فيديو الدرس: الفحص المجهري الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نقارن ونفرق بين الأنواع المختلفة من المجاهر، ونتعرف على نوع المجهر المستخدم عن طريق الصورة التي ينتجها. سنوضح أولًا تركيب المجهر الضوئي وسماته، ونتعلم كيفية حساب قوة تكبيره الكلية. وسوف نتعرف أيضًا على مصطلحي التكبير وقوة التمييز ونقارن بين سماتهما في ثلاثة أنواع مختلفة من المجاهر، وهي: المجاهر الضوئية، والمجاهر الإلكترونية النافذة، والمجاهر الإلكترونية الماسحة.

يوضح هذا المخطط أحد أنواع المجاهر، وهو أداة تستخدم في دراسة الفحص المجهري ودراسة جميع الجوانب الدقيقة لعالم الأحياء. يشار إلى الكائنات الحية أو أجزاء من الكائنات الحية، التي نفحصها باستخدام المجهر، باسم العينات. ويمثل هذا التركيب الأصفر الصغير كائنًا حيًّا واحدًا يسمى الأميبا. إذ يوضع على رقاقة زجاجية مستطيلة صغيرة تسمى الشريحة. تتيح لنا المجاهر ملاحظة السمات التي تميز أي كائن حي صغير مثل الأميبا، وذلك عن طريق تكبيره. التكبير هو عدد المرات التي تبدو عليها الصورة مكبرة مقارنة بالجسم الأصلي. ما يعني أن الجسم المكبر سيبدو دائمًا أكبر من حجمه الحقيقي.

لنلق نظرة على الأجزاء المختلفة للمجهر الضوئي، وهو موضح هنا في هذا المثال المحدد. تتكون المجاهر الضوئية المركبة عادة من عدستين: وهما العدسة العينية والعدسة الشيئية. عندما ننظر عبر أحد المجاهر، فإننا ننظر عبر تركيب يسمى العدسة العينية. وهي العدسة الأقرب إلى عين الفاحص. في حين أن العدسة الشيئية هي العدسة الأقرب للشيء المطلوب فحصه.

عادة ما تحتوي المجاهر الضوئية مثل هذا المجهر على عدسات شيئية متعددة يمكنها تعديل درجة التكبير الكلي للعينة. ولدينا ثلاث منها هنا. لاستخدام المجهر الضوئي، نضع شريحة تحتوي على العينة على سطح مستو عريض يسمى المنصة ثم نثبتها بواسطة مشابك المنصة. ننظر بعد ذلك عبر العدسة العينية ونضبط البؤرة إذا كانت الصورة مشوشة. ولإجراء ذلك، علينا أولًا استخدام المقبض الأكبر، أو المقبض الضابط الكبير، ثم المقبض الأصغر أو المقبض الضابط الدقيق. وهنا نلاحظ أنه إذا زدنا التكبير، فمن المحتمل أن الصورة ستصبح مشوشة مرة أخرى. لذا، قد نحتاج إلى تعديل المقبض الضابط الدقيق حتى نرى صورة دقيقة وواضحة.

تنتقل حزمة ضوئية من مصدر الضوء وتمر عبر العينة الموجودة على الشريحة إلى العدسة الشيئية التي نستخدمها حاليًّا، وهي في هذا المثال عبارة عن عدسة شيئية قوتها 10 أضعاف. بعد ذلك، ينتقل الضوء عبر العدسة العينية إلى عين الفاحص، لتكوين صورة للجسم بحيث تكون أكبر من الجسم نفسه.

على المجهر الضوئي، تظل قوة تكبير العدسة العينية كما هي، وعادة ما يكون التكبير بنحو 10 أضعاف. لكن قوة تكبير العدسة الشيئية التي اخترنا استخدامها هي ما يحدد قوة التكبير الكلي للصورة التي سنراها. على سبيل المثال، إذا نظرنا عبر المجهر إلى عينة الأميبا الموجودة على هذه الشريحة، فقد نراها ظاهرة بهذا الشكل. وإذا تم تكبير عينة بمقدار 100 مرة، فهذا يعني أنها ستبدو أعرض بمقدار 100 مرة وأطول بمقدار 100 مرة من حجمها الحقيقي.

