شارح الدرس: الفحص المجهري الأحياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نقارن ونفرِّق بين الأنواع المختلفة من المجاهر، ونتعرَّف على نوع المجهر عن طريق الصورة التي يُنتِجها.

تمكِّنُنا المجاهر من فحص أي شيء كما لو كنا ننظر عبر نظارة فائقة القوة، بدءًا بالتركيب المفصل لأسطح المواد والتركيب الداخلي للخلايا وصولًا إلى الكائنات الحية الدقيقة، مثل البكتيريا، والتي لا يمكن للعين المجردة رؤيتها. كانت المجاهر الأولى تُسمى في واقع الأمر «نظارات البراغيث»؛ لأنها كانت تُستخدم في دراسة الحشرات الصغيرة. ومنذ ذلك الحين، ازدادت قوة وتطور المجاهر لتجعل العالم المجهري الذي يحيط بنا مرئيًّا.

تنتج عن المجاهر صور مكبرة؛ ما يعني أنه إذا تم تكبير عينة بمقدار ، فستبدو أعرض بمقدار 100 مرة وأطول بمقدار 100 مرة من حجمها الحقيقي.

دعونا ننظر إلى الأجزاء المختلفة لمجهر ضوئي، كما هو موضح في الشكل الآتي، من أجل فهم كيفية عملها بصورة أفضل.

تتكون المجاهر الضوئية المركبة عادة من عدستين، وهما عبارة عن شريحتين صغيرتين وسميكتين من الزجاج الشفاف. وتركز هاتان العدستان الضوء الذي يتخلل الجسم الذي ترغب في فحصه في عينك لتكوين صورة. يمكنك أن ترى مثالًا على عدسة في الصورة الآتية.

تقع العدسة العينية أعلى المجهر. وتُسمى «العدسة العينية» لأنها الجزء الأقرب إلى عينك الذي تنظر من خلاله.

بتتبع جسم المجهر هبوطًا إلى أسفل، نجد العدسات الشيئية بعد العدسة العينية. يُطلق على هذه العدسات «الشيئية» لأنها الأقرب إلى «الشيء» المطلوب فحصه. تحتوي العديد من المجاهر على أكثر من عدسة شيئية واحدة، وتكون معلَّمة بدرجات تكبير مختلفة. يمكن تغيير هذه العدسات الشيئية بناءً على درجة التكبير المطلوبة للعينة أو الشريحة. على سبيل المثال، إذا أردنا استخدام العدسة الشيئية ذات درجة التكبير ، فيمكننا تحريك هذه العدسة الشيئية حتى تصبح على استقامة واحدة مع العدسة العينية.

تجمِّع هاتان العدستان الضوء لتكوين صورة مرئية أكبر حجمًا من الجسم الحقيقي المطلوب فحصه نفسه، ويمكن ملاحظة المبدأ الأساسي لهذه العملية في الشكل الآتي. وينتج عن مرور الضوء عبر هاتين العدستين صورة مكبرة في عين الفاحِص.

أسفل العدسات الشيئية توجد المنصة، وهي عبارة عن منطقة عريضة مسطحة توضع عليها الشرائح بواسطة مشابك المنصة لتثبيتها. الشرائح قطع مستطيلة من الزجاج توضع عليها العينات.

للتأكد من أن رؤيتك للعينة ليست مشوشة، يمكنك استخدام مقبضي ضبط التركيز على جانب المجهر لجعل رؤيتك للعينة أوضح. عندما تضع الشريحة على المنصة السفلية وتنظر عبر العدسة العينية، قد تبدو الصورة مشوشة في البداية. أثناء نظرك عبر العدسة العينية، أدر المقبض الأكبر، والذي يُسمى المقبض الضابط الكبير، لجعل الصورة أكثر وضوحًا. بمجرد أن تصبح الصورة واضحة، أدر المقبض الأصغر، أو المقبض الضابط الدقيق، بحيث تصبح التفاصيل الأكثر دقة في العينة مرئية.

