Hvad ved vi om mikroskopet?

" Der er ingen funktion uden anatomi ". Camillo Golgi, Nobelprisen i medicin i 1906, skrev dette i slutningen af ​​det XNUMX. århundrede om sine studier af centrale og perifere nerveceller. Funktionen omformer med andre ord cellernes form, og derfor bliver mikroskopiske observationer essentielle for at forstå dens fysiologiske mekanismer.

Det er ikke tilfældigt, at den første person, der forstod, at nerver bestod af et sæt kabler og ikke repræsenterede en slags kanal med et blødt stof indeni, som i tilfældet med blodkar, var Anton Van Leeuwenhoek i 1715.

Leeuwenhoek og mikroskopet

Leeuwenhoek, hollandsk optiker og naturforsker, er anerkendt som opfinderen af ​​det optiske mikroskop; derfor den, der var den første til at observere, akut og præcist, nogle naturlige fænomener såsom cirkulationen af ​​røde blodlegemer i kapillærerne, eksistensen af ​​mandlige kønsceller, den første nøjagtige identifikation af linsens lamelstruktur, opdagelsen af ​​protozoer og bakterier kaldet "små dyr". Det var tydeligvis ikke kun tilgængeligheden af ​​tidens bedste optiske linser, som han også selv byggede.

Sådan skrev Leeuwenhoek i et brev til Royal Society of London i 1692, hvor han reagerede på kritik fra nogle af hans samtidige:

Jeg ved meget vel, ærede Herrer, at de Beretninger, jeg fra Tid til anden skriver og sender Dem, ikke altid stemmer overens med hinanden, og at der kan findes Modsigelser i dem; hvormed jeg endnu en gang vil sige, at jeg har for vane at holde mig til de data, jeg har, indtil jeg er bedre informeret, eller indtil mine observationer fører mig andre steder hen; og jeg vil aldrig skamme mig over at ændre min metode.

Således blev moderne mikroskopi født, det vil sige studiet af naturen i små mængder, som stadig i dag udgør et af de vigtigste undersøgelsesmidler for moderne videnskabelig forskning. Men for bedre at forstå denne videnskabs fødsel og udvikling, må vi henvise til de talrige intuitioner og opdagelser, der fra de første forsøg i antikken har formet udviklingen af ​​denne disciplin til den moderne videnskabs forbløffende observationer.

Lys i den hellenske og islamiske tradition

Selvom mikroskopet er en forholdsvis ny opfindelse, har studiet af lysfænomener interesseret mange af antikkens store hjerner og har givet anledning til debatter mellem forskellige tankegange; Vi skylder det allerede til store tænkere som Aristoteles eller Euklid, der levede mellem IV og III århundreder f.Kr., hvis første formalisering vi har skrevet bevis for begrebet syn og lysstråler. Allerede i det XNUMX. århundrede f.Kr. C. brugen af ​​de berømte brændende spejle af Archimedes blev berømt under den anden puniske krig, selvom det endnu ikke er blevet historisk bevist.

Roma

De mest dokumenterede eksempler i denne henseende er dem, der kommer fra den romerske verden. Faktisk har den brug, som de gamle romere lavede af mere eller mindre fladtrykte glaskugler for at koncentrere solens stråler og opnå ild, været almindeligt anerkendt i lang tid. Linseteknologien ser ud til at være endnu ældre end den romerske civilisation, hvilket fremgår af fundene fra Knossos, som går tilbage til bronzealderen, en periode mellem 3500 og 1200 f.Kr. c.

Pompeji

Ud over krystalprismer af ekstraordinær præcision og regelmæssighed (bruges til at bryde lys ind i spektrets farver), kommer de også fra udgravninger af gamle pompei små runde kar, let konvekse, i stand til at give et klart og forstørret billede. Desværre er der næsten ingen litterære kilder, der taler om disse objekter som visionsredskaber. Det blev overleveret af Plinius den Ældre, da kejser Nero, måske nærsynet, plejede at se gladiatorkampe ved at se på dem gennem en stor poleret smaragd.

