Подписаться
Оглавление

Сам себе ученый (мир через бумажный микроскоп)

  • 202
  • 0,5
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
Обзор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Микроскоп — удивительный прибор, волшебное окно, через которое можно заглянуть в загадочный микромир. Это подобно своего рода путешествию в параллельный мир, который находится здесь, неподалеку, но скрыт от большинства людей.

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2018.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


Genotek

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Введение

Какова же история создания этого удивительного прибора? Увеличивающие линзы были известны с XI века, и очки распространились по Европе в XIV веке. Традиционно изобретение первого микроскопа с увеличением в 3–9 раз приписывают отцу и сыну — Хансу и Захарию Янсенам в 1595 году. Есть также версия, что первый микроскоп создал Корнелиус Дреббель. Среди изобретателей первых микроскопов был и Галилей, создавший свой прибор в 1609 году. Но ни один из вышеперечисленных изобретателей не оставил подробных описаний микромира. Микроскопия как наука началась с Роберта Гука, который в 1665 году издал книгу, где подробно описал устройство микроскопа, основы оптики и первые наблюдения за биологическими объектами, иллюстрированные подробными рисунками. Микроскоп Гука состоял из трех линз и источника света — эта основа сохраняется и в современной микроскопии.

В 1674 году Антони Ван Левенгук написал письмо в Лондонское Королевское общество, заявив об открытии чего-то неординарного. Он был увлечен шлифованием стекол, и желание познать мир прославили его как гениального ученого-самоучку, первооткрывателя микробов. Левенгук был известен своим энтузиазмом в работе с микроскопами, которые он сделал сам. По современным меркам, приборы Левенгука были простыми. Созданные им линзы, величиной не больше крупной горошины, обладали способностью увеличивать предметы в несколько сотен раз и отличались большой точностью. Линзы Левенгук вставлял в металлические оправы, тоже изготовленные им собственноручно, и крепил в специальных держателях с металлической иглой для насаживания объектов наблюдения. Устанавливая свои линзы в металлические оправы, он собрал микроскоп и с его помощью проводил самые передовые по тем временам исследования. Всего за свою жизнь он изготовил более 500 линз и как минимум 25 микроскопов, девять из которых дошли до наших дней. С помощью своих линз Левенгук рассматривал различные материалы — кровь, человеческий волос, дождевую воду, насекомых, мышечные волокна, фрагменты кожи, зубной налет и множество других образцов. Он наскреб зубной налет, смешал с дождевой водой и рассмотрел это под микроскопом. Образец кишел «живыми маленькими животными, которые очень красиво движутся».

В 1677 году Левенгук сделал величайшее открытие, которое повлияло не только непосредственно на биологию и медицину, но и на все другие науки — он открыл микробов. К своему сообщению об открытии он приложил рисунки, в которых легко можно узнать различные формы бактерий. Он назвал их маленькими животными. В последующие столетия последовал еще ряд открытий в микроскопии. Ученые более глубоко изучили микромир и обнаружили, какую огромную роль существа из него играют в нашей жизни.

Тот, кто работает с микроскопом, в какой-то мере начинает ощущать себя (и нередко воспринимается окружающими) человеком особого круга «посвященных» в деятельность, близкую к науке. Можно сказать, что для подростка это — первый опыт работы, максимально приближенной к научным исследованиям, возможность ощутить себя «настоящим» ученым, исследователем, открывающим тайны невидимого мира. Вы когда-нибудь задавались вопросом, как личинки комаров дышат под водой или как клетка раздваивается или каким образом раскрашены крылья бабочек? Но не у каждого подростка есть этот прибор. Хороший микроскоп стоит дорого и доступен не всем. Но появился новый, доступный для широких слоев населения нашей страны, вариант микроскопа — бумажный (фолдскоп)! Многие дети во всем мире никогда не использовали микроскоп, даже в развитых странах, как Соединенные Штаты. Но этот прибор легок в сборке и финансово доступен каждому. Действительно, программа «микроскоп для каждого ребенка» может стимулировать глубокий интерес к науке в раннем возрасте.

Чудеса микромира

Приближение к науке

Что же нужно ребенку для того, чтобы хоть чуть-чуть приблизиться к науке? Необходимо проделать следующее:

  1. Заказать бумажный микроскоп (рис. 1).
  2. Рисунок 1. Заказ пришел

    Есть разные способы его получения. На сайте «Сделай мир ближе» рассказывается о всероссийском проекте, инициированном благотворительным фондом Сбербанка «Вклад в будущее».