الطريقة: استخدام المجهر الضوئي لفحص الشرائح

1. عند استخدام مجهر ضوئي، ابدأ بأقل درجة تكبير ممكنة من خلال اختيار العدسة الشيئية ذات درجة التكبير وإدارتها حتى تثبت في موضعها أعلى المنصة السفلية.
2. ضع العينة على شريحة، ثم ضع الشريحة على المنصة، وثبتها باستخدام مشابك المنصة.
3. حرك الشريحة إذا لزم الأمر للتأكد من أن العينة تقع أسفل العدسة الشيئية مباشرة.
4. انظر عبر العدسة العينية كما هو موضح في الصورة.
5. اضبط المقبض الضابط الكبير (المقبض الأكبر) كما ترى في الصورة حتى تصبح الصورة أكثر وضوحًا. ويستخدم هذا المقبض لإجراء تعديلات كبيرة للتركيز.
6. حرك الشريحة إذا لزم الأمر للتأكد من أن مساحة العينة التي ترغب في فحصها تقع في مجال الرؤية.
7. اضبط المقبض الضابط الدقيق (المقبض الأصغر) حتى تصبح الصورة واضحة قدر الإمكان. ويستخدم هذا المقبض لإجراء تعديلات صغيرة للتركيز.
8. زد من درجة التكبير إذا لزم الأمر من خلال اختيار العدسة الشيئية التالية ذات درجة التكبير الأعلى (عادة ما تكون ) وإدارتها حتى تثبت في موضعها أعلى الشريحة.
9. كرر الخطوات 4، و5، و7 لضبط تركيز الصورة، والخطوة 8، إذا كانت هناك حاجة لذلك، لزيادة درجة التكبير مرة أخرى.

بينما تظل قوة تكبير العدسة العينية على حالها دون تغيير، تُحدد العدسة الشيئية التي تختار استخدامها قوة التكبير الكلية للصورة التي ستراها. لحساب قوة التكبير الكلية للصورة التي نراها، نضرب قوة تكبير العدسة العينية (وعادة ما تكون ) في قوة تكبير العدسة الشيئية التي نستخدمها حاليًّا. على سبيل المثال، إذا كنا نفحص عينة ونستخدم العدسة الشيئية ذات قوة التكبير الأقل ()، فإن درجة التكبير الكلية ستكون 10 (قوة تكبير العدسة العينية) مضروبة في 10 (قوة تكبير العدسة الشيئية). وعليه، فإن قوة التكبير الكلية للمجهر، وعدد مرات تكبير صورة الجسم، هي: .

المعادلة الآتية معادلة بسيطة يمكن استخدامها لحساب قوة التكبير الكلية لمجهر ضوئي.

تتميز المجاهر الضوئية بأنه يمكن صبغ العينات، التي يمكن أن تكون حية أو ميتة، لإنتاج صور ملونة. تستخدم هذه المجاهر عادة في علم الأحياء لفحص الأنسجة والتمييز بين الخلايا المفردة، وكذلك بعض العضيات الكبيرة داخلها، مثل النواة. وهي تنتج دائمًا صورًا مسطحة ثنائية الأبعاد.

ولزيادة سهولة التمييز بين الخلايا أو التراكيب في خلية أو عينة، يمكن إضافة أصباغ إلى العينة قبل وضعها تحت المجهر الضوئي. تمتص مختلف المكونات الخلوية الأصباغ بدرجات متفاوتة. الأمر الذي يزيد من التباين بين مختلف المكونات ويجعل من السهل تحديدها.

على سبيل المثال، يرتبط الميثيلين الأزرق بالمكونات الخلوية سالبة الشحنة في السيتوبلازم أو النواة. وكمثال آخر، يتنافر أحمر الكونغو مع السيتوبلازم سالب الشحنة، وعليه، غالبًا ما يترك الخلية دون أن يصبغها، وبدلًا من ذلك، يصبغ التراكيب خارج الخلوية المحيطة بالخلية؛ ما يجعل من السهل تمييز الخلية. يمكن أن يصبغ أحمر الكونجو أيضًا جدران خلايا الكائنات الحية مثل النباتات والفطريات، أو أغشية خلايا بكتيرية معينة. وعادة ما تُستخدم أصباغ عدة لتمييز وتحديد خليط من المكونات، مثل أنواع مختلفة من البكتيريا. وتسمى هذه العملية الصبغات التفريقية.

