Но при таком наблюдении клетки бактерий иногда оказываются чрезмерно большими и лучи электронов не могут проходить сквозь них. Поэтому для исследования внутреннего строения клеток в помощь электронному микроскопу призывается особый микрохирургический аппарат — ультрамикротом. Он позволяет получать сверхтонкие срезы клеток и таким образом подготавливать их к наблюдению в электронном микроскопе.

Вообще, надо сказать, работники электронной микроскопии в этом деле настоящие мастера. Клерки, предназначенные для наблюдения, они сначала заливают особым веществом аралдитом, которое быстро затвердевает, а потом разрезают их ультрамикротомом. Таким способом можно разрезать белое кровяное тельце (диаметром около 15 мкм) на 750 тончайших срезов, каждый из которых не толще 0,02 мкм!

Однако у электронного микроскопа есть и один крупный недостаток — в нем можно наблюдать лишь мертвые клетки. Это связано с тем, что молекулы воздуха представляют для электронов непреодолимое препятствие, поэтому все наблюдения должны проводиться в безвоздушном пространстве (вакууме), а это приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток.

Профессора Дюпуи, Перрье и Дюрриё из Института электронной микроскопии в Тулузе (Франция) решили устранить и это препятствие. Поток электронов в обычном электронном микроскопе разгоняется при помощи напряжения порядка 100 000 В. Дюпуи и его коллеги используют напряжение 1 500 000 В, в результате чего скорость электронов достигает 291 000 км в 1 с, то есть почти приближается к скорости света. Для решения этой задачи ученым пришлось преодолеть целый ряд технических трудностей. Необходимо было обеспечить защиту обслуживающего персонала от вредного воздействия рентгеновских лучей, возникающих при попадании электронов на металлические части аппарата, надо было создать электромагнитные линзы, весящие до 700 кг, из которых 100 кг приходится на 29 000 витков медной спирали. Но поскольку при таком высоком напряжении большую опасность представляет еще и влажность, все сооружение необходимо было поместить в металлическую сферу диаметром 24 м. Ускоренные в своем движении электроны проникают не только сквозь тончайший слой воздуха, но и через живые клетки бактерий. Хотя продолжительное действие электронов и наносит им повреждения, а позднее и убивает, тем не менее при наблюдении под микроскопом клетки какое-то время остаются живыми и неизмененными (фото 18).

Описанные методы, как, впрочем, и многие другие, позволяют нам проводить исследования в «субмикромире» клетки и открывать его тайны.

В предыдущей главе мы познакомились с тремя главнейшими типами бактериальных клеток. Одни из них имеют форму шариков, другие — палочек или цилиндриков, а третьи представляют подобие спирали.

Какова же внешняя и внутренняя структура бактериальной клетки? Ее схематическое изображение представлено на рисунке. Как и все клетки, она содержит протоплазму, состоящую из цитоплазмы и ядра (у бактерий чаще говорят об области ядра). Цитоплазму охватывает цитоплазматическая мембрана, к внешней стороне которой примыкает клеточная стенка, определяющая форму клетки (фото 19). При воздействии пенициллина на бактериальные клетки обычно нарушается именно структура их стенок и протопласты или сферопласты оказываются оголенными [5] . У них остается лишь тонкая цитоплазматическая мембрана. С потерей стенки исчезает и первичная форма бактериальной клетки, так как оголенный протопласт принимает форму шара. Большинство палочковидных и спиралевидных бактерий снабжены органами передвижения, которые называются жгутиками. Одна клетка может иметь от одного до тридцати жгутиков. Их число и расположение строго характерны для определенных видов бактерий. Зарождаясь в цитоплазме, они выходят через стенку клетки наружу в виде тонких волосков, диаметр которых не превышает 12 нм. Из клеток ряда бактерий удалось выделить некоторое количество жгутиков, достаточное для их химического анализа. В результате было установлено, что бактериальные жгутики состоят из белков, подобных тем, которые находятся в мышцах.

