Bir Biyoloğun Araçları

Araçlara Duyulan İhtiyaç

Gözlem ve ölçüm, bilimsel araştırmanın belkemiğidir. Çıplak gözle yapılabilecek gözlemler oldukça sınırlıdır. Bu nedenle bilimin her dalı, insan duyularının menzilini ve doğruluğunu artıran araçlar kullanır. Günlük yaşamda bile duyularımıza yardımcı olması için araçlar kullanırız. Gözlükler buna açık bir örnektir. Ancak ayrıca termometreler, ölçüm kapları, teraziler ve cetveller de kullanırız. Bunları nadiren bilimsel araçlar olarak düşünürüz, ama aslında öyledirler. Bu metin bölümünde biyolojik araştırmalarda kullanılan önemli araçlardan bazılarını tanımlayacağız.

Optik Mikroskop

Bir mikroskop, nesnedeki küçük ayrıntıları görmemizi sağlayan ve görüntüyü büyütüyormuş gibi çalışan bir cihazdır. Bir mikroskobu kullanarak bir nesneyi incelediğimizde, aslında gördüğümüz şey bir görüntüdür. Görüntünün boyutu, mikroskobun büyütme gücüne bağlıdır. Görüntüdeki boyut artışı, mikroskobun nesnenin boyutunu ne kadar büyüttüğünü gösterir.

Görüntüyü büyütmek için ışığı kullanan mikroskoplara optik mikroskoplar denir. Optik mikroskoplar, ışığın bir saydam ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesi olgusuna dayanır. Optik mikroskoplar içbükey (kavisli) yüzeylere sahip cam lensler kullanır. Bu lensler, nesneden gelen ışık ışınlarını bükerek büyütülmüş bir görüntü oluştururlar.

Basit Mikroskop

Basit mikroskop, büyüteç camı olarak bildiğimiz şeydir. Bu mikroskop türü yalnızca tek bir lensten oluşur. Bu tür araçlar onuncu yüzyılda bile kullanılmıştır. Günümüzde hâlâ biyologlar tarafından, sahada örnekleri tanımlamak için ve laboratuvar düzeyinde yüksek büyütme gerektirmeyen hızlı gözlemler için kullanılmaktadır.

Bileşik Mikroskop

Bileşik mikroskop, iki mercek kullanan bir mikroskoptur. Bir mercek büyütülmüş bir görüntü oluşturur, bu görüntü ikinci mercek tarafından daha da büyütülür. Bileşik mikroskoplar, bir optik sistem, bir mekanik sistem ve bir ışık sisteminden oluşur. Bu mikroskopların kullanımı, bilimin neredeyse tüm alanlarında çarpıcı ilerlemelere yol açmıştır.

Optik Sistem:

Bileşik mikroskobun lensleri, optik sistemi oluşturur. Optik sistemin iki lensi vardır: objektif ve oküler. Modern mikroskoplarda, objektif ile oküler arasında görüntüyü daha fazla büyütmek için bir dizi lens bulunur. Ancak kullanıcı açısından, her lens takımı tek bir lens gibi çalışır.

Bileşik mikroskoplar genellikle farklı büyütme güçlerine sahip iki veya daha fazla objektife sahiptir.

Düşük güçlü objektif, örnekte incelenecek bölgeyi bulmak için önce kullanılır.
Yüksek güçlü objektif, daha fazla büyütme gerektiğinde kullanılır.
Genellikle oküler mercek de başka bir büyütme gücüne sahip bir mercekle değiştirilebilir.

Mekanik Sistem:

Mekanik sistem, örneği ve lensleri tutan yapısal parçalardan oluşur ve görüntünün odaklanmasını sağlar.

Taban, mikroskobun masa üzerinde durmasını sağlayan yapıdır.
Mikroskobun koluna bağlı olan diğer mekanik parçalar da vardır.
Tabla, örneğin yerleştirildiği düz platformdur.
Numune genellikle cam veya plastik lam üzerine yerleştirilir ve gözlem için tabla üzerine konur.
Tablanın üzerine bağlı olan iki klips, lamı yerinde tutmak için kullanılır.
Kolun üst kısmına bağlı olan silindirik yapı, mercekleri taşıyan tüptür .
Bu tüpün altında, döner bir burunluk yer alır ve farklı objektif lenslerin döndürülerek değiştirilebilmesini sağlar.

