Lab  #1  ? Introduction  to  the  Microscopy  & Observation  of  Prokaryotic  and  Eukaryotic Cells Introduction Many  of  the  cells  and  organisms  that  you  will  be  studying  are  at  the  lower  limits  of  visibility  of  light  microscopes;  therefore,  it  is  extremely  important  that  you  attain  critical  lighting  and  focussing. It  is  also  important  to  handle  the  microscope  competently  to  avoid  damaging  either  the  microscope  or  the  preparation  you  are  studying. Even  students  who  have  previously  used  microscopes should read the instructions carefully. Guide Biolabo Using a web rowser, go to  the  following  web  site: http://salinella. bio. uottawa. ca/biolabo/  (you  can  try  it  from  home). Under  Microscopy  you  will  find  links  to  pages  that  describe  both  type  of  microscopes  you  will  use  this  semester,  as  well  as  how  to  set  up  and  use  them. It  is  strongly  recommended  that  you  visit  these  pages  prior  to  attending your first lab. Image J / Qcapture Although  you  can  make  all  your  observations  by  watching  directly  through  the  oculars,  it  also  can  be  done  on  the  computer  screen  using  the  digital  camera  attached  to  each  microscope.

For  that,  you  will  use  the  Image  J  program  together  with  a  capture  plugin called  Qcapture. Visit  the  lab  website  to  learn  how  to  use  Image  J  (link  on  the  homepage). All  observations  can  be  made  on  your computer  screen  or  in  the  oculars. Each  method  has  its  advantages  and  drawbacks;  you  will  have  to  choose  which  one it more appropriate (or the one you prefer): Oculars Screen ? Greater resolution ? Wider field of view ? Can share observation with others ? More comfortable for users ? Take pictures while observing Lab1 ? Microscopy The Compound Microscope On  the  Guide  Biolabo  page  click  on  the  CX41  Compound  Microscope  link  then  on  Parts  and  Function. This  will  bring  up  a  labelled  line  diagram  of  your  microscope. Familiarize  yourself  with  the  various  components  shown  in  this  figure. Then,  click  on  Setup  and  Bright  field  alignment  in  order  to  know how to use and handle the microscope. Now,  locate  your  compound  microscope  in  the  cupboard  below  the  sink  of  your  workstation. Place  it  on  the  counter  between  the omputer  and  the  end of the counter. Be sure that whenever you transport the microscope, it  is  always  kept  upright;  the  ocular  lens  will  fall  out  if  the  scope  is  tilted  or  swung. Even  though  you  don’t  need  the  dissecting  microscope  right  now,  take  it  out of the cupboard and install it beside the compound microscope. Connect  one  firewire  cable  to  each  of  the  cameras  installed  on  top  of  the  microscopes. This way, everything is setup for further observations both on  your computer screen and through the oculars. Parts of the compound microscope

The  microscope  consists  of  a  system  of  lenses,  a  light  source,  and  a  geared  mechanism  for  adjusting  the  distance  between  the  lens  system  and  object  being  observed. There  are  a  number  of  important  components  and  it  is  essential  that  you  be  able  to  identify  them  and  understand  their  function  before you can proceed. By going through the different modules in Biolabo  and  using  the  microscope  you  will  develop  a  competency  for  bright  field  microscopy. Identify  the  following  components  using  Biolabo  (Parts  and  functions  figure) and your microscope:

REVOLVING NOSEPIECE: Supports the various objectives ? You will only use  the 4x, 10x and 40x objectives in the BIO1140 labs (not the 100x). STAGE:  Supports  the  specimen  being  observed. A  system  of  knobs  on  the  side  of  the  stage  allows  you  to  move  the  specimen  under  the  objective  on  the X and Y axes. Try and move the stage. COARSE  FOCUS  KNOB:  Permits  rapid  change  in  distance  between  the  specimen  and  the  objective  thereby  allowing  for  rough  focussing  –  Do  not  use when focusing with the 40x objective

FINE  FOCUS  KNOB:  Permits  small  changes  in  distance  between  the  specimen  and  the  objective  and  thereby  allows  for  final  focussing  of  the  image. 10 Lab1 ? Microscopy OCULAR  OR  EYEPIECE:  A  magnifying  element  in  the  microscope,  usually  10X. It  is  through  the  ocular,  or  eyepiece  that  one  looks  at  the  specimen. All  our  microscopes  are  parfocal,  so  that  when  an  object  is  in  focus  with  one  objective,  the  focus  will  not  be  completely  lost  when  changing  to  the  next objective. OBJECTIVES: The magnifying element which is closest to the specimen.

