" אין פונקציה בלי אנטומיה ". קמילו גולגי, פרס נובל לרפואה ב-1906, כתב זאת בסוף המאה ה-XNUMX על מחקריו על תאי עצב מרכזיים והיקפיים. במילים אחרות, הפונקציה מעצבת מחדש את צורת התאים, ולכן תצפיות מיקרוסקופיות הופכות חיוניות להבנת המנגנונים הפיזיולוגיים שלה.
לא במקרה האדם הראשון שהבין שעצבים מורכבים ממערכת כבלים ואינם מייצגים סוג של תעלה עם חומר רך בפנים, כמו במקרה של כלי דם, היה אנטון ואן לוונהוק ב-1715.
לוונהוק והמיקרוסקופ
ליוונהוק, אופטיקאי וחוקר טבע הולנדי, מוכר כממציא המיקרוסקופ האופטי; לכן, מי שהיה הראשון שצפה, בצורה חריפה ומדויקת, בכמה תופעות טבע כמו זרימת כדוריות הדם האדומות בנימים, קיומם של תאי נבט זכריים, הזיהוי המדויק הראשון של המבנה הלמלרי של העדשה, גילוי של פרוטוזואה וחיידקים המכונים "חיות קטנות". ברור שזו לא הייתה רק הזמינות של העדשות האופטיות הטובות ביותר באותה תקופה, שהוא גם בנה בעצמו.
כך כתב לוונהוק במכתב לחברה המלכותית של לונדון ב-1692, והגיב לביקורת של כמה מבני דורו:
אני יודע היטב, כבוד הרב, שהדיווחים שאני כותב ושולח לכם מפעם לפעם אינם מתיישבים זה עם זה, וניתן למצוא בהם סתירות; שבאמצעותו אני רוצה לומר שוב שאני נוהג לדבוק בנתונים שבידי עד שאדע טוב יותר או עד שתצפיותיי יובילו אותי למקום אחר; ולעולם לא אתבייש לשנות את השיטה שלי.
כך נולדה המיקרוסקופיה המודרנית, כלומר חקר הטבע בכמויות קטנות, המהווה עד היום את אחד מאמצעי החקירה העיקריים של המחקר המדעי המודרני. אבל כדי להבין טוב יותר את הולדתו והתפתחותו של מדע זה, עלינו להתייחס לאינטואיציות ולתגליות הרבות שמהניסיונות הראשונים בימי קדם עיצבו את התפתחותה של דיסציפלינה זו ועד לתצפיות המדהימות של המדע המודרני.
אור במסורת ההלנית והאסלאמית
למרות שהמיקרוסקופ הוא המצאה עדכנית יחסית, חקר תופעות האור עניין רבים מהמוחות הגדולים של העת העתיקה והוליד ויכוחים בין אסכולות שונות; אנחנו כבר חייבים את זה להוגים גדולים כמו אריסטו, או אוקלידס, שחי בין המאות הרביעית והשלישית לפני הספירה, שהפורמליזציה הראשונה שלו כתבנו עדויות למושג הראייה וקרני האור. כבר במאה ה-XNUMX לפני הספירה. ג. השימוש במראות הבוערות המפורסמות של ארכימדס התפרסם במהלך המלחמה הפונית השנייה, אם כי טרם הוכח היסטורית.
רומא
הדוגמאות המתועדות ביותר בהקשר זה הן אלו באים מהעולם הרומי. למעשה, השימוש שהרומאים הקדמונים עשו מכדורי זכוכית פחוסים פחות או יותר כדי לרכז את קרני השמש ולהשיג אש זכה להסמכה נרחבת מזה זמן רב. נראה כי טכנולוגיית העדשות עתיקה אף יותר מהציוויליזציה הרומית, כפי שמעידים הממצאים מקנוסוס, המתוארכים לתקופת הברונזה, תקופה בין 3500 ל-1200 לפני הספירה. ג.