من خلال تدوير العدسات الشيئية حتى تثبت العدسة الشيئية ذات درجة التكبير 40 في موضعها أعلى العينة، نكون بذلك قد زدنا قوة تكبير المجهر، ومن ثم تظهر الأميبا بصورة أكبر. وهذا هو الشكل الذي تبدو عليه الأميبا عند التكبير بمقدار 400 مرة باستخدام العدسة الشيئية ذات درجة التكبير 40.

تعتمد درجة التكبير، التي تظهر بها الصورة المنتجة بالمجهر أكبر من الجسم نفسه، على قوة التكبير الكلية للمجهر. يمكن حساب قوة التكبير الكلية، أو ما يعرف بالتكبير الكلي، بضرب قوة تكبير العدسة العينية — التي تبلغ عادة 10 أضعاف في المجهر الضوئي — في قوة تكبير العدسة الشيئية المستخدمة حاليًّا. على سبيل المثال، لنفترض أننا نفحص هذه الأميبا باستخدام العدسة الشيئية ذات قوة التكبير الأعلى، وهي 40 ضعفًا في هذا المجهر الضوئي. إذن، قوة التكبير الكلية تساوي 10 أضعاف، أي قوة تكبير العدسة العينية، مضروبًا في 40 ضعفًا، أي قوة تكبير العدسة الشيئية التي نستخدمها. وعليه، فإن قوة التكبير الكلية لهذا المجهر وعدد مرات تكبير صورة الجسم بواسطته تساوي في هذه الحالة 400 ضعف.

لنلق نظرة على السمات النمطية للمجهر الضوئي. تنتج المجاهر الضوئية دائمًا صورًا ثنائية الأبعاد. وهذا يعني أن هذه الصور لها طول وعرض فقط وليس لها عمق، لذا فإنها تظهر مسطحة. وتبلغ درجة التكبير القصوى القياسية فيها نحو 1500 ضعف، لذا يمكنها جعل الأجسام تبدو أكبر بمقدار 1500 مرة مما هي عليه بالفعل. لكن درجة التكبير القصوى هذه أكبر بكثير من درجة التكبير القياسي للمجاهر المتاحة عمومًا، كتلك المستخدمة في المدارس، والتي تنتج عادة صورًا تصل إلى 400 ضعف حجم الجسم الفعلي.

تتميز المجاهر الضوئية بإمكانية صبغ العينات التي قد تكون حية أو ميتة أيضًا في الفحص المجهري الضوئي، وهو ما يعني أنه يمكنها إنتاج صور ملونة عالية التباين. تستخدم المجاهر الضوئية بشكل شائع في علم الأحياء لفحص الأنسجة والتمييز بين الخلايا المنفردة وبعض العضيات الكبيرة داخلها. على سبيل المثال، عادة ما تكون النواة واضحة تمامًا عند صبغها خلال إجراء فحص مجهري ضوئي. تتيح لنا المجاهر الضوئية رؤية الألوان الطبيعية في العينة، مثل البلاستيدات الخضراء الموجودة في خلية نباتية أو الصبغات الأرجوانية الموجودة في خلية البصل الأحمر.

ومع ذلك، فإن معظم الخلايا تكون شفافة، وهذا ما يصعب تمييزها عن بعضها. لحل هذه المشكلة، يمكننا وضع صبغات، مثل أحمر الكونغو الموضح هنا، على العينة قبل وضعها تحت المجهر الضوئي. تمتص مختلف المكونات الخلوية الصبغات بدرجات متفاوتة، وهو ما يزيد التباين بين هذه المكونات ويجعلها سهلة التحديد. وعادة ما تستخدم صبغات عديدة في عملية تسمى التصبيغ أو التلوين التفريقي للتمييز بين خليط من المكونات وتحديدها.

