Što znamo o mikroskopu?

mikroskop

Nema funkcije bez anatomije ". Camillo Golgi, dobitnik Nobelove nagrade za medicinu 1906., napisao je to krajem XNUMX. stoljeća o svojim studijama o središnjim i perifernim živčanim stanicama. Drugim riječima, funkcija preoblikuje oblik stanica, pa stoga mikroskopska promatranja postaju ključna za razumijevanje njezinih fizioloških mehanizama.

Nije slučajno da je prvi koji je shvatio da su živci sastavljeni od niza kabela i da ne predstavljaju neku vrstu kanala s mekom tvari unutar sebe, kao što je slučaj s krvnim žilama, bio Anton Van Leeuwenhoek 1715. godine.

Leeuwenhoek i mikroskop

Leeuwenhoeka, nizozemski optičar i prirodoslovac, priznat je kao izumitelj optičkog mikroskopa; dakle, onaj koji je prvi oštro i precizno uočio neke prirodne fenomene kao što su cirkulacija crvenih krvnih zrnaca u kapilarama, postojanje muških zametnih stanica, prva točna identifikacija lamelarna struktura leće, otkriće protozoa i bakterija nazvanih “male životinje”. Očito se nije radilo samo o dostupnosti najboljih optičkih leća tog vremena, koje je također sam izradio.

Ovako je Leeuwenhoek napisao u pismu Kraljevskom društvu u Londonu 1692., odgovarajući na kritike nekih svojih suvremenika:

Vrlo dobro znam, poštovana gospodo, da se izvješća koja vam povremeno pišem i šaljem ne slažu uvijek među sobom i da se u njima mogu naći proturječja; čime još jednom želim reći da imam naviku držati se podataka koje imam dok se bolje ne informiram ili dok me moja zapažanja ne odvedu negdje drugdje; i nikada se neću sramiti promijeniti svoju metodu.

Tako je rođena moderna mikroskopija, odnosno proučavanje prirode u malim količinama, koje i danas predstavlja jedno od glavnih sredstava istraživanja modernih znanstvenih istraživanja. Ali da bismo bolje razumjeli rođenje i evoluciju ove znanosti, moramo se pozvati na brojne intuicije i otkrića koja su od prvih pokušaja u antici oblikovala razvoj ove discipline do zapanjujućih opažanja moderne znanosti.

Svjetlost u helenskoj i islamskoj tradiciji

Iako je mikroskop relativno novi izum, proučavanje svjetlosnih fenomena zainteresiralo je mnoge velike umove antike i potaknulo rasprave između različitih škola mišljenja; To već dugujemo velikim misliocima poput Aristotela ili Euklida, koji su živjeli između IV. i III. stoljeća prije Krista, o čijoj prvoj formalizaciji imamo pisane dokaze pojma vizije i svjetlosnih zraka. Već u XNUMX. st. pr. C. upotreba poznatih Arhimedovih gorućih zrcala postala je poznata tijekom Drugog punskog rata, iako to još nije povijesno dokazano.

slike mikroskopa

Roma

Najdokumentiraniji primjeri u tom smislu su oni koji dolaze iz rimskog svijeta. Zapravo, upotreba koju su stari Rimljani izrađivali od više ili manje spljoštenih staklenih kugli za koncentriranje sunčevih zraka i dobivanje vatre široko je priznata već dugo vremena. Čini se da je tehnologija leća čak i starija od rimske civilizacije, o čemu svjedoče nalazi iz Knososa koji datiraju iz brončanog doba, razdoblja između 3500. i 1200. pr. c.

Pompeji

Osim kristalnih prizmi iznimne preciznosti i pravilnosti (koje služe za razbijanje svjetlosti na boje spektra), potječu i iz iskopina drevni Pompeji male okrugle posude, blago konveksne, sposobne dati jasnu i uvećanu sliku. Nažalost, gotovo da nema literarnih izvora koji govore o ovim predmetima kao oruđima za vid. Prenio ga je Plinije Stariji kada je car Neron, možda kratkovidan, gledao borbe gladijatora gledajući ih kroz veliki uglačani smaragd.

