میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ از مباحثی است که در کنکور معمولا به شکل ترکیبی و مفهومی سوال می دهد، نه صرفا به شکل حفظی؛ یعنی داوطلب باید بداند هر جزء سلولی را با کدام نوع میکروسکوپ می توان دید و چرا، نه فقط نام اجزای میکروسکوپ را از بر باشد.

چرا به میکروسکوپ نیاز داریم

بدون میکروسکوپ، مشاهده ی اغلب سلول ها و تقریبا همه ی اندامک های آن ها ممکن نیست. دو استثنای معروف وجود دارد: سلول تخم قورباغه و تخمک انسان، که به دلیل اندازه ی نسبتا بزرگشان بدون میکروسکوپ هم قابل رویت اند. تاریخچه ی زیست شناسی سلولی هم دقیقا از همین نقطه شروع شد؛ فقط بعد از ساخته شدن میکروسکوپ نوری بود که مشخص شد جانداران از واحدهایی به نام سلول ساخته شده اند.

ذره بین و مفهوم بزرگنمایی

برای مشاهده ی اشیای ریزتر از توان چشم، ابتدا از ذره بین استفاده می شود. بزرگنمایی یعنی میزان بزرگ شدن تصویر یک شیء نسبت به اندازه ی واقعی آن، و بزرگنمایی ذره بین های معمولی حدود 10 برابر است؛ یعنی تصویر شیء را 10 برابر بزرگ تر از حالت واقعی نشان می دهند. اندازه ی تصویری که یک ذره بین می سازد به فاصله ی کانونی همان ذره بین بستگی دارد؛ هر چه فاصله ی کانونی کوتاه تر باشد، بزرگنمایی بیشتر است.

برای اشیای بسیار ریزتر که حتی با ذره بین هم دیده نمی شوند، از میکروسکوپ استفاده می شود. میکروسکوپ نوری برای نور مرئی طراحی شده و بزرگنمایی آن تا حدود 1000 برابر می رسد؛ با آن می توان سلول های زنده و مرده و بسیاری از اجزای آن ها را بررسی کرد.

بزرگنمایی و قدرت تفکیک: دو مفهوم که نباید با هم اشتباه شوند

بزرگنمایی و قدرت تفکیک دو مفهوم متفاوت اند و دقیقا همین تفاوت، محل چند تست رایج کنکور است. بزرگنمایی یعنی توانایی بزرگ کردن تصویر یک جسم، اما قدرت تفکیک یعنی توانایی یک ابزار نوری در نشان دادن دو جسم نزدیک به هم به صورت دو جسم جدا، نه یک جسم تار. بزرگ کردن بیش از حد تصویری که از ابتدا واضح نبوده، آن را واضح نمی کند؛ توانایی واقعی هر ابزار نوری به قدرت تفکیک آن وابسته است، نه صرفا به عدد بزرگنمایی.

قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری حدود 0.2 میکرومتر است؛ یعنی اگر فاصله ی دو نقطه کمتر از این مقدار باشد، آن دو نقطه به صورت یک نقطه ی واحد دیده می شود، و اجسام کوچک تر از این اندازه اصلا قابل رویت نیستند. به همین دلیل، اجزای درونی سلول باکتری هرگز با میکروسکوپ نوری دیده نمی شود؛ برای نمونه، اندازه ی یک ریبوزوم حدود 20 نانومتر است، که بسیار کوچک تر از 0.2 میکرومتر است.

نکته کنکوری: قدرت تفکیک اندازه گیری واضح بودن تصویر است، نه اندازه گیری میزان بزرگ شدن آن.

اجزای میکروسکوپ نوری و کارکرد هر جزء

میکروسکوپ نوری از چند جزء اصلی تشکیل شده که هر کدام نقش مشخصی دارد:

• عدسی چشمی: محلی که چشم روی آن قرار می گیرد تا تصویر بزرگ شده ی نمونه دیده شود.
• لوله: فاصله ی میان نمونه و عدسی چشمی را تنظیم می کند.
• صفحه ی چرخان: برای انتخاب عدسی شیئی مورد نظر می چرخد.
• عدسی های شیئی: چند عدسی با بزرگنمایی های متفاوت که روی صفحه ی چرخان قرار دارند.
• گیره ها: تیغه ی شیشه ای حاوی نمونه را روی صفحه ی میکروسکوپ ثابت نگه می دارند.
• دیافراگم: میزان نور ورودی و روشنایی میدان دید را تنظیم می کند.
• آینه: نور منبع نوری را به سمت نمونه متمرکز می کند.
• منبع نور: می تواند بخشی از خود میکروسکوپ باشد یا جدا از آن قرار گیرد.

