" Ilma anatoomiata pole ühtegi funktsiooni ". Camillo Golgi, 1906. aasta Nobeli meditsiinipreemia, kirjutas selle XNUMX. sajandi lõpus oma kesk- ja perifeersete närvirakkude uurimise kohta. Teisisõnu, funktsioon kujundab ümber rakkude kuju ja seetõttu muutuvad mikroskoopilised vaatlused selle füsioloogiliste mehhanismide mõistmiseks hädavajalikuks.
Pole juhus, et esimene inimene, kes mõistis, et närvid koosnevad kaablite komplektist ega kujutanud endast teatud tüüpi kanalit, mille sees on pehme aine, nagu veresoonte puhul, oli Anton Van Leeuwenhoek 1715. aastal.
Leeuwenhoek ja mikroskoop
leeuwenhoek, Hollandi optik ja loodusteadlane, on tunnustatud optilise mikroskoobi leiutajana; seega see, kes jälgis esimesena teravalt ja täpselt mõningaid loodusnähtusi, nagu punaste vereliblede tsirkulatsioon kapillaarides, meessoost sugurakkude olemasolu, läätse lamellstruktuur, algloomade ja bakterite avastamine, mida nimetatakse "väikeloomadeks". Ilmselgelt polnud see ainult tolle aja parimate optiliste läätsede olemasolu, mille ta ka ise ehitas.
Nii kirjutas Leeuwenhoek 1692. aastal Londoni Kuninglikule Seltsile saadetud kirjas, vastates mõne oma kaasaegse kriitikale:
Ma tean väga hästi, lugupeetud härrased, et aruanded, mida ma teile aeg-ajalt kirjutan ja saadan, ei ühti alati üksteisega ja neis võib leida vastuolusid; millega ma tahan veel kord öelda, et mul on kombeks jääda andmete juurde, mis mul on, kuni olen paremini informeeritud või kuni mu tähelepanekud viivad mind mujale; ja ma ei häbene kunagi oma meetodit muuta.
Nii sündis kaasaegne mikroskoopiast looduse uurimine väikestes kogustes, mis on tänapäevalgi üks kaasaegse teadusliku uurimistöö peamisi uurimisvahendeid. Kuid selle teaduse sünni ja arengu paremaks mõistmiseks peame viitama arvukatele intuitsioonidele ja avastustele, mis alates esimestest katsetest antiikajal on kujundanud selle distsipliini arengut kuni tänapäevase teaduse hämmastavate tähelepanekuteni.
Valgus Kreeka ja islami traditsioonis
Kuigi mikroskoop on suhteliselt värske leiutis, on valgusnähtuste uurimine huvitanud paljusid antiikaja suurmehi ja tekitanud vaidlusi erinevate koolkondade vahel; Oleme selle juba võlgu suurtele mõtlejatele, nagu Aristoteles või Eukleides, kes elasid IV ja III sajandil eKr, kelle esimese vormistamise kohta on meil kirjalikud tõendid nägemise ja valguskiirte mõiste kohta. Juba XNUMX. sajandil eKr. C. Archimedese kuulsate põlemispeeglite kasutamine sai kuulsaks Teise Puunia sõja ajal, kuigi seda pole veel ajalooliselt tõestatud.
Roma
Sellega seoses on kõige enam dokumenteeritud näited need, mis pärit Rooma maailmast. Tegelikult on iidsete roomlaste kasutamine päikesekiirte kontsentreerimiseks ja tule saamiseks enam-vähem lamestatud klaaskeradest olnud laialdaselt akrediteeritud juba pikka aega. Objektiivitehnoloogia näib olevat isegi vanem kui Rooma tsivilisatsioon, mida tõendavad Knossosest pärit leiud, mis pärinevad pronksiajast, ajavahemikust 3500–1200 eKr. c.
Pompei
Lisaks erakordse täpsuse ja regulaarsusega kristallprismadele (mida kasutatakse valguse jaotamiseks spektri värvideks) on need pärit ka XNUMX. aasta väljakaevamistest. iidne Pompei väikesed ümmargused anumad, kergelt kumerad, mis on võimelised andma selget ja suurendatud kujutist. Kahjuks pole peaaegu ühtegi kirjanduslikku allikat, mis kõneleks neist objektidest kui nägemisvahenditest. Selle andis edasi Plinius vanem, kui keiser Nero, kes oli võib-olla lühinägelik, jälgis gladiaatorite võitlusi, vaadates neid läbi suure poleeritud smaragdi.
