" Nincs funkció anatómia nélkül ". Camillo Golgi, 1906-ban orvosi Nobel-díjas, ezt írta a XNUMX. század végén a központi és perifériás idegsejtekkel kapcsolatos tanulmányairól. Más szóval, a funkció átformálja a sejtek alakját, ezért a mikroszkópos megfigyelések elengedhetetlenek a fiziológiai mechanizmusok megértéséhez.
Nem véletlen, hogy 1715-ben Anton Van Leeuwenhoek volt az első ember, aki megértette, hogy az idegek egy sor kábelből állnak, és nem egyfajta lágy anyagú csatornát képviselnek benne, mint az erek esetében.
Leeuwenhoek és a mikroszkóp
leeuwenhoek, holland látszerész és természettudós, elismert az optikai mikroszkóp feltalálója; ezért az, aki elsőként figyelt meg élesen és pontosan néhány természeti jelenséget, mint például a vörösvértestek keringését a hajszálerekben, a férfi nemi sejtek létezését, az első pontos azonosítást a lencse lamellás szerkezete, a protozoák és a „kis állatoknak” nevezett baktériumok felfedezése. Nyilvánvalóan nem csak az akkori legjobb optikai lencsék elérhetősége volt a gond, amelyeket ő maga is épített.
Így írta Leeuwenhoek a Londoni Királyi Társaságnak 1692-ben írt levelében, válaszolva néhány kortársa kritikájára:
Nagyon jól tudom, tisztelt Uraim, hogy a jelentések, amelyeket időnként írok és küldök önöknek, nem mindig egyeznek meg egymással, és ellentmondások találhatók bennük; mellyel még egyszer el akarom mondani, hogy addig szoktam ragaszkodni a birtokomban lévő adatokhoz, amíg jobban nem értesülök, vagy amíg megfigyeléseim máshová nem vezetnek; és soha nem szégyellem megváltoztatni a módszeremet.
Így született meg a modern mikroszkóp, vagyis a természet kis mennyiségben történő tanulmányozása, amely ma is a modern tudományos kutatás egyik fő vizsgálati eszköze. De ahhoz, hogy jobban megértsük e tudomány születését és fejlődését, utalnunk kell arra a számos megérzésre és felfedezésre, amelyek az ókor első próbálkozásaitól kezdve e tudományág fejlődését a modern tudomány elképesztő megfigyeléseiig alakították.
Fény a hellén és az iszlám hagyományban
Bár a mikroszkóp viszonylag új keletű találmány, a fényjelenségek tanulmányozása az ókor számos nagy elméjét érdekelte, és vitákat szült a különböző irányzatok között; Már olyan nagy gondolkodóknak köszönhetjük, mint Arisztotelész vagy Euklidesz, akik az ie IV. és III. század között éltek, akiknek első formalizálása során írásos bizonyítékaink vannak a látás és a fénysugarak fogalmáról. Már a Kr.e. XNUMX. században. C. Arkhimédész híres égő tükrei használata a második pun háború alatt vált híressé, bár történelmileg még nem bizonyított.
Roma
A leginkább dokumentált példák e tekintetben azok, amelyek a római világból származnak. Valójában az ókori rómaiak többé-kevésbé lapított üveggömbökből készített felhasználása a napsugarak koncentrálására és tűz előállítására már régóta széles körben akkreditált. Úgy tűnik, hogy a lencsetechnológia még a római civilizációnál is régebbi, amint azt a knósszoszi leletek bizonyítják, amelyek a bronzkorból származnak, egy időszámításunk előtti 3500 és 1200 közötti időszakból. c.
Pompeji
A rendkívüli pontosságú és szabályos kristályprizmák mellett (amelyek a fényt a spektrum színeibe bontják), ezek is az ásatásokból származnak. ősi pompei kis kerek, enyhén domború erek, amelyek tiszta és nagyított képet biztosítanak. Sajnos szinte nincs olyan irodalmi forrás, amely ezekről a tárgyakról látáseszközként beszélne. Idősebb Plinius örökölte, amikor Néro császár, talán rövidlátó, egy nagy csiszolt smaragdon keresztül nézte a gladiátorok harcát.