See  figure 1 to find out about the engravings on the side of each objective. CONDENSER:  System  of  lenses  that  concentrates  the  light  furnished  by  the  illuminator. It does not magnify the object. CONDENSER  HEIGHT  ADJUSTMENT  KNOB:  Allows  one  to  focus  the  concentrated light onto the specimen. APERTURE IRIS DIAPHRAGM: Used to reduce glare from unwanted light by  adjusting the angle of the cone of light that comes from the condenser; Production of Image by a Compound Microscope The  most  important  part  of  a  microscope  is  the  objective.

All  the  other  parts of the instrument are designed to help the objective produce the best  possible image. The best image is not the largest; it is the clearest. There is  no  value  to  a  high  magnification. If  the  resolution  is  poor  you  will  have  no  better understanding of the specimen. light beam ocular lens Magnification Numerical aperture (NA) Determines  the  resolving power of the objective* Optical  tube  length  /  max. coverslip thickness in mm prism objective lens specimen condenser lens Figure 1: Objectives engravings light source

Figure 2: Image production in a compound microscope. 11 Lab1 ? Microscopy *Resolving power is the ability to see two objects that are very close as two  separate objects. The human eye will resolving power is about 100µm. Using the compound microscope Always  handle  the  microscope  GENTLY! It  is  an  expensive,  delicate  and  heavy  instrument. Carry  it  with  two  hands,  one  hand  on  the  arm,  and  the  other  hand  under  the  base. If  the  ocular  or  objective  is  dirty,  wipe  it  clean  using  ONLY  Kimwipes  or  special  lens  tissue  and  cleaning  fluid  supplied.

If  you  use  anything  else  you  may  scratch  the  lens. Wipe  up  any  cleaning  fluid  immediately;  otherwise  it  will  dissolve  the  glue  which  holds  the  lens  in  place. REMEMBER, your demonstrator is here to help, so... ASK! 1. Make  sure  that  the  power  cord  is  plugged  into  the  back  of  your  microscope and into a power outlet. 2. Using the letter “e” microscope slide provided, follow steps 2 through 13  in  the  Setup  and  Bright  field  alignment  procedure  of  Biolabo. Remember,  observation can be done on screen or through the oculars. Orientation and working distance . Starting  your  examination  with  the  4X  objective,  position  the  letter  "e"  slide on the stage. 2. Draw what you see in the microscope:_________________ 3. What would a slide with the letter “t” look like under the microscope? _________________ 4. Using the knobs located on the side of the stage and looking through the  microscope,  move  the  slide  slowly  to  the  right,  then  to  the  left. Record  your observations. ___________________________________  5. Now,  move  the  slide  slowly  away  from  you,  then  towards  you  while  observing through the microscope.

Record your observations  ____________________________________ 6. Focus on the slide at 10X. Check the distance between the objective lens  and your slide (= the working distance, see also the reference at the end of  this  chapter). Now  switch  to  the  40X  objective  and  check  the  working  distance. What  happens  to  the  working  distance  as  your  magnification  increases? 12 Lab1 ? Microscopy Depth of field (depth of focus) Lenses  have  a  depth  of  focus. It  is  the  number  of  planes  in  which  an  object  appears  to  be  in  focus.

Extend  your  fist  at  arm’s  length  in  front  of  you  and  hold  your  thumb  up. Concentrate  on  your  thumb  and  notice  that  the  objects past your thumb on the other side of the room are not clearly seen. Similarly  with  a  microscope,  when  it  is  focussed  on  one  surface,  the  surfaces lower or higher will be out of focus. 1. Position  a  prepared  slide  with  coloured  threads  upon  the  stage. At  low  power, 4X, focus on the area where the threads cross. 2. Using the fine focus adjustment, focus up and down slowly. 3. Repeat  using  different  objectives.

What  can  you  say  about  the  depth  of  field  at  different  magnifications? Has  it  increased  or  decreased? (i. e. ,  can  you see more threads in one focal plane at 4X or 40X? ) ____________________________________________________________ Magnification The magnification given by objectives and oculars is engraved on them. The  total  magnification  for  any  combination  of  objective  and  ocular  is  the  product of the magnification of each lens. Objective magnification Ocular magnification Total Magnification Light intensity Working distance 4x 10x 40x High 22mm 10x 10x 100x

Medium 10. 5mm 40x 10x 400x Low 0. 56mm Table1  . Comparison  magnification,  working  distance  and  brightness  at  three  different  objective magnifications. You also can calculate the magnification of your picture using the following  formula: Magnification factor= measured size of object = (             X) Actual size of object 13 Lab1 ? Microscopy Specimen  size  and  Magnification  of the picture Before  you  start  this  exercise,  make  sure  you  have  carefully  read  the  website  section  relevant  to  the  software  you  will  use  to  take  digital  pictures (ImageJ/Qcapture).

