「 解剖なくして機能なし . 1906 年にノーベル医学賞を受賞したカミロ ゴルジは、XNUMX 世紀の終わりに、中枢神経細胞と末梢神経細胞に関する彼の研究について次のように書いています。 つまり、細胞の形を変える機能であり、その生理的メカニズムを理解するために顕微鏡での観察が欠かせません。
神経が一連のケーブルで構成されており、血管の場合のように柔らかい物質を内部に持つ一種のチャネルを表していないことを最初に理解したのは、1715 年のアントン ファン レーウェンフックであったことは偶然ではありません。
レーウェンフックと顕微鏡
レーウェンフック、オランダの眼鏡技師および博物学者であり、光学顕微鏡の発明者として認められています。 したがって、毛細血管内の赤血球の循環、男性の生殖細胞の存在などのいくつかの自然現象を鋭く正確に観察した最初の人であり、最初の正確な同定 レンズのラメラ構造、「小動物」と呼ばれる原生動物と細菌の発見。 明らかに、当時最高の光学レンズが入手可能だっただけではなく、彼自身もそれを構築しました。
これは、レーウェンフックが 1692 年にロンドン王立協会に宛てた手紙の中で、同時代の人々からの批判に応えて次のように書いた方法です。
閣下、私が時々書いてあなたに送る報告書が必ずしも互いに一致するとは限らず、それらの報告書には矛盾が見られることをよく知っています。 もう一度言いたいのは、私は自分が持っているデータに固執する習慣があるということです. そして、自分の方法を変えることを決して恥じることはありません。
このようにして生まれた現代の顕微鏡法、つまり、少量の自然の研究であり、今日でも現代の科学研究の調査の主要な手段のXNUMXつを構成しています。 しかし、この科学の誕生と進化をよりよく理解するには、古代における最初の試みから現代科学の驚くべき観察に至るまで、この分野の発展を形作った数多くの直感と発見に言及しなければなりません。
ギリシャとイスラムの伝統における光
顕微鏡は比較的最近の発明ですが、光現象の研究は古代の偉大な精神の多くに興味を持ち、さまざまな学派の間で議論を引き起こしました。 私たちはすでに、アリストテレスやユークリッドのような、紀元前 XNUMX 世紀から XNUMX 世紀の間に生きた偉大な思想家のおかげであり、彼らの最初の形式化は、ビジョンと光線の概念の証拠を書いています。 すでに紀元前XNUMX世紀に。 C. アルキメデスの有名な燃える鏡の使用は、歴史的に証明されていませんが、第二次ポエニ戦争中に有名になりました.
ローマ
この点に関して最も文書化されている例は、 ローマ世界から来た. 実際、古代ローマ人が多かれ少なかれ平らなガラス球で作った太陽の光線を集めて火を得るために使用したことは、長い間広く認められてきました. レンズ技術は、紀元前 3500 年から 1200 年の青銅器時代にさかのぼるクノッソスからの発見によって証明されるように、ローマ文明よりも古いようです。 c.
ポンペイ
並外れた精度と規則性を備えたクリスタル プリズム (光をスペクトルの色に分解するために使用される) に加えて、それらはまた、 古代ポンペイ わずかに凸状の小さな丸い血管で、鮮明で拡大された画像を提供できます。 残念ながら、これらのオブジェクトを視覚ツールとして説明している文献はほとんどありません。 おそらく近視眼の皇帝ネロが、磨かれた大きなエメラルドを通して剣闘士の戦いを見ていたときに、大プリニウスによって伝えられました。
オッティカとカトトリカ
ユークリッドに戻ると、彼は点、線、平面の概念を含む有名な幾何学の XNUMX つの公準の著者であったことに注意してください。 これらの基本的な概念は、 作品 オッティカとカトトリカ 視点の要素が含まれている場合、 平面鏡と球面鏡の反射の研究 そして初めて、物理的構造のない視覚光線の概念が定義されました。 これにより、Euclid は幾何学的な実証の典型的な方法を光現象の分野に拡張することができます。
