" Non c'è funzione senza anatomia ". Camillo Golgi, Premio Nobel per la Medicina nel 1906, così scriveva alla fine dell'Ottocento a proposito dei suoi studi sulle cellule nervose centrali e periferiche. In altre parole, la funzione rimodella la forma delle cellule, e quindi le osservazioni microscopiche diventano essenziali per comprenderne i meccanismi fisiologici.
Non a caso il primo a capire che i nervi erano costituiti da un insieme di cavi e non rappresentavano una sorta di canale con all'interno una sostanza molle, come nel caso dei vasi sanguigni, fu Anton Van Leeuwenhoek nel 1715.
Leeuwenhoek e il microscopio
leeuwenhoek, ottico e naturalista olandese, è riconosciuto come l'inventore del microscopio ottico; quindi, colui che per primo osservò, in modo acuto e preciso, alcuni fenomeni naturali come la circolazione dei globuli rossi nei capillari, l'esistenza di cellule germinali maschili, la prima esatta identificazione di la struttura lamellare della lente, la scoperta di protozoi e batteri detti “piccoli animali”. Ovviamente non era solo la disponibilità delle migliori lenti ottiche dell'epoca, che costruiva anche lui stesso.
Così scrisse Leeuwenhoek in una lettera alla Royal Society di Londra nel 1692, rispondendo alle critiche di alcuni suoi contemporanei:
So benissimo, Onorevoli Signori, che i rapporti che scrivo e vi invio di volta in volta non sempre concordano tra loro, e che in essi si possono trovare delle contraddizioni; con cui voglio dire ancora una volta che ho l'abitudine di attenermi ai dati che ho fino a quando non sarò meglio informato o fino a quando le mie osservazioni non mi porteranno altrove; e non mi vergognerò mai di cambiare metodo.
Così è nata la microscopia moderna, cioè lo studio della natura in piccole quantità, che ancora oggi costituisce uno dei principali mezzi di indagine della moderna ricerca scientifica. Ma per comprendere meglio la nascita e l'evoluzione di questa scienza, dobbiamo fare riferimento alle numerose intuizioni e scoperte che dai primi tentativi nell'Antichità hanno plasmato lo sviluppo di questa disciplina fino alle sorprendenti osservazioni della scienza moderna.
Luce nella tradizione ellenica e islamica
Sebbene il microscopio sia un'invenzione relativamente recente, lo studio dei fenomeni luminosi ha interessato molte delle grandi menti dell'Antichità e ha dato luogo a dibattiti tra diverse scuole di pensiero; Lo dobbiamo già a grandi pensatori come Aristotele, o Euclide, vissuti tra il IV e il III secolo aC, la cui prima formalizzazione di cui abbiamo testimonianza scritta del concetto di visione e raggi di luce. Già nel III secolo a.C. C. l'uso dei famosi specchi ustori di Archimede divenne famoso durante la seconda guerra punica, anche se non è stato ancora storicamente provato.
Roma
Gli esempi più documentati al riguardo sono quelli che provengono dal mondo romano. Da tempo, infatti, è ampiamente accreditato l'uso che gli antichi romani facevano di sfere di vetro più o meno appiattite per concentrare i raggi del sole e ottenere il fuoco. La tecnologia delle lenti sembra essere addirittura più antica della civiltà romana, come testimoniano i reperti rinvenuti a Cnosso, che risalgono all'età del bronzo, periodo compreso tra il 3500 e il 1200 a.C. C.
Pompei
Oltre a prismi di cristallo di straordinaria precisione e regolarità (utilizzati per scomporre la luce nei colori dello spettro), provengono anche dagli scavi di antica pompei piccoli vasi rotondi, leggermente convessi, in grado di fornire un'immagine nitida e ingrandita. Purtroppo non esistono quasi fonti letterarie che parlino di questi oggetti come strumenti di visione. Fu tramandato da Plinio il Vecchio quando l'imperatore Nerone, forse miope, era solito assistere ai combattimenti dei gladiatori guardandoli attraverso un grande smeraldo levigato.
