" Няма функция без анатомия ". Камило Голджи, носител на Нобелова награда за медицина през 1906 г., пише това в края на XNUMX век за своите изследвания върху централните и периферните нервни клетки. С други думи, функцията променя формата на клетките и следователно микроскопските наблюдения стават от съществено значение за разбирането на нейните физиологични механизми.
Не е случайно, че първият човек, който разбира, че нервите са съставени от набор от кабели, а не представляват нещо като канал с мека субстанция вътре, както в случая с кръвоносните съдове, е Антон Ван Льовенхук през 1715 г.
Льовенхук и микроскопът
Левенгук, холандски оптик и натуралист, е признат за изобретател на оптичния микроскоп; следователно този, който пръв наблюдава, остро и точно, някои природни явления като циркулацията на червените кръвни клетки в капилярите, съществуването на мъжки зародишни клетки, първата точна идентификация на ламеларната структура на лещата, откриването на протозои и бактерии, наречени „малки животни“. Очевидно това не беше само наличието на най-добрите оптични лещи на времето, които той също създаде сам.
Ето как пише Льовенхук в писмо до Лондонското кралско общество през 1692 г., в отговор на критиките на някои от съвременниците си:
Знам много добре, уважаеми господа, че докладите, които пиша и ви изпращам от време на време, не винаги са съгласни помежду си и че в тях могат да се намерят противоречия; с което искам да кажа още веднъж, че имам навика да се придържам към данните, които имам, докато не бъда по-добре информиран или докато моите наблюдения не ме отведат другаде; и никога няма да се срамувам да променя метода си.
Така се ражда съвременната микроскопия, тоест изучаването на природата в малки количества, което и днес представлява едно от основните средства за изследване на съвременните научни изследвания. Но за да разберем по-добре раждането и еволюцията на тази наука, трябва да се позовем на многобройните интуиции и открития, които от първите опити в Античността са оформили развитието на тази дисциплина до удивителните наблюдения на съвременната наука.
Светлината в елинската и ислямската традиция
Въпреки че микроскопът е сравнително скорошно изобретение, изследването на светлинните явления е заинтересувало много от великите умове на Античността и е породило дебати между различни школи на мисълта; Вече го дължим на велики мислители като Аристотел или Евклид, живели между IV и III век пр. н. е., чиято първа формализация, за която имаме писмени доказателства за концепцията за зрението и лъчите на светлината. Още през XNUMX век пр.н.е. C. използването на известните горящи огледала на Архимед става известно по време на Втората пуническа война, въпреки че все още не е исторически доказано.
Ромите
Най-документираните примери в това отношение са тези, които идват от римския свят. Всъщност използването, което древните римляни са направили от повече или по-малко сплескани стъклени сфери, за да концентрират слънчевите лъчи и да получат огън, е широко признато от дълго време. Технологията на лещите изглежда дори по-стара от римската цивилизация, както се вижда от находките от Кносос, които датират от бронзовата епоха, период между 3500 и 1200 г. пр.н.е. ° С.
Помпей
В допълнение към кристалните призми с изключителна прецизност и редовност (използвани за разделяне на светлината в цветовете на спектъра), те също идват от разкопките на древен помпей малки кръгли съдове, леко изпъкнали, способни да предоставят ясен и увеличен образ. За съжаление, почти няма литературни източници, които да говорят за тези обекти като инструменти за зрение. Предаден е от Плиний Стари, когато император Нерон, вероятно късоглед, гледал гладиаторски битки, като ги гледал през голям полиран изумруд.
Оттика и Катоптрика
Връщайки се към Евклид, отбелязваме, че той е автор на известните пет постулата на геометрията, които съдържат концепциите за точка, линия и равнина; Тези фундаментални понятия се събраха произведението Ottica e Catoptrica където се съдържат елементи на перспектива, изследване на отражението в плоски и сферични огледала и за първи път се дефинира концепцията за визуален лъч без физическа структура. Това позволява на Евклид да разшири типичния метод на геометрични демонстрации в областта на светлинните явления.
Естеството на тези аксиоми обаче е силно обусловено от идеята, че зрението се осъществява от лъчи, излъчвани от окото: екстромисивната теория за светлината. За да се стигне до по-напреднала теория за зрението, беше необходимо да се изчака до 965 век, с теориите на арабина Алхазен (1039-XNUMX). Според Алхазен, окото не може да "усеща" обекта освен с помощта на лъчи който ви изпраща с крайна скорост; светлината трябва да съществува реално, защото когато е много интензивна, може да увреди очите и да генерира вторични образи.