しかし、これらの公理の性質は、視覚は目から放出される光線によって行われるという考え、つまり光の外因性理論によって強く条件付けられています。 ビジョンのより高度な理論に到達するには、965 世紀まで待つ必要があり、アラブの Alhazen (1039-XNUMX) の理論が使われました。 アルハゼンによれば、 目は光線以外では物体を「感じる」ことができない 有限の速度であなたを送ります。 光が非常に強い場合、目を損傷し、二次画像を生成する可能性があるため、光は実在する必要があります。
顕微鏡の発明
近代顕微鏡の真の前駆体顕微鏡の誕生を見るには、バロック時代まで待つ必要があります。 1609 世紀は、多くの国で一般的に科学にとって実り多い時代であり、実際、ベーコン、ボイル、コペルニクス、ライプニッツ、その他多くの人々によって真の科学革命が見られたと言わざるを得ません。 しかし、顕微鏡検査の歴史の中で、XNUMX 年に匹敵する顕著な日付はないと言わなければなりません。 ガリレオガリレイ (1564-1642) は初歩的な望遠鏡で作られました。
生地メーカーと顕微鏡
さらに、オランダが顕微鏡などの機器の発祥地であったことは偶然ではありません。XNUMX 世紀、この国は繊維部門にとって重要な商業的交差点であり、同時に陶磁器やマジョリカの生産においても重要な交差点でした。 . これらの最後のワークショップから、おそらく製造プロセスの二次的製品として、おそらく溶融ガラスの滴が発生しました。 テクスチャをより適切に制御するための小さな拡大鏡として使用される生地生産者 生産段階の間。 これは、アントニ・ファン・レーウェンフック (1632-1723) が最初に生地店の店長を務め、固化したガラスビーズを使用した最初の使用でした。 後に、おそらく彼が自然に傾倒していた自然科学への関心に続いたのでしょう。
したがって、Van Leeuwenhoek の顕微鏡が最初の顕微鏡と見なすことができます。 科学研究目的での使用のために特別に考案され、最適化されました. 当然のことながら、彼は当時、優秀な研究者として引用されていました。
[…] これまでに見られたものをはるかに超える顕微鏡を設計しました…
実際、レーウェンフックの顕微鏡は、ネジ機構によって焦点を調整できる特別なサンプル ホルダーを備えた金属製のサポートに取り付けられた単一のレンズで構成され、人工照明の使用を可能にします。 これらの要素は、構成に加えて、その瞬間から、 あらゆる光学顕微鏡の基礎、すでに現代的な風味を持つ自然現象の研究のための方法論を前提としています。
アルカナネイチャー
レーウェンフックは公式に認められ、彼の研究室には世界中の学者や政治家が訪れました (ロシアの皇帝ピョートル大帝の有名な訪問)。 レーウェンフックは 91 歳で亡くなりました。 26 年 1723 月 1722 日、XNUMX 年に「アルカナ・ナトゥラエ」というタイトルで出版された、彼の多くの手紙と報告の完全なコレクションのラテン語版を見た後、
次の世紀の学者の努力は、より強力な顕微鏡を構築し、新しく発見されたミクロの世界を体系化し、分類し、定量化することに完全に専念するでしょう. この意味で、イギリス人のロバート・フック (1635-1703) の貢献は基本的なものであり、光学顕微鏡の研究よりも弾性に関する彼の研究の方がよく知られています。 完全な学者であるフックは、顕微鏡を改良し、新しい光学システムと新しい照明システムを取り付けました。 これにより、彼は壁で区切られたコルクの空洞など、一連の発見をすることができました。 細胞. おそらく当時の最も偉大な科学者であるアイザック・ニュートンとの論争で、彼は粒子理論とは対照的に、光の波動理論の考えを支持しました。
XNUMX 世紀から XNUMX 世紀にかけての顕微鏡法の進化: 光学顕微鏡から電子顕微鏡まで
XNUMX世紀に製造された複合顕微鏡に徐々に導入された改良は、本質的に機械構造に関係していました。 である程度の進展はあったものの、 レンズ製造技術、光学性能はまだ貧弱でした。 これは、ガラスの品質と、レンズの XNUMX つの重大な欠陥 (球面収差と色収差) の両方が原因で、ぼやけた虹色の画像が得られました。
