" 해부학 없이는 기능도 없다 ". 1906년 노벨 의학상을 받은 카밀로 골지(Camillo Golgi)는 중추신경과 말초신경세포에 대한 연구를 XNUMX세기 말에 이렇게 썼다. 즉, 이 기능은 세포의 모양을 재구성하므로 세포의 생리적 메커니즘을 이해하기 위해서는 현미경 관찰이 필수적입니다.
신경이 일련의 케이블로 구성되어 있고 혈관의 경우처럼 내부에 부드러운 물질이 있는 일종의 통로가 아니라는 것을 처음으로 이해한 사람이 1715년 Anton Van Leeuwenhoek인 것은 우연이 아닙니다.
Leeuwenhoek와 현미경
레벤후크, 네덜란드의 안경사이자 자연주의자인 그는 광학 현미경의 발명가로 인정받고 있습니다. 따라서 모세혈관의 적혈구 순환, 남성 생식세포의 존재, 렌즈의 라멜라 구조, "작은 동물"이라고 불리는 원생 동물과 박테리아의 발견. 그가 직접 제작한 당시 최고의 광학 렌즈를 구할 수 있었던 것은 분명 아닙니다.
이것은 Leeuwenhoek가 1692년에 런던 왕립 학회에 보낸 편지에서 그의 동시대 사람들 중 일부로부터의 비판에 대한 응답으로 쓴 내용입니다.
존경하는 여러분, 제가 때때로 작성하고 귀하에게 보내는 보고서가 항상 서로 일치하지 않으며 그 보고서에서 모순이 발견될 수 있다는 것을 잘 알고 있습니다. 더 나은 정보를 얻을 때까지 또는 내 관찰이 나를 다른 곳으로 이끌 때까지 내가 가지고 있는 데이터를 고수하는 습관이 있음을 다시 한 번 말하고 싶습니다. 그리고 나는 내 방법을 바꾸는 것을 결코 부끄러워하지 않을 것입니다.
그리하여 탄생한 현대 현미경즉, 오늘날에도 여전히 현대 과학 연구의 주요 조사 수단 중 하나를 구성하는 소량의 자연 연구입니다. 그러나이 과학의 탄생과 진화를 더 잘 이해하려면 고대의 첫 번째 시도부터 현대 과학의 놀라운 관찰에 이르기까지 이 분야의 발전을 형성한 수많은 직관과 발견을 참조해야 합니다.
그리스와 이슬람 전통의 빛
현미경은 비교적 최근에 발명되었지만 빛 현상에 대한 연구는 고대의 많은 위대한 정신에 관심을 가져 왔으며 서로 다른 학파 사이에 논쟁을 불러일으켰습니다. 우리는 이미 기원전 XNUMX세기와 XNUMX세기 사이에 살았던 아리스토텔레스나 유클리드와 같은 위대한 사상가들에게 빚지고 있습니다. 이미 기원전 XNUMX세기에. C. Archimedes의 유명한 불타는 거울의 사용은 아직 역사적으로 입증되지는 않았지만 XNUMX차 포에니 전쟁 중에 유명해졌습니다.
로마
이와 관련하여 가장 문서화 된 예는 다음과 같습니다. 로마 세계에서 온. 사실, 고대 로마인들이 태양 광선을 집중시키고 불을 얻기 위해 다소 납작한 유리 구를 만든 사용은 오랫동안 널리 인정되었습니다. 렌즈 기술은 기원전 3500년에서 1200년 사이의 청동기 시대로 거슬러 올라가는 크노소스의 발견에서 알 수 있듯이 로마 문명보다 훨씬 오래된 것으로 보입니다. 씨.
폼페이
매우 정밀하고 규칙적인 크리스털 프리즘(빛을 스펙트럼의 색상으로 분해하는 데 사용됨) 외에도 고대 폼페이 작고 둥근 혈관, 약간 볼록하고 선명하고 확대된 이미지를 제공할 수 있습니다. 불행하게도 이러한 물체를 시각 도구로 언급하는 문학적 자료는 거의 없습니다. 아마도 근시였던 네로 황제가 크고 광택이 나는 에메랄드를 통해 검투사의 싸움을 바라보곤 했을 때 장로 플리니우스에 의해 전해졌습니다.
오티카 에 카톱트리카
유클리드로 돌아가서 우리는 그가 점, 선, 평면의 개념을 포함하는 기하학의 유명한 XNUMX가지 가정의 저자임을 주목합니다. 이러한 기본 개념은 작품 Ottica e Catoptrica 원근감의 요소가 포함되어 있는 경우 평면 및 구형 거울의 반사 연구 그리고 처음으로 물리적 구조가 없는 가시 광선의 개념이 정의되었습니다. 이를 통해 Euclid는 기하학적 증명의 전형적인 방법을 빛 현상 분야로 확장할 수 있습니다.