Mikroskobu odaklamak için iki ayar düğmesi kullanılır:

Daha büyük olan düğme, kaba ayar düğmesidir. Bu düğme, düşük güçlü objektifin odaklanması için kullanılır.
Daha küçük olan düğme, ince ayar düğmesidir. Bu düğme, yüksek güçlü objektifin veya odaklamanın son adımlarında kullanılır.

Her iki ayar düğmesi de objektif ile örnek arasındaki mesafeyi değiştirerek görüntüyü netleştirir. Örnek, görüntü en net olduğunda gözlemciye en iyi şekilde görünür. Yüksek büyütme kullanıldığında objektif genellikle lam yüzeyine çok yakın olur, bu yüzden sadece ince ayar düğmesi kullanılmalıdır.

Işık Sistemi:

Işık sistemi temelde bir aydınlatıcı ve bir diyaframdan oluşur. Bazı mikroskoplarda ayrıca kondansör de bulunur.

Ayna: Bazı mikroskoplarda, örneğe ışık yansıtmak için kullanılır.
Alt aydınlatıcı: Elektrikli bir ışıktır ve mikroskobun tabanına monte edilmiştir.
Işık miktarı, diyafram aracılığıyla kontrol edilir.
- Diyaframlar genellikle farklı büyüklükteki açıklıklara sahip düz bir plakadan oluşur.
- Bazı mikroskoplarda ise disk diyaframı bulunur ve bu diyafram, merkezi açıklığın boyutunu artırmak veya azaltmak için döndürülür.
Kondansör: Işığı örnek üzerine yoğunlaştırmak için kullanılan lenslerdir. Kondansörlü mikroskoplar, ışığı odaklayarak görüntüyü daha net hâle getirir.

Büyütme

Bir mikroskobun büyütme gücü, görüntünün gerçek nesneye oranla ne kadar büyük olduğunu ifade eder. Bir nesne mikroskopla 10 kat büyütüldüğünde, görüntüsü gerçek nesneden 10 kat daha büyük görünür.

Büyütme yalnızca nesnenin uzunluğu veya genişliği gibi tek bir boyutta meydana gelir. Görüntü alanı büyütüldüğünde, nesnenin kapladığı alan büyüklüğü de daha fazladır. Büyütme oranı iki boyutta uygulandığından, görüntünün alanı büyütmenin karesiyle orantılı olarak artar. Örneğin, 10 kat büyütme görüntü alanını 100 kat artırır (10 x 10 = 100).

Toplam büyütme, oküler merceğin büyütme gücü ile objektif merceğin büyütme gücünün çarpımıyla elde edilir.
Öğrenci mikroskoplarında yaygın olarak kullanılan bir oküler mercek 10x büyütme gücüne sahiptir.
Objektif mercekler genellikle 10x (düşük güçlü), 43x (yüksek güçlü) veya 100x (yağ immersiyonlu objektif) büyütme sağlar.

Örneğin:
10x oküler mercek ile 43x objektif kullanıldığında:
Toplam büyütme = 10 x 43 = 430x olur.

Bu, örnekteki iki nokta arasındaki mesafenin mikroskopta 430 kat daha büyük görüneceği anlamına gelir.

Çözünürlük

Bir mikroskop yalnızca nesneleri büyütmekle kalmaz, aynı zamanda çok küçük detayları da ortaya çıkarır. Bu özellik, çözünürlük gücü olarak bilinir.

Çözünürlük, bir mikroskobun iki noktayı birbirinden ayrı olarak gösterebilme yeteneğidir. İki nokta birbirine çok yakınsa ve mikroskop bu iki noktayı ayrı olarak gösteremiyorsa, bu noktalar tek bir görüntü gibi görünür.

Mikroskobun çözünürlüğü, kullandığı lenslerin kalitesi ve ışığın dalga boyu ile sınırlıdır.
Görünür ışığın dalga boyu yaklaşık 400 ila 700 nanometre arasındadır.
Bu nedenle bir ışık mikroskobu ile yaklaşık 0.2 mikrometre (µm) veya daha büyük yapılar ayırt edilebilir.

Bu sınırın altında kalan yapıların gözlemlenmesi için daha gelişmiş mikroskop türleri gerekir.