Ottika i katoptrika

Vraćajući se na Euklida, primijetit ćemo da je on bio autor poznatih pet postulata geometrije koji sadrže pojmove točke, pravca i ravnine; Ovi temeljni pojmovi spojili su se u djelo Ottica e Catoptrica gdje su sadržani elementi perspektive, proučavanje refleksije u ravnim i sfernim zrcalima i po prvi put je definiran koncept vizualne zrake bez fizičke strukture. To omogućuje Euklidu da proširi tipičnu metodu geometrijskih demonstracija na polje svjetlosnih pojava.

Priroda ovih aksioma, međutim, snažno je uvjetovana idejom da se vid odvija pomoću zraka koje emitira oko: ekstromizivna teorija svjetlosti. Da bi se došlo do naprednije teorije vida, trebalo je pričekati do 965. stoljeća, s teorijama Arapina Alhazena (1039.-XNUMX.). Prema Alhazenu, oko ne može "osjetiti" objekt osim pomoću zraka koji vas šalje konačnom brzinom; svjetlost mora stvarno postojati jer kada je vrlo intenzivna može oštetiti oči i generirati sekundarne slike.

Izum mikroskopa

Bit će potrebno pričekati do barokne ere da bismo vidjeli rođenje pravog preteče mikroskopa modernih. 1609. stoljeće je u mnogim zemljama plodno razdoblje za znanost općenito, dapače, mora se reći da je ono doživjelo pravu znanstvenu revoluciju s Baconom, Boyleom, Kopernikom, Leibnizom i mnogim drugima. Međutim, mora se reći da u povijesti mikroskopije ne postoji istaknuti datum usporediv s XNUMX., godinom u kojoj Galileo Galilei (1564-1642) napravljen je s rudimentarnim teleskopom.

slike mikroskopa

suknari i mikroskopi

Nadalje, nije slučajnost da je Nizozemska bila kolijevka instrumenta kao što je mikroskop, budući da je u XNUMX. stoljeću ova zemlja predstavljala važno trgovačko raskrižje za tekstilni sektor, a istovremeno i za proizvodnju keramike i majolike. . Iz ovih posljednjih radionica, možda kao sekundarni proizvod procesa proizvodnje, po svoj su prilici došle kapljice rastaljenog stakla koje proizvođači tkanina koriste kao mala povećala za bolju kontrolu teksture tijekom faze proizvodnje. To je bila prva upotreba koju je Antoni Van Leeuwenhoek (1632.-1723.), u početku upravitelj trgovine tkaninama, napravio od skrutnutih staklenih perli; kasnije, vjerojatno slijedeći njegov interes za prirodne znanosti kojima je bio prirodno sklon.

Stoga se Van Leeuwenhoekov može smatrati prvim mikroskopom, budući da je je posebno osmišljen i optimiziran za korištenje u znanstveno-istraživačke svrhe. Nije iznenađujuće što su ga u to vrijeme spominjali kao briljantnog istraživača koji je

[…] je dizajnirao mikroskope koji daleko premašuju one do sada viđene…

Naime, Leeuwenhoekov mikroskop sastoji se od jedne leće postavljene na metalni nosač opremljenog posebnim držačem uzorka s podesivim fokusom pomoću vijčanog mehanizma, te omogućuje korištenje umjetne rasvjete. Ovi elementi, osim što čine, od tog trenutka, temelj svakog optičkog mikroskopa, pretpostavljaju metodologiju proučavanja prirodnih pojava s već modernim okusom.

Arcana Priroda

Leeuwenhoek je bio prekriven službenim priznanjem, njegov laboratorij posjećivali su akademici i politički ljudi iz cijeloga svijeta (čuveni posjet ruskog cara Petra Velikog). Leeuwenhoek je umro u 91. 26. kolovoza 1723., nakon što je vidio latinsko izdanje kompletne zbirke njegovih brojnih pisama i izvještaja, objavljenih 1722. pod naslovom "Arcana Naturae".