    Организаторы и операторы проекта (АНО Центр популяризации научных знаний «НаукаПресс» совместно с образовательной платформой «Глобаллаб») проводят конкурс на бесплатное получение фолскопов с целью поддержки и распространения науки, открытой каждому. Благодаря фолдскопу, педагогическим методикам и практикам, любой школьник сможет заниматься любительской наукой. И такие занятия, возможно, станут для многих детей главным шагом на пути к большим открытиям и изобретениям. С 2018 года проектная деятельность школьников является обязательной частью учебного плана. Благодаря проекту «Сделай мир ближе» учителя получат современные инструменты, методическую поддержку и смогут обучать детей на достойном уровне.

  3. Собрать бумажный микроскоп, используя содержимое конверта (рис. 2 и 3).
  4. Рисунок 2а. Содержимое конверта

    Рисунок 2б. Содержимое конверта

    Рисунок 3а. Бумажная основа фолдскопа готова

    Рисунок 3б. Бумажная основа фолдскопа готова

    Рисунок 3в. Бумажная основа фолдскопа готова

    Рисунок 3г. Бумажная основа фолдскопа готова

  5. Прикрепить бумажный микроскоп к смартфону (рис. 5г).
  6. Приготовить препарат.
  7. Сфотографировать или сделать видео увиденного, записать на мобильное устройство.

Как появился Foldscope (бумажный микроскоп)?

Рисунок 4. Ранний эскиз дизайна фолдскопа

Foldscope изобрели Ману Пракаш и Джим Цыбульский в лаборатории Стэнфордского университета, где Джим был аспирантом, а Ману заведовал лабораторией. Идея сделать такой микроскоп пришла во время их многочисленных рабочих поездок по всему миру, где им постоянно приходилось сталкиваться с громоздкими и сломанными микроскопами или вовсе их отсутствием.

Проект дал результат — изобретение фолдскопа, складного микроскопа, в основном из бумаги, стоимостью менее одного доллара (рис. 4).

Впервые технология изготовления и использования микроскопа была опубликована в 2014 году в журнале PLoS ONE [1]. В статье для изготовления бумажного микроскопа предлагается использовать бумагу (400 см2), линзы-шарики, батарейку-таблетку 3В (CR2016), светодиод и выключатель.

Пракаш получил грант 100 000 долларов от Фонда Билла и Мелинды Гейтс в 2012 году для проведения полевых испытаний в Индии, Таиланде и Уганде. Он использовал его для обучения своих учеников микроскопии. Пракаш надеется на массовое производство фолдскопов не только для медицинского применения, но и как образовательного инструмента, вдохновляющего детей.

Пилотная программа Foldscope

Пилотная программа Foldscope в лаборатории Ману Пракаша PrakashLab началась в 2014 году при поддержке Фонда Мура. Руководители проекта распределили 50 000 фолдскопов по 135 странам и попросили получателей отображать результаты в онлайн-сообществе. Такое широкое распределение фолдскопов показало удивительное разнообразие применений этого инструмента. Например, фолдскопы были использованы для идентификации микроскопических яиц сельскохозяйственных вредителей в Индии, для каталогизирования биоразнообразия почвенных членистоногих в бассейне Амазонки, выявления поддельной валюты и лекарств [2], слежения за токсичными водорослями, обнаружения бактерий в пробах воды, составления карты разнообразия пыльцы в городе, в медицине [3]. Мечтой Пракаша является то, что эти ультрадешевые микроскопы когда-нибудь будут широко распространены и принесут определенную пользу.

Видео. Мир через бумажный микроскоп

Foldskope Instruments и будущее

В декабре 2015 года Джим и Ману основали компанию Foldscope Instruments с целью увеличить выпуск фолдскопов и, в конечном итоге, для того чтобы выпускать и другие недорогие научные инструменты. Очередная цель компании — распространить миллион бумажных микроскопов к концу 2017 года. В рамках этой задачи компания сотрудничает с образовательными организациями по всему миру. Как заявляют разработчики, они считают, что благодаря обратной связи, фолдскоп постоянно развивается. Например, сейчас к нему можно прикреплять смартфон с помощью магнитной клипсы, чтобы наблюдать за бактериями прямо на экране, а обычную бумагу заменили на синтетическую, благодаря чему микроскоп не боится воды.

