого люди раньше умирали в. девяноста случаях из ста, вызываются вирусами. Они же являются причиной различных видов энцефалита — воспаления головного мозга, от которого редко излечивались люди, гриппа, свинки, кори, чумы собак, свиней и рогатого скота, ящура и многих других заболеваний.
Трудно даже представить себе, как ничтожно малы эти маленькие зверьки — вирусы.
Эти мельчайшие живые существа, попав в организм человека, через короткое время валят его с ног и убивают.
Ивановскому так и не удалось увидеть открытые им вирусы. В 90-х годах прошлого столетия, когда он жил и трудился, не было еще электронных микроскопов, которые бы подтвердили правильность его открытия. А самые лучшие оптические микроскопы были бессильны показать исследователям таинственных невидимок.
Эти загадочные возбудители опасных болезней ускользали от глаз ученых и продолжали творить свое черное дело.
Словно боясь, что их поймают и уничтожат, вирусы прятались от взоров человека где-то в темных и таинственных глубинах невидимого мира. Прятаться им помогали чрезвычайно малые их размеры.
Много усилий было потрачено на то, чтобы определить хотя бы приблизительную величину таинственных невидимок. Это была очень трудная задача. Подумать только: определить размеры микробов, невидимых даже в микроскопы!
И все-таки ученые определили приблизительные размеры этих ничтожных существ.
Раствор, в котором, как предполагалось, были вирусы, процеживали через пористые фильтры. Размер пор фильтров точнейшим образом измеряли всеми доступными способами. Если профильтрованный раствор вызывал заболевание, значит вирус проходил через фильтр и его величина была меньше, чем размеры пор фильтра.
Таким косвенным путем были измерены вирусы. Оказалось, что они имеют величину от нескольких миллионных до двух десятитысячных долей миллиметра.
Только самые крупные вирусы, размером около 0,0002 миллиметра, можно было кое-как рассмотреть в оптические микроскопы. Таких «крупных» вирусов оказалось немного. Остальные были недоступны для наблюдения.
Вирусы меньше чем в 0,0002 миллиметра в оптический микроскоп увидеть нельзя.
СЕКРЕТ ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
Почему же через оптический микроскоп нельзя увидеть частицы, меньшие 0,0002 миллиметра?
Казалось бы, что чем больше линз в микроскопе, тем все большие и большие увеличения рассматриваемых предметов можно от него получить.
Если несколько штук линз дают увеличение до 2000–3600 раз, то, может быть, можно поставить их вдвое больше? Тогда мы сможем увидеть предметы и меньшие по размерам чем 0,0002 миллиметра?
Но это не так. У оптического микроскопа оказался предел, «потолок» его возможностей, выше которого «прыгнуть» было нельзя.
Больше чем в 2000–3600 раз оптический микроскоп не может увеличивать изображения предметов. Тут не поможет никакая даже самая точная полировка увеличительных стекол. Не поможет ни удвоенное, ни утроенное количество линз. Можно громоздить одну линзу на другую, придумывать всяческие ухищрения, но есть граница, переступить которую оптический микроскоп не в силах. И дело тут совсем не в линзах.
В оптический микроскоп нельзя видеть предметы, размеры которых меньше 0,0002 миллиметра. И как ни странно, в этом виноват свет. Тот самый свет, который позволяет нам видеть окружающий нас мир! В чем же тут дело?
Почему свет ставит предел видимости оптического микроскопа? Почему же свет мешает видеть?
Сам этот вопрос как-то странно звучит. Все мы знаем, что видеть предметы нам мешает темнота, а вовсе не свет.
Это верно, конечно, если мы говорим о видимости больших предметов. Это верно и тогда, когда разговор идет о частицах размером более чем 0,0002 миллиметра.
Крупные предметы мы отлично видим невооруженным глазом, а мелкие — через лупу или в микроскоп.
