Was wissen wir über das Mikroskop?

" Ohne Anatomie keine Funktion " . Camillo Golgi, Nobelpreisträger für Medizin 1906, schrieb dies Ende des XNUMX. Jahrhunderts über seine Studien zu zentralen und peripheren Nervenzellen. Mit anderen Worten, die Funktion verändert die Form von Zellen, und daher sind mikroskopische Beobachtungen unerlässlich, um ihre physiologischen Mechanismen zu verstehen.

Es ist kein Zufall, dass Anton Van Leeuwenhoek 1715 der Erste war, der verstand, dass Nerven aus einer Reihe von Kabeln bestehen und nicht eine Art Kanal mit einer weichen Substanz im Inneren darstellen, wie im Fall von Blutgefäßen.

Leeuwenhoek und das Mikroskop

leeuwenhoek, niederländischer Optiker und Naturforscher, gilt als Erfinder des optischen Mikroskops; daher derjenige, der als erster einige Naturphänomene wie die Zirkulation roter Blutkörperchen in den Kapillaren, die Existenz männlicher Keimzellen, die erste genaue Identifizierung scharf und genau beobachtete die Lamellenstruktur der Linse, die Entdeckung von Protozoen und Bakterien, die „kleine Tiere“ genannt werden. Offensichtlich war es nicht nur die Verfügbarkeit der besten optischen Linsen der Zeit, die er auch selbst baute.

So schrieb Leeuwenhoek 1692 in einem Brief an die Royal Society of London als Antwort auf die Kritik einiger seiner Zeitgenossen:

Ich weiß sehr wohl, verehrte Herren, dass die Berichte, die ich schreibe und Ihnen von Zeit zu Zeit zusende, nicht immer übereinstimmen und dass Widersprüche darin zu finden sind; womit ich noch einmal sagen möchte, dass ich die Gewohnheit habe, mich an die Daten zu halten, die ich habe, bis ich besser informiert bin oder meine Beobachtungen mich woanders hinführen; und ich werde mich nie schämen, meine Methode zu ändern.

So wurde die moderne Mikroskopie geboren, also das Studium der Natur in kleinen Mengen, das noch heute eines der Hauptuntersuchungsmittel der modernen naturwissenschaftlichen Forschung darstellt. Aber um die Geburt und Entwicklung dieser Wissenschaft besser zu verstehen, müssen wir uns auf die zahlreichen Intuitionen und Entdeckungen beziehen, die von den ersten Versuchen in der Antike die Entwicklung dieser Disziplin bis zu den erstaunlichen Beobachtungen der modernen Wissenschaft geprägt haben.

Licht in der hellenischen und islamischen Tradition

Obwohl das Mikroskop eine relativ neue Erfindung ist, hat das Studium von Lichtphänomenen viele der großen Denker der Antike interessiert und zu Debatten zwischen verschiedenen Denkschulen geführt; Das verdanken wir bereits großen Denkern wie Aristoteles oder Euklid, die zwischen dem XNUMX. und XNUMX. Jahrhundert v. Bereits im XNUMX. Jahrhundert v. C. Die Verwendung der berühmten brennenden Spiegel von Archimedes wurde während des Zweiten Punischen Krieges berühmt, obwohl es historisch noch nicht belegt ist.

Roma

Die am besten dokumentierten Beispiele in dieser Hinsicht sind diejenigen, die stammen aus der römischen Welt. Tatsächlich ist die Verwendung, die die alten Römer von mehr oder weniger abgeflachten Glaskugeln machten, um die Sonnenstrahlen zu konzentrieren und Feuer zu erzeugen, seit langem weithin anerkannt. Die Linsentechnologie scheint sogar noch älter zu sein als die römische Zivilisation, wie die Funde von Knossos belegen, die bis in die Bronzezeit zurückreichen, eine Zeit zwischen 3500 und 1200 v. C.