Изобретяването на микроскопа
Ще трябва да изчакаме до бароковата епоха, за да видим раждането на истинския предшественик на съвременните микроскопи. 1609-ти век е плодотворен период в много страни за науката като цяло, всъщност трябва да се каже, че той видя истинска научна революция с Бейкън, Бойл, Коперник, Лайбниц и много други. Все пак трябва да се каже, че в историята на микроскопията няма забележителна дата, сравнима с XNUMX г., годината, в която Галилео Галилей (1564-1642) е направен с елементарен телескоп.
производители на платове и микроскопи
Освен това не е случайно, че Холандия е люлката на инструмент като микроскопа, тъй като през XNUMX век тази страна представлява важен търговски кръстопът за текстилния сектор и в същото време за производството на керамика и майолика . От тези последни работилници, може би като вторичен продукт от производствения процес, по всяка вероятност идват капките разтопено стъкло, които производителите на тъкани, използвани като малки лупи за по-добър контрол на текстурата по време на производствената фаза. Това беше първата употреба, която Антони Ван Льовенхук (1632-1723), първоначално управител на магазин за тъкани, направи от втвърдени стъклени перли; по-късно, вероятно вследствие на интереса му към естествените науки, към които той е естествено склонен.
Следователно този на Ван Льовенхук може да се счита за първия микроскоп, тъй като той е специално замислен и оптимизиран за използване за научни изследвания. Не е изненадващо, че той беше цитиран по това време като брилянтен изследовател, който
[…] е проектирал микроскопи, които далеч надхвърлят тези, виждани досега...
Всъщност микроскопът на Льовенхук се състои от една леща, монтирана върху метална опора, оборудвана със специален държач за проби с регулируем фокус посредством винтов механизъм и осигурява използването на изкуствено осветление. Тези елементи, освен че съставляват от този момент, основите на всеки оптичен микроскоп, предполагат методика за изучаване на природни феномени с вече модерен привкус.
Arcana Nature
Льовенхук беше покрит с официално признание, неговата лаборатория беше посетена от академици и политически фигури от цял свят (известното посещение на цар Петър Велики от Русия). Льовенхук почина на 91 години, на 26 август 1723 г., след като е видял латинското издание на пълната колекция от многобройните му писма и доклади, публикувани през 1722 г. под заглавието „Arcana Naturae“.
Усилията на учените през следващите векове ще бъдат посветени изцяло на изграждането на по-мощни микроскопи и на систематизирането, класифицирането и количественото определяне на новооткрития микросвят. В този смисъл приносът на англичанина Робърт Хук (1635-1703) е фундаментален, по-запомнен с изследванията си върху еластичността, отколкото с тези на оптичната микроскопия. Хук, завършен учен, направи подобрения на микроскопа, като го снабди с нови оптични системи и нова система за осветяване. Това му позволява да направи поредица от открития, като например кухините в тапата, разделени от стени, които той нарича клетки. В противоречие с Исак Нютон, вероятно най-великият учен на времето, той подкрепя идеята за вълнова теория на светлината, за разлика от корпускулярната теория.
Еволюцията на микроскопията между XNUMX-ти и XNUMX-ти век: от оптичния микроскоп до електронния микроскоп
Подобренията, въведени постепенно в съставните микроскопи, построени през XNUMX век, се отнасят основно до механичната структура. Въпреки че беше постигнат известен напредък в технологии за производство на лещи, оптичното представяне все още беше лошо. Това се дължи както на качеството на стъклото, така и на два сериозни недостатъка в лещите: сферична аберация и хроматична аберация, които водят до замъглени и преливащи изображения.
Освен това всяко подобрение винаги и само се извършва на емпирична основа и следователно Те бяха ръчно изработени продукти.. За да бъдат коригирани, тези аберации изискват свързването на няколко лещи и следователно едва в средата на XNUMX-ти век такива системи могат да бъдат реализирани.
Ернст абат
От този момент нататък теоретичните изследвания и технологичният прогрес вървят ръка за ръка. Най-представителната фигура от този период е германецът Ернст Абе (1840-1905), който трансформира микроскопа от качествен в количествен инструмент; много от принципите, на които се основава съвременната технология на микроскопската оптика и лещите като цяло, се дължат на него; Абе си сътрудничи с Карл Цайс (1816-1888) в известните оптични работилници в Йена.