Фолдскоп начинает распростаняться и в нашей стране. В течение октября 2018 г. комплекты с фолдскопами будут отправлены в школы и учреждения дополнительного образования. Больше всего заявок на фолдскопы пришло из Калужской (125), Новосибирской (98), Астраханской областей (66) и Красноярского края (99) как на наборы с фолдскопами для учителей естественно-научного профиля и педагогов дополнительного образования, так и на отдельные фолдскопы для учащихся. Школьники и педагоги с помощью фолдскопов смогут рассматривать и исследовать пыльцу растений, простейшие микроорганизмы в воде, неживые объекты, различные поверхности и др.

Описание фолдскопа

Устройство Foldscope состоит из водонепроницаемой бумаги, светодиода, выключателя, батарейки-«таблетки» и сапфировой шариковой линзы, встроенной в бумагу. Всё! Весь этот нехитрый набор позволяет добиться 2000-кратного увеличения в зависимости от линз. Весит устройство всего 10 граммов. Чтобы его собрать, не нужно обладать какими-то специальными знаниями — все очень и очень просто, и сделать это можно за несколько минут. При этом точность подгонки компонентов составляет 100 микрон.

Собирается фолдоскоп так: берем лист бумаги с шаблоном, вынимаем детали (рис. 3), складываем и соединяем их, прикрепляем линзу (рис. 5б), светодиод с батарейкой (рис. 5в) и карманный микроскоп готов.

Рисунок 5а. Фолдскоп

Рисунок 5б. Линза

Рисунок 5в. Светодиод с батарейкой

Рисунок 5г. Место крепления фолдскопа к смартфону

Чтобы использовать гаджет, необходимо активировать диод с помощью выключателя. После этой процедуры можно пользоваться микроскопом, приблизив глаза к отверстию в картоне. Настройку резкости и перемещение исследуемого образца можно осуществлять при помощи специальных бумажных «бегунков». Батарея сможет непрерывно проработать 50 часов.

Фолдскоп поставляется с комплектом линз 140-кратного увеличения боросиликатного объектива с почти двухмикронным разрешением. В будущем в комплект будут входить линзы с другим увеличением.

Фолдскоп можно использовать в трех различных режимах: смотреть глазами, смотреть через смартфон, проецировать на белую поверхность. Разработчики заявляют, что картонный микроскоп Foldscope весьма прост, компактен, и его практически невозможно разбить — разве что только порвать. Он даже водонепроницаем, так как сделан из специальной бумаги. Такое устройство будет полезно для студентов, школьников, а также врачей и исследователей в развивающихся странах. Да и вообще — это же забавно — вот так, практически из ничего соорудить настоящий микроскоп. Многих заинтересует такая возможность.

В интернете имеется описание самого микроскопа Foldscope и инструкция по его изготовлению. Стоит этот гаджет менее одного доллара США — 97 центов. А если заменить линзу на стеклянную, микроскоп обойдется всего в 50 центов.

Фолдскоп легко может быть утилизирован после использования, чтобы безопасно избавиться от инфекционных биологических образцов. Одной из уникальных особенностей конструкции микроскопа является использование недорогих сферических линз, а не шлифованных изогнутых стеклянных, используемых в традиционных микроскопах.

Сейчас можно заказать набор для индивидуального использования за 20 долларов или набор для учителя за 30 долларов.

В набор для индивидуального использования входит металлическая коробка для хранения фолдскопа, шаблон для изготовления, линза, магнитная клипса для крепления смартфона, предметные стекла (пустые и подготовленные), светодиодный источник света, блокнот с карандашом для записей, 12 пластин и чашек Петри, металлические и нейлоновые сетчатые фильтры, предметные стекла из ПВХ, пинцеты, пипетки, ножницы, тюбики и многое другое. В набор для учителя входит комплект фолдскопов для класса из 20 человек.

Изготовление препарата

После сборки фолдскопа приступим к изготовлению препарата.

Рассмотрим перья зеленого лука: мы видим на рисунке 6 зеленые клетки.

Рисунок 6. Росток зеленого лук под фолдскопом

На рисунках 7г–е мы видим как выглядят лепестки одной и той же розы. Изготовим препарат (рис. 7а–в). При увеличении хорошо видны овальные гранулы, которые придают лепестку его розовый цвет. Эти гранулы являются частью клетки лепестка розы и называются хромопластами. На образце видны дорожки, пронизывающие весь лепесток. Эти дорожки очень похожи на нашу кровеносную систему, таковыми и являются для лепестка. При увеличении можно рассмотреть сосудики чуть лучше (рис. 7г-е).

