Què sabem sobre el microscopi?

" No hi ha funció sense anatomia ". Camillo Golgi, Premi Nobel de Medicina el 1906, va escriure això a finals del segle XIX sobre els seus estudis sobre les cèl·lules nervioses centrals i perifèriques. En altres paraules, la funció remodela la forma de les cèl·lules i, per tant, les observacions microscòpiques esdevenen essencials per comprendre els seus mecanismes fisiològics.

No és casualitat que la primera persona que va comprendre que els nervis estaven formats per un conjunt de cables i no representaven una mena de canal amb una substància tova al seu interior, com en el cas dels vasos sanguinis, va ser Anton Van Leeuwenhoek el 1715.

Leeuwenhoek i el microscopi

Leeuwenhoek, òptic i naturalista holandès, és reconegut com l'inventor del microscopi òptic; per tant, el que va ser el primer a observar, de forma aguda i precisa, alguns fenòmens naturals com la circulació dels glòbuls vermells als capil·lars, l'existència de cèl·lules germinals masculines, la primera identificació exacta de l'estructura lamel·lar del lens, el descobriment de protozous i bacteris anomenats “petits animals”. Òbviament, no va ser només la disponibilitat de les millors lents òptiques de l'època, que també va construir ell mateix.

Així escrivia Leeuwenhoek en una carta a la Royal Society de Londres el 1692, responent a les crítiques d'alguns dels seus contemporanis:

Sé molt bé, Honorables Senyors, que els informes que redacte i els envio de tant en tant no sempre concorden entre si, i que s'hi poden trobar contradiccions; per això vull dir una vegada més que tinc el costum de cenyir-me a les dades que tinc fins que estigui més ben informat o fins que les meves observacions em portin a una altra part; i mai no m'avergonyiré de canviar el meu mètode.

Així va néixer la microscopia moderna, és a dir, l'estudi de la naturalesa en petites quantitats, que encara avui constitueix un dels principals mitjans de recerca de la recerca científica moderna. Però per comprendre millor el naixement i l'evolució d'aquesta ciència ens hem de referir a les nombroses intuïcions i descobriments que des dels primers intents de l'Antiguitat han perfilat el desenvolupament d'aquesta disciplina fins a les observacions sorprenents de la ciència moderna.

La llum en la tradició hel·lènica i islàmica

Tot i que el microscopi és un invent relativament recent, l'estudi dels fenòmens lumínics ha interessat moltes de les grans ments de l'antiguitat i ha donat lloc a debats entre diferents escoles de pensament; ja ho devem a grans pensadors com Aristòtil, o Euclides, que van viure entre els segles IV i III aC, la primera formalització de la qual tenim constància escrita del concepte de visió i raigs de llum. Ja al segle III a. C. es va fer famós l'ús dels famosos miralls ardents d'Arquimedes durant la Segona Guerra Púnica, encara que encara no ha estat provat històricament.

Roma

Els exemples més documentats, sobre això, són els que procedeixen del món romà. De fet, l'ús que els antics romans feien d'esferes de vidre més o menys aplanades per concentrar els raigs solars i obtenir foc està molt acreditat des de fa molt de temps. La tecnologia de lents sembla fins i tot més antiga que la civilització romana, com ho demostren les troballes de Knossos, que es remunten a l'Edat del Bronze, un període entre el 3500 i el 1200 a. C.

Pompeia

A més de prismes de vidre d'extraordinària precisió i regularitat (utilitzats per descompondre la llum als colors de l'espectre), també procedeixen de les excavacions de l'antiga Pompeia petits gots rodons, lleugerament convexos, capaços de proporcionar una imatge nítida i ampliada. Malauradament, gairebé no hi ha fonts literàries que parlin d'aquests objectes com a eines per a la visió. Va ser transmès per Plini el Vell quan l'emperador Neró, potser miop, solia observar les baralles de gladiadors mirant-los a través d'una gran maragda polida.

Ottica i Catoptrica

Tornant a Euclides, destaquem que fou l'autor dels famosos cinc postulats de la geometria que contenen els conceptes de punt, recta i pla; aquests conceptes fonamentals van confluir en l'obra Ottica e Catoptrica on es contenen elements de la perspectiva, el estudi de la reflexió en miralls plans i esfèrics i, per primer cop, es defineix el concepte de raig visual sense estructura física. Això permet a Euclides estendre el mètode típic de les demostracions geomètriques al camp dels fenòmens lluminosos.

Tanmateix, la naturalesa d'aquests axiomes està fortament condicionada per la idea que la visió té lloc per raigs emesos per l'ull: la teoria extromisiva de la llum. Per arribar a una teoria de la visió més avançada va caldre esperar fins al segle X, amb les teories de l'àrab Alhazen (965-1039). Segons Alhazen, l'ull no pot sentir l'objecte excepte per mitjà dels raigs que li envia amb una velocitat finita; la llum ha de tenir una existència real perquè quan és molt intensa pot fer malbé els ulls i generar imatges secundàries.