لنلق نظرة على أحد الأمثلة في جسم الإنسان لتصور ذلك بشكل أفضل. هذه صورة مجهرية منتجة باستخدام مجهر ضوئي لبعض الخلايا الكبدية للإنسان. الصور المجهرية عبارة عن صور واضحة لتركيب مكبر تنتج باستخدام أحد المجاهر. وقد صبغت هذه الخلايا الكبدية باستخدام صبغتي الهيماتوكسيلين والإيوسين. حيث يصبغ الهيماتوكسيلين نوى هذه الخلايا الكبدية بلون أزرق أرجواني، في حين يصبغ الإيوسين الحشوة خارج الخلوية والسيتوبلازم في هذه الخلايا الكبدية بلون وردي، وهو ما يسهل تمييز التراكيب عن بعضها.

دعونا الآن نلق نظرة على إحدى الخواص المهمة الأخرى للمجاهر، وهي قوة التمييز. قوة التمييز في المجهر هي الدرجة التي يمكن له بها إنتاج صورة عالية الدقة. إن قوة تمييز أي جهاز بصري، مثل المجهر، هي أقل مسافة مطلوبة تفصل بين جسمين متجاورين حتى يمكن تمييز كل منهما بصريًّا. وكلما كانت الأجسام أصغر، زادت صعوبة تمييزها بصفتها أجسامًا منفصلة. لذا، عند فحص أجسام دقيقة تحت المجهر، نحتاج إلى قوة تمييز فعالة، نظرًا لأن هذه الأجسام تتباعد بمسافة صغيرة جدًّا عن بعضها.

لفهم قوة التمييز على المستوى المجهري، دعونا نتناولها على نطاق واسع أولًا. إذا كانت هناك سيارة تتجه نحوك من مسافة بعيدة ليلًا، فلن ترى سوى ضوء واحد فقط يقترب منك. لكن عندما تقترب هذه السيارة أكثر، سوف ينقسم هذا الضوء إلى ضوأين منفصلين بحيث يأتي كل منهما من كل مصباح أمامي. ومن ثم سيبدو الضوآن الآن متباعدين عن بعضهما أكثر مما كانا عليه عن بعد. وبناء على ذلك، يمكن لقوة تمييز أعيننا أن تميز مصدري الضوء عن بعضهما بسهولة أكبر. وهذا يتيح أيضًا لبعض التفاصيل الدقيقة في السيارة، مثل لوحة الترخيص، أن تصبح أكثر وضوحًا وتمييزًا.

إن أحد العوامل التي تؤثر في قوة تمييز أي جهاز بصري هو الطول الموجي لمصدر الإضاءة المستخدم، وهو الضوء في المجاهر الضوئية. يمكن لأفضل المجاهر الضوئية تمييز الصور التي تفصل بينها مسافات تصل إلى 200 نانومتر تقريبًا، وهي مسافة فاصلة صغيرة جدًّا تبلغ 0.0002 ملليمتر. وهذا مقيد بشكل جزئي بالطول الموجي للضوء. يمكننا أن نلاحظ من هذا المخطط أن الضوء له طول موجي كبير إلى حد ما، ما يعني أن هذين الجسمين الورديين يبتعدان عن بعضهما بمسافة تكفي لتمييز كل منهما بجهاز يعتمد على الضوء، مثل المجهر الضوئي.

بما أن هذين الجسمين الأخضرين يبتعدان عن بعضهما بمسافة تقل عن 200 نانومتر، فلا يمكن التمييز بينهما باستخدام مجهر ضوئي. وبما أن الحزم الإلكترونية لها طول موجي أقل بكثير من الطول الموجي للضوء، فإنها تتسم بقوة تمييز أفضل بكثير. إذن، فالأجسام التي تبتعد مسافة صغيرة للغاية عن بعضها، مثل هذين التركيبين الأخضرين، لا زالت تبدو منفصلة عن بعضها. يوجد نوعان رئيسيان من المجاهر التي تستخدم الحزم الإلكترونية بصفتها مصدرًا للإضاءة بدلًا من الضوء، وهي المجاهر الإلكترونية النافذة، والمجاهر الإلكترونية الماسحة.