Рисунок 7а. Препарат из лепестков розы

Рисунок 7б. Препарат из лепестков розы

Рисунок 7в. Препарат из лепестков розы

Рисунок 7г. Различные участки лепестка розы под фолдскопом

Рисунок 7д. Различные участки лепестка розы под фолдскопом

Рисунок 7е. Различные участки лепестка розы под фолдскопом

Изготовим препарат из репчатого лука, отделив тонкую пленочку (рис. 8). Клетки лука под микроскопом очень крупные. Но, к сожалению, ядра и внутренней структуры не видно.

Рисунок 8а. Препарат из кожицы лука репчатого

Рисунок 8б. Препарат из кожицы лука репчатого

Рисунок 8в. Препарат из кожицы лука репчатого

Изготовим препарат из плесени апельсина (рис. 9). На рисунке мы видим, как выглядит плесень под небольшим увеличением.

Рисунок 9. Плесневелый апельсин для препарата

Подумайте, в каких съедобных растениях можно найти такие тонкие пленки-кожицы (в сельдерее, например, можно постараться отделить такую прозрачную кожицу, или в плоде томата). Можно попробовать снять тонкую кожицу с любого листа зеленого растения. Особенно легко это получится с комнатными растениями, у которых мясистые сочные листья, например, со всяких толстянок. Можно попробовать посмотреть на просвет растение с очень тонкими полупрозрачными органами. Кусочек водяного растения из аквариума, например...

Рисунок 10. Мох под фолдскопом

Рисунок 11. Почка дерева под фолдскопом

Если рассмотреть листик мха под увеличением (рис. 10), то можно увидеть, что помимо обычных зеленых клеток, которые содержат хлорофилл и в которых так же, как и в любом другом зеленом растении происходит фотосинтез, там находятся специальные воздухоносные клетки. Они будут мертвые, и их оболочки будут довольно плотные. Если взять сухой мох и рассмотреть его, то эти клетки будут наполнены воздухом, но когда мы его замачиваем, то они наполняются водой и способны удерживать огромное количество влаги.

Рассмотрим под фолдскопом почку растения (рис. 11). Кажется, что попали в заросли — это «волосики» почки розовато-зеленоватого цвета.

На рисунке 12 мы увидим кровь. Все клетки крови делятся на красные и белые. Первые — это эритроциты, составляющие бóльшую часть всех клеток; вторые — лейкоциты. Размеры красных клеток составляют около 7–10 мкм, что соответствует при нашем самом большом увеличении изображению около 1 мм.

Рисунок 12. Кровь человека под фолдскопом

На рисунке 13 под увеличением мы видим таракана.

Рисунок 13. Таракан под фолдскопом

Мы живем на интересной планете, которую населяют удивительные существа. С помощью препарата рассмотрим строение таракана, отыщем части тела таракана согласно нижеприведенному рисунку 14.

Рисунок 14. Строение таракана

Не хотите зарисовать портрет таракана или другого насекомого и стать художником микромира?

На рисунке 15 рассмотрим структуру бумаги-миллиметровки под фолдскопом. Видны волокна бумаги и краска.

Рисунок 15. Структура бумаги-миллиметровки под фолдскопом

В данный набор входило два типа шариков-линз: 2,31 мм и 1,2 мм в диаметре. Мы решили провести эксперимент и узнать, насколько сильны линзы в наборе Foldscope. Для этого взяли миллиметровую бумагу и, пометив один миллиметр, рассмотрели его под первой (слабой) линзой. Один мм превратился в 6 см, то есть, по нашим расчетам, увеличение составило 60 раз. Мои вычисления приблизительно верны (табл. 1).

Таблица 1. Таблица увеличения линз
Размер шарика линзы, ммУвеличение, количество раз
2,31 70
1,20 140
0,50 340
0,40 430
0,15 1140

Линзы из нашего набора выделены в таблице жирным шрифтом. Что же можно рассматривать с помощью этих линз? Чтобы объекты были исследованы нашей оптической системой, они должны иметь размеры в пределах от 1 мм до 10 микрометров. Если задаться вопросом, а какие же это объекты из нашего мира, то можно их схематически показать, используя программу «Шкала масштабов Вселенной», на которой представлены относительные размеры объектов размерами от гигапарсека (наблюдаемая Вселенная, Великая стена Слоуна) до йоктометра (нейтрино, квантовая струна) (рис. 16).