פומפיי
בנוסף למנסרות קריסטל בעלות דיוק וסדירויות יוצאות דופן (המשמשות לפריצת האור לצבעי הספקטרום), הן מגיעות גם מחפירות של פומפיי העתיקה כלים עגולים קטנים, קמורים מעט, המסוגלים לספק תמונה ברורה ומוגדלת. למרבה הצער, אין כמעט מקורות ספרותיים המדברים על חפצים אלו ככלי ראייה. זה נמסר על ידי פליניוס האב כאשר הקיסר נירון, אולי קוצר ראייה, נהג לצפות בקרבות גלדיאטורים על ידי התבוננות בהם מבעד לאמרגד גדול ומלוטש.
אוטיקה וקטופטריה
נחזור לאוקלידס, נציין שהוא היה המחבר של חמשת ההנחות המפורסמות של הגיאומטריה המכילות את המושגים של נקודה, קו ומישור; המושגים הבסיסיים האלה התאחדו היצירה Ottica e Catoptrica היכן שמכילים אלמנטים של פרספקטיבה, ה חקר השתקפות במראות מישוריות וכדוריות ולראשונה, מושג הקרן החזותית ללא מבנה פיזי מוגדר. זה מאפשר לאוקלידס להרחיב את השיטה האופיינית להדגמות גיאומטריות לתחום תופעות האור.
טבען של אקסיומות אלו, לעומת זאת, מותנה מאוד ברעיון שהראייה מתרחשת על ידי קרניים הנפלטות מהעין: התיאוריה המוחצנת של האור. כדי להגיע לתיאוריה מתקדמת יותר של חזון, היה צורך להמתין עד המאה ה-965, עם התיאוריות של אלחזן הערבי (1039-XNUMX). לפי אלחזן, העין אינה יכולה "לחוש" את האובייקט אלא באמצעות קרניים ששולח אותך במהירות סופית; לאור חייב להיות קיום אמיתי כי כאשר הוא חזק מאוד הוא יכול להזיק לעיניים וליצור תמונות משניות.
המצאת המיקרוסקופ
יהיה צורך לחכות עד לעידן הבארוק כדי לראות את לידתו של המיקרוסקופ המבשר האמיתי של המודרניים. המאה ה-1609 היא תקופה פורייה במדינות רבות למדע בכלל, למעשה יש לומר שהיא ראתה מהפכה מדעית אמיתית עם בייקון, בויל, קופרניקוס, לייבניץ ועוד רבים אחרים. עם זאת, יש לומר כי בתולדות המיקרוסקופיה אין תאריך יוצא דופן השווה לשנת XNUMX, השנה שבה גלילאו גליליי (1564-1642) נוצר באמצעות טלסקופ ראשוני.
יצרני בדים ומיקרוסקופים
יתר על כן, אין זה מקרי שהולנד הייתה ערש מכשיר כמו המיקרוסקופ, שכן במאה ה-XNUMX מדינה זו ייצגה צומת מסחרי חשוב עבור מגזר הטקסטיל, ובמקביל, לייצור קרמיקה ומיוליקה. . מהסדנאות האחרונות הללו, אולי כתוצר משני של תהליך הייצור, הגיעו ככל הנראה טיפות הזכוכית המותכת יצרני בדים השתמשו כמשקפי מגדלת קטנים כדי לשלוט טוב יותר במרקם בשלב הייצור. זה היה השימוש הראשון בו אנטוני ואן לוונהוק (1632-1723), בתחילה מנהל חנות בדים, עשוי מחרוזי זכוכית מוצקים; מאוחר יותר, כנראה בעקבות התעניינותו במדעי הטבע שאליהם נטה באופן טבעי.
לכן, זה של ואן לוונהוק יכול להיחשב למיקרוסקופ הראשון, מאז זה תוכנן במיוחד ומותאם לשימוש למטרות מחקר מדעי. באופן לא מפתיע, הוא צוטט בזמנו בתור החוקר המבריק
[…] עיצב מיקרוסקופים שעולים בהרבה על אלו שנראו עד כה...