Ottica og Catoptrica

For at vende tilbage til Euklid bemærker vi, at han var forfatteren til de berømte fem geometriske postulater, der indeholder begreberne punkt, linje og plan; Disse grundlæggende begreber kom sammen i værket Ottica e Catoptrica hvor elementer af perspektiv er indeholdt, den undersøgelse af refleksion i plane og sfæriske spejle og for første gang defineres begrebet visuel stråle uden fysisk struktur. Dette gør det muligt for Euclid at udvide den typiske metode til geometriske demonstrationer til området for lysfænomener.

Naturen af ​​disse aksiomer er imidlertid stærkt betinget af ideen om, at syn finder sted af stråler, der udsendes af øjet: den ekstromisive teori om lys. For at nå frem til en mere avanceret teori om syn var det nødvendigt at vente til det 965. århundrede med teorierne fra den arabiske Alhazen (1039-XNUMX). Ifølge Alhazen, øjet kan ikke "føle" objektet undtagen ved hjælp af stråler som sender dig med en endelig hastighed; lyset skal have en reel eksistens, for når det er meget intenst, kan det skade øjnene og generere sekundære billeder.

Opfindelsen af ​​mikroskopet

Det vil være nødvendigt at vente til barokkens æra for at se fødslen af ​​det sande forløbermikroskop af de moderne. Det 1609. århundrede er en frugtbar periode i mange lande for videnskaben generelt, faktisk må det siges, at det så en sand videnskabelig revolution med Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz og mange andre. Det skal dog siges, at der i mikroskopiens historie ikke findes nogen udestående dato, der kan sammenlignes med XNUMX, året hvor Galileo Galilei (1564-1642) blev lavet med et rudimentært teleskop.

kludmagere og mikroskoper

Desuden er det ikke tilfældigt, at Holland var vuggen for et instrument som mikroskopet, da dette land i det XNUMX. århundrede repræsenterede en vigtig kommerciel korsvej for tekstilsektoren og samtidig for produktionen af ​​keramik og majolica . Fra disse sidste værksteder, måske som et sekundært produkt af fremstillingsprocessen, kom efter al sandsynlighed dråberne af smeltet glas, som stofproducenter brugte som små forstørrelsesglas for bedre at kontrollere teksturen i produktionsfasen. Dette var den første brug, som Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), oprindeligt en stofbutikschef, lavede af størknede glasperler; senere, sandsynligvis efter hans interesse for naturvidenskaberne, som han naturligt var tilbøjelig til.

Derfor kan Van Leeuwenhoeks betragtes som det første mikroskop, da det er specielt udtænkt og optimeret til brug til videnskabelige forskningsformål. Ikke overraskende blev han dengang nævnt som den geniale forsker, der

[…] har designet mikroskoper, der langt overgår dem, der er set hidtil...

Faktisk består Leeuwenhoeks mikroskop af en enkelt linse monteret på en metalstøtte udstyret med en speciel prøveholder med justerbar fokus ved hjælp af en skruemekanisme, og sørger for brugen af ​​kunstig belysning. Disse elementer udgør, ud over at fra det øjeblik, grundlaget for ethvert optisk mikroskop, forudsætter en metode til studiet af naturfænomener med en allerede moderne smag.

Arcana Nature

Leeuwenhoek var dækket af officiel anerkendelse, hans laboratorium blev besøgt af akademikere og politiske personer fra hele verden (det berømte besøg af zar Peter den Store af Rusland). Leeuwenhoek døde i en alder af 91, den 26. august 1723, efter at have set den latinske udgave af den samlede samling af hans mange breve og rapporter, udgivet i 1722 under titlen "Arcana Naturae".