Napori znanstvenika u narednim će stoljećima u potpunosti biti posvećeni izgradnji snažnijih mikroskopa i sistematiziranju, klasificiranju i kvantificiranju novootkrivenog mikrosvijeta. U tom smislu temeljan je doprinos Engleza Roberta Hookea (1635.-1703.), koji se više pamti po svojim studijama o elastičnosti nego po studijama optičke mikroskopije. Hooke, potpuni učenjak, poboljšao je mikroskop, opremivši ga novim optičkim sustavima i novim sustavom osvjetljenja. To mu je omogućilo niz otkrića, poput šupljina u čepu, odvojenih stijenkama, koje je nazvao Stanice. U polemici s Isaacom Newtonom, vjerojatno najvećim znanstvenikom tog vremena, podržavao je ideju valne teorije svjetlosti nasuprot korpuskularnoj teoriji.

mikroskop

Evolucija mikroskopije između XNUMX. i XNUMX. stoljeća: od optičkog mikroskopa do elektronskog mikroskopa

Poboljšanja koja su se postupno uvodila u složene mikroskope izgrađene u XNUMX. stoljeću u biti su se odnosila na mehaničku strukturu. Iako je postignut određeni napredak u tehnike izrade leća, optička izvedba i dalje je bila loša. To je bilo zbog kvalitete stakla i dva ozbiljna nedostatka na lećama: sferne aberacije i kromatske aberacije, što je rezultiralo mutnim i preljevnim slikama.

Nadalje, svako poboljšanje se uvijek i samo odvijalo na empirijskoj osnovi i stoga Bili su to ručno rađeni proizvodi.. Da bi se ispravile, ove aberacije zahtijevaju spajanje nekoliko leća i stoga su se takvi sustavi mogli realizirati tek sredinom XNUMX. stoljeća.

Ernst Abbe

Od tog trenutka nadalje, teorijske studije i tehnološki napredak išli su ruku pod ruku. Najreprezentativnija ličnost ovog razdoblja bio je Nijemac Ernst Abbe (1840-1905) koji je transformirao mikroskop iz kvalitativnog u kvantitativni instrument; mnoga načela na kojima se temelji moderna tehnologija mikroskopske optike i leća općenito pripadaju njemu; Abbe je surađivao s Carlom Zeissom (1816.-1888.) u poznatim jenskim optičkim radionicama.

Izveo je izraz, koji nosi njegovo ime (Abbeov broj), za karakterizaciju disperzivne moći stakla i povezao rezoluciju objektiva mikroskopa kao funkciju njegove numeričke aperture. mnoga načela na kojima se temelji moderna tehnologija mikroskopske optike i leća općenito pripadaju njemu. Abbe je surađivao s Carlom Zeissom (1816.-1888.) u poznatim jenskim optičkim radionicama.

August Kohler

Od 1900. u Jeni je radio i August Kohler (1866.-1948.), koji se bavio mikrofotografijom i usavršio danas univerzalno prihvaćen sustav osvjetljenja mikroskopa; Krajem XNUMX. stoljeća na tržištu su već postojali izvrsni ravni i obrnuti instrumenti.

Godine 1903. Richard Zsigmondy (1865.-1929.) razvio je takozvani ultramikroskop, koji omogućuje proučavanje koloidnih čestica dimenzija manjih od valne duljine svjetlosti; i u desetljećima koja su uslijedila tempo nije usporio: nove tehnike kao što su fazni kontrast, metode interferencije i refleksijska mikroskopija Otvorile su nova područja primjene, a ostale dobro poznate tehnike su usavršene, poput fluorescencije, kontrastne interferencije i polarizacije. radijacija.

elektronska mikroskopija

Već u 30-ima, s definicijom elementarnih čestica kao što je elektron i uvođenjem dualizma val/čestica da se objasni njihovo ponašanje, vrijeme je sazrelo jer su ograničenja prostorne razlučivosti optičkih mikroskopa, nametnuta valnom duljinom svjetlosti , mogao biti nadmašen u kontekstu potpuno nove perspektive: elektronske mikroskopije. Prvi elektronski mikroskop konstruirali su 1933. njemački fizičari Ernst Ruska (1906.-1988.) i Max Knoll (1897.-1969.). Sam Ruska, mnogo godina kasnije, govorio je o tim vremenima kao o plodnom razdoblju studija i istraživanja:

Nakon njegove diplome (1931.), ekonomska situacija u Njemačkoj postala je vrlo teška i nije se činilo mogućim pronaći zadovoljavajući položaj na sveučilištu ili u industriji. Stoga sam bio zadovoljan što mogu besplatno nastaviti svoju djelatnost kao doktorand na Institutu za visoki napon…” .