Клеточная стенка многих бактерий часто покрыта слоем слизи, носящим название капсулы. При наблюдении ультратонких срезов бактериальных клеток в электронном микроскопе было установлено, что ширина клеточной стенки равна 10–20 нм. Специальными методами удалось изолировать отдельные стенки, изучить их строение и подвергнуть химическому анализу, который показал, что в них содержится большое количество белков и жиров.

Уже давно было известно, что в бактериях встречаются соединения, характерные для клеточных ядер (речь о них пойдет в главе 12), но «морфологически дифференцированного ядра», как говорят цитологи, выявить до сих пор не удавалось. Лишь благодаря изучению ультратонких срезов, а также с помощью некоторых других методов удалось доказать присутствие в цитоплазме телец, которые не только своим химическим составом, но и иными особенностями напоминают клеточные ядра. С другой стороны, некоторые свойства отличают их от ядер, известных нам по клеткам ряда микроорганизмов, животных и растений.

Схема строения бактериальной клетки.

В цитоплазме бактерий иногда встречаются и другие образования.

Серобактерии, например, вызывают некоторые изменения в сернистых соединениях и откладывают в своих клетках серу. Известны также бактерии, способ питания которых очень напоминает процесс питания зеленых растений, или фотосинтез. Они усваивают из атмосферы углекислый газ и синтезируют сложные органические соединения. Этот синтез требует участия какого-то источника энергии. В данном случае таким источником является солнечный свет. Поэтому весь процесс и называется фотосинтезом. В клетках зеленых частей растений (листьях) находятся хлоропласт ы, в которых происходит процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии содержат в своих клетках образования, исполняющие ту же функцию; они называются хроматофорами. Если величина хлоропластов у зеленых растений обычно не меньше 5 мкм (как и клеток дрожжей) и они хорошо видны в световом микроскопе, то хроматофоры бактерий в этих условиях невидимы, так как они почти в 100 раз меньше хлоропластов. Но тем не менее их удалось выделить из разрушенных клеток бактерий и наблюдать в микроскопе при увеличении в 70 000 раз.

Интересные образования находятся и в цитоплазме бактериальных «палочек» или бацилл — это споры. Но об их специфических особенностях будет рассказано несколько позже.

Электронный микроскоп проникает в тайны микромира

Исследователей, вооружившихся в целях познания электронным микроскопом, привлекают не только бактерии, но и многие другие микроорганизмы. Они изучают поверхностную структуру клеточных стенок или, подобно хирургам, приготовляют ультратонкие срезы мельчайших клеток и проникают в тайны их внутреннего мира.

Профессора Волькани из Калифорнийского университета заинтересовали диатомовые водоросли. Эти организмы откладывают в стенках своих клеток большое количество кремнезема. После кратковременной обработки этих клеток кислотой электронный микроскоп помог нам открыть сетчатое строение их панциря, а ультрамикротом — заглянуть внутрь клетки и обнаружить ее ядро и множество жировых капелек (фото 20 и 21).

Не менее интересным оказалось и строение клетки простейшего, туфельки Paramecium bursaria, в которой, помимо прочих включений, были обнаружены мелкие клетки зеленой водоросли из рода Chlorella. Так электронный микроскоп позволил установить между этим простейшим и водорослями взаимоотношения, известные под названием симбиоза (фото 22).

В предыдущей главе мы узнали, что грибы размножаются с помощью особых клеток — спор. Интересные данные были получены в Лаборатории электронной микроскопии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе. У спор грибов, относимых специалистами к роду Penicillium, была обнаружена своеобразная поверхностная структура. Споры каждого вида выглядят так, точно искусная рука корзинщицы оплела их особым узором (фото 23).

Доктор Янг из Лондонского университета занимался изучением поверхностной структуры спор микроскопических грибов, относимых микологами к порядку Mucorales. У большей части изученных видов споры снабжены тонкими отростками. При взгляде на такую спору в памяти возникает образ обычного оружия гуситов — булавы с острыми шипами. Эти шиповатые выросты имеют в основании правильные шестиугольники и очень равномерно распределены по поверхности споры (фото 24).