الصورتان الآتيتان عبارة عن مثالين على صور مجهرية توضح كيف يمكن أن يزيد الصَّبغ من وضوح بعض المكونات الخلوية. الصور المجهرية هي صور لتركيب مكبر تنتج باستخدام مجهر. أُنتِجت هاتان الصورتان المجهريتان باستخدام المجهر الضوئي.

الصورة المجهرية السابقة أُنتجت باستخدام مجهر ضوئي لفحص أنسجة المخ البشري، وتوضح الخلايا العصبية والغرائية. وتوضح أسلوب صبغة نسل وكذلك صبغة أزرق التولويدين، والذي يُستخدم عادة مع عينات الأنسجة العصبية لأنه يصبغ الأحماض النووية داخل أنوية الخلايا.

الصورة السابقة عبارة عن صورة مجهرية لخلايا كبدية أُنتجت باستخدام مجهر ضوئي. في هذه العينة، استُخدم صبغة الهيماتوكسيلين والإيُوزين، حيث يصبغ الهيماتوكسيلين نواة الخلية بلون أزرق أرجواني، ويصبغ الإيُوزين الحشوة خارج الخلوية والسيتوبلازم بلون وردي.

قوة التمييز هي أقل مسافة بين جسمين تسمح برؤيتهما منفصلين. وكلما كانت الأجسام أصغر، زادت صعوبة تمييزها كأجسام منفصلة بعضها عن بعض. لذا، عند فحص أجسام دقيقة تحت المجهر، نحتاج إلى قوة تمييز كبيرة، حيث ستفصل بينها مسافات صغيرة للغاية.

لفهم قوة التمييز على المستوى المجهري، دعونا نتناولها على مستوى أكبر أولًا. ليلًا، إذا كانت هناك سيارة تتجه نحوك من مسافة بعيدة، فسترى ضوءًا واحدًا فقط يقترب. ولكن، كلما اقتربت السيارة منك، سيتحول هذا الضوء الواحد إلى ضوءين منفصلين يصدر كل منهما من أحد المصباحين الأماميين. وعندما تقترب منك السيارة أكثر، سيبدو الضوءان متباعدين أحدهما عن الآخر أكثر مما كانا عليه عن بعد، وعليه، يمكن لقوة تمييز أعيننا أن تميز مصدرين منفصلين للضوء.

من بين العوامل المؤثرة على قوة التمييز الطول الموجي لمصدر الإضاءة المستخدم. ويمكن لأفضل المجاهر الضوئية تمييز صور لأجسام تفصل بينها مسافات تصل إلى 200 nm (0.0002 mm)، وتتحدد هذه القيمة جزئيًّا بالطول الموجي للضوء (مصدر الإضاءة).

دعونا نلق نظرة على الشكل 6 لنرى كيفية حدوث ذلك.

في الصورة العليا من الشكل 6، يمكنك أن تلاحظ أن للضوء طول موجي كبير إلى حدٍّ ما وأن هذين الجسمين لا يمكن التمييز بينهما. فهما قريبان للغاية بعضهما من البعض، وعليه، لا يلبيان متطلب أن أقل مسافة تفصل بين جسمين يجب أن تساوي الطول الموجي لمصدر الإضاءة.

توضح الصورة السفلى في الشكل (6) مصدرًا للإضاءة له طول موجي أصغر، على سبيل المثال، مجهر يستخدم إلكترونات بدلًا من الضوء. ينتج عن ذلك دقة أعلى، وبالتالي قوة تمييز أكبر، تسمح بتمييز الجسمين نفسيهما كجسمين منفصلين أحدهما عن الآخر. وعليه، كلما زاد الطول الموجي للضوء، ساءت (قلت) قوة التمييز.

على الرغم من أن الضوء له طول موجي كبير، وعليه تكون قوة تمييز الأدوات التي تستخدمه، مثل المجاهر، منخفضة، وعادة ما تكون حوالي 200 nm، فإن بعض المجاهر الضوئية لها عدسات خاصة تُمَكِّنُها من تمييز جسمين تفصل بينهما مسافة أقل من 100 nm. وللإلكترونات طول موجي أقل بكثير من الطول الموجي للضوء؛ لذا، فإن لها قوة تمييز أفضل بكثير، ما يسمح لجسمين تفصل بينهما مسافة صغيرة للغاية بأن يظهرا منفصلين.