مسیر حرکت نور در میکروسکوپ نوری به این ترتیب است: نور از منبع نوری خارج می شود، به آینه برخورد می کند، از دیافراگم عبور می کند، سپس از تیغه ی شیشه ای حاوی نمونه، بعد از عدسی شیئی و در نهایت از عدسی چشمی می گذرد و به چشم می رسد. خیلی از داوطلبان برای به خاطر سپردن همین ترتیب، یک جمله با حرف اول هر جزء می سازند؛ ساختن چنین جمله ای، به شرط رعایت ترتیب درست اجزا، روش مرور سریعی برای شب امتحان است.

برای آماده کردن نمونه، ابتدا آن روی یک تیغه ی شیشه ای قرار می گیرد. برای بعضی نمونه ها، مثل پر، معمولا یک قطره روغن روی نمونه ریخته و سپس با یک تیغک شیشه ای نازک روی آن پوشانده می شود، تا هم نمونه صاف بماند و هم از خشک شدن سریع آن جلوگیری شود. مجموعه ی تیغه، نمونه و تیغک در نهایت روی صفحه ی میکروسکوپ و بین دو گیره قرار می گیرد.

دو پیچ تنظیم کننده روی بدنه ی میکروسکوپ قرار دارند: پیچ بزرگ برای تنظیم اولیه در بزرگنمایی کم به کار می رود و می تواند فاصله ی عدسی شیئی و عدسی چشمی را از نمونه به میزان زیاد تغییر دهد، در حالی که پیچ کوچک برای تنظیم دقیق و حساس تر، معمولا در بزرگنمایی زیاد، استفاده می شود. میزان نور ورودی هم رابطه ی مستقیم با کیفیت تصویر دارد؛ نور بیش از حد زیاد، برخلاف تصور رایج، تصویر واضح تری نمی سازد و معمولا دیافراگم باید طوری تنظیم شود که نور ورودی متعادل باشد.

فرمول بزرگنمایی میکروسکوپ نوری

بزرگنمایی کل یک میکروسکوپ نوری از ضرب بزرگنمایی عدسی شیئی در بزرگنمایی عدسی چشمی به دست می آید. برای نمونه، اگر عدسی شیئی مورد استفاده 40 برابر بزرگنمایی داشته باشد و عدسی چشمی 10 برابر، بزرگنمایی نهایی تصویر برابر با 400 برابر خواهد بود. این فرمول از رابطه ی عدسی ها در فیزیک نور به دست می آید و در بعضی سوالات کنکور، بزرگنمایی کل یا بزرگنمایی یکی از دو عدسی از روی همین رابطه محاسبه می شود.

آنچه با میکروسکوپ نوری دیده می شود و آنچه دیده نمی شود

با میکروسکوپ نوری می توان سلول های گیاهی و جانوری، هسته، دستگاه گلژی، واکوئل مرکزی گیاهان، و میتوکندری و کلروپلاست را مشاهده کرد، هرچند این دو اندامک اخیر تقریبا هم اندازه ی یک باکتری اند و در مرز پایینی توان تفکیک میکروسکوپ نوری قرار دارند. باکتری ها هم دیده می شوند، اما فقط شکل کلی آن ها، نه ساختار درونی شان.

در مقابل، ویروس ها، ریبوزوم ها، درشت مولکول هایی مانند DNA و پروتئین، و اندامک هایی مانند پراکسی زوم، با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیستند، چون اندازه ی آن ها از قدرت تفکیک این ابزار کوچک تر است. کروموزوم ها استثنا هستند: در طول پروفاز میتوز، رشته های کروماتین که پیش تر همانند سازی کرده اند، به تدریج کوتاه و ضخیم می شوند و از همین مرحله به بعد با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده می گردند، هرچند فرایندهایی مثل رونویسی روی همان کروموزوم ها را نمی توان با این ابزار دید.

میکروسکوپ الکترونی: نگاره و گذاره

در میکروسکوپ الکترونی به جای نور از پرتو الکترون استفاده می شود. قدرت تفکیک قوی ترین میکروسکوپ های الکترونی حدود 0.2 نانومتر است، یعنی تقریبا 1000 برابر بهتر از میکروسکوپ نوری، و به همین نسبت بزرگنمایی قابل دستیابی با آن هم بسیار بیشتر است. زیست شناسان معمولا از دو نوع میکروسکوپ الکترونی استفاده می کنند که کارکرد متفاوتی دارند.