Ottica e Catottrica
Tornando ad Euclide, notiamo che fu lui l'autore dei famosi cinque postulati della geometria che contengono i concetti di punto, retta e piano; Questi concetti fondamentali sono confluiti in l'opera Ottica e Catottrica dove sono contenuti elementi di prospettiva, il studio della riflessione in specchi piani e sferici e, per la prima volta, viene definito il concetto di raggio visivo senza struttura fisica. Ciò consente a Euclide di estendere il metodo tipico delle dimostrazioni geometriche al campo dei fenomeni luminosi.
La natura di questi assiomi è però fortemente condizionata dall'idea che la visione avvenga per raggi emessi dall'occhio: la teoria estromisiva della luce. Per arrivare a una teoria della visione più avanzata, bisogna attendere il X secolo, con le teorie dell'arabo Alhazen (965-1039). Secondo Alhazen, l'occhio non può "sentire" l'oggetto se non per mezzo dei raggi che ti manda con una velocità finita; la luce deve avere un'esistenza reale perché quando è molto intensa può danneggiare gli occhi e generare immagini secondarie.
L'invenzione del microscopio
Bisognerà attendere l'epoca barocca per vedere nascere il vero microscopio precursore di quelli moderni. Il XVII secolo è un periodo fecondo in molti paesi per la scienza in generale, infatti va detto che ha visto una vera e propria rivoluzione scientifica con Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz e molti altri. Va detto però che nella storia della microscopia non esiste una data eccezionale paragonabile al 1609, anno in cui Galileo Galilei (1564-1642) è stato realizzato con un cannocchiale rudimentale.
tessitori e microscopi
Non è un caso, inoltre, che l'Olanda sia stata la culla di uno strumento come il microscopio, poiché nel XVII secolo questo Paese rappresentava un importante crocevia commerciale per il settore tessile e, allo stesso tempo, per la produzione di ceramiche e maioliche. . Da queste ultime officine, forse come prodotto secondario del processo di lavorazione, provenivano con ogni probabilità le gocce di vetro fuso che produttori di tessuti usati come piccole lenti di ingrandimento per controllare meglio la trama durante la fase di produzione. Questo fu il primo utilizzo che Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), inizialmente direttore di un negozio di tessuti, fece di perle di vetro solidificato; in seguito, probabilmente in seguito al suo interesse per le scienze naturali a cui era naturalmente incline.
Pertanto, quello di Van Leeuwenhoek può essere considerato il primo microscopio, poiché esso è stato appositamente concepito e ottimizzato per l'utilizzo a fini di ricerca scientifica. Non sorprende che all'epoca fosse citato come il brillante ricercatore che
[…] ha progettato microscopi che superano di gran lunga quelli visti finora…
Il microscopio di Leeuwenhoek, infatti, è costituito da un'unica lente montata su un supporto metallico dotato di un apposito portacampione con messa a fuoco regolabile tramite un meccanismo a vite, e prevede l'utilizzo dell'illuminazione artificiale. Tali elementi, oltre a costituire, da quel momento, le basi di qualsiasi microscopio ottico, presuppongono una metodologia per lo studio dei fenomeni naturali dal sapore già moderno.
Natura Arcana
Leeuwenhoek fu coperto di riconoscimenti ufficiali, il suo laboratorio fu visitato da accademici e personalità politiche di tutto il mondo (famosa la visita dello zar Pietro il Grande di Russia). Leeuwenhoek è morto all'età di 91 anni, il 26 agosto 1723, dopo aver visto l'edizione latina della raccolta completa delle sue numerose lettere e relazioni, pubblicata nel 1722 col titolo di "Arcana Naturae".