تنتج المجاهر الإلكترونية النافذة صورًا بقوة تمييز عالية عن طريق إرسال حزمة إلكترونية تنفذ عبر العينة. ثم تركز الحزمة الإلكترونية بعد ذلك باستخدام مغناطيسات كهربية لإنتاج الصورة. أنتجت هذه الصورة المجهرية باستخدام مجهر إلكتروني نافذ. إذ إنها توضح النوية داخل النواة الموجودة داخل خلية معينة. ونلاحظ هنا أن المجاهر الإلكترونية النافذة تنتج صورًا مسطحة ثنائية الأبعاد باللونين الأبيض والأسود بحيث تكون مكبرة للغاية.

لنلق الآن نظرة على المجاهر الإلكترونية الماسحة. تنتج المجاهر الإلكترونية الماسحة أيضًا صورًا مكبرة للغاية وذات قوة تمييز عالية، لكنها بالمقابل تعمل من خلال تمرير حزم إلكترونية على سطح العينة المغطاة بأحد الأيونات الفلزية مثل الذهب. تعكس الأيونات الفلزية الحزم الإلكترونية التي تجمع الإشارات منها بواسطة كواشف خاصة تنتج صورة لسطح العينة.

لنلق نظرة على صورة مجهرية منتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح. توضح هذه الصورة المجهرية المنتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح، سطحًا عالي الدقة لبعض حبوب اللقاح. يمكننا أن نلاحظ من خلال الصورة المجهرية أنه على غرار المجاهر الإلكترونية النافذة، فإن المجاهر الإلكترونية الماسحة تنتج صورًا باللونين الأبيض والأسود، ولكنها تنتج صورة ثلاثية الأبعاد لسطح العينة. تشتمل الصورة الثلاثية الأبعاد على طول وعرض وعمق، أي إنها لا تبدو مسطحة، كما هو الحال بالنسبة إلى المكعب الذي له ثلاثة أبعاد، في حين أن للمربع بعدين فقط وهما: الطول والعرض، ولذا يكون ثنائي الأبعاد.

لنلق نظرة على السمات النموذجية لكلا نوعي المجاهر الإلكترونية حتى يمكننا مقارنتهما مع المجاهر الضوئية. ولفعل ذلك، سنستخدم جدولًا للاستعانة به. نعلم أن الصور المنتجة باستخدام كل من المجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الضوئي تكون ثنائية الأبعاد، ولكن الصور المنتجة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ثلاثية الأبعاد. ينتج كل من المجاهر الإلكترونية النافذة والماسحة صورًا باللونين الأبيض والأسود، ولكن يمكن إضافة لون زائف إليها بعد إنتاج الصورة المجهرية. يمكن للفحص المجهري الضوئي أن يعرض اللون الحقيقي للعينة، أو يمكن إضافة صبغات إلى العينات لإنتاج صور ملونة عالية التباين.

إن تحضير العينات للفحص المجهري الإلكتروني يؤدي عادة إلى موتها. فإذا تعرضت عينة حية لحزمة إلكترونية فستموت بالتأكيد، لذا يمكننا استخدام العينات الميتة فقط لإجراء الفحص المجهري الإلكتروني، في حين أنه عند إجراء الفحص المجهري الضوئي، يمكن استخدام العينات سواء حية أو ميتة. في حين أن المجاهر الإلكترونية النافذة يمكنها إنتاج صورة عالية الدقة للعضيات والتراكيب الأخرى داخل الخلية، فإن المجاهر الإلكترونية الماسحة تنتج بالمقابل صورًا عالية الدقة لسطح العينة، في حين تستخدم المجاهر الضوئية عادة لفحص خلايا محددة داخل الأنسجة.

يمكن لكلا نوعي المجاهر الإلكترونية تحقيق قوة تكبير قصوى أعلى بكثير من المجاهر الضوئية التي نجد أن أفضلها على الإطلاق يمكن أن ينتج صورًا مكبرة تصل إلى 1500 ضعف. في حين أن المجاهر الإلكترونية الماسحة يمكنها إنتاج صور مكبرة بمقدار مليون إلى مليوني ضعف حجم العينة نفسها، فإن المجاهر الإلكترونية النافذة يمكنها إنتاج صورة مكبرة تصل إلى أكثر من 50 مليون ضعف حجم العينة الفعلي. إن قوة تمييز المجاهر الإلكترونية أفضل حتى من المجاهر الضوئية الأكثر تطورًا التي يمكنها تمييز الصور التي تفصل بينها مسافات تصل إلى 200 نانومتر. يمكن للمجاهر الإلكترونية الماسحة إنتاج صور تكون فيها الأجسام، التي تفصل بينها مسافات تصل إلى 0.5 نانومتر، ما زالت قابلة للتمييز فيما بينها، في حين يمكن للمجاهر الإلكترونية النافذة إنتاج صور لأجسام يمكن أن تفصل بينها مسافات صغيرة تصل إلى 0.05 نانومتر وما زالت ترى بصفتها أجسامًا منفصلة.