Но частицы более мелкие чем 0,0002 миллиметра невидимы и в самый лучший оптический микроскоп.
Мы уже сказали, что в этом виноват свет. В чем же его вина? В чем же заключается эта странная загадка световых лучей?
Для того чтобы разгадать это на первый взгляд непонятное явление, надо разобраться в том, что такое световые лучи, что такое световые волны.
ВОЛНЫ-ГИГАНТЫ ВОЛНЫ-КАРЛИКИ
Бросьте небольшой камешек в зеркальную гладь тихого озера. От места падения камня кругами разойдутся волны. Расстояние между верхушками (гребнями) этих кругов называют длиной волны.
Волны бывают разной длины. Вот перед вами берег моря. Грозные валы серо-зеленой воды, пенясь и рыча, обрушиваются на берег. С шумом ударяются волны о камни, разбиваются и бурлят. Расстояние между гребнями этих бушующих волн два-три метра.
Во время бури морские волны еще длиннее. Расстояние между двумя соседними гребнями волн доходит до 200 метров. Высота их от гребня до впадины достигает высоты трехэтажного дома, и двигаются они со скоростью пассажирского поезда.
Водяные волны — это колебания частиц воды, звуковые — воздуха.
Кроме водяных и воздушных, в природе существует много других волн.
Включите радиоприемник. Вы услышите голос: «Внимание, внимание! Говорит Москва на волне 1744 метра».
О каких волнах говорит диктор? Очевидно, о радиоволнах.
Радиоволны мы не видим и не слышим, но они существуют так же реально, как волны в воде или в воздухе. Радиоволн очень много вокруг нас, но без радиоприемника мы их обнаружить не можем.
Тепловые волны нельзя видеть, нельзя слышать, но их можно ощущать.
Световые лучи — это тоже волны, но только очень- очень маленькие. Длина волн света меньше, чем длина радиоволн и тепловых лучей.
Длина волны красных лучей — около 0,0008 миллиметра, или, коротко говоря, 0,8 микрона (микрон — 0,001 миллиметра). Волны желтых, зеленых и синих лучей еще короче. Волны фиолетовых лучей самые короткие — длина их 0,4 микрона. Наш глаз еще воспринимает эти крохотные волны.
Но более короткие волны (ультрафиолетовые лучи) человеческий глаз не видит.
Так уж он устроен.
И все-таки эти невидимые глазом волны существуют. Они вызывают на теле человека красивый коричневый загар.
Еще более короткие волны, известные нам, — это рентгеновские лучи, затем гамма-лучи радия и космические.
В оптическом микроскопе используются видимые лучи света.
Видимые световые лучи (белый свет) — это смесь волн длиной от 0,8 до 0,4 микрона.
Какая же материя колеблется, создавая световые волны?
Световые волны особые. Это колебания электрических и магнитных сил. Поэтому и сами световые волны называются электромагнитными.
Они одной природы с радиоволнами, только гораздо короче их. Радиоволны измеряются километрами и метрами, а световые — десятитысячными долями миллиметра — долями микрона.
Световые волны — это «волны-карлики».
Когда мы пользуемся микроскопом, то посылаем пучок световых лучей (волн) на рассматриваемый предмет.
Световые волны отражаются от предмета и через несколько линз попадают в наш глаз. Глаза видят в увеличенном виде освещенный световыми волнами предмет.
Так обстоит дело, когда предмет, рассматриваемый в микроскоп, имеет размер не меньше 0,0002 миллиметра.
От предмета меньших размеров световые волны не отражаются. Они проходят мимо предмета, как бы не желая его замечать.
Это странное поведение световых волн объясняется тем, что длина их больше размеров предмета. Вместо того чтобы упасть на предмет и отразиться, световая волна, как говорят, огибает его[2].
Впрочем, так же ведут себя и волны-гиганты. Представьте себе волнующееся море или озеро. По поверхности воды ровными валами бегут волны. Волны с силой бьют о берег и откатываются назад.