Ottica és Catoptrica
Visszatérve Eukleidészre, megjegyezzük, hogy ő volt a geometria öt híres posztulátumának szerzője, amelyek a pont, az egyenes és a sík fogalmát tartalmazzák; Ezek az alapvető fogalmak összeálltak az Ottica e Catoptrica című mű ahol a perspektíva elemei vannak, az a visszaverődés tanulmányozása sík- és gömbtükrökben és most először kerül meghatározásra a fizikai szerkezet nélküli vizuális sugár fogalma. Ez lehetővé teszi Eukleidész számára, hogy a geometriai demonstrációk tipikus módszerét a fényjelenségek területére is kiterjeszthesse.
Ezeknek az axiómáknak a természetét azonban erősen befolyásolja az az elképzelés, hogy a látás a szem által kibocsátott sugarak által valósul meg: ez a fény extromív elmélete. Egy fejlettebb látáselmélet eléréséhez a 965. századig kellett várni, az arab alhazen (1039-XNUMX) elméleteivel. Alhazen szerint a szem nem "érzi" a tárgyat, csak sugarak segítségével amely véges sebességgel küld el téged; a fénynek léteznie kell, mert ha nagyon erős, akkor károsíthatja a szemet és másodlagos képeket hozhat létre.
A mikroszkóp feltalálása
A barokk korig várni kell, hogy megszülethessen a modern mikroszkóp igazi prekurzora. A 1609. század sok országban gyümölcsöző időszak a tudomány számára általában, sőt, el kell mondani, hogy igazi tudományos forradalmat élt át Bacon, Boyle, Kopernikusz, Leibniz és még sokan mások. Meg kell azonban mondani, hogy a mikroszkópia történetében nincs olyan kiemelkedő dátum, amely összehasonlítható lenne XNUMX-vel, amely év Galileo Galilei (1564-1642) kezdetleges távcsővel készült.
ruhakészítők és mikroszkópok
Nem véletlen, hogy Hollandia egy olyan műszer bölcsője volt, mint a mikroszkóp, hiszen a XNUMX. században ez az ország a textilágazat és egyben a kerámia- és majolikagyártás fontos kereskedelmi keresztútja volt. . Ezekből az utolsó műhelyekből, talán a gyártási folyamat másodlagos termékeként, minden valószínűség szerint olvadt üvegcseppek származtak, a szövetgyártók kis nagyítóként használták a textúra jobb szabályozására a gyártási szakaszban. Ez volt az első használat, amelyet Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), kezdetben szövetüzletvezető, megszilárdult üveggyöngyökből készített; később, valószínűleg a természettudományok iránti érdeklődése nyomán, amelyekhez természetesen hajlott.
Ezért Van Leeuwenhoek mikroszkópja tekinthető az első mikroszkópnak, hiszen az kifejezetten tudományos kutatási célokra lett kialakítva és optimalizálva. Nem meglepő, hogy akkoriban a zseniális kutatóként emlegették, aki
[…] olyan mikroszkópokat tervezett, amelyek messze felülmúlják az eddig látottakat…
Valójában Leeuwenhoek mikroszkópja egyetlen lencséből áll, amely egy fémtartóra van felszerelve, és csavarmechanizmussal állítható fókuszú speciális mintatartóval van felszerelve, és mesterséges világítást is biztosít. Ezek az elemek amellett, hogy attól a pillanattól kezdve alkotják, bármely optikai mikroszkóp alapjai, már modern ízű természeti jelenségek vizsgálatának módszertanát feltételezik.
Arcana természet
Leeuwenhoeket hivatalos elismerés borította, laboratóriumát a világ minden tájáról akadémikusok és politikai személyiségek keresték fel (Nagy Péter orosz cár híres látogatása). Leeuwenhoek 91 éves korában halt meg. 26. augusztus 1723-án, miután megtekintette számos levelét és jelentését tartalmazó teljes gyűjtemény latin kiadását, amely 1722-ben jelent meg "Arcana Naturae" címmel.