Рисунок 16а. Увеличение 1600 раз относительно одного метра

Рисунок 16б. Увеличение 7900 раз относительно одного метра

Рисунок 16в. Увеличение 39 800 раз относительно одного метра

На рисунке 17 видны увеличенные волосы годоволого ребенка (1). Структура волос и их классификация пристально изучается специалистами-трихологами. На рисунке 17 также изображены шерсть кошки (2) и шерсть собаки (3).

Рисунок 17. Волосы годовалого ребенка (1), кошки (2), собаки (3) и перо попугая (4) под фолдскопом

Изображения крупные, хорошо видна поверхность волоса, его цветовая гамма. Возможно, это одни из самых лучших объектов для исследования этим микроскопом. На рисунке 17 также изображено увеличенное перо нашего попугайчика (4). Оно цветное. Под увеличением в 140 раз мы увидим, что оно состоит из «колосков». На фотоснимке та часть пера, которая ближе к телу птицы — пух.

На рисунке 18 я запечатлел завораживающее глаз таяние снега. Интересно смотреть, как тают сломанные кристаллики снега, перетекает водичка.

Рисунок 18. Таяние снега

Заключение

Закончив свою статью, я могу сказать, что все из того, что было задумано, я выполнил. В 2014 году, когда Ману Пракаш с коллегами запустил первую публичную программу проекта Foldscope — программу beta-тестеров (людей, добровольно согласившихся потестировать бумажный микроскоп), — одним из таких тестировщиков стал мой брат. И несмотря на то, что он успешно прошел первичный отбор, что-то в рассылке микроскопов пошло не так, и свою бумажную копию он не получил. В конце 2016 года команда вновь напомнила о себе, запустив проект на Kickstarter. Связавшись с информационным центром Foldscope, компания выслала повторно экземпляр бумажного микроскопа нам по почте. И мы с братом получили его. Я быстро собрал дешевый прибор и стал придумывать, какие препараты мне изготовить и что посмотреть. Фолдскоп позволил мне исследовать невидимый мир микроскопических объектов и форм жизни. Мне пришла в голову идея нарисовать несколько картин из микромира, например, таяние снега, таракана, которого я смог разглядеть и зарисовать по частям. Работа над проектом показала мне, что исследовать микрокосмос очень интересно и увлекательно, что этот процесс помогает приобретать новые знания, и тогда появляются новые идеи.

Но есть и критические моменты: процесс удешевления себестоимости микроскопа сказался на его оптике. Несмотря на то, что, по словам авторов, увеличения можно достичь и до 2000 раз (при использовании шариков линз меньшего диаметра и другого материала), качество микроскопа измеряется не только способностью к увеличению. Так, на всех изображениях, представленных в работе, было заметно сильное искажение, при котором разглядеть что-либо можно было только в центральной части картинки. К краям изображение размывалось. Такой вид оптической аберрации (искажения) называется кривизной поля. При работе с микроскопом мы поняли, что держать в фокусе четкость для видео- и фотосъемки крайне тяжело. Бумажный корпус не позволяет зафиксировать расстояние. Изображение искажается при небольших дрожаниях рук.

То, что сделал я, сможет сделать каждый: собрать бумажный микроскоп, научиться им пользоваться и изучить с его помощью невидимый невооруженным глазом микромир. А перспектива заключается в том, что плохое материальное положение человека не будет являться препятствием в получении новых знаний, а следовательно, будет больше появляться новых изобретений.

Литература

  1. James S. Cybulski, James Clements, Manu Prakash. (2014). Foldscope: Origami-Based Paper Microscope. PLoS ONE. 9, e98781;
  2. Демченко Д. (2017). 20 людей, которые создают будущее — список Wired. ain.ua;
  3. Robinson A. (2016). Scoping out a novel tool for public engagement. BugBitten;
  4. Newby K. (2014). Free DIY microscope kits to citizen scientists with inspiring project ideas. Scope;
  5. Kormann C. (2015). Through the looking glass. The New Yorker;
  6. Mukunth V. (2014). A disposable microscope for as little as $1. The Hindu;
  7. . (2015). Origami microscopes for college students across India. Nature India;
  8. Wakefield J. (2014). Ultra-cheap 'origami' microscope developed. BBC News;
  9. Coxworth B. (2014). Folding paper microscope could reduce deaths from malaria. Gizmag;
  10. Mathews L. (2014). Foldscope is a 50-cent paper microscope that magnifies up to 2000 times. Geek.com;
  11. Foldscope paper microscope can diagnose malaria, costs 50 cent. (2014). CBC News;
  12. Foldscope – самый настоящий бумажный микроскоп. (2016). «ПрогХаус».

Комментарии