mikroskop

Kasno XNUMX. stoljeće i mikroskopija skenirajućom sondom

Još uvijek je progresivna sistematizacija zakona kvantne mehanike ono što predlaže nova rješenja za istraživanje mikroskopskog svijeta sa sve više detalja, čak idući tako daleko da otkrivaju njegovu intimnu prirodu, tj. molekule i atome. Za razliku od onoga što se događalo prije, 1980-ih neke su se velike ideje razvijale u kontekstima koji su već bili intelektualno otvoreni i, što nije loše, adekvatno opskrbljeni ljudskim, tehnološkim i ekonomskim resursima.

George Gamow

Upravo od ideje Georgea Gamowa (već pronalazača tzv. kozmičkog pozadinskog zračenja) o postojanju efekta tunela, formuliranog 1928., dvojica njemačkih fizičara, Gerd Binnig (1947.) i Heinrich Rohrer (1933. 2013) osmislio je 1981., dok je radio u IBM-ovim istraživačkim laboratorijima u Zürichu, prvi skenirajući tunelski mikroskop.

Ovaj mikroskop koristi sondu s finom iglom za otkrivanje slabe električne struje između sonde i površine uzorka koji se proučava, što se može istražiti do rezolucije teoretski manje od veličine atoma i molekula. Ovo je otkriće svojim pronalazačima donijelo Nobelovu nagradu za fiziku 1986. Zanimljivo je da je nagradu, prilično kasno, dobio i Enrst Ruska. "Za njegov temeljni rad u elektronskoj optici i za dizajn prvog elektronskog mikroskopa".

skenirajuća mikroskopija

U istom kontekstu, ali na temelju električne sile kojom atomi površine djeluju na malu sondu postavljenu u blizini, izumljen je mikroskop atomske sile (1982.) (uz suradnju samog Binninga), čija se izrada oslanja na zajednički doprinos drugih znanstvenika, uključujući Calvina Quatea (1923.-2019.) i Christopha Gerbera (1942.). Ovaj mikroskop omogućio je proširenje primjene mikroskopija skenirajućom sondom na široku kategoriju uzoraka, uključujući i biološke.

Zbog svoje široke palete varijanti i primjena, ova tehnika je danas, po svoj prilici, najsvestranija za proučavanje površina u području nanotehnologije. Danas, zapravo, cilj mikroskopija je dobivanje sve potpunijih informacija o prirodi površina, a moderni mikroskopi integriraju, u isti instrument, različite tehnike za prilagodbu proučavanju uzoraka različite prirode.

mikroskop

Od renesanse optike do nanoskopa

Razvoj laserskih izvora koji se dogodio u drugoj polovici XNUMX. stoljeća predstavljao je novi razvoj jednog klasičnijeg optičkog polja, zapravo se može reći da je to najvažnije otkriće u optici nakon X-zraka. karakteristike laserskog svjetla (ekstremna koherencija, visoki intenzitet i jedna valna duljina) dopuštaju izbjegavati pojave aberacija i difrakcija karakterističan za svjetlost koju proizvode tradicionalne žarulje sa žarnom niti.

Godine 1955., u povodu svoje doktorske disertacije iz matematike, Marvin Lee Minsky (1927.-2016.), jedan od utemeljitelja umjetne inteligencije, teoretizirao je konfokalni mikroskop, optički instrument s rezolucijom i kvalitetom slike bez presedana za epohu. Kako on sam kaže:

Godine 1956. patentirao sam svoj konfokalni mikroskop, ali je patent istekao prije nego što je itko napravio drugi. Nismo se čak ni potrudili patentirati ekran ili logo, misleći da su potpuno očiti izumi. Čini se da očito nije relevantno za patent.

konfokalni mikroskop

Konfokalni mikroskop strukturno se razlikuje od tradicionalnog fluorescentnog mikroskopa upotrebom laserskog izvora, ali prije svega prisutnošću dijafragme duž optičke staze koja omogućuje isključivanje signala koji dolazi iz dijelova iznad i ispod fokusa uzorka, na taj način pružajući sliku po prvi put sa trodimenzionalne informacije. U stvarnosti, konfokalni mikroskop ulazi u laboratorije tek kasnih 80-ih kada laser i računalna tehnologija postaju relativno dostupni i dovoljno moćni. Trenutno je to fundamentalno važan alat u biomedicinskim znanstvenim istraživanjima.