La invenció del microscopi

Caldrà esperar fins a l'època barroca per veure néixer el veritable microscopi precursor dels moderns. El segle XVII és un període fructífer a molts països per a la ciència en general, de fet cal dir que va veure una veritable revolució científica amb Bacon, Boyle, Copèrnic, Leibniz i molts altres. No obstant això, cal dir que a la història de la microscòpia no hi ha una data excel·lent comparable a 1609, any en què Galileu Galilei (1564-1642) es va fer amb un telescopi rudimentari.

Productors de roba i microscopis

A més, no és casualitat que Holanda fos el bressol d'un instrument com el microscopi, atès que al segle XVII aquest país representava una cruïlla important de camins comercials per al sector tèxtil i, alhora, per a la producció de ceràmica i majòlica. D'aquests darrers tallers, potser com un producte secundari del procés de fabricació, sortien amb tota probabilitat les gotes de vidre fos que els productors de teles utilitzaven com a petites lupes per controlar millor la textura durant la fase de producció. Est va ser el primer ús que Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), inicialment administrador d'una botiga de teles, va fer de gotes de vidre solidificades; posteriorment, probablement seguint el seu interès per les ciències naturals per les quals s'inclinava naturalment.

Per tant, el de Van Leeuwenhoek es pot considerar el primer microscopi, ja que va ser especialment concebut i optimitzat per al seu ús amb finalitats de recerca científica. No és sorprenent que en aquell moment se'l cités com el brillant investigador que

[…] ha dissenyat microscopis que superen amb escreix els que s'han vist fins ara…

De fet, el microscopi de Leeuwenhoek consisteix en una sola lent muntada sobre un suport de metall equipat amb un portamostres especial amb focus ajustable per mitjà d'un mecanisme de cargol, i preveu l'ús d'il·luminació artificial. Aquests elements, a més de constituir, a partir d'aquell moment, els fonaments de qualsevol microscopi òptic, pressuposen una metodologia per a l'estudi dels fenòmens naturals amb un sabor ja modern.

Arcana Naturae

Leeuwenhoek va ser cobert amb reconeixement oficial, el seu laboratori va ser visitat per acadèmics i figures polítiques de tot el món (la famosa visita del Tsar Pere el Gran de Rússia). Leeuwenhoek va morir a l'edat de 91 anys, el 26 d'agost de 1723, després d'haver vist l'edició llatina de la col·lecció completa de les seves nombroses cartes i informes, publicada el 1722 sota el títol d'Arcana Naturae.

Els esforços dels estudiosos als segles següents es dedicaran completament a construir microscopis més potents ia sistematitzar, classificar i quantificar el micromón recent descobert. En aquest sentit, és fonamental l'aportació de l'anglès Robert Hooke (1635-1703), més recordat pels estudis sobre l'elasticitat que no pas pels de microscòpia òptica. Hooke, un erudit complet, va fer millores al microscopi, equipant-lo amb nous sistemes òptics i un nou sistema d'il·luminació. Això li va permetre fer una sèrie de descobriments, com el de les cavitats al suro, separades per parets, a les quals va trucar cel·les. En polèmica amb Isaac Newton, probablement el científic més gran de l'època, va donar suport a la idea d'una teoria ondulatòria de la llum en contraposició a la teoria corpuscular.

L'evolució de la microscopia entre els segles XIX i XX: del microscopi òptic al microscopi electrònic

Les millores introduïdes gradualment als microscopis compostos construïts al segle XVIII es referien essencialment a l'estructura mecànica. Si bé s'havien aconseguit alguns avenços a les tècniques de fabricació de lents, el rendiment òptic encara era deficient. Això es devia tant a la qualitat del vidre com a dos greus defectes de les lents: l'aberració esfèrica i l'aberració cromàtica, que donaven com a resultat imatges borroses i iridiscents.

A més, cada millora sempre i només va tenir lloc sobre una base empírica i, per tant, es tractava de productes fets a mà. Per ser corregides, aquestes aberracions requereixen l'acoblament de diverses lents i, per tant, no va ser fins a mitjans del segle XIX que aquests sistemes es van poder fer.

Ernst Abbe

A partir d'aquell moment, els estudis teòrics i el progrés tecnològic van anar de la mà. La figura més representativa d'aquest període va ser l'alemany Ernst Abbe (1840-1905), qui va transformar el microscopi d'un instrument qualitatiu a un de quantitatiu; molts dels principis en què es basa la tecnologia moderna de l'òptica dels microscopis i de les lents en general es deuen a ell; Abbe va col·laborar amb Carl Zeiss (1816-1888) als famosos tallers òptics de Jena.