למעשה, המיקרוסקופ של Leeuwenhoek מורכב מעדשה בודדת המותקנת על תומך מתכת המצויד במחזיק דגימה מיוחד עם פוקוס מתכוונן באמצעות מנגנון בורג, ומספק שימוש בתאורה מלאכותית. אלמנטים אלה, בנוסף להיווצרות, מאותו רגע, היסודות של כל מיקרוסקופ אופטי, מניחים מתודולוגיה לחקר תופעות טבע בעלות טעם מודרני ממילא.
ארקנה טבע
לוונהוק היה מכוסה בהכרה רשמית, במעבדתו ביקרו אנשי אקדמיה ודמויות פוליטיות מכל העולם (ביקורו המפורסם של הצאר פיטר הגדול מרוסיה). לוונהוק מת בגיל 91, ב-26 באוגוסט 1723, לאחר שראה את המהדורה הלטינית של האוסף המלא של מכתביו ודוחותיו הרבים, שפורסמה ב-1722 תחת הכותרת "Arcana Naturae".
מאמציהם של החוקרים במאות הבאות יוקדשו כולו לבניית מיקרוסקופים חזקים יותר ולשיטתיות, סיווג וכימות של עולם המיקרו שהתגלה לאחרונה. במובן זה, תרומתו של האנגלי רוברט הוק (1635-1703) היא יסודית, זכורה יותר בשל מחקריו על גמישות מאשר עבור אלו של מיקרוסקופיה אופטית. הוק, מלומד שלם, ביצע שיפורים במיקרוסקופ, והתאים לו מערכות אופטיות חדשות ומערכת תאורה חדשה. זה איפשר לו לגלות סדרה של תגליות, כמו החללים בפקק, המופרדים על ידי קירות, אותם כינה תאים. במחלוקת עם אייזק ניוטון, כנראה המדען הגדול ביותר באותה תקופה, הוא תמך ברעיון של תיאוריית גלים של אור בניגוד לתיאוריית הגופים.
האבולוציה של המיקרוסקופיה בין המאה ה-XNUMX למאה ה-XNUMX: מהמיקרוסקופ האופטי למיקרוסקופ האלקטרונים
השיפורים שהוכנסו בהדרגה במיקרוסקופים המורכבים שנבנו במאה ה-XNUMX עסקו בעיקרם במבנה המכני. למרות שהושגה התקדמות מסוימת בתחום טכניקות ייצור עדשות, הביצועים האופטיים עדיין היו גרועים. זה נבע הן מאיכות הזכוכית והן בגלל שני פגמים חמורים בעדשות: סטייה כדורית וסטייה כרומטית, שהביאו לתמונות מטושטשות וסגוניות.
יתר על כן, כל שיפור התרחש תמיד ורק על בסיס אמפירי ולכן הם היו מוצרים בעבודת יד.. כדי לתקן, סטיות אלו דורשות צימוד של מספר עדשות, ולכן רק באמצע המאה ה-XNUMX ניתן היה לממש מערכות כאלה.
ארנסט אב
מאותו רגע, לימודים תיאורטיים והתקדמות טכנולוגית הלכו יד ביד. הדמות המייצגת ביותר בתקופה זו היה הגרמני ארנסט אבה (1840-1905), אשר הפך את המיקרוסקופ ממכשיר איכותי לכמותי; רבים מהעקרונות שעליהם מבוססת הטכנולוגיה המודרנית של אופטיקה מיקרוסקופית ועדשות בכלל מגיעות לו; אבה שיתף פעולה עם קרל זייס (1816-1888) בסדנאות האופטיות המפורסמות של ג'נה.
הוא הסיק את הביטוי, הנושא את שמו (מספר אבי), כדי לאפיין את כוח הפיזור של הזכוכית וקישר את הרזולוציה של אובייקט מיקרוסקופ כפונקציה של הצמצם המספרי שלו. רבים מהעקרונות שעליהם מבוססת הטכנולוגיה המודרנית של אופטיקה מיקרוסקופית ועדשות בכלל מגיעות לו. אבה שיתף פעולה עם קרל זייס (1816-1888) בסדנאות האופטיות המפורסמות של ג'נה.