Но вот вы видите на пути волны большой подводный камень, возвышающийся над поверхностью воды.
Волны, не достигнув берега, ударяются об этот камень и отскакивают назад, отражаются от него.
Они будут всегда отражаться от камня, если его размеры больше расстояния между гребнями двух соседних волн.
Волны с шумом ударяются о камень, разбиваются и бурлят. А позади камня поверхность воды спокойна и невозмутима. Большой камень как бы отбрасывает позади себя тень.
А вот недалеко от большого камня лежит камешек поменьше. Размеры этого камешка небольшие. Они во много раз меньше длины волны.
Маленький камень не мешает распространению волн и не отбрасывает позади себя тени.
Волны, как бы не «заметив» маленького камешка, пройдут мимо него и выплеснутся на берег.
Они продолжают бежать, словно на их пути ничего нет.
Так же ведут себя и световые волны.
Световая волна отражается от всех предметов, размер которых больше, чем ее длина.
Маленькие же предметы, размер которых равен или меньше чем половина длины световой волны, отражения не дают. Как и волны воды, световые волны огибают предмет, проходя мимо него.
Значит, мы эти предметы и не увидим в обычный оптический микроскоп, как бы точно ни шлифовали линзы и ни увеличивали их число.
Никакая новая линза здесь не поможет.
Предмет защищен от взора человека непроницаемой защитой — своим размером.
Чтобы проникнуть в тайны невидимого мира и построить микроскоп, который мог бы «видеть» частицы размером меньше 0,0002 миллиметра, нужны какие-то другие волны.
Эти волны должны быть намного короче световых волн. Их длина должна быть гораздо меньше, чем размер частиц, которые мы хотим рассматривать. Например, чтобы рассмотреть молекулы или загадочные вирусы, нужны волны, в сотни раз более короткие, чем волны видимого света.
Где же взять такие крохотные волны?
Не помогут ли нам рентгеновские лучи? Длина их волн в сотни и тысячи раз короче длины волн видимого света. Хотя рентгеновские лучи и невидимы, но зато они отлично действуют на фотопластинки. С их помощью можно было бы сфотографировать предметы, в сотни и тысячи раз меньшие, чем при помощи видимого света.
Но оказывается, что с рентгеновскими лучами ничего не получится. Пока еще неизвестны материалы, из которых можно было бы сделать линзы для рентгеновских лучей. Длина их волн так мала, что они проходят любое вещество, не преломляясь.
Что же делать? Как будто бы нет никакого выхода. Как будто мы никогда не сможем увидеть мельчайшие частицы и познать тайны невидимого мира.
Но физики решили этот, казалось бы, неразрешимый вопрос. Они искусственно создали волны, в тысячи и сотни раз более короткие, чем волны света.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛНЫ
Все мы слышали слово «электрон». Электроны — это мельчайшие частицы материи. Меньших частиц материи мы пока не знаем.
Электроны замечательны еще и тем, что они несут с собой заряды отрицательного электричества.
Электроны распространяются по проводам и накаливают тоненькую проволочку в электрической лампочке. Они же нагревают спираль электроплитки. Электроны работают в усилительных лампах наших радиоприемников.
Электроны всюду. Они могут быть и неподвижными и двигаться с огромной скоростью в любых направлениях. Но что самое интересное, так это способность электронов распространяться волнами. Это очень важное свойство электронов.
Длина электронных волн зависит от скорости движения электронов. Чем больше скорость электронов, тем короче электронные волны. При очень большой скорости электронов длина их волн будет настолько коротка, что волны «отзовутся» на самое ничтожное препятствие, на самый мельчайший предмет, стоящий на их пути.
По сравнению с крохотными электронными волнами вирусы, эти пигмеи из царства невидимых живых существ, огромны. И если на пути электронной волны окажутся вирусы или любые другие частицы столь же ничтожных размеров, электроны не смогут миновать их, не изменив направления своего полета.