ثمة نوعان رئيسيان من المجاهر الإلكترونية: المجهر الإلكتروني النافذ، والمجهر الإلكتروني الماسح.

يُنتج كلا نوعي المجاهر الإلكترونية صورًا بالأبيض والأسود، ولكن، يمكن إضافة ألوان زائفة بعد إنتاج الصورة المجهرية. ولكن، لكليهما قوة تكبير أعلى بكثير من المجهر الضوئي (المجهر الإلكتروني النافذ: أعلى من . المجهر الإلكتروني الماسح: ). هذا بالإضافة إلى أن قوة تمييزهما أفضل أيضًا، ما يمكنهما من تمييز أجسام أصغر بكثير على أنها منفصلة عن بعضها البعض بأقصى دقة تمييز قياسية تبلغ 0.5 nm بالنسبة للمجهر الإلكتروني الماسح، و0.05 nm بالنسبة للمجهر الإلكتروني النافذ. على الرغم من أن المجهر الإلكتروني النافذ يُنتج صورًا ثنائية الأبعاد، فإنه يُستخدم عادة لفحص العضيات داخل الخلية بتفاصيل دقيقة، ويُنتج المجهر الإلكتروني الماسح صورًا ثلاثية الأبعاد لسطح العينة.

عادة ما يتسبب تجهيز العينة للفحص المجهري الإلكتروني في موتها. فإذا تعرضت عينة حية لحزمة إلكترونية، فمن المؤكد أنها ستموت، وعليه، لا تُستخدم إلا العينات الميتة فقط مع الفحص المجهري الإلكتروني.

يمكن رؤية بعض الأمثلة على الصور المجهرية المنتجة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ في الصورتين الآتيتين.

الصورة السابقة عبارة عن صورة مجهرية منتجة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وتوضح خلية تناسلية أنثوية غير بالغة (إحدى خلايا أمهات البيض). يمكننا ملاحظة أن النواة تظهر باللون الأسود، وكذلك ملاحظة الميتوكوندريا والقطرات الدهنية في السيتوبلازم.

الصورة السابقة هي صورة مجهرية مُنتجة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وملونة بألوان زائفة توضح السيتوبلازم (باللون الأزرق) والغلاف النووي المحيط بالنواة (باللون الذهبي)، متصلًا بالشبكة الإندوبلازمية الخشنة (باللون الأحمر).

دعونا نلق نظرة على أمثلة على بعض الصور المجهرية المُنتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح.

الصورة السابقة عبارة عن صورة مجهرية مُنتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح لقرادة Varroa destructor التي تصيب النحل، مكبرة بمقدار .

الصورة السابقة عبارة عن صورة مجهرية مُنتجة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لفيروس الإيبولا.

مثال ٣: التعرف على الصور المجهرية التي تنتجها المجاهر المختلفة

الصورة المجهرية الآتية لرأس نملة. ما نوع المجهر المُرجَّح استخدامه لإنتاج هذه الصورة؟

1. مجهر ضوئي.
2. مجهر إلكتروني نافذ.
3. مجهر إلكتروني ماسح.

الحل

هذه الصورة ثلاثية الأبعاد، وتوضح السطح الخارجي لجزء مكبر بدرجة كبيرة لكائن حي يبدو أنه ميت.

باستخدام حقيقة أن هذه الصورة ثلاثية الأبعاد، يمكننا استبعاد كل من المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني النافذ، ما يشير إلى أن الصورة مُنتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح. فالمجهر الإلكتروني الماسح لا يُنتج صورًا مجهرية ذات تكبير وتمييز عاليين فحسب، بل إنه يُنتج أيضًا صورًا ثلاثية الأبعاد توضح سطح العينة.

وبما أن هذه الصورة المجهرية ثلاثية الأبعاد وتوضح سطحًا خارجيًّا مكبرًا ومميزًا بدرجة عالية، يمكننا أن نستنتج أن هذه الصورة مُنتجة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.

ثمة طريقة مفيد للمقارنة بين المجاهر، وهي استخدام جدول. دعونا نلقِ نظرة على مقارنة بين قوة التكبير، والتمييز، والصورة المُنتجة، وآلية الضوء في كل من المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ في الجدول الآتي.