אוגוסט קולר
משנת 1900 עבד גם אוגוסט קולר (1866-1948) ב-Jena, שעסק במיקרו-צילום ושכלל מערכת תאורה שאומצה כעת אוניברסלית למיקרוסקופים; בסוף המאה ה-XNUMX כבר היו קיימים בשוק מכשירים ישרים והפוכים מצוינים.
בשנת 1903 פיתח ריצ'רד זסיגמונדי (1865-1929) את מה שנקרא אולטרה-מיקרוסקופ, המאפשר מחקר של חלקיקים קולואידים בעלי ממדים קטנים מאורך הגל של האור; ובעשורים שלאחר מכן הקצב לא האט: טכניקות חדשות כגון ניגודיות פאזה, שיטות הפרעות ומיקרוסקופ השתקפות הם פתחו תחומי יישום חדשים בעוד טכניקות ידועות אחרות שוכללו, כמו פלואורסצנטיות, הפרעות ניגודיות וקיטוב. קְרִינָה.
אלקטרון מיקרוסקופי
כבר בשנות ה-30, עם הגדרת חלקיקים אלמנטריים כמו האלקטרון והכנסת דואליזם הגל/חלקיקים כדי להסביר את התנהגותם, הזמנים היו בשלים מכיוון שהמגבלות על הרזולוציה המרחבית של מיקרוסקופים אופטיים, שנכפו על ידי אורך הגל של האור. , ניתן לעקוף אותו בהקשר של פרספקטיבה חדשה לחלוטין: מיקרוסקופיה אלקטרונית. מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון נבנה בשנת 1933 על ידי הפיזיקאים הגרמנים ארנסט רוסקה (1906-1988) ומקס קנול (1897-1969). רוסקה עצמו, שנים רבות מאוחר יותר, יתייחס לזמנים ההם כתקופה פורייה של מחקר ומחקר:
לאחר סיום לימודיו (1931), המצב הכלכלי בגרמניה נעשה קשה מאוד ולא נראה היה שניתן למצוא משרה מספקת באוניברסיטה או בתעשייה. לכן, שמחתי על המשך פעילותי ללא תשלום כסטודנט לדוקטורט במכון למתח גבוה...".
סוף המאה ה-XNUMX ומיקרוסקופ בדיקה סורק
זו עדיין הסיסטמטיזציה המתקדמת של חוקי מכניקת הקוונטים שמציעה פתרונות חדשים לחקור את העולם המיקרוסקופי בפירוט רב יותר, אפילו מרחיק לכת עד כדי לחשוף את הטבע האינטימי שלו, כלומר, מולקולות ואטומים. בניגוד למה שקרה קודם לכן, בשנות ה-1980 פותחו כמה רעיונות גדולים בהקשרים שכבר היו פתוחים אינטלקטואלית, ומה שלא נורא, ניחנים בצורה מספקת במשאבים אנושיים, טכנולוגיים וכלכליים.
ג'ורג' גאמו
מהרעיון של ג'ורג' גאמוב (כבר מגלה את מה שמכונה קרינת הרקע הקוסמית) על קיומו של אפקט המנהרה, שנוסח ב-1928, שני פיזיקאים גרמנים, גרד ביניג (1947) והיינריך רוהרר (1933- 2013) הוגה ב-1981, בזמן שעבד במעבדות המחקר של IBM בציריך, מיקרוסקופ המנהור הסורק הראשון.
מיקרוסקופ זה משתמש בבדיקת מחט עדינה כדי לזהות זרם חשמלי חלש בין הגשושית לבין פני הדגימה הנחקרת, אשר ניתן לחקור ברזולוציה קטנה תיאורטית מגודל האטומים והמולקולות. תגלית זו זיכתה את מגליו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1986. מדהים למדי שהפרס הוענק, מאוחר למדי, גם לאנרסט רוסקה. "על עבודתו הבסיסית באופטיקה אלקטרונית ועל תכנון מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון".