Длина волн электронов, разогнанных электрическим напряжением в 50 тысяч вольт, составляет не более 0,000000005 миллиметра. Это в 20 раз меньше, чем размер атома!
Электронные волны дают возможность рассматривать предметы, в сто раз меньшие чем те, которые удается разглядеть в обычные микроскопы.
В микроскопах с электронными волнами, или, как их называют, электронных микроскопах, можно добиться увеличений в сотни тысяч раз.
Невооруженным глазом с трудом можно различить две точки, расстояние между которыми менее 0,1 миллиметра.
Обычные оптические микроскопы дают возможность различить две точки, расстояние между которыми составляет 0,0002 миллиметра.
С помощью же электронного микроскопа можно исследовать предметы, крайние точки которых расположены друг от друга всего на 0,000001 миллиметра. Так велика «разрешающая сила» электронного микроскопа.
Теоретически подсчитано, что посредством электронного микроскопа можно добиться еще больших увеличений.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Но как же использовать электронные волны в микроскопах? Ведь эти ничтожные по размерам волны сами по себе невидимы! Человеческий глаз не видит ни электронов, ни их волн. Но он может видеть действие электронных волн на фотопластинку или на особые вещества, которые светятся, когда на них падает поток электронов.
Можно создать искусственные глаза, которые «видят» электронные лучи так же хорошо, как человеческие глаза видят лучи света.
Искусственный глаз устроен несложно. Это пластинка, покрытая сернистым цинком или виллемитом — веществами, светящимися под действием ударяющихся о них электронов.
Микроскоп, в котором использованы электронные волны, называют электронным.
ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
В обычном, оптическом микроскопе для освещения рассматриваемых предметов пользуются специальным осветителем с электрической лампочкой.
В электронном микроскопе для той же цели служит электронная пушка. Эта пушка «стреляет» электронами.
Как же устроена эта оригинальная пушка?
Весь ее «боекомплект» состоит из коротенького кусочка вольфрамовой проволоки, раскаляемой электрическим током.
Как и всякое нагретое до высокой температуры тело проволока излучает электроны, которые притягиваются металлической пластинкой (анодом), заряженной положительно.
Анод радиолампы состоит из сплошной пластинки, а анод электронной пушки в центре имеет маленькую дырочку, через которую вылетают электроны. В обычных радиолампах наших широковещательных приемников напряжение между накаливаемой нитью лампы и анодом редко превышает 300 вольт. В электронной же пушке современного советского микроскопа напряжение не ниже 30–50 тысяч вольт. Чем выше напряжение между вольфрамовой проволочкой и анодной пластинкой, тем больше скорость электронов.
С громадной скоростью электроны, выстреливаемые из пушки, проскакивают через отверстие в анодной пластинке и по инерции летят вниз. Там, внизу, электроны попадают в линзы. Это не обычные линзы. Они совсем не похожи на стеклянные увеличительные стекла.
Линзы в электронном микроскопе представляют собой… пустоту.
И эти пустотные линзы отлично преломляют электронные волны, сводят их в пучки, подобно тому как увеличительное стекло собирает лучи света в одну точку.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЛИНЗЫ
Что же это за странные линзы, сделанные из «ничего»?
Дело в том, что между световыми и электронными волнами есть большая разница. Электроны обладают электрическим зарядом. Движущиеся электроны — это электрический ток. На всякий электрический ток действует магнит. Световые волны заряда с собой не несут, и поэтому магнит на них не действует. Когда луч света проходит через стеклянную линзу, то он меняет свое направление, преломляясь под воздействием атомов стекла.
Летящие же электроны могут отклониться от первоначального пути, попав либо в электрическое, либо в магнитное поле.
В советском электронном микроскопе пользуются магнитным полем. Поэтому пустые линзы электронного микроскопа представляют собой катушки из проволоки, создающие магнитное поле. Эти катушки устроены почти так же, как обычные катушки для ниток. Но вместо ниток на гильзы катушек намотана медная изолированная проволока.