Va derivar l'expressió, que porta el nom (número d'Abbe), per caracteritzar el poder dispersiu del vidre i va relacionar la resolució de l'objectiu d'un microscopi en funció de l'obertura numèrica. molts dels principis en què es basa la tecnologia moderna de l'òptica dels microscopis i de les lents en general es deuen a ell. Abbe va col·laborar amb Carl Zeiss (1816-1888) als famosos tallers òptics de Jena.

August Kohler

Des del 1900 August Kohler (1866-1948) també va treballar a Jena, que es va ocupar de la microfotografia i va perfeccionar un sistema d'il·luminació per a microscopis ara adoptat universalment; a finals del segle XIX ja existien al mercat excel·lents instruments rectes i invertits.

El 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) va desenvolupar l'anomenat ultramicroscopi, que permet l'estudi de partícules col·loïdals de dimensions inferiors a la longitud d'ona de la llum; i en les dècades següents el ritme no es va alentir: noves tècniques com el contrast de fase, els mètodes dinterferència i la microscòpia de reflexió van obrir nous camps d'aplicació mentre es perfeccionaven altres tècniques ja conegudes, com és el cas de la fluorescència, la interferència de contrast i el polaritzat. radiació.

Microscòpia electrònica

Ja als anys 30 del segle XX, amb la definició de partícules elementals com l'electró i la introducció del dualisme ona/partícula per explicar-ne el comportament, els temps estaven madurs perquè els límits en la resolució espacial dels microscopis òptics, imposats per la longitud d'ona de la llum, es podria superar en el context d'una perspectiva completament nova: la microscòpia electrònica. El primer microscopi electrònic va ser construït el 1933 pels físics alemanys Ernst Ruska (1906-1988) i Max Knoll (1897-1969). El mateix Ruska, molts anys després, es referiria a aquells temps com un fructífer període d'estudi i investigació:

Després de la seva graduació (1931), la situació econòmica a Alemanya s'havia tornat molt difícil i no semblava possible trobar un lloc satisfactori a la universitat oa la indústria. Per tant, em va complaure poder continuar la meva activitat de forma gratuïta com a estudiant de doctorat a l'Institut d'Altes Tensions…” .

Finals del segle XX i microscòpia de sonda d'escombrada

Encara és la sistematització progressiva de les lleis de la mecànica quàntica la que suggereix noves solucions per investigar el món microscòpic amb cada vegada més detall, arribant fins i tot a revelar la seva naturalesa íntima, és a dir, les molècules i els àtoms. A diferència del que passava anteriorment, a la dècada de 1980 es van desenvolupar algunes idees genials en contextos ja intel·lectualment oberts i, el que no està de més, adequadament dotats de recursos humans, tecnològics i econòmics.

George Gamow

És a partir de la idea de George Gamow (ja descobridor de l'anomenada Radiació de Fons Còsmic) de l'existència de l'efecte túnel, formulada el 1928, que dos físics alemanys, Gerd Binnig (1947) i Heinrich Rohrer (1933-2013) va concebre el 1981, mentre treballava als laboratoris de recerca d'IBM a Zuric, el primer microscopi de túnel d'escombrada.

Aquest microscopi utilitza una sonda d'agulla fina per detectar un corrent elèctric feble entre la sonda i la superfície de la mostra que s'està estudiant, que es pot investigar fins a una resolució teòricament més petita que la mida dels àtoms i les molècules. Aquest descobriment li va valer als seus descobridors el Premi Nobel de Física de 1986. És força notable que el premi es va lliurar, amb força retard, també a Enrst Ruska «Pel seu treball fonamental en òptica electrònica i pel disseny del primer microscopi electrònic».

Microscòpia d'escombrada

En el mateix context, però partint de la força elèctrica que exerceixen els àtoms d'una superfície sobre una petita sonda col·locada a la seva proximitat, s'inventa el Microscopi de Força Atòmica (1982) (amb la col·laboració del propi Binning), la creació del qual compta amb la contribució conjunta d'altres estudiosos, entre ells Calvin Quate (1923-2019) i Christoph Gerber (1942). Aquest microscopi va fer possible estendre laplicació de la microscòpia de sonda d'escombrada a una àmplia categoria de mostres, incloses les biològiques.

A causa del gran ventall de variants i aplicacions, aquesta tècnica és avui, amb tota probabilitat, la més versàtil per a l'estudi de superfícies en el camp de la nanotecnologia. Avui dia, de fet, les microscopies tenen com a objectiu obtenir informació cada cop més completa sobre la naturalesa de les superfícies i els microscopis moderns integren, en un mateix instrument, diferents tècniques per adaptar-se a l'estudi de mostres de naturalesa diferent.