میکروسکوپ الکترونی نگاره

میکروسکوپ الکترونی نگاره برای مشاهده ی سطح نمونه به کار می رود و تصویری سه بعدی از سطح آن می سازد؛ برای نمونه، شکل سه بعدی مژک ها، تاژک ها و پیلی، یا سطح خارجی میتوکندری و کلروپلاست، با این نوع میکروسکوپ بررسی می شود.

میکروسکوپ الکترونی گذاره

میکروسکوپ الکترونی گذاره برای بررسی ساختار درونی سلول به کار می رود و تصویری دو بعدی از یک برش نازک از نمونه می سازد؛ برای دیدن ساختار دقیق هر سلول، چه یوکاریوتی و چه پروکاریوتی، از همین نوع میکروسکوپ استفاده می شود.

یک محدودیت مشترک در هر دو نوع میکروسکوپ الکترونی وجود دارد: فرایندهای زنده و پویا، مثل تقسیم میتوز در حال انجام، حرکت واقعی مژک های لوله ی تنفسی، یا بلع یک میکروب توسط ماکروفاژ، را نمی توان با میکروسکوپ الکترونی نگاره یا گذاره مشاهده کرد، چون آماده سازی نمونه برای این ابزار نیازمند خلأ و ثابت کردن نمونه است و سلول زنده در این شرایط دوام نمی آورد. اتم ها هم با هیچ یک از دو نوع میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده نیستند. نمونه ی دیگری که معمولا با میکروسکوپ الکترونی بررسی می شود، گامتوفیت های میکروسکوپی بازدانگان و نهاندانگان است، و نیز بیشتر ویروس ها، که تنها با همین ابزار قابل رویت اند.

یک نکته ی جانبی: در حال حاضر برخی از قوی ترین میکروسکوپ های الکترونی جهان، از جمله دستگاهی در دانشگاه جانز هاپکینز، برای مشاهده ی جزئیات مولکولی به کار گرفته می شوند؛ این رده از تجهیزات معمولا در مقیاس پژوهشی است و ربطی به میکروسکوپ های آموزشی کلاس درس ندارد.

یک نمونه تست کنکور

تست: کدام گزینه درباره ی میکروسکوپ نوری و الکترونی درست است؟
1) بزرگ کردن بیش از حد یک تصویر تار، قدرت تفکیک را هم افزایش می دهد.
2) میتوکندری و ریبوزوم هر دو با میکروسکوپ نوری به خوبی قابل مشاهده اند.
3) میکروسکوپ الکترونی گذاره تصویری دو بعدی از ساختار درونی نمونه می سازد.
4) با میکروسکوپ الکترونی نگاره می توان تقسیم میتوز را در حال انجام مشاهده کرد.

بررسی گزینه ها: گزینه ی 1 نادرست است، چون بزرگنمایی و قدرت تفکیک دو مفهوم مستقل اند و بزرگ کردن تصویر، وضوح آن را افزایش نمی دهد. گزینه ی 2 نادرست است، چون ریبوزوم به دلیل اندازه ی بسیار کوچک تر از 0.2 میکرومتر، با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیست، هرچند میتوکندری در مرز دیده شدن قرار دارد. گزینه ی 4 نادرست است، چون میکروسکوپ الکترونی نیازمند آماده سازی خاص نمونه است و نمی تواند فرایندی زنده مثل میتوز را در حال انجام نشان دهد. بنابراین گزینه ی 3 صحیح است.

جمع بندی و اشتباهات رایج کنکور

رایج ترین اشتباه داوطلبان در این مبحث، اشتباه گرفتن بزرگنمایی با قدرت تفکیک است؛ سوالی که می پرسد چرا فلان ساختار با میکروسکوپ نوری دیده نمی شود، معمولا دنبال پاسخی درباره ی قدرت تفکیک است، نه بزرگنمایی. اشتباه دوم، فراموش کردن این نکته است که هیچ میکروسکوپ الکترونی، چه نگاره و چه گذاره، نمی تواند یک فرایند زنده را در حال انجام نشان دهد. اشتباه سوم مربوط به مرز میان میتوکندری، کلروپلاست و باکتری است؛ این سه تقریبا هم اندازه اند و در مرز پایینی توان میکروسکوپ نوری قرار دارند، در حالی که ریبوزوم، ویروس و درشت مولکول ها به طور قطع از این مرز پایین تر و فقط با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده اند.