מיקרוסקופיה סורקת
באותו הקשר, אך בהתבסס על הכוח החשמלי שמפעילים אטומי משטח על בדיקה קטנה שהוצבה בקרבת מקום, הומצא (1982) מיקרוסקופ הכוח האטומי (בשיתוף עם בנינג עצמו), שיצירתו מסתמכת על התרומה המשותפת של חוקרים אחרים, כולל Calvin Quate (1923-2019) וכריסטוף גרבר (1942). מיקרוסקופ זה איפשר להרחיב את היישום של מיקרוסקופ סריקה של בדיקה לקטגוריה רחבה של דגימות, כולל ביולוגיות.
בשל מגוון רחב של גרסאות ויישומים, טכניקה זו היא כיום, ככל הנראה, המגוונת ביותר לחקר משטחים בתחום הננוטכנולוגיה. כיום, למעשה, מטרת המיקרוסקופים היא לקבל מידע מלא יותר ויותר על טיבם של משטחים ומיקרוסקופים מודרניים משלבים, באותו מכשיר, טכניקות שונות להסתגלות לחקר דגימות בעלות אופי שונה.
מהרנסנס של האופטיקה ועד הננוסקופ
התפתחות מקורות הלייזר שהתרחשה במחצית השנייה של המאה ה-XNUMX ייצגה התפתחות חדשה של תחום אופטי קלאסי יותר, למעשה ניתן לומר שהוא היווה את התגלית החשובה ביותר באופטיקה לאחר זו של קרני הרנטגן. מאפיינים של אור לייזר (קוהרנטיות קיצונית, עוצמה גבוהה ואורך גל בודד) מאפשרים להימנע מתופעות של סטייות ודיפרקציות מאפיין את האור המיוצר על ידי מנורות ליבון מסורתיות.
בשנת 1955, לרגל עבודת הדוקטורט שלו במתמטיקה, עשה מרווין לי מינסקי (1927-2016), ממייסדי הבינה המלאכותית, תיאוריה לגבי המיקרוסקופ הקונפוקאלי, מכשיר אופטי בעל רזולוציה ואיכות תמונה חסרת תקדים לתקופה. כפי שהוא עצמו אומר:
בשנת 1956 רשמתי פטנט על המיקרוסקופ הקונפוקאלי שלי, אבל הפטנט פג לפני שמישהו בנה מיקרוסקופ שני. אפילו לא טרחנו לרשום פטנט על המסך או הלוגו, וחשבנו שמדובר בהמצאות ברורות לחלוטין. נראה שהמובן מאליו אינו רלוונטי לפטנט.
מיקרוסקופ קונפוקאלי
מיקרוסקופ קונפוקאלי נבדל מבחינה מבנית ממיקרוסקופ הקרינה המסורתי על ידי שימוש במקור הלייזר, אך בעיקר על ידי נוכחות של דיאפרגמה לאורך הנתיב האופטי המאפשר להוציא את האות המגיע מהחלקים שמעל ומתחת למוקד הדגימה, ובכך מתן תמונה בפעם הראשונה עם מידע תלת מימדי. במציאות, המיקרוסקופ הקונפוקאלי נכנס למעבדות רק בסוף שנות ה-80, כאשר טכנולוגיית הלייזר והמחשב הופכות לנגישות יחסית וחזקות מספיק. כיום זהו כלי חשוב ביסודו במחקר מדעי ביו-רפואי.