The  goal  of  this  section  is  to  teach  you  different  techniques  that  will  allow  you  to  determine  the  size  of  objects  you’re  observing  under  the  microscope. The  general  principle  is  fairly  simple:  2  objects  have  the  same  relative  size  (expressed  as  a  ratio)  in  the  real  world  and  under  the  microscope. actual size of object A   = on? screen size of object A  ? A1 = A2   actual size of object B      on? screen size of object B         B1    B2 The following exercises are applications  of this formula. Place a slide under  the  microscope.

Choose  the  right  objective  and  adjust  the  focus  and  light  level. Then, choose a structure you want to measure and take a picture. A? First  method:  Measuring  an  object  using  the  field  of  view (FOV): The  simplest  way  to  determine  the  size  of  an  object  is  to  use  the  known  size of the whole field of view (FOV, the whole picture from left to right). 1? On  the  computer  screen  (using  a  ruler  and  without  writing  anything  of  the screen), measure the object of which you want to determine the size (=  A2) 2? Then, measure the width of the whole picture on the screen (=B2). ? Refer  to  table  2  on  page  20  to  know  the  actual  size  of  the  field  of  view  for the objective you’re using (=B1) 4? Use the following formula: Actual size of the object (A1) = Actual size of the FOV (B1)     x   on? screen size of the object (A2) on? screen size of the FOV (B2) Example:  On  a  snapshot  using  the  4x  objective,  an  insect  has  an  on? screen  length of 10cm. The whole picture is 20cm wide. What is the actual size of the insect? ______________________________ 14 Lab1 ? Microscopy B? Second  method:  Measuring  an  object  using  a  scale  bar file:

From  Image  J  (using  the  file  /  open  command),  open  the  file  that  contains  the  relevant  scale  bar  in  the  (T:/BIO/BIO1140):  new10X. jpg  for  the  10x  objective, and new40X. jpg (for the 4x and 40x objectives). Then,  using  a  ruler  measure  the  following  distances  directly  on  the  computer screen: 1? The  on? screen  length  (or  width)  of  the  object  whose  size  you  wish  to  determine (=A2) 2? The width of the scale bar on the screen (=B2)  You now can calculate the actual size of the object using the formula: actual size of object = on? creen length of object  x  actual size of scale bar*                                            on? screen length of scale bar ?    A1 = A2 x B1 B2 *The  actual  size  of  the  scale  bar  is  indicated  on  the  scale  bar  file  (ex:  on  the  new10x. jpg  file, the bar represents 0. 2mm at 10x or 0. 02mm at 100x) = B1 Example: I took a picture of a small insect larva, using the 4x objective. The  larva  length  is  60mm  on  the  screen. The  scale  bar  on  the  new40x. jpg  is  30mm and represents 0. 2mm. What is the actual size of the larva? _________________________

Do not put the compound microscope back in the cupboard you will need it  later this afternoon. Points to remember concerning microscopes 1. Always  work  with  a  clean  microscope. Use  only  the  lens  paper  provided. Don't forget to clean the slide too! 2. Always  locate  the  specimen  under  low  power  and  work  your  way  up  to  the high power objective. 3. Never  use  the  coarse  focusing  knob  when  the  high  power  lens  is  in  position. Use only the fine focus knob. 4. Never use the 100x in 1st year labs (we didn’t teach you how)  5.

Always  readjust  illumination  whenever  you  change  the  objective. Too  much light will give you a blurry image that you cannot focus on. 15 Lab1 ? Microscopy The stereoscopic microscope (dissecting microscope) The  stereoscopic  microscope,  also  called  stereoscope  or  dissecting  microscope,  is  used  to  view  objects  that  are  too  large  or  too  thick  to  observe under the compound microscope. Stereo  microscopes  are  always  equipped  with  two  oculars  producing  a  stereoscopic  or  three? dimensional  image. Unlike  the  compound  microscope, the image is not inverted.