هيا نتناول سؤالًا تدريبيًّا لنختبر ما تعلمناه عن أنواع المجاهر المختلفة.

الصورة المجهرية الآتية لرأس نملة. ما نوع المجهر المرجح استخدامه لإنتاج هذه الصورة؟ مجهر ضوئي، أم مجهر إلكتروني ماسح، أم مجهر إلكتروني نافذ.

لنبدأ بإلقاء نظرة على المعلومات المعطاة في السؤال والصورة المجهرية. إن هذه الصورة ثلاثية الأبعاد، وهي تعرض سطح رأس النملة. كما أنها باللونين الأبيض والأسود. تنتج المجاهر المختلفة أنواعًا مختلفة من الصور، ويمكننا استخدام هذه المعلومات لتحديد نوع المجهر الذي أنتج هذه الصورة المجهرية.

دعونا نستخدم جدولًا للمقارنة بين أنواع المجاهر الثلاثة المختلفة. لدينا في هذا الجدول المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الضوئي. ينتج كل من المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني النافذ صورًا مسطحة ثنائية الأبعاد، في حين ينتج المجهر الإلكتروني الماسح صورًا ثلاثية الأبعاد. يعرض الفحص المجهري الضوئي اللون الطبيعي للعينات، ويمكن أيضًا إضافة صبغات إليها لإنتاج صور ملونة عالية التباين، في حين لا يمكن إنتاج الصور باستخدام نوعي المجاهر الإلكترونية بسوى اللونين الأبيض والأسود فقط، ومع ذلك يمكن إضافة لون زائف إليها فيما بعد.

إن قوة تكبير المجاهر الضوئية هي الأقل من بين الأنواع الثلاثة. ولهذا، فهي تستخدم عادة لفحص الخلايا والتمييز فيما بينها في الأنسجة أو لتصوير كائنات حية دقيقة بأكملها. تتسم المجاهر الإلكترونية الماسحة بقوتي تكبير وتمييز عاليتين، حيث تعمل من خلال تمرير الحزم الإلكترونية على سطح العينة، والتي تعكس فيما بعد بفعل أيونات فلزية موضوعة على سطح العينة. ثم تجمع الإشارات الناتجة منها بواسطة كواشف خاصة لإنتاج صور عالية الدقة لسطح العينة.

تتسم المجاهر الإلكترونية النافذة عادة بقوتي تكبير وتمييز أعلى بكثير، حيث تعمل من خلال تمرير الحزم الإلكترونية عبر العينة لإنتاج صور عالية الدقة للتراكيب داخل الخلوية مثل العضيات.

نلاحظ أن الصورة المجهرية للنملة ثلاثية الأبعاد. وبناء على طبيعة هذه الصورة ثلاثية الأبعاد، يمكننا استبعاد كل من المجاهر الضوئية والمجاهر الإلكترونية النافذة؛ ما يشير إلى أن هذه الصورة منتجة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح، وهو ينتج بالفعل صورًا ثلاثية الأبعاد. كما توضح الصورة سطح رأس النملة. ونعلم أن المجهر الإلكتروني الماسح عادة ما ينتج صورًا لسطح العينات. نلاحظ أن الصورة المجهرية لا تعرض الخلايا نفسها، كما أنها لا توضح التراكيب داخل الخلوية مثل العضيات، لذا يشير ذلك إلى أن هذه الصورة المجهرية غير منتجة باستخدام المجهر الضوئي أو المجهر الإلكتروني النافذ. ومن ثم، يمكننا استنتاج أن هذه الصورة منتجة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.

وها هي بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو.