Вооружённым глазом: Как снимать под микроскопом

В середине июля судьи конкурса микрофотографии Nikon Small World начали выбирать победителей (и на момент выхода статьи так ещё и не выбрали). Тем временем Bird In Flight поговорил с тремя учёными из США и России, как становятся микрофотографами, как раскрашивают образцы для съёмки и где может пригодиться фотография микромира.

Одним из тех, кто вдохновлял меня в юности, был шведский микрофотограф Леннарт Нилссон. Его работы, на которых были изображены, как тогда считалось, неподдающиеся фотографированию биологические объекты, изменили взгляды на жизнь многих людей, включая меня. Кроме того, мой отец был астрономом-любителем, что во многих отношениях напоминает микросокопию. После того как я прошёл специальное обучение, доктор Марк Эллисон, один из первопроходцев и энтузиастов в области микроскопии, взял меня на работу в NCMIR.
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_16.jpg", "text": "Drosophila melanogaster (плодовая мушка). Сканирующий электронный микроскоп"}

Здесь я имею доступ к наиболее сложным световым, рентгеновским и электронным микроскопам в мире, цена которых может достигать $5 миллионов. Если подумать, то микроскоп — это просто специфическая разновидность камеры. Один из моих любимых выполнен по проекту моего коллеги, доктора Роджера Тсиена, получившего в 2008 Нобелевскую премию за работу над генетически модифицированными флуоресцентными белками. Это фемтосекундный многофотонный лазерный микроскоп. Принцип его работы сложно объяснить вне профессиональной терминологии, но суть в том, что он использует мощный лазер и специальную оптику для возбуждения флуоресцентных молекул, которые мы внедряем в клетки и ткани.

Каждый микроскоп имеет свои требования к подготовке образцов, и они могут сильно различаться. Например, иногда мы используем разноцветные молекулы, генетически встроенные в ключевые структуры клетки в комбинации с избирательным химическим закрашиванием — такие образцы сделать очень сложно. Другие техники, такие как сканирующая электронная микроскопия, требуют лишь минимальной подготовки образца помимо простой химической фиксации, сушки и покрытия металлом.

Подготовка, которая может длиться дни и даже недели перед съёмкой, является одним из залогов того, что через микроскоп будет получено визуально яркое изображение. Я много работаю над визуализацией мозга, иногда это требует применения самых передовых методик. Обычно мне нужно законсервировать экземпляр с помощью серии химических обработок, затем разрезать его на тонкие секции специальной машиной. После этого я помечаю разные компоненты клетки особыми флуоресцентными пятнами, которые засветятся, как только на них упадёт луч лазера.
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_11.jpg", "text": "Слой мышиной сетчатки. Сосуды покрашены голубым, глиальные клетки — зелёным, ДНК — оранжевым, аксоны — красным. Многофотонный флуоресцентный микроскоп"}

Сидя перед мощными микроскопами, некоторые из которых способны увеличить более чем в миллион раз, я чувствую себя первооткрывателем других миров. Красота и чудо природы не ограничивается нашим несовершенным зрением, но простирается вниз по так называемой мезошкале: начиная с того, что лишь слегка скрыто от взгляда, до практически атомных величин. Даже вещи, которые вы не сочли бы красивыми, очаровывают: от бактерии, причудливо танцующей на кремниевой пластине, до выходящего из клетки ВИЧ.

У меня есть возможность работать со многими выдающимися учёными. Например, с доктором Майклом Карином — экспертом в области рака, воспалительных болезней и нарушения обмена веществ. В процессе своих исследований он создал трансгенную дрозофилу, у которой не хватало белка, предотвращающего преждевременное старение. Изучение этого вещества открывает нам возможность в перспективе сократить число возрастных болезней. Работу собирались опубликовать в журнале Science, и ему нужна была сногсшибательная фотография этой дрозофилы, которую можно поместить на обложку. Настроить сканирующий электронный микроскоп для такого снимка было нелегко — образец был не больше миллиметра, при этом я хотел придать ему вид живой мушки в полёте. Пришлось применить несколько фокусов, но в итоге я остался доволен результатом.
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_12.jpg", "text": "Мышиный мозжечок. Зелёным отмечены нейроны Пуркинье, пурпурным — глиальные клетки, голубым — ДНК. Многофотонная микроскопия"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_13.jpg", "text": "Частицы ВИЧ лежат на поверхности клетки. Сканирующий электронный микроскоп"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_14.jpg", "text": "Бессмертные (раковые) клетки HeLa, покрашенные в голубой (микротрубочки), красный (актин) и фиолетовый (ДНК). Многофотонный флуоресцентный микроскоп"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_15.jpg", "text": "Бактерия E. coli (кишечная палочка) на силиконовой подкладке. Сканирующий электронный микроскоп"}

Я был очарован природой с тех пор, как себя помню. Мои родители — биологи, и я рос в окружении научных книг. Мне нравилось рассматривать иллюстрации и фотографии задолго до того, как я научился читать. В 26 лет я купил первую камеру и сам начал фотографировать природу, сфокусировавшись на макросъёмке. Я быстро понял, что микроскопия идеально дополнит моё увлечение. Шесть лет назад, после того как я ушёл из химии белка в нейробиологию, я наконец-то получил доступ к конфокальному (высококонтрастному. — Прим. ред.) микроскопу.

Конфокальный микроскоп — высококлассный образец научного оборудования, в базовой комплектации стоит около $100 тысяч, поэтому если вы не занимаетесь исследованиями в области клеточной или нейробиологии, ваши шансы воспользоваться им очень малы. Конечно, необязательно использовать именно этот вид оборудования, чтобы получить захватывающие снимки — обычный световой микроскоп обойдётся в несколько сотен долларов, и вы можете найти адаптеры, которые позволят подключить любой тип камеры.

Разные образцы и техники визуализации требуют различных методов обработки. Для флуоресцентных техник (как в конфокальной микроскопии) в большинстве случаев требуется применение красителей или сопряжённых антител, прилипающих к определённым компонентам внутри или снаружи клетки. Чтобы сделать видимой целлюлозу (из которой состоят стенки растительных клеток) или хитин (экзоскелеты членистоногих), я использую два красителя: Congo Red и Calcofluor White. Оба они изначально использовались в текстильной промышленности из-за свойства связываться с волокнами целлюлозы.

В микрофотографии работают те же принципы, что и в других видах визуального искусства: композиция, свет, контраст и цвет — все они вносят свою лепту в то, как изображение действует на зрителя.

Результат чаще всего удивителен, ведь микроскоп «видит» образец совсем иначе, чем человек, и возможность отобразить крошечные детали — это ещё не всё. Чувствительность микроскопа к коротким и длинным световым волнам значительно превосходит наши возможности, поэтому в результате мы получаем изображение, которое совсем не похоже на то, что можно увидеть невооружённым глазом. Эффект практически невозможно предсказать, но почти всегда он восхищает и поражает.
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_17.jpg", "text": "Часть передней ноги жука-плавунца. Нога покрыта множеством присосок, которыми самец удерживает самку во время спаривания."},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_18.jpg", "text": "Глаз стрекозы."},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_19.jpg", "text": "Коловратки вокруг одноклеточной зелёной водоросли."},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_20.jpg", "text": "Открытая ловушка плотоядного растения пузырчатки с одноклеточными организмами внутри."},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_21.jpg", "text": "Клубочек заполненных спорами спорангиев и защитных волосков, называемых парафизами, у папоротника."},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_22.jpg", "text": "Глаз стрекозы голубой обыкновенной (Enallagma cyathigerum)"}

Все фото: Igor Siwanowicz for the Olympus BioScapes Competition.

Я занимаюсь редкими материалами — каменным литьём, синтетическими минеральными сплавами. Вопреки ожиданиям, камни расплавить не так сложно: температура нужна чуть выше, чем для стали. Такой неметаллический расплав похож на вулканическую лаву. Структура этих материалов разнообразна, как и мир минералов в естественной среде. Когда я начала заниматься этим направлением, то не ожидала, что микроструктура окажется такой интересной — до этого я была знакома только с металлами, а там такого не увидишь.

В работе мы с коллегами используем оптическую (до 500×) и электронную (20 000—30 000×) микроскопию. Качество изображения зависит не столько от оборудования, сколько от качества подготовки самих образцов. Скажем, для оптической микроскопии сначала приходится отшлифовывать материал до состояния тоненькой прозрачной плёнки. Затем эту плёнку приклеивают на стекло и наблюдают в окуляр микроскопа. Насыщенность изображения во многом зависит от толщины образца: чем толще, тем лучше. При электронной микроскопии образец приходится напылять углеродом, в противном случае из-за плохой проводимости материала мы просто ничего не сможем увидеть.

Но идеальная фотография получается тогда, когда и оборудование хорошее, и образец как следует подготовлен. В оптической микроскопии мне нравится использовать оборудование с немецкой оптикой, а в электронной нравится результат, полученный с помощью японской техники.

Справедливости ради надо сказать, что и профессионализм при обращении с оборудованием играет важную роль, поэтому фото — это всегда результат коллективного труда: тех, кто создаёт образец, тех, кто его обрабатывает, и тех, кто настраивает оборудование для съёмки.

Для меня фотографии — не просто часть исследования, а знакомство с материалом. Это как разговор по душам с тем, что по определению не может ничего сказать. По структуре видно, что делали с материалом, по внешнему виду обломков можно определить, как именно он разрушился.
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_01.jpg", "text": "Сплав металлургического шлака и минеральных пород"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_02.jpg", "text": "Синтетический фторфлогопит"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_03.jpg", "text": "Синтетический фторфлогопит"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_04.jpg", "text": "Скопление кристаллов вокруг поры в силикатном сплаве"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_05.jpg", "text": "Строение кристаллического материала из доломита и габбро"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_06.jpg", "text": "Кристалл в силикатном сплаве"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_07.jpg", "text": "Кристалл в силикатном сплаве"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_08.jpg", "text": "Кристаллические образования в силикатном сплаве"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_09.jpg", "text": "Кристалл в силикатном сплаве с «оболочкой»"},
{ "img": "/wp-content/uploads/2015/07/micro_10.jpg", "text": "Кристалл эпидота (минеральное составляющее в силикатном сплаве"}