Ottica ja Catoptrica
Eukleidese juurde tagasi tulles märgime, et ta oli kuulsa viie geomeetria postulaadi autor, mis sisaldavad punkti, sirge ja tasandi mõisteid; Need põhimõisted said kokku teos Ottica e Catoptrica kus on perspektiivi elemendid, on tasapinnalistes ja sfäärilistes peeglites peegelduse uurimine ja esmakordselt defineeritakse füüsilise struktuurita visuaalse kiirguse mõiste. See võimaldab Eukleidesel laiendada tüüpilist geomeetriliste demonstratsioonide meetodit valgusnähtuste valdkonnale.
Nende aksioomide olemus on aga tugevalt tingitud ideest, et nägemine toimub silma kiirgavate kiirte abil: ekstreemne valgusteooria. Arenenuma nägemisteooriani jõudmiseks tuli oodata 965. sajandini araablaste Alhazeni (1039–XNUMX) teooriatega. Alhazeni sõnul silm ei saa objekti "tunnetada" muidu kui kiirte abil mis saadab teid piiratud kiirusega; valgus peab reaalselt eksisteerima, sest kui see on väga intensiivne, võib see kahjustada silmi ja tekitada teiseseid pilte.
Mikroskoobi leiutamine
Tuleb oodata barokiajastuni, et näha tänapäevase mikroskoobi tõelise eelkäija mikroskoobi sündi. 1609. sajand on paljudes maades viljakas periood teadusele üldiselt, tegelikult tuleb öelda, et seal toimus tõeline teadusrevolutsioon Baconi, Boyle’i, Koperniku, Leibnizi ja paljude teistega. Siiski tuleb öelda, et mikroskoopia ajaloos ei ole silmapaistvat kuupäeva, mis oleks võrreldav XNUMX. aastaga, mil Galileo Galilei (1564-1642) valmistati algelise teleskoobiga.
riidevalmistajad ja mikroskoobid
Pealegi pole juhus, et Holland oli sellise instrumendi, nagu mikroskoop, häll, kuna XNUMX. sajandil oli see riik tekstiilisektori ja samal ajal keraamika ja majoolika tootmise jaoks oluline kaubanduslik risttee. . Nendest viimastest töökodadest, võib-olla tootmisprotsessi teisese tootena, tulid suure tõenäosusega sulaklaasi tilgad, mis kangatootjad kasutasid seda väikeste suurendusklaasidena, et tekstuuri paremini kontrollida tootmisfaasis. See oli esimene kangapoe juhataja Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723) tahkestunud klaashelmestest valmistatud kasutus; hiljem, ilmselt pärast tema huvi loodusteaduste vastu, mille poole ta loomulikult kaldus.
Seetõttu võib Van Leeuwenhoeki oma pidada esimeseks mikroskoobiks, kuna see oli spetsiaalselt loodud ja optimeeritud kasutamiseks teaduslikul uurimistööl. Pole üllatav, et teda nimetati sel ajal suurepäraseks teadlaseks, kes
[…] on loonud mikroskoobid, mis ületavad kaugelt seni nähtuid…
Tegelikult koosneb Leeuwenhoeki mikroskoop ühest läätsest, mis on paigaldatud metalltoele, mis on varustatud kruvimehhanismi abil reguleeritava fookusega spetsiaalse proovihoidikuga ja võimaldab kasutada kunstlikku valgustust. Lisaks sellele, et need elemendid moodustavad sellest hetkest mis tahes optilise mikroskoobi alused, eeldavad juba moodsa maitsega loodusnähtuste uurimise metoodikat.
Arkaani loodus
Leeuwenhoek oli kaetud ametliku tunnustusega, tema laboratooriumi külastasid akadeemikud ja poliitilised tegelased üle kogu maailma (Venemaa tsaari Peeter Suure kuulus visiit). Leeuwenhoek suri 91-aastaselt, 26. augustil 1723, olles näinud tema paljude kirjade ja aruannete täielikku kogumit ladinakeelset väljaannet, mis avaldati 1722. aastal pealkirja all "Arcana Naturae".