Gli sforzi degli studiosi nei secoli successivi saranno dedicati interamente alla costruzione di microscopi più potenti e alla sistematizzazione, classificazione e quantificazione del micromondo appena scoperto. In questo senso è fondamentale il contributo dell'inglese Robert Hooke (1635-1703), ricordato più per i suoi studi sull'elasticità che per quelli di microscopia ottica. Hooke, uno studioso completo, apportò miglioramenti al microscopio, dotandolo di nuovi sistemi ottici e di un nuovo sistema di illuminazione. Questo gli permise di fare una serie di scoperte, come le cavità nel sughero, separate da muri, che chiamò cellule. In polemica con Isaac Newton, probabilmente il più grande scienziato dell'epoca, sostenne l'idea di una teoria ondulatoria della luce contrapposta alla teoria corpuscolare.
L'evoluzione della microscopia tra Ottocento e Novecento: dal microscopio ottico al microscopio elettronico
Le migliorie via via introdotte nei microscopi composti costruiti nel XVIII secolo riguardavano essenzialmente la struttura meccanica. Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nel tecniche di fabbricazione delle lenti, le prestazioni ottiche erano ancora scarse. Ciò era dovuto sia alla qualità del vetro che a due gravi difetti delle lenti: l'aberrazione sferica e l'aberrazione cromatica, che risultavano in immagini sfocate e iridescenti.
Inoltre ogni miglioramento è avvenuto sempre e solo su base empirica e quindi erano prodotti fatti a mano. Per essere corrette, queste aberrazioni richiedono l'accoppiamento di più lenti e, quindi, fu solo a metà del XIX secolo che tali sistemi poterono essere realizzati.
Ernesto Abbe
Da quel momento studi teorici e progresso tecnologico andarono di pari passo. La figura più rappresentativa di questo periodo fu il tedesco Ernst Abbe (1840-1905), che ha trasformato il microscopio da strumento qualitativo a strumento quantitativo; a lui si devono molti dei principi su cui si basa la moderna tecnologia dell'ottica dei microscopi e delle lenti in genere; Abbe collaborò con Carl Zeiss (1816-1888) nei famosi laboratori ottici di Jena.
Derivò l'espressione, che porta il suo nome (numero di Abbe), per caratterizzare il potere dispersivo del vetro e mise in relazione la risoluzione dell'obiettivo di un microscopio in funzione della sua apertura numerica. a lui si devono molti dei principi su cui si basa la moderna tecnologia dell'ottica dei microscopi e delle lenti in genere. Abbe collaborò con Carl Zeiss (1816-1888) nei famosi laboratori ottici di Jena.
Agosto Kohler
Dal 1900 lavorò a Jena anche August Kohler (1866-1948), che si occupò di microfotografia e perfezionò un sistema di illuminazione ormai universalmente adottato per i microscopi; Alla fine dell'Ottocento esistevano già sul mercato ottimi strumenti dritti e rovesci.
Nel 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) sviluppò il cosiddetto ultramicroscopio, che permette lo studio di particelle colloidali con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce; e nei decenni che seguirono il ritmo non rallentò: nuove tecniche come contrasto di fase, metodi di interferenza e microscopia a riflessione Hanno aperto nuovi campi di applicazione mentre sono state perfezionate altre tecniche ben note, come la fluorescenza, l'interferenza del contrasto e la polarizzazione. radiazione.
microscopio elettronico
Già negli anni '30, con la definizione di particelle elementari come l'elettrone e l'introduzione del dualismo onda/particella per spiegarne il comportamento, i tempi erano maturi perché i limiti alla risoluzione spaziale dei microscopi ottici, imposti dalla lunghezza d'onda della luce , potrebbe essere superato nel contesto di una prospettiva completamente nuova: la microscopia elettronica. Il primo microscopio elettronico fu costruito nel 1933 dai fisici tedeschi Ernst Ruska (1906-1988) e Max Knoll (1897-1969). Lo stesso Ruska, molti anni dopo, definirà quei tempi come un fecondo periodo di studio e ricerca:
Dopo la laurea (1931), la situazione economica in Germania era diventata molto difficile e non sembrava possibile trovare una posizione soddisfacente all'università o nell'industria. Pertanto, ho avuto il piacere di poter continuare gratuitamente la mia attività di dottorando presso l'High Voltage Institute…” .