A tudósok erőfeszítéseit a következő évszázadokban teljes egészében nagyobb teljesítményű mikroszkópok építésére, valamint az újonnan felfedezett mikrovilág rendszerezésére, osztályozására és számszerűsítésére fogják fordítani. Ebben az értelemben az angol Robert Hooke (1635-1703) hozzájárulása alapvető, aki inkább a rugalmasságról, mint az optikai mikroszkópiáról végzett tanulmányairól emlékezik meg. Hooke, egy teljes tudós, tökéletesítette a mikroszkópot, új optikai rendszerekkel és új megvilágítási rendszerrel szerelte fel. Ez lehetővé tette számára, hogy egy sor felfedezést tegyen, mint például a parafa üregei, amelyeket falak választanak el, és amelyeket ő nevezett el. sejtek. Isaac Newtonnal, a kor valószínűleg legnagyobb tudósával folytatott vitában támogatta a fényhullámelmélet gondolatát, szemben a korpuszkuláris elmélettel.
A mikroszkópia fejlődése a XNUMX. és XNUMX. század között: az optikai mikroszkóptól az elektronmikroszkópig
A XNUMX. században épült összetett mikroszkópokban fokozatosan bevezetett fejlesztések alapvetően a mechanikai szerkezetre vonatkoztak. Bár történt némi előrelépés a lencsegyártási technikák, az optikai teljesítmény továbbra is gyenge volt. Ennek oka mind az üveg minősége, mind az objektívek két komoly hibája: a szférikus aberráció és a kromatikus aberráció, amelyek homályos és irizáló képeket eredményeztek.
Továbbá minden fejlesztés mindig és csak empirikus alapon és ezért történt kézzel készített termékek voltak. Az aberrációk javításához több lencse csatlakoztatása szükséges, ezért csak a XNUMX. század közepén lehetett ilyen rendszereket megvalósítani.
Ernst Abbe
Ettől a pillanattól kezdve az elméleti tanulmányok és a technológiai fejlődés kéz a kézben járt. Ennek az időszaknak a legreprezentatívabb alakja a német Ernst Abbe (1840-1905) volt, aki átalakította a mikroszkópot kvalitatív műszerből kvantitatív műszerré; a mikroszkópoptika és általában a lencsék modern technológiájának alapelvei közül sok neki köszönhető; Abbe együttműködött Carl Zeiss-szel (1816-1888) a híres jénai optikai műhelyekben.
A nevét viselő kifejezést (Abbe-szám) az üveg diszpergáló erejének jellemzésére vezette le, és a mikroszkópobjektív felbontását a numerikus apertúrájának függvényében hozta összefüggésbe. a mikroszkópoptika és általában a lencsék modern technológiájának alapelvei közül sok neki köszönhető. Abbe együttműködött Carl Zeiss-szel (1816-1888) a híres jénai optikai műhelyekben.
August Kohler
1900-tól August Kohler (1866-1948) is Jénában dolgozott, aki mikrofotózással foglalkozott, és tökéletesítette a mikroszkópok mára általánosan elfogadott megvilágítási rendszerét; A XNUMX. század végén már léteztek kiváló egyenes és fordított hangszerek a piacon.
1903-ban Zsigmondy Richárd (1865-1929) kifejlesztette az úgynevezett ultramikroszkópot, amely lehetővé teszi a fény hullámhosszánál kisebb méretű kolloid részecskék tanulmányozását; és az ezt követő évtizedekben a tempó nem lassult: új technikák, mint a fáziskontraszt, az interferencia módszerek és a reflexiós mikroszkópia Új alkalmazási területeket nyitottak meg, miközben más jól ismert technikákat tökéletesítettek, mint például a fluoreszcencia, a kontraszt interferencia és a polarizáció. sugárzás.
elektronmikroszkópia
Már az 30-as években, amikor meghatározták az elemi részecskéket, például az elektront, és bevezették a hullám/részecske dualizmust viselkedésük magyarázatára, megérett az idő, mert az optikai mikroszkópok térbeli felbontását a fény hullámhossza szabta meg. , felülmúlhatnánk egy teljesen új perspektíva: az elektronmikroszkópia keretében. Az első elektronmikroszkópot 1933-ban Ernst Ruska (1906-1988) és Max Knoll (1897-1969) német fizikusok építették. Maga Ruska sok évvel később a tanulás és a kutatás eredményes időszakának nevezte ezeket az időket:
Érettségi (1931) után Németországban a gazdasági helyzet nagyon nehézzé vált, és úgy tűnt, nem lehetett kielégítő pozíciót találni sem az egyetemen, sem az iparban. Ezért örültem, hogy a Nagyfeszültségű Intézet PhD hallgatójaként ingyenesen folytathatom tevékenységemet…” .