Forskeres indsats i de følgende århundreder vil udelukkende blive viet til at bygge mere kraftfulde mikroskoper og til at systematisere, klassificere og kvantificere den nyopdagede mikroverden. I denne forstand er bidraget fra englænderen Robert Hooke (1635-1703) fundamentalt, mere husket for hans studier af elasticitet end for optisk mikroskopi. Hooke, en komplet lærd, foretog forbedringer af mikroskopet, og udstyrede det med nye optiske systemer og et nyt belysningssystem. Dette gjorde det muligt for ham at gøre en række opdagelser, såsom hulrummene i korken, adskilt af vægge, som han kaldte celler. I strid med Isaac Newton, sandsynligvis tidens største videnskabsmand, støttede han ideen om en bølgeteori om lys i modsætning til den korpuskulære teori.

Udviklingen af ​​mikroskopi mellem det XNUMX. og XNUMX. århundrede: fra det optiske mikroskop til elektronmikroskopet

De forbedringer, der gradvist blev indført i de sammensatte mikroskoper, der blev bygget i det XNUMX. århundrede, var hovedsagelig beskæftiget med den mekaniske struktur. Selvom der var gjort nogle fremskridt i linsefremstillingsteknikker, var den optiske ydeevne stadig dårlig. Dette skyldtes både kvaliteten af ​​glasset og to alvorlige fejl i linserne: sfærisk aberration og kromatisk aberration, hvilket resulterede i slørede og iriserende billeder.

Desuden fandt hver forbedring altid og kun sted på et empirisk grundlag og derfor de var håndlavede produkter. For at blive korrigeret kræver disse aberrationer kobling af flere linser, og det var derfor først i midten af ​​det XNUMX. århundrede, at sådanne systemer kunne realiseres.

Ernst Abbe

Fra det øjeblik gik teoretiske studier og teknologiske fremskridt hånd i hånd. Den mest repræsentative figur i denne periode var tyskeren Ernst Abbe (1840-1905), som transformerede mikroskopet fra et kvalitativt til et kvantitativt instrument; mange af de principper, som den moderne teknologi for mikroskopoptik og linser generelt er baseret på, skyldes ham; Abbe samarbejdede med Carl Zeiss (1816-1888) i de berømte optiske Jena-værksteder.

Han udledte udtrykket, som bærer hans navn (Abbe-nummer), for at karakterisere glassets spredningskraft og relaterede opløsningen af ​​et mikroskopobjektiv som en funktion af dets numeriske blænde. mange af de principper, som den moderne teknologi med mikroskopoptik og linser generelt er baseret på, skyldes ham. Abbe samarbejdede med Carl Zeiss (1816-1888) i de berømte optiske Jena-værksteder.

August Kohler

Fra 1900 arbejdede August Kohler (1866-1948) også i Jena, som beskæftigede sig med mikrofotografering og perfektionerede et nu universelt vedtaget belysningssystem til mikroskoper; I slutningen af ​​det XNUMX. århundrede fandtes der allerede fremragende lige og omvendte instrumenter på markedet.

I 1903 udviklede Richard Zsigmondy (1865-1929) det såkaldte ultramikroskop, som gør det muligt at studere kolloide partikler med dimensioner mindre end lysets bølgelængde; og i de årtier, der fulgte, gik tempoet ikke langsomt: nye teknikker som fasekontrast, interferensmetoder og refleksionsmikroskopi De åbnede op for nye anvendelsesområder, mens andre velkendte teknikker blev perfektioneret, såsom fluorescens, kontrastinterferens og polarisering. stråling.

elektronmikroskopi

Allerede i 30'erne, med definitionen af ​​elementarpartikler såsom elektronen og indførelsen af ​​bølge/partikel-dualismen for at forklare deres adfærd, var tiderne modne, fordi grænserne for den rumlige opløsning af optiske mikroskoper, pålagt af lysets bølgelængde , kunne overgås i sammenhæng med et helt nyt perspektiv: elektronmikroskopi. Det første elektronmikroskop blev bygget i 1933 af de tyske fysikere Ernst Ruska (1906-1988) og Max Knoll (1897-1969). Ruska selv ville mange år senere henvise til disse tider som en frugtbar periode med studier og forskning:

Efter hans eksamen (1931) var den økonomiske situation i Tyskland blevet meget vanskelig, og det syntes ikke muligt at finde en tilfredsstillende stilling på universitetet eller i industrien. Derfor var jeg glad for at kunne fortsætte min aktivitet gratis som ph.d.-studerende på Højspændingsinstituttet...” .