Our  stereo  microscopes  provide  magnification  in  the  range  of  6. 7X  ? 45X  using  a  zoom? type  lens  system. By  rotating  a  dial  located  on  the  right  side  of  the  stereo  microscope  head,  the  viewer  obtains  a  continuous  change  of  magnification. Our  stereo  microscopes  can  be  used  with  reflected  or  transmitted  light. Reflected  light  is  directed  unto  opaque  specimens  from  above  and  is  reflected  to  the  viewer. Transmitted  light  is  used  with  translucent  specimens  and  passes  through  the  specimen  from  beneath  the  stage  and  into the viewer's eyes.

Use of the stereoscopic microscope 1. On  the  Biolabo  home  page  left  click  on  Stereoscope  (Dissecting  microscope) and then on Stereoscope setup. 2. Click on Step 1 and read it carefully. Obtain a stereo microscope from the  same cupboard as your compound microscope if you haven’t yet. 3. Click on and read steps 2 through 7. 4. Place a coin on the stage. 5. Using  the  focussing  knob  on  either  side  of  the  arm,  lower  or  raise  the  objective  until  the  coin  is  in  focus. Examine  it  in  both  reflected  and  transmitted light.

Which  is  best  for  an  opaque  specimen? Try  the  various  magnifications  by  turning  the  zoom  knob. The  reflected  light source  is  similar  to  a  spotlight  and its orientation can be adjusted manually. Try rotating the light upwards  and downwards. 6. Examine other materials such as brine shrimp larvae (Artemia) in a watch  glass  using  both  reflected  and  transmitted  light. Add  1? 2  drops  of  “proto? slow”  solution  to  slow  down  the  larvae. Estimate  the  actual  size  of  one  larva: __________ 16 Lab1 ? Microscopy Prokaryotic and Eukaryotic cells

It  has  long  been  recognized  that  living  organisms  are  composed  of  basic  structural  and  functional  units  called  cells. Cells  can  be  divided  into  two  general  types:  prokaryotic  and  eukaryotic,  based  on  the  presence  of  a  nucleus and other membrane bound organelles in the latter. Prokaryotic  cells  belong  to  2  big  groups:  archaea  and  eubacteria. They  are  usually  smaller  than  eukaryotic  cells  (typically  1? 5µm). These  unicellular  organisms may be small, but they are the most abundant organisms on the  planet,  representing  about  half  the  biomass  (Biology,  Brooker  et  al. 010,  McGraw? Hill&Ryerson). They  are  devoid  of  membrane  bound  organelle  such  as  the  nucleus,  mitochondria  or  chloroplasts. Their  genetic  material  is  usually  composed  of  one  circular  chromosome  plus  other  extra  chromosomal elements called plasmids. Eukaryotic  cells  are  usually  much  larger. They  possess  a  membrane  bound  nucleus,  their  organelles  are  more  complex  and  numerous,  and  their  genome  is  larger  than  prokaryotes. Eukaryotic  organisms  can  be  uni? or  multicellular. You  will  have  a  chance  to  observe  many  eukaryotic  cells  during this semester: Amoeba, Lilly, Whitefish….

In  today's  exercise  you  will  take  a  first  look  at  the  similarities  and  differences  between  prokaryotic  and  eukaryotic  cells  as  well  as  the  diversity within these groups. You  should  familiarize  yourselves  with  a  whole  array  of  cellular  structures  and  organelles  you  will  probably  encounter  during  the  course  of  this  exercise. Before  your  scheduled  lab  session,  write  down  the  definition  and  function for each of the following terms: plasma (cell) membrane, cell wall,  protoplast, cytoplasm, vacuoles, nucleus, nucleolus and chloroplasts.

Eukaryotic Cells: Elodea (plant) 1? Get  a  young  green  Elodea  leaf  from  the  jar. Mount  it  in  a  drop  of  water  on  a  clean  microscope  slide  with  the  convex  side  of  the  leaf  uppermost. Cover the preparation with a coverslip. 2? Observe  the  preparation  at  4X,  then  at  10X. If  you  see  brownish  oval  structures  on  the  leaf  surface,  ignore  then. These  are  probably  epiphytic  diatoms. Concentrate your attention on the cells near the central rib at the  base of the leaf and on the marginal cells at the edge of the leaf. Can you distinguish several layers making up the leaf? ____ ? What  is  the  average  length  ______  and  width  ______  of  the  cells  in  micrometres? 17 Lab1 ? Microscopy 3? Focussing at 40X locate the cell wall, the vacuole, the cytoplasm and the  numerous green chloroplasts. ? What  important  biological  process  takes  place  in  the  chloroplasts? _____________________________________ ? What pigment is responsible for their green colouration? ________________________________________________ ? What is the shape of chloroplasts? ____________________________________________ ? Are the chloroplasts moving? What sort of movement? _________________________________________________ ? The phenomenon you are observing is called cytoplasmic streaming  or  cyclosis. What  do  you  think  the  function  of  such  a  process  could  be? ___________________________________________________ 4? You  have  probably  realised  that  the  plasma  membrane  cannot  be  seen  in  plant  cells. It  is  too  thin  to  be  resolved  with  the  compound  microscope.