Pompeji

Neben Kristallprismen von außergewöhnlicher Präzision und Regelmäßigkeit (die verwendet werden, um Licht in die Farben des Spektrums zu zerlegen), stammen sie auch aus den Ausgrabungen von antikes pompeji kleine runde Gefäße, leicht konvex, die ein klares und vergrößertes Bild liefern können. Leider gibt es fast keine literarischen Quellen, die von diesen Objekten als Sehwerkzeugen sprechen. Es wurde von Plinius dem Älteren überliefert, als Kaiser Nero, vielleicht kurzsichtig, Gladiatorenkämpfe beobachtete, indem er sie durch einen großen polierten Smaragd betrachtete.

Ottica und Catoptrica

Um zu Euklid zurückzukehren, stellen wir fest, dass er der Autor der berühmten fünf Postulate der Geometrie war, die die Konzepte von Punkt, Linie und Ebene enthalten; Diese grundlegenden Konzepte kamen in zusammen das Werk Ottica e Catoptrica wo Elemente der Perspektive enthalten sind, die Untersuchung der Reflexion in ebenen und sphärischen Spiegeln und zum ersten Mal wird das Konzept des visuellen Strahls ohne physische Struktur definiert. Dies ermöglicht Euklid, die typische Methode der geometrischen Demonstrationen auf das Gebiet der Lichtphänomene zu erweitern.

Die Natur dieser Axiome ist jedoch stark durch die Idee bedingt, dass das Sehen durch vom Auge emittierte Strahlen erfolgt: die extromisive Lichttheorie. Um zu einer fortschrittlicheren Theorie des Sehens zu gelangen, musste mit den Theorien des Arabers Alhazen (965-1039) bis ins XNUMX. Jahrhundert gewartet werden. Laut Alhazen, das Auge kann den Gegenstand nur durch Strahlen „fühlen“. der dich mit einer endlichen Geschwindigkeit sendet; Das Licht muss eine reale Existenz haben, denn wenn es sehr intensiv ist, kann es die Augen schädigen und Nebenbilder erzeugen.

Die Erfindung des Mikroskops

Es wird notwendig sein, bis zur Barockzeit zu warten, um die Geburt des wahren Vorläufermikroskops der Moderne zu erleben. Das 1609. Jahrhundert ist in vielen Ländern eine fruchtbare Zeit für die Wissenschaft im Allgemeinen, tatsächlich muss gesagt werden, dass es eine wahre wissenschaftliche Revolution mit Bacon, Boyle, Kopernikus, Leibniz und vielen anderen erlebte. Es muss jedoch gesagt werden, dass es in der Geschichte der Mikroskopie kein herausragendes Datum gibt, das mit dem Jahr XNUMX vergleichbar wäre Galileo Galilei (1564-1642) wurde mit einem rudimentären Teleskop hergestellt.

Tuchmacher und Mikroskope

Darüber hinaus ist es kein Zufall, dass die Niederlande die Wiege eines Instruments wie des Mikroskops waren, da dieses Land im XNUMX. Jahrhundert ein wichtiger Handelsknotenpunkt für den Textilsektor und gleichzeitig für die Herstellung von Keramik und Majolika war . Aus diesen letzten Werkstätten, vielleicht als Nebenprodukt des Herstellungsprozesses, stammen aller Wahrscheinlichkeit nach die Tropfen des geschmolzenen Glases Stoffhersteller, die als kleine Lupen verwendet werden, um die Textur besser kontrollieren zu können während der Produktionsphase. Dies war die erste Verwendung von erstarrten Glasperlen durch Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), ursprünglich Leiter eines Stoffgeschäfts; später, wahrscheinlich aufgrund seines Interesses an den Naturwissenschaften, denen er von Natur aus zugeneigt war.