Той изведе израза, който носи неговото име (число на Abbe), за да характеризира дисперсионната способност на стъклото и свърза разделителната способност на обектива на микроскопа като функция на неговата цифрова апертура. много от принципите, на които се основава съвременната технология на микроскопската оптика и лещите като цяло, се дължат на него. Абе си сътрудничи с Карл Цайс (1816-1888) в известните оптични работилници в Йена.
Август Колер
От 1900 г. Август Колер (1866-1948) също работи в Йена, който се занимава с микрофотография и усъвършенства една вече универсално приета система за осветяване на микроскопи; В края на XNUMX век на пазара вече съществуват отлични прави и обърнати инструменти.
През 1903 г. Ричард Зигмонди (1865-1929) разработва така наречения ултрамикроскоп, който позволява изследването на колоидни частици с размери, по-малки от дължината на вълната на светлината; и през следващите десетилетия темпото не се забави: нови техники като фазов контраст, методи на интерференция и отражателна микроскопия Те отвориха нови области на приложение, докато други добре познати техники бяха усъвършенствани, като флуоресценция, контрастна интерференция и поляризация. радиация.
електронна микроскопия
Още през 30-те години на миналия век, с дефиницията на елементарни частици като електрона и въвеждането на дуализма вълна/частица, за да се обясни поведението им, времената бяха назрели, защото ограниченията на пространствената разделителна способност на оптичните микроскопи, наложени от дължината на вълната на светлината , може да бъде надминат в контекста на напълно нова перспектива: електронна микроскопия. Първият електронен микроскоп е създаден през 1933 г. от немските физици Ернст Руска (1906-1988) и Макс Кнол (1897-1969). Самият Руска, много години по-късно, ще посочи тези времена като плодотворен период на изучаване и изследване:
След дипломирането му (1931 г.) икономическата ситуация в Германия става много трудна и не изглежда възможно да се намери задоволителна позиция в университета или в индустрията. Затова бях доволен, че мога да продължа безвъзмездно дейността си като докторант в Института за високо напрежение…” .
Късният XNUMX-ти век и сканираща сондова микроскопия
Все още прогресивната систематизация на законите на квантовата механика предлага нови решения за изследване на микроскопичния свят във все по-големи подробности, дори стигайки дотам, че да разкрие неговата интимна природа, т.е. молекули и атоми. За разлика от случилото се преди, през 1980-те години на миналия век някои страхотни идеи бяха разработени в контексти, които вече бяха интелектуално отворени и, което не е много лошо, адекватно надарени с човешки, технологични и икономически ресурси.
Джордж Гамов
Именно от идеята на Джордж Гамов (вече откривател на т.нар. Космическо фоново лъчение) за съществуването на тунелния ефект, формулирана през 1928 г., двама немски физици Герд Биниг (1947 г.) и Хайнрих Рорер (1933 г. 2013), замислен през 1981 г., докато работи в изследователските лаборатории на IBM в Цюрих, първият сканиращ тунелен микроскоп.
Този микроскоп използва сонда с фина игла за откриване на слаб електрически ток между сондата и повърхността на изследваната проба, която може да бъде изследвана до разделителна способност, теоретично по-малка от размера на атомите и молекулите. Това откритие донесе на своите откриватели Нобелова награда за физика за 1986 г. Забележително е, че наградата беше присъдена, доста късно, и на Енрст Руска. „За фундаменталната му работа в областта на електронната оптика и за дизайна на първия електронен микроскоп“.
сканираща микроскопия
В същия контекст, но въз основа на електрическата сила, упражнявана от атомите на повърхност върху малка сонда, поставена наблизо, е изобретен атомно-силовият микроскоп (1982) (със сътрудничеството на самия Бининг), чието създаване разчита на съвместния принос на други учени, включително Калвин Куат (1923-2019) и Кристоф Гербер (1942). Този микроскоп направи възможно разширяването на приложението на сканираща сондова микроскопия на широка категория проби, включително биологични.
Благодарение на широкия си набор от варианти и приложения, тази техника днес е по всяка вероятност най-универсалната за изследване на повърхности в областта на нанотехнологиите. Днес всъщност микроскопите имат за цел да получат все по-пълна информация за естеството на повърхностите, а съвременните микроскопи интегрират в един и същи инструмент различни техники за адаптиране към изследването на проби от различно естество.
От ренесанса на оптиката до наноскопа
Развитието на лазерните източници, което се случи през втората половина на XNUMX-ти век, представлява ново развитие на по-класическо оптично поле, всъщност може да се каже, че представлява най-важното откритие в оптиката след това на рентгеновите лъчи. характеристиките на лазерната светлина (изключителна кохерентност, висок интензитет и единична дължина на вълната) позволяват избягвайте явленията на аберации и дифракции характеристика на светлината, произвеждана от традиционните лампи с нажежаема жичка.