Sent i det XNUMX. århundrede og scanning probe mikroskopi

Det er stadig den progressive systematisering af kvantemekanikkens love, der foreslår nye løsninger til at undersøge den mikroskopiske verden mere detaljeret, endda gå så langt som til at afsløre dens intime natur, dvs. molekyler og atomer. I modsætning til det, der skete før, blev der i 1980'erne udviklet nogle fantastiske ideer i kontekster, der allerede var intellektuelt åbne, og hvad der ikke er så dårligt, tilstrækkeligt udstyret med menneskelige, teknologiske og økonomiske ressourcer.

George Gamow

Det er fra George Gamows (allerede opdager af den såkaldte kosmiske baggrundsstråling) ideen om eksistensen af ​​tunneleffekten, formuleret i 1928, at to tyske fysikere, Gerd Binnig (1947) og Heinrich Rohrer (1933- 2013) undfanget i 1981, mens han arbejdede på IBMs forskningslaboratorier i Zürich, det første scanningstunnelmikroskop.

Dette mikroskop bruger en tynd nålsonde til at detektere en svag elektrisk strøm mellem sonden og overfladen af ​​prøven, der undersøges, som kan undersøges til en opløsning, der teoretisk er mindre end størrelsen af ​​atomer og molekyler. Denne opdagelse gav sine opdagere Nobelprisen i fysik i 1986. Det er ret bemærkelsesværdigt, at prisen ret sent også blev tildelt Enrst Ruska. "For hans grundlæggende arbejde inden for elektronoptik og for designet af det første elektronmikroskop".

scanningsmikroskopi

I samme sammenhæng, men baseret på den elektriske kraft, som atomerne på en overflade udøver på en lille sonde placeret i nærheden, blev Atomic Force Microscope opfundet (1982) (med samarbejde med Binning selv), hvis skabelse er afhængig af det fælles bidrag af andre forskere, herunder Calvin Quate (1923-2019) og Christoph Gerber (1942). Dette mikroskop gjorde det muligt at udvide anvendelsen af scanning probe mikroskopi til en bred kategori af prøver, herunder biologiske.

På grund af sin brede vifte af varianter og anvendelser er denne teknik i dag efter al sandsynlighed den mest alsidige til undersøgelse af overflader inden for nanoteknologi. I dag sigter mikroskoper faktisk på at opnå mere og mere fuldstændig information om overfladens beskaffenhed, og moderne mikroskoper integrerer i det samme instrument forskellige teknikker til at tilpasse sig undersøgelsen af ​​prøver af forskellig natur.

Fra optikkens renæssance til nanoskopet

Udviklingen af ​​laserkilder, der fandt sted i anden halvdel af det XNUMX. århundrede, repræsenterede en ny udvikling af et mere klassisk optisk felt, faktisk kan man sige, at det udgjorde den vigtigste opdagelse inden for optikken efter røntgenstrålerne. karakteristika af laserlys (ekstrem kohærens, høj intensitet og enkelt bølgelængde) tillader undgå fænomener med aberrationer og diffraktioner karakteristisk for det lys, der produceres af traditionelle glødelamper.

I 1955, i anledning af sin doktorafhandling i matematik, teoretiserede Marvin Lee Minsky (1927-2016), en af ​​grundlæggerne af kunstig intelligens, om det konfokale mikroskop, et optisk instrument med hidtil uset opløsning og billedkvalitet for epoke. Som han selv siger:

I 1956 patenterede jeg mit konfokale mikroskop, men patentet udløb, før nogen byggede et andet. Vi gad ikke engang patentere skærmen eller logoet, da vi troede, at det var helt åbenlyse opfindelser. Det lader til, at det åbenlyse ikke er relevant for patentet.