Fine del XX secolo e microscopia a scansione di sonda
È ancora la progressiva sistematizzazione delle leggi della meccanica quantistica a suggerire nuove soluzioni per indagare il mondo microscopico in modo sempre più approfondito, arrivando persino a svelarne l'intima natura, cioè molecole e atomi. A differenza di quanto accadeva prima, negli anni '1980 alcune grandi idee sono state sviluppate in contesti già intellettualmente aperti e, cosa non male, adeguatamente dotati di risorse umane, tecnologiche ed economiche.
George Gamow
È dall'idea di George Gamow (già scopritore della cosiddetta Radiazione Cosmica di Fondo) dell'esistenza dell'effetto tunnel, formulata nel 1928, che due fisici tedeschi, Gerd Binnig (1947) e Heinrich Rohrer (1933- 2013) ha concepito nel 1981, mentre lavorava presso i laboratori di ricerca IBM di Zurigo, il primo microscopio a effetto tunnel.
Questo microscopio utilizza una sonda ad ago sottile per rilevare una debole corrente elettrica tra la sonda e la superficie del campione in esame, che può essere studiata con una risoluzione teoricamente inferiore alla dimensione di atomi e molecole. Questa scoperta è valsa ai suoi scopritori il Premio Nobel per la Fisica nel 1986. È notevole che il premio sia stato assegnato, piuttosto tardi, anche a Enrst Ruska. "Per il suo lavoro fondamentale nell'ottica elettronica e per la progettazione del primo microscopio elettronico".
microscopia a scansione
Nello stesso contesto, ma basato sulla forza elettrica esercitata dagli atomi di una superficie su una piccola sonda posta nelle vicinanze, viene inventato (1982) (con la collaborazione dello stesso Binning) l'Atomic Force Microscope, la cui creazione si avvale del contributo congiunto di altri studiosi, tra cui Calvin Quate (1923-2019) e Christoph Gerber (1942). Questo microscopio ha permesso di estendere l'applicazione di microscopia a scansione di sonda su un'ampia categoria di campioni, compresi quelli biologici.
Per la sua ampia gamma di varianti e applicazioni, questa tecnica è oggi, con ogni probabilità, la più versatile per lo studio delle superfici nel campo delle nanotecnologie. Oggi, infatti, le microscopie mirano ad ottenere informazioni sempre più complete sulla natura delle superfici e i moderni microscopi integrano, nello stesso strumento, diverse tecniche per adattarsi allo studio di campioni di diversa natura.
Dal rinascimento dell'ottica al nanoscopio
Lo sviluppo delle sorgenti laser avvenuto nella seconda metà del 'XNUMX ha rappresentato un nuovo sviluppo di un campo ottico più classico, infatti si può dire che ha costituito la più importante scoperta in ottica dopo quella dei raggi X. Il caratteristiche della luce laser (estrema coerenza, alta intensità e singola lunghezza d'onda) lo consentono evitare fenomeni di aberrazioni e diffrazioni caratteristica della luce prodotta dalle tradizionali lampade ad incandescenza.
Nel 1955, in occasione della sua tesi di dottorato in matematica, Marvin Lee Minsky (1927-2016), uno dei fondatori dell'intelligenza artificiale, teorizzò il microscopio confocale, uno strumento ottico con risoluzione e qualità d'immagine senza precedenti per l'epoca. Come dice lui stesso:
Nel 1956 ho brevettato il mio microscopio confocale, ma il brevetto è scaduto prima che qualcuno ne costruisse un secondo. Non ci siamo nemmeno presi la briga di brevettare lo schermo o il logo, pensando che fossero invenzioni del tutto ovvie. Sembra che l'ovvio non sia rilevante per il brevetto.