Teadlaste jõupingutused järgnevatel sajanditel on täielikult pühendatud võimsamate mikroskoopide ehitamisele ning äsja avastatud mikromaailma süstematiseerimisele, klassifitseerimisele ja kvantifitseerimisele. Selles mõttes on inglase Robert Hooke'i (1635–1703) panus põhiline, teda mäletatakse rohkem elastsuse kui optilise mikroskoopia uurimise tõttu. Hooke, täielik õpetlane, täiustas mikroskoopi, varustades selle uute optiliste süsteemide ja uue valgustussüsteemiga. See võimaldas tal teha mitmeid avastusi, nagu näiteks seintega eraldatud õõnsused korgis, mida ta nimetas. rakke. Vaidluses Isaac Newtoniga, kes oli tõenäoliselt tolle aja suurim teadlane, toetas ta valguse laineteooria ideed, mitte korpuskulaarset teooriat.
Mikroskoopia areng XNUMX. ja XNUMX. sajandi vahel: optilisest mikroskoobist elektronmikroskoobini
XNUMX. sajandil ehitatud liitmikroskoopides järk-järgult kasutusele võetud täiustused puudutasid peamiselt mehaanilist struktuuri. Kuigi mõningaid edusamme on tehtud objektiivi valmistamise tehnikad, oli optiline jõudlus endiselt halb. Selle põhjuseks oli nii klaasi kvaliteet kui ka kaks tõsist viga objektiividel: sfääriline aberratsioon ja kromaatiline aberratsioon, mille tulemuseks olid udused ja sillerdavad pildid.
Lisaks toimus iga parendamine alati ja ainult empiirilisel alusel ja seetõttu need olid käsitsi valmistatud tooted. Nende aberratsioonide parandamiseks on vaja mitut läätse ühendada ja seetõttu võis selliseid süsteeme realiseerida alles XNUMX. sajandi keskpaigas.
Ernst Abbe
Sellest hetkest alates käisid teoreetilised õpingud ja tehnoloogiline progress käsikäes. Selle perioodi esinduslikum kuju oli sakslane Ernst Abbe (1840-1905), kes muutis mikroskoobi kvalitatiivsest kvantitatiivseks instrumendiks; paljud põhimõtted, millel põhineb tänapäevane mikroskoobi optika ja läätsede tehnoloogia üldiselt, on tingitud temast; Abbe tegi kuulsates Jena optikatöökodades koostööd Carl Zeissiga (1816-1888).
Ta tuletas tema nime (Abbe number) kandva väljendi, et iseloomustada klaasi hajutavat jõudu ja seostas mikroskoobi objektiivi eraldusvõimet selle numbrilise ava funktsioonina. paljud põhimõtted, millel põhineb tänapäevane mikroskoobi optika ja läätsede tehnoloogia üldiselt, on tingitud temast. Abbe tegi kuulsates Jena optikatöökodades koostööd Carl Zeissiga (1816-1888).
August Kohler
Alates 1900. aastast töötas Jenas ka August Kohler (1866-1948), kes tegeles mikrofotograafiaga ja täiustas nüüdseks üldkasutatavat mikroskoopide valgustussüsteemi; XNUMX. sajandi lõpus olid turul juba suurepärased sirge ja tagurpidi pillid.
1903. aastal töötas Richard Zsigmondy (1865-1929) välja nn ultramikroskoobi, mis võimaldab uurida valguse lainepikkusest väiksemate mõõtmetega kolloidosakesi; ja järgnevatel aastakümnetel tempo ei aeglustanud: uued tehnikad, nagu faasikontrast, interferentsimeetodid ja peegeldusmikroskoopia Need avasid uusi rakendusvaldkondi, samal ajal kui täiustati teisi tuntud tehnikaid, nagu fluorestsents, kontrasti häired ja polarisatsioon. kiirgus.
elektronmikroskoopia
Juba 30. aastatel, mil elementaarosakeste nagu elektron määratlus ja laine/osakeste dualism nende käitumise selgitamiseks kasutusele võeti, olid ajad küps, sest optiliste mikroskoopide ruumilise eraldusvõime piirid, mis tulenevad valguse lainepikkusest. , võiks ületada täiesti uue vaatenurga – elektronmikroskoopia – kontekstis. Esimese elektronmikroskoobi ehitasid 1933. aastal saksa füüsikud Ernst Ruska (1906-1988) ja Max Knoll (1897-1969). Ruska ise nimetas neid aegu palju aastaid hiljem viljakaks õppe- ja uurimisperioodiks:
Pärast tema lõpetamist (1931) oli Saksamaa majanduslik olukord muutunud väga keeruliseks ning ei tundunud olevat võimalik leida rahuldavat kohta ülikoolis ega tööstuses. Seetõttu oli mul hea meel, et sain tasuta jätkata oma tegevust kõrgepingeinstituudi doktorandina…” .