Daher kann das von Van Leeuwenhoek als das erste Mikroskop angesehen werden, da es wurde speziell für den Einsatz zu wissenschaftlichen Forschungszwecken konzipiert und optimiert. Es überrascht nicht, dass er damals als der brillante Forscher bezeichnet wurde, der

[…] hat Mikroskope entwickelt, die die bisher gesehenen weit übertreffen …

Tatsächlich besteht das Mikroskop von Leeuwenhoek aus einer einzelnen Linse, die auf einem Metallträger montiert ist, der mit einem speziellen Probenhalter mit einstellbarem Fokus durch einen Schraubmechanismus ausgestattet ist, und sieht die Verwendung von künstlichem Licht vor. Diese Elemente bilden ab diesem Moment nicht nur die Grundlagen eines jeden optischen Mikroskops, setzen eine Methodik zur Erforschung von Naturphänomenen mit bereits modernem Flair voraus.

Arcana Natur

Leeuwenhoek wurde mit offizieller Anerkennung belegt, sein Labor wurde von Akademikern und Politikern aus der ganzen Welt besucht (der berühmte Besuch von Zar Peter dem Großen von Russland). Leeuwenhoek starb im Alter von 91 Jahren am 26. August 1723, nachdem er die lateinische Ausgabe der vollständigen Sammlung seiner vielen Briefe und Berichte gesehen hatte, die 1722 unter dem Titel "Arcana Naturae" veröffentlicht wurde.

Die Bemühungen der Gelehrten in den folgenden Jahrhunderten werden ausschließlich dem Bau leistungsfähigerer Mikroskope und der Systematisierung, Klassifizierung und Quantifizierung der neu entdeckten Mikrowelt gewidmet sein. In diesem Sinne ist der Beitrag des Engländers Robert Hooke (1635-1703) von grundlegender Bedeutung, der eher für seine Studien zur Elastizität als für die der optischen Mikroskopie bekannt ist. Hooke, ein absoluter Gelehrter, verbesserte das Mikroskop und stattete es mit neuen optischen Systemen und einem neuen Beleuchtungssystem aus. Dadurch konnte er eine Reihe von Entdeckungen machen, wie zum Beispiel die Hohlräume im Kork, die durch Wände getrennt sind, die er nannte Zellen. Im Streit mit Isaac Newton, dem wohl größten Wissenschaftler der damaligen Zeit, vertrat er die Idee einer Wellentheorie des Lichts im Gegensatz zur Korpuskulartheorie.

Die Evolution der Mikroskopie zwischen dem XNUMX. und XNUMX. Jahrhundert: vom Lichtmikroskop zum Elektronenmikroskop

Die allmählich eingeführten Verbesserungen der im XNUMX. Jahrhundert gebauten zusammengesetzten Mikroskope betrafen im wesentlichen den mechanischen Aufbau. Obwohl einige Fortschritte in der gemacht worden waren Techniken zur Herstellung von Linsen, die optische Leistung war immer noch schlecht. Dies lag sowohl an der Qualität des Glases als auch an zwei schwerwiegenden Mängeln in den Linsen: sphärische Aberration und chromatische Aberration, die zu verschwommenen und schillernden Bildern führten.

Darüber hinaus erfolgte jede Verbesserung immer und nur auf empirischer Basis und somit Es waren handgefertigte Produkte.. Um diese Aberrationen zu korrigieren, müssen mehrere Linsen gekoppelt werden, weshalb solche Systeme erst Mitte des XNUMX. Jahrhunderts realisiert werden konnten.

Ernst Abbe

Von diesem Moment an gingen theoretische Studien und technologischer Fortschritt Hand in Hand. Die repräsentativste Figur dieser Zeit war der Deutsche Ernst Abbe (1840-1905), der verwandelte das Mikroskop von einem qualitativen in ein quantitatives Instrument; Viele der Prinzipien, auf denen die moderne Technologie der Mikroskopoptik und der Objektive im Allgemeinen basiert, sind ihm zu verdanken; Abbe arbeitete mit Carl Zeiss (1816-1888) in den berühmten Jenaer Optikwerkstätten zusammen.