През 1955 г., по повод докторската си дисертация по математика, Марвин Лий Мински (1927-2016), един от основателите на изкуствения интелект, теоретизира за конфокалния микроскоп, оптичен инструмент с безпрецедентна разделителна способност и качество на изображението за епохата. Както казва самият той:
През 1956 г. патентовах своя конфокален микроскоп, но патентът изтече, преди някой да създаде втори. Дори не си направихме труда да патентоваме екрана или логото, мислейки, че са напълно очевидни изобретения. Изглежда очевидното не е от значение за патента.
конфокален микроскоп
Конфокалният микроскоп се различава структурно от традиционния флуоресцентен микроскоп по използването на лазерния източник, но преди всичко по наличието на диафрагма по оптичния път, която позволява да се изключи сигнала, идващ от частите над и под фокуса на пробата, като по този начин предоставяне на изображение за първи път с триизмерна информация. В действителност конфокалният микроскоп навлиза в лабораториите едва в края на 80-те години, когато лазерната и компютърната технология стават относително достъпни и достатъчно мощни. В момента това е фундаментално важен инструмент в биомедицинските научни изследвания.
Конфокалният микроскоп представлява, за областта на оптиката, не технологична цел, а отправна точка за разцвета на нови изследователски техники, базирани на лазерна технология и използване на нови флуоресцентни маркери, като TIRF (флуоресценция с пълно вътрешно отражение) микроскопия, Live Cell Imaging, конфокална спектрална микроскопия, използването на различни техники за изобразяване, морфофункционален анализ включително FRAP (флуоресцентно възстановяване след фотоизбелване), FRET (флуоресцентен резонансен енергиен трансфер), FLIM (флуоресцентно изобразяване през целия живот), FCS (флуоресцентна корелационна спектроскопия) и накрая използването на мултифотонни лазери за постигане на значително увеличение на мощността на проникване на светлина в пробата .
STED микроскопия
Първите години на този век също са белязани от развитието на гениални нови идеи, които изтласкаха оптичната разделителна способност отвъд границите, наложени от природата на светлината. Всъщност говорим за супер резолюция, постигната благодарение на три основни различни подхода: lSTED микроскопия, разработена от Стефан Хел (1962), Нобелова награда за химия през 2014 г., структурирана светлинна микроскопия, която дължи раждането си на Матс Густафсон (1960-2011). ) и локализираща микроскопия, въведена в лабораториите на Харвард от Xiaowei Zhuang (1972), способна да визуализира една молекула с разделителна способност 10 пъти по-голяма от традиционната оптична микроскопия.
Въвеждането на техники за супер разделителна способност доведе до модерни светлинни микроскопи, които следователно могат разумно да се нарекат "наноскопи". диалог все повече и повече с електронни микроскопи за по-добра интеграция на морфологични анализи. Днес микроскопът е незаменим инструмент в лабораторията и се е превърнал в символ на научните изследвания.
Бъдещето на микроскопията
Микроскопът несъмнено беше една от най-големите революции в историята на науката, отбелязвайки раждането на микробиологията, цитологията и клетъчната биология. Гигантските скокове, които медицинските изследвания направиха през последните 100-150 години, с всичко, което последва, биха били немислими без микроскопа.
Новите граници на технологиите вече виждат връзката между информацията, произведена от микроскопи, и използването на изкуствен интелект. Тази нова дисциплина, т.нар Дълбоко обучение, е в състояние да анализира изображения, направени с микроскопи и може радикално да промени микроскопията и да проправи пътя за нови открития. Но Матс Густафсон, един от бащите на супер разделителната способност, вече беше осъзнал всичко това, когато каза: „След като се добави компютър между микроскопа и човешкия наблюдател, цялата игра се променя. В този момент, микроскопът вече не е устройство, което трябва да генерира директно интерпретируемо изображение. Сега това е устройство за запис на информация.
В този момент би било легитимно да се запитаме докъде е възможно да стигнем в изследването и изучаването на микроскопията: микроскопичният свят представлява почти неизчерпаем резервоар от информация: материята притежава структурни, химични и физични свойства, които отразяват отпечатъка, даден от фундаменталните константи и хомогенността на физичните закони възникнали в първите мигове на Вселената и възможните варианти, повечето от които все още са извън нашето разбиране, съставляват невъобразимото разнообразие на света, което наблюдаваме.