XNUMX. sajandi lõpp ja skaneeriva sondi mikroskoopia
Ikka on kvantmehaanika seaduste järkjärguline süstematiseerimine see, mis pakub uusi lahendusi mikroskoopilise maailma üha üksikasjalikumaks uurimiseks, jõudes isegi nii kaugele, et paljastada selle intiimne olemus, st molekulid ja aatomid. Erinevalt varasemast sündis 1980. aastatel mõningaid suurepäraseid ideid kontekstis, mis olid juba intellektuaalselt avatud ja mis pole hullu, piisavalt inim-, tehnoloogiliste ja majanduslike ressurssidega varustatud.
George Gamow
Kaks saksa füüsikut Gerd Binnig (1928) ja Heinrich Rohrer (1947) tulenesid George Gamowi (juba nn kosmilise taustkiirguse avastaja) 1933. aastal sõnastatud ideest tunneliefekti olemasolust. 2013), mis loodi 1981. aastal Zürichis IBMi uurimislaborites töötades, esimene skaneeriv tunnelmikroskoop.
See mikroskoop kasutab peennõelsondi, et tuvastada nõrk elektrivool sondi ja uuritava proovi pinna vahel, mida saab uurida eraldusvõimega, mis on teoreetiliselt väiksem kui aatomite ja molekulide suurus. See avastus pälvis oma avastajatele Nobeli füüsikaauhinna 1986. On tähelepanuväärne, et preemia anti üsna hilja ka Enrst Ruskale. "Tema põhitöö eest elektronoptikas ja esimese elektronmikroskoobi kujundamise eest".
skaneeriv mikroskoopia
Samas kontekstis, kuid põhinedes elektrilisel jõul, mida pinna aatomid avaldavad lähedal asuvale väikesele sondile, leiutati (1982) (koostöös Binninguga) aatomijõumikroskoop, mille loomine tugineb ühisele panusele. teiste teadlaste, sealhulgas Calvin Quate (1923-2019) ja Christoph Gerber (1942). See mikroskoop võimaldas laiendada selle rakendust skaneeriva sondi mikroskoopia laiale proovikategooriale, sealhulgas bioloogilistele proovidele.
Oma laia valikute ja rakendusvõimaluste tõttu on see tehnika tänapäeval suure tõenäosusega kõige mitmekülgsem pindade uurimisel nanotehnoloogia valdkonnas. Tänapäeval on mikroskoopiate eesmärk saada üha täielikumat teavet pindade olemuse kohta ja kaasaegsed mikroskoobid integreerivad samasse seadmesse erinevaid tehnikaid, et kohaneda erineva iseloomuga proovide uurimisega.
Optika renessansist nanoskoobini
XNUMX. sajandi teisel poolel toimunud laserallikate areng kujutas endast klassikalisema optilise välja uut arengut, tegelikult võib öelda, et see oli pärast röntgenikiirgust kõige olulisem avastus optikas. laservalguse omadused (äärmuslik koherentsus, kõrge intensiivsus ja üks lainepikkus) võimaldavad vältida aberratsiooni ja difraktsiooni nähtusi traditsiooniliste hõõglampide tekitatavale valgusele.
Üks tehisintellekti rajajaid Marvin Lee Minsky (1955–1927) esitas 2016. aastal oma matemaatika doktoritöö raames teooria konfokaalse mikroskoobi kohta – optilise instrumendi kohta, millel on epohhi jaoks enneolematu eraldusvõime ja pildikvaliteet. Nagu ta ise ütleb:
1956. aastal patenteerisin oma konfokaalse mikroskoobi, kuid patent aegus enne, kui keegi teise ehitas. Me ei vaevunud isegi ekraani ega logo patenteerima, arvates, et need on täiesti ilmsed leiutised. Tundub, et ilmselge pole patendi jaoks asjakohane.
konfokaalne mikroskoop
Konfokaalne mikroskoop erineb struktuurilt traditsioonilisest fluorestsentsmikroskoobist laserallika kasutamise poolest, kuid eelkõige selle poolest, et optilisel teel on diafragma, mis võimaldab välistada signaali, mis tuleb proovi fookuse kohal ja all olevatest osadest. pakkudes esimest korda pilti kolmemõõtmeline teave. Tegelikkuses jõuab konfokaalne mikroskoop laboritesse alles 80. aastate lõpus, kui laser- ja arvutitehnoloogia muutuvad suhteliselt kättesaadavaks ja piisavalt võimsaks. Praegu on see biomeditsiiniliste teadusuuringute fundamentaalselt oluline tööriist.