さらに、各改善は常に経験に基づいてのみ行われたため、 それらは手作りの製品でした。. これらの収差を補正するには、いくつかのレンズを結合する必要があり、そのため、そのようなシステムが実現できるようになったのは XNUMX 世紀半ばまでではありませんでした。
エルンスト・アッベ
その瞬間から、理論的な研究と技術の進歩は密接に関連していました。 この時代の最も代表的な人物は、ドイツのエルンスト・アッベ (1840-1905) でした。 顕微鏡を定性的機器から定量的機器に変えた; 顕微鏡光学系とレンズ全般の現代技術の基礎となっている原理の多くは、彼によるものです。 アッベは、有名なイエナの光学工房でカール ツァイス (1816-1888) と協力しました。
彼は、彼の名前 (アッベ数) を冠した式を導き出し、ガラスの分散力を特徴付け、顕微鏡対物レンズの解像度をその開口数の関数として関連付けました。 顕微鏡光学系とレンズ全般の現代技術の基礎となっている原則の多くは、彼によるものです。 アッベは、有名なイエナの光学工房でカール ツァイス (1816-1888) と協力しました。
アウグスト・コーラー
1900 年から、August Kohler (1866-1948) もイエナで働き、マイクロ写真を扱い、現在では広く採用されている顕微鏡用照明システムを完成させました。 XNUMX 世紀の終わりには、優れたストレート型と倒立型の楽器がすでに市場に出回っていました。
1903 年、Richard Zsigmondy (1865-1929) はいわゆる超顕微鏡を開発しました。これにより、光の波長よりも小さい寸法のコロイド粒子の研究が可能になりました。 そしてその後の数十年間、そのペースは遅くなりませんでした: 位相差法、干渉法、反射顕微鏡法などの新しい技術 それらは、蛍光、コントラスト干渉、偏光などの他のよく知られた技術が完成する一方で、新しい応用分野を切り開きました。 放射線。
電子顕微鏡法
すでに 30 年代には、電子などの素粒子が定義され、その挙動を説明するために波動/粒子の二元論が導入され、光の波長によって光学顕微鏡の空間分解能に限界が課せられたため、機は熟していました。 、 電子顕微鏡というまったく新しい視点の文脈では、これを超える可能性があります。. 最初の電子顕微鏡は、1933 年にドイツの物理学者 Ernst Ruska (1906-1988) と Max Knoll (1897-1969) によって作られました。 ルスカ自身は、何年も後に、その時代を実りある研究と研究の時期と呼んでいます。
彼の卒業後 (1931 年)、ドイツの経済状況は非常に困難になり、大学や産業界で満足のいく地位を見つけることは不可能に思えました。 そのため、高電圧研究所の博士課程の学生として無償で活動を続けることができてうれしく思いました…」 .
XNUMX世紀後半と走査型プローブ顕微鏡
微視的な世界をより詳細に調査するための新しい解決策を提案するのは、量子力学の法則の進歩的な体系化であり、その親密な性質を明らかにすることさえあります。 分子と原子。 以前に起こったこととは異なり、1980 年代には、すでに知的にオープンで、人的、技術的、経済的リソースが十分に与えられている状況で、いくつかの素晴らしいアイデアが開発されました。
ジョージ・ガモウ
これは、1928 年に定式化されたトンネル効果の存在についてのジョージ ガモフ (いわゆる宇宙背景放射の発見者) の考えから、1947 人のドイツの物理学者、ゲルト ビニング (1933) とハインリッヒ ローラー (2013- 1981) は、チューリッヒの IBM 研究所で働きながら、XNUMX 年に考案された最初の走査型トンネル顕微鏡です。
この顕微鏡は、細針プローブを使用して、プローブと調査対象のサンプルの表面との間の弱い電流を検出します。これは、理論的には原子や分子のサイズよりも小さい解像度で調査できます。 この発見により、発見者は 1986 年のノーベル物理学賞を受賞しましたが、この賞がかなり遅れて Enrst Ruska にも授与されたことは非常に注目に値します。 「電子光学における彼の基本的な業績と最初の電子顕微鏡の設計に対して」.