microscopio confocale
Un microscopio confocale differisce strutturalmente dal tradizionale microscopio a fluorescenza per l'utilizzo della sorgente laser ma soprattutto per la presenza di un diaframma lungo il percorso ottico che permette di escludere il segnale proveniente dalle porzioni sopra e sotto il fuoco del campione, quindi fornendo un'immagine per la prima volta con informazioni tridimensionali. In realtà, il microscopio confocale entra nei laboratori solo alla fine degli anni '80, quando la tecnologia laser e informatica diventa relativamente accessibile e abbastanza potente. Attualmente è uno strumento di fondamentale importanza nella ricerca scientifica biomedica.
Il microscopio confocale rappresenta, per il campo dell'ottica, non un traguardo tecnologico ma un punto di partenza per il fiorire di nuove tecniche di ricerca basate sulla tecnologia laser e sulla utilizzo di nuovi marcatori fluorescenti, come la microscopia TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), l'imaging di cellule vive, la microscopia spettrale confocale, l'uso di diverse tecniche di imaging, analisi morfofunzionale tra cui FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) e infine l'utilizzo di laser multifotone per ottenere un aumento significativo della potenza di penetrazione della luce nel campione .
Microscopia STED
I primi anni di questo secolo sono segnati anche dallo sviluppo di nuove idee ingegnose che hanno spinto la risoluzione ottica oltre i limiti imposti dalla natura della luce. Parliamo infatti di super risoluzione, raggiunta grazie a tre principali differenti approcci: lMicroscopia STED sviluppata da Stefan Hell (1962), Premio Nobel per la Chimica nel 2014, microscopia a luce strutturata che deve la sua nascita a Mats Gustafsson (1960-2011). ), e la microscopia di localizzazione, introdotta nei laboratori di Harvard da Xiaowei Zhuang (1972), in grado di visualizzare una singola molecola con una risoluzione 10 volte maggiore della tradizionale microscopia ottica.
L'introduzione di tecniche di super-risoluzione ha portato ai moderni microscopi ottici, che possono quindi ragionevolmente essere chiamati "nanoscopi". dialogare sempre più con i microscopi elettronici per una migliore integrazione delle analisi morfologiche. Oggi il microscopio è uno strumento insostituibile in laboratorio ed è diventato il simbolo stesso della ricerca scientifica.
Il futuro della microscopia
Il microscopio è stato senza dubbio una delle più grandi rivoluzioni nella storia della scienza, segnando la nascita della microbiologia, della citologia e della biologia cellulare. I passi da gigante che la ricerca medica ha compiuto negli ultimi 100-150 anni, con tutto ciò che ne è seguito, sarebbero stati impensabili senza il microscopio.
Le nuove frontiere della tecnologia vedono già il connubio tra le informazioni prodotte dai microscopi e l'uso dell'intelligenza artificiale. Questa nuova disciplina, chiamata Deep Learning, è in grado di analizzare le immagini scattate con i microscopi e può cambiare radicalmente la microscopia e aprire la strada a nuove scoperte. Ma Mats Gustafsson, uno dei padri della super risoluzione, aveva già capito tutto questo quando disse: “Una volta che si aggiunge un computer tra il microscopio e l'osservatore umano, l'intero gioco cambia. Al momento, un microscopio non è più un dispositivo che deve generare un'immagine direttamente interpretabile. Ora è un dispositivo per registrare informazioni”.
A questo punto, sarebbe lecito chiedersi fino a che punto sia possibile spingersi nell'indagine e nello studio della microscopia: il mondo microscopico costituisce un serbatoio quasi inesauribile di informazioni: la materia possiede proprietà strutturali, chimiche e fisiche che riflettono l'impronta data dalle costanti fondamentali e l'omogeneità delle leggi fisiche sorsero nei primi istanti dell'Universo e le possibili varianti, la maggior parte delle quali sono ancora al di là della nostra comprensione, costituiscono l'inimmaginabile varietà del mondo che osserviamo.