Tespit, Gömme, Kesit Alma ve Boyama

Bir mikroskopta görüntülenebilmesi için, bir örnekten ışığın geçmesi gerekir. Ancak çoğu biyolojik doku kalın ve opaktır; bu nedenle ışığın geçmesine izin vermez. Bu sorunu çözmek için örnekler mikroskopla incelenmeden önce özel işlemlerden geçirilir.

İlk adım, dokunun sabitlenmesi sürecidir. Bu işlem sırasında doku bir fiksatif içerisine yerleştirilir; bu genellikle formalin gibi kimyasal maddelerden oluşur. Fiksasyon, dokudaki hücrelerin yapısını korur ve otoliz (kendi kendini sindirme) gibi bozunmaları engeller.

İkinci adım, dokunun sertleştirilmesi ve kesilebilmesi için gömülmesi işlemidir.
Doku, sıvı hâlde olan plastik veya parafin mumu içine yerleştirilir ve bu ortamda sertleşmeye bırakılır.

Sertleşen blok daha sonra mikrotom adı verilen özel bir kesici aletle, son derece ince tabakalar hâlinde kesilir.
Bu tabakalara kesit adı verilir.

Kesitler, mikroskop lamına yerleştirilir ve üzerine örtü camı kapatılır.

Çoğu biyolojik yapı saydam olduğu için, bu yapıların mikroskop altında kolayca ayırt edilmesi zordur. Bu sorunu çözmek için örnekler boyanır.

Bazı boyalar yalnızca canlı hücreleri boyarken, diğerleri ölü hücreleri hedef alır.
Boyama işlemi hücre yapılarını kontrast hâline getirerek görünür kılar, böylece araştırmacı organelleri veya hücre duvarlarını net bir şekilde gözlemleyebilir.

Bazı boyalar belirli yapılarla kimyasal olarak etkileşerek seçici boyama sağlar.
Örneğin:

Metilen mavisi, çekirdeği maviye boyar.
Iyot, nişastayla tepkimeye girerek mor renge döner.

Boyalar, biyolojik araştırmalarda hücre yapılarının tanımlanmasını ve karşılaştırılmasını mümkün kılar.

Stereo Mikroskop

Stereo mikroskop, her göz için bir oküler (göz merceği) ve bir objektif (mercek) kullanan özel bir mikroskop türüdür. Bu sistem, görüntünün her göz tarafından farklı bir açıdan algılanmasına olanak tanır ve böylece üç boyutlu (3D) bir görüntü elde edilir.

Stereo mikroskoplar genellikle 6x ile 50x arasında değişen büyütme gücüne sahiptir.
Büyütme oranı, oküler ve objektiflerin optik özelliklerine bağlı olarak değiştirilebilir.

Stereo mikroskoplar, özellikle aşağıdaki durumlarda tercih edilir:

Küçük organizmaların ya da nesnelerin dış yapısını incelemek
Canlı örnekler üzerinde çalışmak
Diseksiyon (organ ayırma) işlemleri yapmak
Elektronik parçaları ya da mineralleri detaylı olarak gözlemlemek

Bu mikroskoplarda genellikle güçlü bir aydınlatma sistemi bulunur ve örneği hem yukarıdan (yansıyan ışık) hem de aşağıdan (geçirilen ışık) aydınlatabilir.

Stereo mikroskoplar, düşük büyütme gücüne sahip olsalar da, derinlik algısı sağlamaları sayesinde yüzey yapılarını detaylı şekilde gözlemlemek için oldukça kullanışlıdırlar.

Faz-Kontrast Mikroskop

Faz-kontrast mikroskop, canlı hücreleri boyamaya gerek kalmadan gözlemlemeye olanak tanıyan özel bir mikroskop türüdür.

Bu mikroskop, hücre içerisindeki yapılar arasındaki faz farklarını kullanarak görüntü oluşturur.
Faz farkı, ışığın farklı hücre yapılarından geçerken karşılaştığı yoğunluk farklarından kaynaklanır.

Normal ışık mikroskopları bu farkları algılayamaz. Ancak faz-kontrast mikroskoplar bu küçük kırılmaları belirgin hâle getirir ve böylece:

Hücre çekirdeği
Sitoplazma
Organeller
Hareketli yapılar
boyama yapılmaksızın net bir şekilde gözlemlenebilir.