Er leitete den nach ihm benannten Ausdruck (Abbesche Zahl) zur Charakterisierung des Streuvermögens von Glas ab und bezog die Auflösung eines Mikroskopobjektivs in Abhängigkeit von seiner numerischen Apertur. Viele der Prinzipien, auf denen die moderne Technologie der Mikroskopoptik und der Objektive im Allgemeinen basiert, sind ihm zu verdanken. Abbe arbeitete mit Carl Zeiss (1816-1888) in den berühmten Jenaer Optikwerkstätten zusammen.

August Köhler

Ab 1900 wirkte auch August Kohler (1866-1948) in Jena, der sich mit der Mikrofotografie beschäftigte und ein heute allgemein verbreitetes Beleuchtungssystem für Mikroskope perfektionierte; Ende des XNUMX. Jahrhunderts gab es bereits hervorragende gerade und invertierte Instrumente auf dem Markt.

1903 entwickelte Richard Zsigmondy (1865-1929) das sogenannte Ultramikroskop, das die Untersuchung kolloidaler Teilchen mit Abmessungen kleiner als die Lichtwellenlänge ermöglicht; und in den folgenden Jahrzehnten verlangsamte sich das Tempo nicht: neue Techniken wie Phasenkontrast, Interferenzverfahren und Reflexionsmikroskopie Sie erschlossen neue Anwendungsgebiete, während andere bekannte Techniken wie Fluoreszenz, Kontrastinterferenz und Polarisation perfektioniert wurden. Strahlung.

Elektronenmikroskopie

Bereits in den 30er Jahren, mit der Definition von Elementarteilchen wie dem Elektron und der Einführung des Welle/Teilchen-Dualismus zur Erklärung ihres Verhaltens, war die Zeit reif, denn der räumlichen Auflösung optischer Mikroskope waren durch die Wellenlänge des Lichts Grenzen gesetzt , im Kontext einer völlig neuen Perspektive übertroffen werden könnte: der Elektronenmikroskopie. Das erste Elektronenmikroskop wurde 1933 von den deutschen Physikern Ernst Ruska (1906-1988) und Max Knoll (1897-1969) gebaut. Ruska selbst würde diese Zeit viele Jahre später als eine fruchtbare Studien- und Forschungszeit bezeichnen:

Nach seinem Abitur (1931) war die wirtschaftliche Situation in Deutschland sehr schwierig geworden und es schien nicht möglich, eine zufriedenstellende Stelle an der Universität oder in der Industrie zu finden. Daher habe ich mich gefreut, meine Tätigkeit als Doktorand am Hochspannungsinstitut unentgeltlich fortsetzen zu können…“ .

Spätes XNUMX. Jahrhundert und Rastersondenmikroskopie

Es ist immer noch die fortschreitende Systematisierung der Gesetze der Quantenmechanik, die neue Lösungen vorschlägt, um die mikroskopische Welt immer detaillierter zu untersuchen und sogar so weit zu gehen, ihre intime Natur zu enthüllen, d.h. Moleküle und Atome. Im Gegensatz zu früher wurden in den 1980er Jahren einige großartige Ideen in Kontexten entwickelt, die bereits intellektuell offen waren und, was nicht so schlimm ist, ausreichend mit menschlichen, technologischen und wirtschaftlichen Ressourcen ausgestattet waren.

Georg Gamow

Aus der 1928 formulierten Idee von George Gamow (bereits Entdecker der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung) von der Existenz des Tunneleffekts entwickelten zwei deutsche Physiker, Gerd Binnig (1947) und Heinrich Rohrer (1933- 2013) konzipierte 1981 während seiner Tätigkeit in den IBM-Forschungslabors in Zürich das erste Rastertunnelmikroskop.