XNUMX. század vége és pásztázó szondás mikroszkóp
Még mindig a kvantummechanika törvényeinek fokozatos rendszerezése az, ami új megoldásokat javasol a mikroszkopikus világ egyre részletesebb vizsgálatára, egészen odáig, hogy feltárja bensőséges természetét, azaz molekulák és atomok. A korábbiakkal ellentétben az 1980-as években már intellektuálisan nyitott és – ami nem rossz – emberi, technológiai és gazdasági erőforrásokkal kellően felruházott kontextusban születtek nagyszerű ötletek.
George Gamow
George Gamownak (az úgynevezett kozmikus háttérsugárzásnak már felfedezője) az alagúteffektus létezésének 1928-ban megfogalmazott gondolatából származik két német fizikus, Gerd Binnig (1947) és Heinrich Rohrer (1933-). 2013) 1981-ben fogant meg, miközben az IBM zürichi kutatólaboratóriumában dolgoztak, az első pásztázó alagútmikroszkóp.
Ez a mikroszkóp finomtűs szondával érzékeli a gyenge elektromos áramot a szonda és a vizsgált minta felülete között, ami elméletileg kisebb felbontással vizsgálható, mint az atomok és molekulák mérete. Ez a felfedezés 1986-ban érdemelte ki felfedezőit a fizikai Nobel-díjjal, és igen figyelemre méltó, hogy a díjat meglehetősen későn ítélték oda Enrst Ruskának is. "Az elektronoptikában végzett alapvető munkájáért és az első elektronmikroszkóp tervezéséért".
pásztázó mikroszkóp
Ugyanebben az összefüggésben, de a felület atomjai által a közelben elhelyezett kis szondára kifejtett elektromos erő alapján találták fel (1982-ben) az Atomerő-mikroszkópot (maga Binning közreműködésével), amelynek létrehozása a közös hozzájáruláson alapul. más tudósok, köztük Calvin Quate (1923-2019) és Christoph Gerber (1942). Ez a mikroszkóp lehetővé tette az alkalmazás kiterjesztését pásztázó szonda mikroszkóppal a minták széles kategóriájára, beleértve a biológiai mintákat is.
Változatai és felhasználási lehetőségei miatt ez a technika ma minden valószínűség szerint a legsokoldalúbb felületek tanulmányozására a nanotechnológia területén. Manapság a mikroszkópok célja, hogy egyre teljesebb információt szerezzenek a felületek természetéről, és a modern mikroszkópok ugyanabban a műszerben különböző technikákat integrálnak a különböző természetű minták vizsgálatához.
Az optika reneszánszától a nanoszkópig
A lézerforrások XX. század második felében bekövetkezett fejlődése egy klasszikusabb optikai tér új fejlődését jelentette, sőt elmondható, hogy a röntgensugarak után az optika legfontosabb felfedezése. a lézerfény jellemzői (extrém koherencia, nagy intenzitás és egyetlen hullámhossz) lehetővé teszik kerülje az aberrációk és diffrakciós jelenségeket a hagyományos izzólámpák által keltett fényre jellemző.
Marvin Lee Minsky (1955-1927), a mesterséges intelligencia egyik megalapítója, 2016-ben matematikai doktori disszertációja alkalmából elméletet fogalmazott meg a konfokális mikroszkópról, egy olyan optikai műszerről, amelynek felbontása és képminősége minden korszakban példátlan. Ahogy ő maga mondja:
1956-ban szabadalmaztattam a konfokális mikroszkópomat, de a szabadalom lejárt, mielőtt bárki megépített volna egy másodikat. Még csak nem is szabadalmaztuk a képernyőt vagy a logót, mert azt gondoltuk, hogy ezek teljesen nyilvánvaló találmányok. Úgy tűnik, hogy a nyilvánvaló nem releváns a szabadalom szempontjából.
konfokális mikroszkóp
A konfokális mikroszkóp szerkezetileg abban különbözik a hagyományos fluoreszcens mikroszkóptól, hogy lézerforrást használ, de mindenekelőtt az optikai út mentén található membrán jelenléte, amely lehetővé teszi a minta fókusza feletti és alatti részekből érkező jel kizárását, így első alkalommal biztosítva képet háromdimenziós információ. Valójában a konfokális mikroszkóp csak az 80-as évek végén kerül a laboratóriumokba, amikor a lézer- és számítástechnika viszonylag hozzáférhetővé és elég erőssé vált. Jelenleg az orvosbiológiai tudományos kutatás alapvetően fontos eszköze.