Когда по виткам катушки проходит электрический ток, то создается магнитное поле. Это магнитное поле и воздействует на поток быстро летящих электронов внутри катушки. Магнитное поле, создаваемое катушкой, собирает электроны в узкие пучки, подобно тому как стеклянная линза собирает лучи света в одну точку.
Первая линза — конденсорная — собирает, или, как говорят, конденсирует, электроны, выстреливаемые из электронной пушки, в узкий пучок и, подобно лучу прожектора, нацеливает их на изучаемый предмет.
Но можно ли, например, назвать предметом немыслимо крошечные точки вирусов или молекулы какого- нибудь металла? Как их укрепить внутри микроскопа?
Они наносятся на тончайшую пленку из коллодия или другого лака. Электроны проходят через пленку насквозь, пробивают ее, как пули, навылет. Но часть электронов натыкается при своем полете на мельчайшие тельца вирусов или молекул и рассеивается по сторонам.
Длина электронной волны очень мала. Она намного меньше тех крошечных частиц, которые исследуются под микроскопом. Поэтому электронная волна отражается от этих частиц и рассеивается в стороны. Электронная волна не огибает этих крошечных частиц. Она «замечает» столь безмерно малые предметы. Пройдя изучаемое вещество, электроны попадают во вторую магнитную линзу. Эта линза называется объективной. Она дает первое изображение, как бы начальную зарисовку сильно увеличенного предмета.
Третья магнитная линза — проекционная — увеличивает изображение еще больше. Проекционная линза отбрасывает электроны на фотопластинку или на экран, покрытый веществом, светящимся под их ударами.
Электроны, ударяющиеся об экран, вызывают на нем маленькие зеленоватые вспышки света.
Но не все электроны попадают на экран. Некоторые электроны, вылетевшие из электронной пушки и попавшие в первую магнитную линзу, рассеиваются, встретив на своем пути изучаемый предмет.
Эти электроны на экран (или на фотопластинку вместо экрана) уже не попадают. В результате экран светится неравномерно. В тех местах экрана, в которые ударились электроны, будут вспышки света, а куда электроны не попали — тень.
Но в различных участках изучаемого предмета электроны рассеиваются по-разному. Там, где предмет толще или плотность его выше, электронов рассеется гораздо больше.
Меньше всего рассеивает электронов тончайшая пленочка, на которую наносится изучаемый предмет или вещество. Пленка пропускает электронов больше всего. Электроны «простреливают» ее навылет.
Те точки экрана, куда попадает большее число электронов, светятся сильнее. Те точки, в которые электронов попадает мало, светятся гораздо слабее. Точки экрана, в которые вовсе не попадает ни одного электрона, остаются совершенно темными.
Так в игре Света различной яркости и тени возникает перед нашими глазами изображение предмета, увеличенное в десятки и сотни тысяч раз.
Чтобы изображение предмета на экране получилось правильным, а не искаженным, электроны, прошедшие изучаемый предмет, больше уже не должны нигде рассеиваться. Ничто не должно мешать их свободному полету от предмета к экрану. А ведь лететь им предстоит еще далеко. До экрана почти метр пути. Мало ли что может случиться с электроном!
Электрон, пройдя изучаемый предмет, может натолкнуться на молекулу воздуха. В результате такого столкновения пострадают и молекула и электрон. Судьба молекулы воздуха нас сейчас мало интересует. Гораздо важнее, что произойдет от такого удара с электроном.
Электрон при ударе о молекулу воздуха отскочит в сторону и на экран не попадет. Поэтому изображение предмета будет искаженным.
Чтобы этого не произошло, с пути электронов удаляют воздух насколько это возможно. Во время работы электронного микроскопа вакуумный насос все время выкачивает воздух из прибора. Там остается совсем немного молекул воздуха.