Dieses Mikroskop verwendet eine Feinnadelsonde, um einen schwachen elektrischen Strom zwischen der Sonde und der Oberfläche der zu untersuchenden Probe zu erfassen, die mit einer Auflösung untersucht werden kann, die theoretisch kleiner als die Größe von Atomen und Molekülen ist. Diese Entdeckung brachte ihren Entdeckern den Nobelpreis für Physik 1986. Es ist bemerkenswert, dass der Preis ziemlich spät auch an Enrst Ruska verliehen wurde. „Für seine grundlegenden Arbeiten in der Elektronenoptik und für die Konstruktion des ersten Elektronenmikroskops“.

Rastermikroskopie

Im gleichen Zusammenhang, aber basierend auf der elektrischen Kraft, die von den Atomen einer Oberfläche auf eine kleine, in der Nähe platzierte Sonde ausgeübt wird, wurde das Atomic Force Microscope (1982) (unter Mitarbeit von Binning selbst) erfunden, dessen Entstehung auf dem gemeinsamen Beitrag beruht von anderen Gelehrten, darunter Calvin Quate (1923-2019) und Christoph Gerber (1942). Dieses Mikroskop ermöglichte es, die Anwendung von zu erweitern Rastersondenmikroskopie auf eine breite Kategorie von Proben, einschließlich biologischer Proben.

Aufgrund ihrer Varianten- und Anwendungsvielfalt ist diese Technik heute wohl die vielseitigste für die Untersuchung von Oberflächen im Bereich der Nanotechnologie. Heutzutage zielen Mikroskope tatsächlich darauf ab, immer vollständigere Informationen über die Beschaffenheit von Oberflächen zu erhalten, und moderne Mikroskope integrieren in ein und demselben Instrument verschiedene Techniken, um sich an die Untersuchung von Proben unterschiedlicher Beschaffenheit anzupassen.

Von der Renaissance der Optik zum Nanoskop

Die Entwicklung der Laserquellen in der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts stellte eine Neuentwicklung auf einem eher klassischen Gebiet der Optik dar, man kann sogar sagen, dass sie nach der Röntgenstrahlung die wichtigste Entdeckung in der Optik darstellte Eigenschaften von Laserlicht (extreme Kohärenz, hohe Intensität und einzelne Wellenlänge) ermöglichen Vermeiden Sie Phänomene von Aberrationen und Beugungen charakteristisch für das Licht herkömmlicher Glühlampen.

1955 stellte Marvin Lee Minsky (1927-2016), einer der Begründer der künstlichen Intelligenz, anlässlich seiner Doktorarbeit in Mathematik Theorien über das konfokale Mikroskop auf, ein optisches Instrument mit beispielloser Auflösung und Bildqualität für eine Epoche. Wie er selbst sagt:

1956 habe ich mein konfokales Mikroskop patentieren lassen, aber das Patent ist abgelaufen, bevor jemand ein zweites gebaut hat. Wir haben uns nicht einmal die Mühe gemacht, den Bildschirm oder das Logo zu patentieren, weil wir dachten, es handele sich um völlig offensichtliche Erfindungen. Es scheint, dass das Offensichtliche für das Patent nicht relevant ist.

Konfokales Mikroskop

Ein konfokales Mikroskop unterscheidet sich strukturell vom herkömmlichen Fluoreszenzmikroskop durch die Verwendung der Laserquelle, aber vor allem durch das Vorhandensein einer Blende entlang des Strahlengangs, die es ermöglicht, das Signal auszuschließen, das von den Abschnitten oberhalb und unterhalb des Fokus der Probe kommt, also erstmals mit einem Bild versehen dreidimensionale Informationen. In Wirklichkeit kommt das konfokale Mikroskop erst Ende der 80er Jahre in die Labors, wenn Laser- und Computertechnologie relativ zugänglich und leistungsfähig genug werden. Es ist derzeit ein grundlegend wichtiges Werkzeug in der biomedizinischen wissenschaftlichen Forschung.