המיקרוסקופ הקונפוקאלי מייצג, עבור תחום האופטיקה, לא מטרה טכנולוגית אלא נקודת מוצא לשגשוג של טכניקות מחקר חדשות המבוססות על טכנולוגיית לייזר שימוש בסמנים פלואורסצנטיים חדשים, כגון TIRF (Total Intern Reflection Fluorescence) מיקרוסקופיה, הדמיה של תאים חיים, מיקרוסקופיה ספקטרלית קונפוקלית, שימוש בטכניקות הדמיה שונות, ניתוח מורפופונקציונלי כולל FRAP (התאוששות פלואורסצנטית לאחר הלבנת צילום), FRET (העברת אנרגיית תהודה פלואורסצנטית), FLIM (הדמיית חיים פלואורסצנטית), FCS (ספקטרוסקופיה של מתאם פלואורסצנטי) ולבסוף שימוש בלייזרים מולטיפוטונים כדי להשיג עלייה משמעותית בחדירת הכוח של האור לדגימה .
מיקרוסקופ STED
השנים הראשונות של המאה הזו מסומנות גם בפיתוח של רעיונות חדשים גאוניים שדחפו את הרזולוציה האופטית אל מעבר לגבולות המוטלים על ידי טבע האור. למעשה, אנחנו מדברים על רזולוציית על, המושגת הודות לשלוש גישות עיקריות שונות: lמיקרוסקופיה STED שפותחה על ידי Stefan Hell (1962), פרס נובל בכימיה לשנת 2014, מיקרוסקופ אור מובנה שחייב את לידתה למאטס גוסטפסון (1960-2011). ), ומיקרוסקופיה לוקליזציה, שהוצגה במעבדות הרווארד על ידי Xiaowei Zhuang (1972), המסוגלת להמחיש מולקולה בודדת ברזולוציה גדולה פי 10 ממיקרוסקופיה אופטית מסורתית.
הכנסת טכניקות רזולוציית-על הובילה למיקרוסקופי אור מודרניים, אשר לפיכך ניתן לכנותם באופן סביר "ננוסקופים". דיאלוג יותר ויותר עם מיקרוסקופים אלקטרוניים לשילוב טוב יותר של ניתוחים מורפולוגיים. כיום, המיקרוסקופ הוא כלי שאין לו תחליף במעבדה והפך לסמל עצמו של המחקר המדעי.
עתיד המיקרוסקופיה
המיקרוסקופ היה ללא ספק אחת המהפכות הגדולות ביותר בהיסטוריה של המדע, שסימנה את הולדתן של המיקרוביולוגיה, הציטולוגיה וביולוגיה של התא. קפיצות הענק שעשה המחקר הרפואי ב-100-150 השנים האחרונות, עם כל מה שבא לאחר מכן, היו בלתי מתקבלות על הדעת ללא המיקרוסקופ.
הגבולות החדשים של הטכנולוגיה כבר רואים את הנישואים בין המידע המיוצר על ידי מיקרוסקופים לבין השימוש בבינה מלאכותית. דיסציפלינה חדשה זו, הנקראת למידה עמוקה, מסוגל לנתח תמונות שצולמו במיקרוסקופים ויכול לשנות באופן קיצוני את המיקרוסקופיה ולסלול את הדרך לתגליות חדשות. אבל מאטס גוסטפסון, אחד מאבות רזולוציית העל, כבר הבין את כל זה כשאמר: "ברגע שמוסיפים מחשב בין המיקרוסקופ לצופה האנושי, כל המשחק משתנה. באותו רגע, מיקרוסקופ אינו עוד מכשיר שחייב ליצור תמונה הניתנת לפירוש ישירות. עכשיו זה מכשיר להקלטת מידע".
בשלב זה, יהיה לגיטימי לשאול כמה רחוק אפשר ללכת בחקירה ובלימוד המיקרוסקופיה: העולם המיקרוסקופי מהווה מאגר מידע כמעט בלתי נדלה: לחומר יש תכונות מבניות, כימיות ופיזיקליות המשקפות את החותם שנותנים הקבועים הבסיסיים וההומוגניות של החוקים הפיזיקליים התעוררו ברגעים הראשונים של היקום והווריאציות האפשריות, שרובן עדיין מעבר להבנתנו, מהוות את המגוון הבלתי נתפס של העולם שאנו צופים בו.