Вероятность столкновения электронов с этими молекулами ничтожна.
Давление еще остающегося в приборе воздуха в сто миллионов раз меньше, чем нормальное давление атмосферы. При таком разрежении электроны свободно летят до экрана, почти не сталкиваясь с молекулами воздуха на всем своем длинном пути.
Схема действия микроскопов: слева — электронного, справа — оптического.
Мы сказали, что этот путь длиной около метра. Разве это так много?
Понятие о большом и малом очень условно. Нам, людям, путь в один метр кажется маленьким. Для электронов же это огромная величина.
Ведь размер электрона так немыслимо мал! Если представить электрон в виде шарика (его истинная форма до сих пор неизвестна), то диаметр этого шарика будет всего лишь несколько биллионных долей миллиметра.
Если электроны вытянуть в цепочку, то в одном миллиметре их уложится несколько сотен миллиардов штук. Вот насколько мал электрон!
Поэтому путь длиной в один метр для электрона колоссально велик. Это все равно, что футбольному мячу пришлось бы лететь расстояние в десятки миллиардов километров.
Быстро пролетать огромный для электронов путь помогают им их гигантские скорости.
Скорость электронов зависит от того, какое напряжение приложено к нити и анодной пластинке электронного микроскопа. Чем больше это напряжение, тем выше скорость электронов, тем большее увеличение дает электронный микроскоп.
Создание первого образца электронного микроскопа потребовало нескольких лет напряженного труда советских ученых.
Наши электронные микроскопы работают с огромной точностью, давая высокое качество изображения.
КАК СОЗДАВАЛСЯ СОВЕТСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Работа над созданием советского электронного микроскопа была начата в 1940 году в Ленинградском государственном оптическом институте.
Академик А. А. Лебедев и его сотрудники взялись за решение этой сложной технической задачи. Много труда и энергии вложили они в эту работу. В конце 1940 года был построен первый макет электронного микроскопа, увеличивающий рассматриваемые предметы в 10 тысяч раз.
При этом увеличении были получены первые фотоснимки с пыльцы бабочки капустницы. Это насекомое уничтожает капусту и приносит большие убытки овощеводческим хозяйствам.
Первым советским электронным микроскопом удалось заснять пыльцу этого зловредного насекомого.
Пыльца бабочки капустницы. Увеличение — 3500.
Советский электронный микроскоп еще в младенческом возрасте, только что родившись, бросился в бой с вредителями сельского хозяйства и как трофей своей победы преподнес его создателям первую фотографию пыльцы бабочки капустницы.
Но это было только началом трудных и тяжелых работ советских ученых по электронной микроскопии.
Окрыленные первыми успехами, наши ученые взялись за создание другой, еще более совершенной модели электронного микроскопа, которая должна была давать увеличение в 25 тысяч раз. Эта модель дала бы возможность рассмотреть мельчайшие предметы размером в 0,000001 сантиметра.
Работы по постройке этой новой модели электронного микроскопа уже были близки к окончательному завершению, но началась Великая Отечественная война.
Немецко-фашистские захватчики стянули огненным кольцом великий город Ленина. Научная лаборатория академика Лебедева была вынуждена эвакуироваться на восток.
Напряженная работа большой научной важности по созданию советского электронного микроскопа продолжалась в городе Йошкар-Ола.
Внешний вид советского электронного микроскопа.
До Великой Октябрьской социалистической революции город Йошкар-Ола назывался Царевококшайском. Это была убогая, отсталая провинция. Грязь, нищета, невежество — вот чем «славился» этот город до революции.
За годы советской власти этот город преобразился, и именно в нем, в этой бывшей царской провинции, где раньше почти все население было безграмотным, создан первый отечественный электронный микроскоп.
Это была огромная победа советских ученых, воспитанных партией Ленина-Сталина. В советском электронном микроскопе воплотилась наиболее современная и передовая научная мысль.