A konfokális mikroszkóp az optika területén nem technológiai célt, hanem kiindulópontot jelent a lézertechnológián alapuló új kutatási technikák virágzásához. új fluoreszcens markerek használataTIRF (Total internal Reflection Fluorescence) mikroszkópia, Live Cell Imaging, konfokális spektrális mikroszkópia, különböző képalkotó technikák alkalmazása, morfofunkcionális elemzés ideértve a FRAP-ot (fluoreszcencia helyreállítása fotofehérítés után), a FRET-et (fluoreszcencia rezonancia energiaátvitel), a FLIM-et (fluoreszcens élettartam képalkotás), az FCS-t (fluoreszcens korrelációs spektroszkópiát) és végül a többfoton lézerek használatát a fény mintabejutásának jelentős növelésére. .
STED mikroszkóp
Ennek a századnak a kezdeti éveit olyan zseniális új ötletek kifejlesztése is jellemzi, amelyek az optikai felbontást túllépték a fény természete által szabott határokon. Valójában szuperfelbontásról beszélünk, amelyet három fő különböző megközelítésnek köszönhetünk: lStefan Hell által kifejlesztett STED mikroszkóp (1962), 2014-ben kémiai Nobel-díjat kapott, strukturált fénymikroszkóp, amely Mats Gustafssonnak (1960-2011) köszönhető. ), valamint a Xiaowei Zhuang (1972) által a harvardi laboratóriumokban bevezetett lokalizációs mikroszkópia, amely képes egyetlen molekula megjelenítésére a hagyományos optikai mikroszkópiánál tízszer nagyobb felbontással.
A szuperfelbontású technikák bevezetése modern fénymikroszkópokhoz vezetett, amelyek ezért ésszerűen nevezhetők "nanoszkópok". egyre több párbeszédet folytat az elektronikus mikroszkópokkal a morfológiai elemzések jobb integrálása érdekében. Ma a mikroszkóp pótolhatatlan eszköz a laboratóriumban, és a tudományos kutatás szimbólumává vált.
A mikroszkópia jövője
A mikroszkóp kétségtelenül a tudománytörténet egyik legnagyobb forradalma volt, amely a mikrobiológia, a citológia és a sejtbiológia születését jelentette. A mikroszkóp nélkül elképzelhetetlenek lettek volna azok az óriási ugrások, amelyeket az orvosi kutatás az elmúlt 100-150 évben megtett, mindazzal, ami ezután következett.
A technológia új határai már látják a házasságot a mikroszkópok által előállított információ és a mesterséges intelligencia alkalmazása között. Ez az új tudományág, az ún Deep Learning, képes a mikroszkóppal készített képek elemzésére, és radikálisan megváltoztathatja a mikroszkópot, és utat nyithat új felfedezések előtt. Ám Mats Gustafsson, a szuperfelbontás egyik atyja mindezt már észrevette, amikor így szólt: „Amikor egy számítógépet adunk a mikroszkóp és az emberi megfigyelő közé, az egész játék megváltozik. Abban a pillanatban, a mikroszkóp már nem olyan eszköz, amelynek közvetlenül értelmezhető képet kell generálnia. Ez most egy információ rögzítésére szolgáló eszköz."
Ezen a ponton jogos lenne feltenni a kérdést, meddig lehet elmenni a mikroszkópia kutatásában és tanulmányozásában: a mikroszkópikus világ az információ szinte kimeríthetetlen tárháza: az anyag olyan szerkezeti, kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek tükrözik az alapvető állandók által adott lenyomatot és a fizikai törvények homogenitását az Univerzum első pillanataiban keletkeztek, és a lehetséges változatok, amelyek többsége még mindig felfoghatatlan, alkotják a világ elképzelhetetlen változatosságát, amelyet megfigyelünk.
