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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 8
Lektion 1: Einführung in die ZellenMikroskopie
Einführung in Mikroskope und wie sie funktionieren. Umfasst Hellfeld-Mikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie und Elektronenmikroskopie.
Einführung
Wenn du mehrere Zellbiologen triffst und sie fragst, was ihnen am meisten an ihrer Arbeit Spaß macht, wirst du vielleicht feststellen, dass es immer auf eine Sache hinausläuft: Insgeheim sind sie alle Mikroskop-Freaks. Am Ende ist das, was sie wirklich lieben, die Möglichkeit, stundenlang in einem kleinen, dunklen Raum zu sitzen und mit ihrem Lieblingszelltyp durch die Linse eines schönen Mikroskops zu kommunizieren. Das hört sich vielleicht seltsam an, aber die Wahrheit ist, dass Zellen ziemlich atemberaubend sein können, wie lebende Glasmalerei. Eins meiner Lieblingsbeispiele ist das folgende Bild, welches Zellen in einem sehr jungen Blatt der Acker-Schmalwand zeigt, einer kleinen blühenden Pflanze, die mit dem Senf verwandt ist.
Dieses Foto ist kein einfaches Lichtmikroskopie-Bild; es ist ein Fluoreszenzbild einer speziell präparierten Pflanze, bei der verschiedene Teile der Zellen mit Markierungen versehen werden, welche sie zum Leuchten bringen. Aber diese Art von zellulärer Komplexizität und Schönheit ist überall um uns herum, ob wir sie nun sehen können oder nicht.
Du kannst solch komplex gemusterten und wunderschön geformten Zellen in jeder Pflanze, die du siehst, finden – in der Rose in deinem Garten, im Gras, das neben dem Bürgersteig wächst, und in den Mohrrüben, die du als Snack isst. Aber wir sollten uns nicht auf Pflanzen begrenzen: besondere Schichten von Zellen kannst du auch in deiner Haut finden, im Flügel eines Insekts und in einfach jedem anderen lebenden Gewebe, das du siehst.
Wir, und die Welt um uns herum, sind aus Zellen bestehende Kathedralen. Wir brauchen nur ein Mikroskop, um das schätzen zu lernen.
Mikroskope und Linsen
Auch wenn Zellen unterschiedlich groß sind, sind sie in der Regel ziemlich klein. Der Durchmesser einer typischen menschlichen roten Blutzelle ist zum Beispiel etwa acht Mikrometer (0,008 Millimeter). Um dir einen Vergleich zu geben: Der Kopf einer Stecknadel hat einen Durchmesser von etwa einem Millimeter. Es können also etwa 125 Blutzellen nebeneinander auf dem Kopf der Stecknadel aufgereiht werden. Mit ein paar Ausnahmen kann man einzelne Zellen nicht mit dem bloßen Auge sehen, Wissenschaftler müssen also stattdessen Mikroskope (micro- = “klein”; -skopein = “betrachten”) verwenden, um sie zu untersuchen. Ein Mikroskop ist ein Instrument, das Objekte vergrößert, die man sonst nicht sehen kann, indem es ein Bild produziert, in dem das Objekt größer erscheint. Die meisten Fotografien von Zellen werden unter Verwendung eines Mikroskop gemacht und diese Fotos werden auch Mikrofotografien genannt.
Nach obiger Definition klingt es vielleicht so, als ob ein Mikrokop nur eine Art Lupe ist. Tatsächlich können Lupen den Mikroskopen zugeordnet werden; da sie nur eine Linse besitzen, werden sie einfache Mikroskope genannt. Die ausgefalleneren Instrumente, an die wir normalerweise beim Begriff Mikroskop denken, sind Verbundmikroskope, die mehrere Linsen besitzen. Aufgrund der Art und Weise, in der die Linsen angeordnet sind, können sie Licht so brechen, dass sie ein deutlich stärker vergrößertes Bild produzieren als eine Lupe.
In einem Verbundmikroskop mit zwei Linsen hat die Anordnung der Linsen eine interessante Folge: Die Ausrichtung des Bildes, das du sehen kannst, ist gespiegelt im Vergleich zum tatsächlichem Objekt, das du untersuchst. Wenn du zum Beispiel auf ein Stück Zeitungspapier mit dem Buchstaben "e" darauf schaust, ist das Bild, das du durch das Mikroskop siehst, ein “ə."
Was unterscheidet ein einfaches Mikroskop von einem leistungsfähigen Gerät, das in einem Forschungslabor verwendet wird? Zwei Parameter sind besonders wichtig bei einem Mikroskop: Vergrößerung und Auflösung.
- Vergrößerung ist ein Maß dafür, wie viel größer ein Mikroskop (oder eine Anordnung von Linsen in einem Mikroskop) ein Objekt erscheinen lässt. Die Lichtmikroskope, die normalerweise in Schulen verwendet werden, vergrößern zum Beispiel bis zu 400 Mal der tatsächlichen Größe. Wenn also etwas in der Realität 1 mm breit ist, würde es im Mikroskop 400 mm breit erscheinen.
- Die Auflösung eines Mikroskops oder einer Linse ist der kleinste Abstand zwischen zwei Punkten, bei dem diese noch als zwei separate Punkte wahrgenommen werden können. Je kleiner dieser Wert ist, desto höher ist das Auflösungsvermögen des Mikroskops und desto besser ist die Schärfe und Detailgenauigkeit des Bildes. Wenn zwei Bakterienzellen auf einem Objektträger sehr eng nebeneinander liegen, können sie wie ein einzelner, verschwommener Punkt in einem Mikroskop mit geringerm Auflösungvermögen aussehen, aber in einem Mikroskop mit hohem Auflösungvermögen als einzelne Zellen erkannt werden.