К концу 1946 года Государственный оптический институт изготовил уже четвертую по счету модель электронного микроскопа.
В эти электронные микроскопы можно рассматривать частицы размером менее чем в половину миллионной доли сантиметра.
С трудом можно себе представить, насколько малы эти частицы. Но год спустя советская промышленность изготовила микроскопы еще более зоркие.
КАК УСТРОЕН СОВЕТСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Советский электронный микроскоп имеет форму колонны высотой приблизительно в один метр.
Колонна состоит из металлических труб, свинченных болтами. Диаметр колонны —130 миллиметров. Внутри колонны находятся все основные части электронного микроскопа.
Там помещается осветительная система, состоящая из источника электронов — электронной пушки.
Схема советского электронного микроскопа.
Под электронной пушкой, если смотреть сверху вниз, размещена электромагнитная (конденсорная) линза. Она собирает на исследуемых препаратах электроны, вылетающие из пушки. Потом идет камера препаратов с предметным столиком.
Эта камера так устроена, что допускает перемещение образцов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Кроме того, камера допускает наклон образцов под небольшим углом по отношению к оси микроскопа. Это крайне важно в тех случаях, когда производится объемная съемка (стереосъемка).
Еще ниже находится объективная электромагнитная линза.
Она дает увеличение изображения исследуемых образцов в 130 раз. На маленьком промежуточном экранчике можно наблюдать эти изображения.
И еще ниже под объективной линзой располагается другая линза, называемая проекционной. Это вторая ступень увеличения. Увеличение этой линзы может изменяться, по желанию, от 20 до 200 раз.
Общее увеличение электронного микроскопа получается перемножением тех увеличений, которые дают объективная и проекционная линзы.
Меняя увеличение проекционной линзы, получают общее увеличение в пределах от 2 600 до 26 000 раз.
Под проекционной линзой находится экран. Как вы уже знаете, этот экран покрыт особым химическим составом, который светится при попадании на него электронов.
На экране можно прямо видеть следы ударяющихся электронов, рисующие рассматриваемое изображение. Тут же укреплено и устройство для смены фотопластинок. По желанию исследователей, можно либо наблюдать изображение предметов, либо его сфотографировать.
Вот все, что находится внутри металлической колонны электронного микроскопа.
Под колонной установлен вакуумный насос, высасывающий из нее воздух. Этот насос создает предварительный вакуум. Он выкачивает почти весь воздух, содержащийся в колонне.
Ему помогает другой насос, который называется диффузионным масляным насосом. Он выкачивает остатки воздуха из колонны, доводя разрежение до 0,0001 миллиметра ртутного столба.
С насосами установлено еще так называемое вакуумное распределительное устройство. Этот механизм осуществляет во время работы электронного микроскопа все необходимые вакуумные переключения.
Можно менять изучаемые вещества во время работы, не впуская в микроскоп воздуха.
Кроме самого микроскопа, имеется еще специальная установка электрического питания. Она снабжает электронный микроскоп электроэнергией во время его работы.
В передней части колонны микроскопа расположены смотровые окошечки, через которые рассматривают изображения, получаемые на экранах.
Через одно окошечко, которое находится над проекционной линзой, рассматривают изображение, увеличенное в 130 раз. Это вроде грубой наводки, как бы видоискатель фотоаппарата, по которому производится первоначальная установка исследуемых образцов.
В нижней части прибора находится большое смотровое окно. Через это окно можно рассматривать обоими глазами изображение, увеличенное в десятки тысяч раз.
К тридцатилетию Великого Октября (1947 год) советской электропромышленностью был изготовлен новый электронный микроскоп, дающий увеличение в 200 тысяч раз. Это новая огромная победа советской науки и техники. С такими приборами ученые нашей великой Родины завоюют новые высоты науки.
ГДЕ МОЖНО ПРИМЕНЯТЬ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Где же можно применять электронный микроскоп?