Das konfokale Mikroskop stellt für das Gebiet der Optik kein technologisches Ziel dar, sondern einen Ausgangspunkt für das Aufblühen neuer Forschungstechniken auf der Grundlage der Lasertechnologie und der Verwendung neuer fluoreszierender Marker, wie TIRF (Total internal Reflection Fluorescence) Mikroskopie, Live Cell Imaging, konfokale Spektralmikroskopie, der Einsatz verschiedener bildgebender Verfahren, Morphofunktionale Analyse einschließlich FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) und schließlich die Verwendung von Multiphotonenlasern, um eine signifikante Steigerung der Lichtdurchdringung in die Probe zu erreichen .

STED-Mikroskopie

Die frühen Jahre dieses Jahrhunderts sind auch durch die Entwicklung genialer neuer Ideen gekennzeichnet, die die optische Auflösung über die durch die Natur des Lichts gesetzten Grenzen hinausgetrieben haben. Tatsächlich sprechen wir von einer Superauflösung, die durch drei verschiedene Hauptansätze erreicht wird: lSTED-Mikroskopie entwickelt von Stefan Hell (1962), Nobelpreis für Chemie 2014, strukturierte Lichtmikroskopie, die ihre Geburt Mats Gustafsson (1960-2011) verdankt. ) und die Lokalisierungsmikroskopie, die von Xiaowei Zhuang (1972) in den Harvard-Labors eingeführt wurde und in der Lage ist, ein einzelnes Molekül mit einer zehnmal höheren Auflösung als die herkömmliche optische Mikroskopie sichtbar zu machen.

Die Einführung von Super-Resolution-Techniken führte zu modernen Lichtmikroskopen, die man daher durchaus nennen kann "Nanoskope". Dialog mehr und mehr mit elektronischen Mikroskopen für eine bessere Integration von morphologischen Analysen. Heute ist das Mikroskop ein unersetzliches Werkzeug im Labor und zum Symbol wissenschaftlicher Forschung geworden.

Die Zukunft der Mikroskopie

Das Mikroskop war zweifellos eine der größten Revolutionen in der Geschichte der Wissenschaft und markierte die Geburtsstunde der Mikrobiologie, Zytologie und Zellbiologie. Die großen Sprünge, die die medizinische Forschung in den letzten 100-150 Jahren gemacht hat, mit allem, was darauf folgte, wären ohne das Mikroskop undenkbar gewesen.

Die neuen Grenzen der Technologie sehen bereits die Verbindung zwischen den von Mikroskopen erzeugten Informationen und dem Einsatz künstlicher Intelligenz. Diese neue Disziplin, genannt Tiefes Lernen, ist in der Lage, mit Mikroskopen aufgenommene Bilder zu analysieren und kann die Mikroskopie radikal verändern und den Weg für neue Entdeckungen ebnen. Aber Mats Gustafsson, einer der Väter der Superauflösung, hatte all dies bereits erkannt, als er sagte: „Sobald ein Computer zwischen dem Mikroskop und dem menschlichen Beobachter hinzugefügt wird, ändert sich das ganze Spiel. In diesem Moment, ein Mikroskop ist kein Gerät mehr, das ein direkt interpretierbares Bild erzeugen muss. Jetzt ist es ein Gerät zum Aufzeichnen von Informationen.“

An dieser Stelle wäre die Frage berechtigt, wie weit man in der Erforschung und Erforschung der Mikroskopie gehen kann: Die mikroskopische Welt stellt ein nahezu unerschöpfliches Informationsreservoir dar: Materie besitzt strukturelle, chemische und physikalische Eigenschaften, die die Prägung durch die Naturkonstanten und die Homogenität physikalischer Gesetze widerspiegeln entstanden in den ersten Momenten des Universums und die möglichen Varianten, von denen die meisten noch außerhalb unseres Verständnisses liegen, machen die unvorstellbare Vielfalt der Welt aus, die wir beobachten.