Bu mikroskop özellikle:

Hücre bölünmesi
Hücre içi hareketler
Hücre zarı değişimleri
gibi canlı hücre işlevlerini incelemek için idealdir.

Boyama gerektirmediği için hücre ölmez ve süreç doğal hâliyle izlenebilir.

Elektron Mikroskobu

Elektron mikroskobu, ışık yerine elektron demeti kullanan yüksek çözünürlüklü bir mikroskop türüdür. Bu mikroskoplar, geleneksel ışık mikroskoplarının çözünürlük sınırlarının ötesine geçer.

Elektron mikroskopları, 250.000x’e kadar büyütme sağlayabilir. Bu nedenle:

Hücre zarları
Virüsler
Protein yapıları
gibi çok küçük ayrıntılar ayrıntılı şekilde incelenebilir.

Bu mikroskoplarda elektronlar, cam yerine elektromanyetik lensler tarafından yönlendirilir.
Örnek, elektron demetine maruz kaldığında:

Bazı elektronlar geçer,
Bazıları saçılır,
Bazıları emilir.

Geçen elektronlar, bir ekran ya da film üzerinde toplanarak görüntü oluşturur.

Elektron mikroskoplarında genellikle bir kamera sistemi bulunur ve elde edilen görüntüler kalıcı olarak kaydedilebilir.

Diğer Özel Teknikler

Tarayıcı Elektron Mikroskobu

SEM, örneğin yüzeyine odaklanarak üç boyutlu görüntü oluşturur.

Elektron demeti, örnek yüzeyinde ileri geri hareket eder.
Yüzeyden yansıyan elektronlar toplanarak detaylı bir yüzey haritası oluşturulur.
Bu yöntemle örnek yüzeyi yüksek detayda görüntülenebilir.

SEM’de büyütme yerine derinlik ve yüzey yapısı ön plandadır.

Mikrodiseksiyon

Mikrodiseksiyon, canlı hücrelerin mikroskobik cerrahi araçlarla manipüle edilmesini sağlayan bir tekniktir.

Kullanılan araçlar:

Mikroelektrotlar: Hücreye elektrik akımı uygulamak için
Mikroenjeksiyon iğneleri: Hücre içine madde enjekte etmek için
Mikropipetler: Hücreden sıvı ya da madde çıkarmak için

Bu teknik, genetik mühendisliği ve hücre biyolojisinde yaygın olarak kullanılır.

Doku Kültürü

Doku kültürü, hücrelerin canlılığını koruyarak laboratuvar ortamında besiyerinde büyütülmesini sağlar.

Hücreler steril ortamda çoğaltılır.
Yeni ilaçlar veya tedavi yöntemleri bu ortamda test edilebilir.

Bu yöntem, tıp, tarım ve biyoteknoloji gibi birçok alanda kullanılır.

Kromatografi

Kromatografi, bir karışımı oluşturan farklı bileşenleri ayırma yöntemidir.

Her bileşik, sabit yüzeye farklı derecede tutunur.
Taşıyıcı çözücü (mobil faz) ilerledikçe bileşikler farklı hızlarda taşınır.
Bu fark, bileşiklerin tanımlanmasını sağlar.

Kromatografi; bitki pigmentleri, amino asitler ve ilaç analizinde sıkça kullanılır.

Elektroforez

Elektroforez, elektrik yüküne sahip maddelerin bir sıvı ortamda elektrik alanı etkisiyle hareket etmesi esasına dayanır.

Parçacıklar yüklerine ve büyüklüklerine göre farklı hızlarla hareket eder.
Bu sayede DNA, protein veya enzimler ayrıştırılır.

Genetik analizlerde yaygın olarak kullanılır.

Spektrofotometri

Spektrofotometri, bir maddenin belirli bir dalga boyundaki ışığı ne kadar emdiğini ölçer.

Her bileşik, kendine özgü bir emilim spektrumuna sahiptir.
Emilim miktarı, çözeltideki madde miktarını gösterir.
Bu teknikle çözeltilerdeki bileşenler nicel olarak analiz edilir.

Biyoloji, kimya, çevre bilimi ve tıp alanlarında sıklıkla uygulanır.