Del renaixement de l'òptica al nanoscopi

El desenvolupament de les fonts làser que va tenir lloc a la segona meitat del segle XX va suposar un nou desenvolupament d'un camp òptic més clàssic, de fet es pot dir que va constituir el descobriment més important en òptica després del dels raigs X. la llum làser (coherència extrema, alta intensitat i longitud d'ona única) permeten evitar fenòmens d'aberracions i difraccions pròpies de la llum produïda pels llums incandescents tradicionals.

El 1955, amb motiu de la seva tesi doctoral en matemàtiques, Marvin Lee Minsky (1927-2016), un dels fundadors de la intel·ligència artificial, va teoritzar sobre el microscopi confocal, un instrument òptic amb una resolució i qualitat d'imatge sense precedents per a la època. Com ell mateix diu:

El 1956, vaig patentar el meu microscopi confocal, però la patent va expirar abans que algú construís un segon. Ni tan sols ens vam molestar a patentar la pantalla o el logotip, creient que eren invencions totalment òbvies. Sembla que el que és obvi no és rellevant per a la patent.

Microscopi confocal

Un microscopi confocal difereix estructuralment del tradicional microscopi de fluorescència per lús de la font làser però sobretot per la presència dun diafragma al llarg del camí òptic que permet excloure el senyal provinent de les porcions amunt i avall del focus de la mostra, per tant proporcionant una imatge per primera vegada amb informació tridimensional. En realitat, el microscopi confocal ingressa als laboratoris només a finals dels anys 80 quan la tecnologia làser i informàtica esdevenen relativament accessibles i prou poderoses. Actualment és una eina de fonamental importància en la investigació científica biomèdica.

El microscopi confocal representa, per al camp de l'òptica, no una meta tecnològica sinó un punt de partida per a la florida de noves tècniques de recerca basades en la tecnologia làser i en el ús de nous marcadors fluorescents, com és el cas de la microscòpia TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), Live Cell Imaging, microscòpia espectral confocal, l'ús de diferents tècniques de anàlisi morfofuncional entre les que s'inclouen FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent espectroscòpia de correlació) i finalment l'ús del làser multifotònic per obtenir un augment significatiu de penetració de la llum a linterior de la mostra.

Microscòpia STED

Els primers anys d´aquest segle també es caracteritzen pel desenvolupament de noves idees enginyoses que han portat la resolució òptica més enllà dels límits imposats per la naturalesa de la llum. De fet, estem parlant de superresolució, aconseguida gràcies a tres enfocaments diferents principals: la microscòpia STED desenvolupada per Stefan Hell (1962), Premi Nobel de Química el 2014, la microscòpia de llum estructurada que deu el seu naixement a Mats Gustafsson (1960-2011). ), i microscòpia de localització, introduïda als laboratoris de Harvard per Xiaowei Zhuang (1972), capaç de visualitzar una sola molècula amb una resolució 10 vegades més gran que la microscòpia òptica tradicional.

La introducció de tècniques de súper resolució va conduir als microscopis òptics moderns, que per tant poden anomenar-se raonablement «nanoscopis». dialogar cada cop més amb els microscopis electrònics per a una millor integració de les anàlisis morfològiques. Avui dia, el microscopi és una eina insubstituïble al laboratori i s'ha convertit en el símbol mateix de la investigació científica.

El futur de la microscopia

El microscopi va ser sens dubte una de les revolucions més grans de la història de la ciència, i va marcar el naixement de la microbiologia, la citologia i la biologia cel·lular. Els salts de gegant que ha fet la investigació mèdica els últims 100-150 anys, amb tot el que ha seguit, haurien estat impensables sense el microscopi.

Les noves fronteres de la tecnologia ja veuen el matrimoni entre la informació que produeixen els microscopis i lús de la intel·ligència artificial. Aquesta nova disciplina, anomenada Aprenentatge profund, és capaç d'analitzar imatges preses amb microscopis i pot canviar radicalment la microscòpia i aplanar el camí per a nous descobriments. Però Mats Gustafsson, un dels pares de la superresolució, ja s'havia adonat de tot això quan deia: “Un cop s'hi afegeix un ordinador entre el microscopi i l'observador humà, tot el joc canvia. En aquell moment, un microscopi ja no és un dispositiu que ha de generar una imatge directament interpretable. Ara és un dispositiu per registrar informació».

Arribats a aquest punt, seria legítim preguntar-se fins on és possible arribar a la investigació i l'estudi de la microscòpia: el món microscòpic constitueix un reservori d'informació gairebé inesgotable: la matèria posseeix propietats estructurals, químiques i físiques que reflecteixen la empremta donada per les constants fonamentals i l'homogeneïtat de les lleis físiques sorgides als primers instants de l'Univers i les possibles variants, la majoria de les quals encara escapen a la nostra comprensió, constitueixen la inimaginable varietat del món que observem.