In  order  to  see  the  true  limiting  boundary  of  the  cytoplasm  it  is  necessary  to  treat  the  cells  in  such  a  manner  that  the  plasma  membrane  becomes  withdrawn  away  from  the  rigid  cell  wall. This  can  be  done  by  placing  the  cell  in  a  strong  salt  solution. This  will  cause  water  to  diffuse  out  of  the  cell  by  osmosis,  thereby  decreasing  the  cell  volume. The  unaffected  cell  wall remains in its original state. What can then be seen is a space between the  cell wall and the limiting boundary of the protoplast (the cell minus the cell  wall) which thereby becomes visible. Remove  your  Elodea  slide  from  the  microscope  stage. Delicately  remove  the  coverslip,  add  one  drop  of  5%  NaCl  solution  then  put  back the coverslip on your preparation ? Refocus  at  40x  (don't  forget:  you  must  first  focus  at  4X,  then  10X  and finally at 40x). ? Are  the  cells  plasmolyzed? (If  not  wait  a  while  longer). How  do  they  look like now? ______________________ ? Has the cell wall been affected? _________________  ? What  becomes  of  the  large  central  vacuole  during  plasmolysis? ______ _______________________________________________ Take a picture of a plasmolyzed Elodea cell. How does it compare to  the previous picture? 18 Lab1 ? Microscopy Prokaryotic Cells: Lyngbya (eubacteria: cyanobacteria)  1. Take  a  close  look  at  the  sample  in  the  jar. Which  colour  would  best  describe its appearance? ___________________ 2. Prepare a wet mount of fresh Lyngbya by the following procedure:  ? With  forceps  or  an  eye  dropper,  put  a  very  small  amount  of  green  matter on a clean slide ? Add a drop of water from the jar. ? Carefully  place  a  coverslip  over  it. Make  sure  it  lies  flat  on  the  preparation.

Don't  worry  if  there  are  just  a  few  air  bubbles. With  practice,  your  skills  will  improve. However,  if  too  many  air  bubbles  are  present,  your  preparation  risks  to  dry  out  very  quickly  during  viewing, compromising your observations. 3. Starting with the 4X objective, focus on your preparation. ? Can you see numerous green filaments? _______ ? Are the filaments moving? __________ 4. Switch to the 10X then the 40X objective and focus using the fine focus  knob only: ? Do you see the individual cells making up each filament? ________ ? Estimate the width of one filament in micrometres:_______ What’s the filament width in millimetres (mm)? ________ ? REMEMBER:  You  are  working  with  living  cells. Work  quickly  and  keep  your  specimen  wet  at  all  times. Dead,  dry  or  damaged  biological preparations are useless. Returning the microscopes after use After  completing  all  observations,  turn  and  click  the  low  power  objective  (4X) on the compound microscope into position. Remove the slide from the stage and return it to its correct box. Wipe the stages with a clean paper towel. Carefully disconnect the camera from the firewire cable.

Make  sure  you  turned  off  the  light  on  each  microscope,  then  unplug  the  power cord and make a loose coil of it around the eyepieces. Return the microscope in the cupboard. 19 Lab1 ? Microscopy TAs  will  check  that  you  properly  returned  the  microscopes  in  the cupboard  with the cord properly attached and no slide present on the  stage. You  will  lose marks for this lab (and other labs) if you don’t do so. Evaluation A  short  quiz  on  microscope  components,  specimen  observations  and  measurement of objects will take place at the beginning of Lab2.

Be on time, the quiz will start at 2:30. References: 1? Metric system (see also appendix IV at the end of lab manual):  1 centimetre cm = 10? 2 metres (m) 1 millimetre mm = 10? 3 metres 1 micrometre ? m = 10? 6 metres 1 nanometre nm = 10? 9 metres 2? Size of camera field of views (fov): Table 2: Fields of View: Olympus CX41 Compound Microscope  Objective 4X 10X 40X 100X Camera field of view (width in mm) 1. 75 0. 70 0. 175 0. 070 Table 3: Fields of View – Olympus SZ61TR Dissecting Microscope  Zoom Setting 0. 67X 0. 8X 1X