走査型顕微鏡
同じ文脈で、近くに配置された小さなプローブの表面の原子によって加えられる電気力に基づいて、原子間力顕微鏡が発明されました（1982）（ビニング自身の協力により）、その作成は共同の貢献に依存していますCalvin Quate (1923-2019) と Christoph Gerber (1942) を含む他の学者の。 この顕微鏡は、アプリケーションの拡張を可能にしました 走査型プローブ顕微鏡を生物学的サンプルを含む幅広いカテゴリのサンプルに適用します。
バリエーションとアプリケーションの広い範囲のために、この技術は今日、おそらく、ナノテクノロジーの分野における表面の研究のための最も用途の広いものです。 実際、今日、顕微鏡検査は表面の性質に関するより完全な情報を取得することを目指しており、最新の顕微鏡は、同じ機器にさまざまな技術を統合して、さまざまな性質のサンプルの研究に適応しています。
光学のルネッサンスからナノスコープへ
XNUMX 世紀後半に行われたレーザー光源の開発は、より古典的な光学分野の新たな発展であり、X 線に次ぐ光学の重要な発見と言えます。レーザー光の特性 (極度のコヒーレンス、高強度、単一波長) により、 収差や回折現象を回避 従来の白熱灯の光の特徴。
1955 年、数学の博士論文の際に、人工知能の創始者の 1927 人であるマービン リー ミンスキー (2016-XNUMX) は、共焦点顕微鏡について理論化しました。 彼自身が言うように：
1956 年に、私は共焦点顕微鏡の特許を取得しましたが、特許は、誰かが XNUMX 番目の顕微鏡を作成する前に失効しました。 私たちはスクリーンやロゴの特許を取得することさえしませんでした。 自明なことは特許とは関係がないようです。
共焦点顕微鏡
共焦点顕微鏡は、レーザー光源を使用することによって従来の蛍光顕微鏡と構造的に異なりますが、何よりも光路に沿ってダイヤフラムが存在し、サンプルの焦点の上下の部分からの信号を除外することができます。初めて画像を提供する 三次元情報. 実際には、共焦点顕微鏡が研究室に登場したのは、レーザーとコンピューター技術が比較的利用しやすく、十分に強力になった 80 年代後半になってからです。 これは現在、生物医学科学研究において根本的に重要なツールです。
共焦点顕微鏡は、光学分野にとって、技術的な目標ではなく、レーザー技術と 新しい蛍光マーカーの使用TIRF (Total internal Reflection Fluorescence) 顕微鏡、Live Cell Imaging、共焦点スペクトル顕微鏡、さまざまなイメージング技術の使用など、 形態機能解析 FRAP（光退色後の蛍光回復）、FRET（蛍光共鳴エネルギー移動）、FLIM（蛍光寿命イメージング）、FCS（蛍光相関分光法）、そして最後に多光子レーザーを使用して、サンプルへの光の透過力を大幅に増加させます.
STED顕微鏡
今世紀初頭は、光の性質によって課される限界を超えて光学解像度を押し上げた独創的な新しいアイデアの開発によっても特徴付けられます。 実際、私たちは超解像について話しているが、これは XNUMX つの主な異なるアプローチのおかげで達成された: lStefan Hell (1962) によって開発された STED 顕微鏡法、2014 年にノーベル化学賞を受賞した構造化光学顕微鏡法は、Mats Gustafsson (1960-2011) によって誕生しました。 )、および Xiaowei Zhuang (1972) によってハーバード研究所に導入された局在化顕微鏡法は、従来の光学顕微鏡法よりも 10 倍高い解像度で単一分子を視覚化することができます。
超解像技術の導入により、現代の光学顕微鏡が生まれました。 「ナノスコープ」。 形態学的分析のより良い統合のために、電子顕微鏡との対話がますます進んでいます。 今日、顕微鏡は実験室においてかけがえのないツールであり、科学研究のまさに象徴となっています。
顕微鏡の未来
顕微鏡は、間違いなく科学史上最大の革命の 100 つであり、微生物学、細胞学、および細胞生物学の誕生を示しました。 過去 150 ～ XNUMX 年間の医学研究の大きな飛躍は、顕微鏡なしでは考えられなかったでしょう。
テクノロジーの新たなフロンティアでは、顕微鏡によって生成される情報と人工知能の使用との融合がすでに見られます。 と呼ばれるこの新しい規律は、 深層学習、顕微鏡で撮影した画像を分析することができ、顕微鏡を根本的に変え、新しい発見への道を開くことができます. しかし、超解像の父の XNUMX 人であるマッツ・グスタフソンは、次のように述べたとき、すでにこれらすべてを認識していました。 その瞬間に、 顕微鏡はもはや、直接解釈可能な画像を生成しなければならないデバイスではありません。 今では情報を記録するための装置です。」
この時点で、顕微鏡の調査と研究をどこまで進めることができるかを問うのは正当なことです。顕微鏡の世界は、ほとんど無尽蔵の情報の貯蔵庫を構成しています。 物質は、基本定数と物理法則の均一性によって与えられる痕跡を反映する構造的、化学的、および物理的特性を持っています。 宇宙の最初の瞬間に発生し、そのほとんどがまだ私たちの理解を超えている可能性のある変種は、私たちが観察する世界の想像を絶する多様性を構成しています.