Sowohl Vergrößerung als auch Auflösung sind wichtig, wenn du ein deutliches Bild von etwas sehr kleinem benötigst. Wenn ein Mikroskop beispielsweise eine hohe Vergrößerung aber eine geringe Auflösung hat, bekommst du nur eine größere Version eines verschwommenen Bildes. Verschiedene Arten von Mikroskopen unterscheiden sich in ihrer Vergrößerung und Auflösung.
Lichtmikroskope
Die meisten Schülermikroskope sind Lichtmikroskope. In einem Lichtmikroskop fällt das sichtbare Licht durch das Präparat (die biologische Probe, die du dir anschaust) und wird durch das Linsensystem gebrochen, wodurch ein vergrößertes Bild entsteht. Ein Vorteil eines Lichtmikroskops ist, dass es für lebende Zellen verwendet werden kann. So ist es möglich, unter dem Mikroskop das normale Verhalten von Zellen zu beobachten (z. B. Migration und Teilung).
Mikroskope in Schülerlabors sind tendenziell Hellfeld-Mikroskope, was bedeutet, dass sichtbares Licht durch das Präparat fällt und direkt, ohne Veränderungen, ein Bild entsteht. Etwas anspruchsvollere Formen von Lichtmikroskopen verwenden optische Tricks, um den Kontrast zu erhöhen, wodurch Details von Zellen und Geweben besser zu sehen sind.
Eine andere Art von Lichtmikroskopie ist die Fluoreszenzmikroskopie, welche bei Proben verwendet wird, die fluoreszieren (eine Wellenlänge von Licht absorbieren und eine andere abgeben). Dabei wird Licht einer Wellenlänge eingesetzt, um die fluoreszierenden Moleküle anzuregen. Licht einer anderen Wellenlänge wird dann von diesen abgeben und formt ein Bild. In den meisten Fällen ist der Teil einer Zelle oder eines Gewebes, das wir uns anschauen wollen, nicht von Natur aus fluoreszierend und muss stattdessen mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert werden.
Das Bild des Laubblatts am Anfang des Artikels wurde mit einer speziellen Form der Fluoreszenzmikroskopie, der Konfokalmikroskopie aufgenommen. Ein Konfokalmikroskop verwendet einen Laser, um dünne Schichten des Präparats anzuregen und sammelt nur das von der Zielschicht abgestrahlte Licht. Auf diese Weise entsteht ein scharfes Bild ohne Interferenzen von fluoreszierenden Molekülen der umliegenden Ebenen.
Elektronenmikroskope
Einige moderne Arten der Lichtmikroskopie (jenseits der Techniken, die oben beschrieben wurden) können sehr hochauflösende Bilder produzieren. Wenn du jedoch etwas sehr winziges mit einer hohen Auflösung betrachten möchtest, kannst du eine andere bewährte Technik verwenden: die Elektronenmikroskopie.
Elektronenmikroskope unterscheiden sich von Lichtmikroskopen darin, dass sie ein Bild eines Präparats produzieren, indem sie Elektronenstrahlen anstelle von Lichtstrahlen verwenden. Elektronen besitzen eine viel kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht, was es Elektronenmikroskopen erlaubt, hochauflösendere Bilder als Standard-Lichtmikroskope zu produzieren. Elektronenmikroskope können nicht nur eingesetzt werden, um ganze Zellen zu untersuchen, sondern auch die subzelluläre Strukturen und Kompartimente in ihnen.
Eine Einschränkung ist jedoch, dass die Präparate unter Vakuum im Elektronenmikroskop platziert werden müssen (und in der Regel in einem umfangreichen Fixierungsprozess präpariert werden). Das bedeutet, dass lebende Zellen nicht abgebildet werden können.
Im Bild oben kannst du vergleichen, wie Salmonella-Bakterien in einem Lichtmikroskop (links) und in einem Elektronenmikroskop (rechts) aussehen. Im Lichtmikroskopie-Bild erscheinen die Bakterien als kleine, violette Punkte, während du im Elektronenmikroskopie-Bild deutlich ihre Form und Oberflächenstruktur und die menschlichen Zellen, in die sie einzudringen versuchen, sehen kannst.
Es gibt zwei Hauptformen der Elektronenmikroskopie. Bei der Rasterelektronenmikroskopie (REM) bewegt sich ein Elektronenstrahl vor und zurück über die Oberfläche einer Zelle oder eines Gewebes, wobei ein detailliertes Bild der 3D-Oberfläche entsteht. Diese Art der Mikroskopie wurde für das Bild der Salmonellen-Bakterien oben verwendet.
Bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wird das Präparat dagegen vor der Aufnahme in extrem dünne Scheiben geschnitten (zum Beispiel unter Verwendung einer Diamanten-Schneide) und der Elektronenstrahl durchläuft die Scheibe anstatt über die Oberfläche zu gleiten.
Elektronenmikroskope, wie das oben, sind deutlich größer und teurer als Standard-Lichtmikroskope, was aber nicht überraschend ist angesichts der subatomaren Teilchen, die sie handhaben müssen.
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