mikroskop

Konfokalni mikroskop za područje optike ne predstavlja tehnološki cilj, već polazište za procvat novih istraživačkih tehnika temeljenih na laserskoj tehnologiji i korištenje novih fluorescentnih markera, kao što je TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) mikroskopija, Live Cell Imaging, konfokalna spektralna mikroskopija, korištenje različitih tehnika snimanja, morfofunkcionalna analiza uključujući FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) i konačno korištenje višefotonskih lasera za postizanje značajnog povećanja snage prodiranja svjetlosti u uzorak .

STED mikroskopija

Prve godine ovog stoljeća također su obilježene razvojem genijalnih novih ideja koje su gurnule optičku rezoluciju izvan granica koje nameće priroda svjetlosti. Zapravo, govorimo o super razlučivosti, postignutoj zahvaljujući tri glavna različita pristupa: lSTED mikroskopija koju je razvio Stefan Hell (1962.), Nobelova nagrada za kemiju 2014., strukturirana svjetlosna mikroskopija koja svoje rođenje duguje Matsu Gustafssonu (1960.-2011.). ), i lokalizacijska mikroskopija, koju je u Harvardskim laboratorijima uveo Xiaowei Zhuang (1972.), sposobna vizualizirati jednu molekulu s razlučivošću 10 puta većom od tradicionalne optičke mikroskopije.

Uvođenje tehnika super-razlučivosti dovelo je do suvremenih svjetlosnih mikroskopa, koji se stoga opravdano mogu nazvati "nanoskopi". sve više komunicirati s elektroničkim mikroskopima radi bolje integracije morfoloških analiza. Danas je mikroskop nezamjenjiv alat u laboratoriju i postao je sam simbol znanstvenog istraživanja.

Budućnost mikroskopije

Mikroskop je nedvojbeno bio jedna od najvećih revolucija u povijesti znanosti, označivši rođenje mikrobiologije, citologije i stanične biologije. Golemi skokovi koje su medicinska istraživanja učinila u posljednjih 100-150 godina, sa svime što je uslijedilo, bili bi nezamislivi bez mikroskopa.

Nove granice tehnologije već vide brak između informacija koje proizvode mikroskopi i upotrebe umjetne inteligencije. Ova nova disciplina, tzv Duboko učenjesposoban je analizirati slike snimljene mikroskopima i može radikalno promijeniti mikroskopiju i utrti put novim otkrićima. Ali Mats Gustafsson, jedan od očeva super rezolucije, sve je to već shvatio kada je rekao: “Jednom kada se računalo doda između mikroskopa i ljudskog promatrača, cijela se igra mijenja. U tom trenutku, mikroskop više nije uređaj koji mora generirati sliku koja se može izravno interpretirati. Sada je to uređaj za snimanje informacija.”

U ovom trenutku bilo bi opravdano zapitati se koliko daleko je moguće ići u istraživanju i proučavanju mikroskopije: mikroskopski svijet čini gotovo neiscrpan rezervoar informacija: materija posjeduje strukturna, kemijska i fizikalna svojstva koja odražavaju otisak temeljnih konstanti i homogenosti fizikalnih zakona nastao u prvim trenucima Svemira i moguće varijante, od kojih je većina još uvijek izvan našeg poimanja, čine nezamislivu raznolikost svijeta koji promatramo.


Budite prvi koji će komentirati

Ostavite svoj komentar

Vaša email adresa neće biti objavljen. Obavezna polja su označena s *

*

*

  1. Odgovoran za podatke: Actualidad Blog
  2. Svrha podataka: Kontrola neželjene pošte, upravljanje komentarima.
  3. Legitimacija: Vaš pristanak
  4. Komunikacija podataka: Podaci se neće dostavljati trećim stranama, osim po zakonskoj obvezi.
  5. Pohrana podataka: Baza podataka koju hostira Occentus Networks (EU)
  6. Prava: U bilo kojem trenutku možete ograničiti, oporaviti i izbrisati svoje podatke.