konfokalt mikroskop

Et konfokalt mikroskop adskiller sig strukturelt fra det traditionelle fluorescensmikroskop ved brugen af ​​laserkilden, men frem for alt ved tilstedeværelsen af ​​en membran langs den optiske vej, der gør det muligt at udelukke signalet, der kommer fra delene over og under prøvens fokus, således give et billede for første gang med tredimensionel information. I virkeligheden kommer det konfokale mikroskop først ind i laboratorierne i slutningen af ​​80'erne, hvor laser- og computerteknologi bliver relativt tilgængelig og kraftig nok. Det er i øjeblikket et grundlæggende vigtigt værktøj i biomedicinsk videnskabelig forskning.

Det konfokale mikroskop repræsenterer, for optikområdet, ikke et teknologisk mål, men et udgangspunkt for opblomstringen af ​​nye forskningsteknikker baseret på laserteknologi og brug af nye fluorescerende markører, såsom TIRF (Total internal Reflection Fluorescence) mikroskopi, Live Cell Imaging, konfokal spektral mikroskopi, brugen af ​​forskellige billeddannelsesteknikker, morfofunktionel analyse inklusive FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy) og endelig brugen af ​​multifotonlasere for at opnå en signifikant forøgelse af lysets effektgennemtrængning i prøven .

STED mikroskopi

De tidlige år af dette århundrede er også præget af udviklingen af ​​geniale nye ideer, der har skubbet optisk opløsning ud over de grænser, som lysets natur pålægger. Faktisk taler vi om super opløsning, opnået takket være tre forskellige hovedtilgange: lSTED mikroskopi udviklet af Stefan Hell (1962), Nobelprisen i kemi i 2014, struktureret lysmikroskopi, der skylder sin fødsel til Mats Gustafsson (1960-2011). ), og lokaliseringsmikroskopi, introduceret i Harvard-laboratorierne af Xiaowei Zhuang (1972), der er i stand til at visualisere et enkelt molekyle med en opløsning, der er 10 gange større end traditionel optisk mikroskopi.

Introduktionen af ​​superopløsningsteknikker førte til moderne lysmikroskoper, som derfor med rimelighed kan kaldes "nanoskoper". dialog mere og mere med elektroniske mikroskoper for en bedre integration af morfologiske analyser. I dag er mikroskopet et uerstatteligt værktøj i laboratoriet og er blevet selve symbolet på videnskabelig forskning.

Fremtiden for mikroskopi

Mikroskopet var uden tvivl en af ​​de største revolutioner i videnskabens historie, der markerede fødslen af ​​mikrobiologi, cytologi og cellebiologi. De gigantiske spring, som medicinsk forskning har taget i de sidste 100-150 år, med alt hvad der er fulgt efter, ville have været utænkelige uden mikroskopet.

De nye teknologiske grænser ser allerede sammenhængen mellem den information, der produceres af mikroskoper, og brugen af ​​kunstig intelligens. Denne nye disciplin, kaldet Deep Learning, er i stand til at analysere billeder taget med mikroskoper og kan radikalt ændre mikroskopi og bane vejen for nye opdagelser. Men Mats Gustafsson, en af ​​superopløsningens fædre, havde allerede indset alt dette, da han sagde: "Når en computer først er tilføjet mellem mikroskopet og den menneskelige observatør, ændres hele spillet. På dette tidspunkt, et mikroskop er ikke længere en enhed, der skal generere et direkte fortolkningsbillede. Nu er det en enhed til at optage information."

På dette tidspunkt ville det være legitimt at spørge, hvor langt det er muligt at gå i undersøgelsen og undersøgelsen af ​​mikroskopi: den mikroskopiske verden udgør et næsten uudtømmeligt reservoir af information: stof besidder strukturelle, kemiske og fysiske egenskaber, der afspejler det præg, der gives af de grundlæggende konstanter og homogeniteten af ​​fysiske love opstod i universets første øjeblikke, og de mulige varianter, hvoraf de fleste stadig er uden for vores fatteevne, udgør den ufattelige mangfoldighed af verden, som vi observerer.