Konfokaalne mikroskoop ei kujuta optika valdkonnas mitte tehnoloogilist eesmärki, vaid lähtepunkti lasertehnoloogial põhinevate uute uurimismeetodite õitsengule. uute fluorestseeruvate markerite kasutamine, nagu TIRF (täielik sisemine peegeldusfluorestsents) mikroskoopia, elusrakkude kujutis, konfokaalne spektraalmikroskoopia, erinevate pildistamistehnikate kasutamine, morfofunktsionaalne analüüs sealhulgas FRAP (fluorestsentsi taastumine pärast fotopleegitamist), FRET (fluorestsentsresonantsenergia ülekanne), FLIM (fluorestsentsi eluaegne kujutis), FCS (fluorestsentskorrelatsioonispektroskoopia) ja lõpuks mitmefotoonsete laserite kasutamine, et saavutada valguse võimsuse märkimisväärne suurenemine proovis. .
STED mikroskoopia
Selle sajandi algusaastaid iseloomustab ka geniaalsete uute ideede areng, mis on lükanud optilise eraldusvõime kaugemale valguse olemuse seatud piiridest. Tegelikult räägime ülilahutusvõimest, mis saavutatakse tänu kolmele peamisele erinevale lähenemisele: lSTED-mikroskoopia, mille töötas välja Stefan Hell (1962), Nobeli keemiaauhind 2014. aastal, struktureeritud valgusmikroskoopia, mille sünni võlgneb Mats Gustafsson (1960–2011). ) ja lokaliseerimismikroskoopia, mille Harvardi laborites tutvustas Xiaowei Zhuang (1972), mis suudab visualiseerida üht molekuli eraldusvõimega, mis on 10 korda suurem kui traditsioonilise optilise mikroskoopia puhul.
Üliresolutsiooniga tehnikate kasutuselevõtt tõi kaasa kaasaegsed valgusmikroskoobid, mida võib seetõttu mõistlikult nimetada "nanoskoobid". üha enam dialoogi elektrooniliste mikroskoopidega, et morfoloogilisi analüüse paremini integreerida. Tänapäeval on mikroskoop laboris asendamatu tööriist ja sellest on saanud teadusliku uurimistöö sümbol.
Mikroskoopia tulevik
Mikroskoop oli kahtlemata üks suurimaid revolutsioone teaduse ajaloos, mis tähistas mikrobioloogia, tsütoloogia ja rakubioloogia sündi. Hiiglaslikud hüpped, mida meditsiiniuuringud on viimase 100–150 aasta jooksul teinud, koos kõige järgnevaga, oleksid olnud mõeldamatud ilma mikroskoobita.
Tehnoloogia uued piirid näevad juba mikroskoopide toodetud teabe ja tehisintellekti kasutamise vahelist abielu. See uus distsipliin, nn Sügav õppimine, on võimeline analüüsima mikroskoopidega tehtud pilte ning võib mikroskoopiat radikaalselt muuta ja sillutada teed uutele avastustele. Kuid Mats Gustafsson, üks superresolutsiooni isadest, oli sellest kõigest juba aru saanud, kui ütles: „Kui mikroskoobi ja inimvaatleja vahele lisatakse arvuti, muutub kogu mäng. Sel momendil, mikroskoop ei ole enam seade, mis peab genereerima vahetult tõlgendatava pildi. Nüüd on see seade teabe salvestamiseks.
Siinkohal oleks õigustatud küsida, kui kaugele on võimalik minna mikroskoopia uurimisel ja uurimisel: mikroskoopiline maailm on peaaegu ammendamatu teabereservuaar: ainel on struktuursed, keemilised ja füüsikalised omadused, mis peegeldavad põhikonstantide ja füüsikaliste seaduste homogeensust. tekkisid universumi esimestel hetkedel ja võimalikud variandid, millest enamik on endiselt väljaspool meie arusaamist, moodustavad meie vaadeldava maailma kujuteldamatu mitmekesisuse.