그러나 이러한 공리의 본질은 시력이 눈에서 방출되는 광선에 의해 발생한다는 생각, 즉 빛의 외사 이론에 의해 강하게 조건지어집니다. 더 발전된 시각 이론에 도달하기 위해서는 아랍 알하젠(965-1039)의 이론과 함께 XNUMX세기까지 기다려야 했습니다. 알하젠에 따르면, 눈은 광선을 통하지 않고는 물체를 "느낄" 수 없습니다. 유한한 속도로 당신을 보냅니다; 빛은 매우 강렬할 때 눈을 손상시키고 XNUMX차 이미지를 생성할 수 있기 때문에 실제 존재해야 합니다.
현미경의 발명
현대 현미경의 진정한 선구자 현미경의 탄생을 보려면 바로크 시대까지 기다려야 할 것입니다. 1609세기는 많은 국가에서 일반적으로 과학에 유익한 시기입니다. 사실 베이컨, 보일, 코페르니쿠스, 라이프니츠 및 기타 많은 사람들과 함께 진정한 과학 혁명을 보았다고 말해야 합니다. 그러나 현미경의 역사에서 XNUMX년에 견줄 만한 뛰어난 연대는 없다고 말해야 합니다. 갈릴레오 갈릴레이 (1564-1642)은 초보적인 망원경으로 제작되었습니다.
직물 제작자 및 현미경
게다가 네덜란드가 현미경과 같은 기구의 요람이었던 것은 우연이 아닙니다. XNUMX세기에 이 나라는 직물 부문과 동시에 도자기와 마졸리카 생산을 위한 중요한 상업적 교차로를 나타냈기 때문입니다. . 이 마지막 작업장에서 아마도 제조 공정의 XNUMX차 산물로서 녹은 유리 방울이 나왔을 가능성이 큽니다. 질감을 더 잘 제어하기 위해 작은 돋보기로 사용되는 직물 생산자 생산 단계에서. 이것은 처음에 직물 매장 관리자였던 Antoni Van Leeuwenhoek(1632-1723)가 응고된 유리 구슬로 만든 첫 번째 사용이었습니다. 나중에 아마도 그가 자연스럽게 관심을 가졌던 자연 과학에 대한 그의 관심을 따랐을 것입니다.
따라서 Van Leeuwenhoek의 현미경은 최초의 현미경으로 간주될 수 있습니다. 과학 연구 목적으로 사용하도록 특별히 고안되고 최적화되었습니다.. 당연히 그는 당시 뛰어난 연구원으로 인용되었습니다.
[...] 지금까지 본 것보다 훨씬 뛰어난 현미경을 설계했습니다...
실제로 Leeuwenhoek의 현미경은 나사 메커니즘을 통해 초점을 조정할 수 있는 특수 샘플 홀더가 장착된 금속 지지대에 장착된 단일 렌즈로 구성되어 있으며 인공 조명을 사용할 수 있습니다. 이러한 요소는 구성하는 것 외에도 그 순간부터 모든 광학 현미경의 기초, 이미 현대적인 풍미를 지닌 자연 현상 연구 방법론을 전제합니다.
아르카나 네이처
Leeuwenhoek은 공식 인정을 받았으며 전 세계의 학자 및 정치인이 그의 실험실을 방문했습니다 (유명한 Tsar Peter the Great of Russia 방문). Leeuwenhoek는 91세의 나이로 세상을 떠났고, 26년 1723월 1722일, XNUMX년에 "자연의 신비(Arcana Naturae)"라는 제목으로 출판된 그의 많은 편지와 보고서의 전체 모음집 라틴어 판을 본 후였습니다.
다음 세기의 학자들의 노력은 보다 강력한 현미경을 만들고 새로 발견된 마이크로 세계를 체계화, 분류 및 정량화하는 데 전적으로 전념할 것입니다. 이런 의미에서 영국인 Robert Hooke(1635-1703)의 기여는 근본적이며 광학 현미경보다 탄성에 대한 그의 연구로 더 많이 기억됩니다. 완전한 학자인 Hooke는 현미경을 개선하여 새로운 광학 시스템과 새로운 조명 시스템을 장착했습니다. 이를 통해 그는 벽으로 분리된 코르크의 구멍과 같은 일련의 발견을 할 수 있었습니다. 세포. 아마도 당대 최고의 과학자였던 아이작 뉴턴과의 논쟁에서 그는 미립자 이론에 반대되는 빛의 파동 이론 아이디어를 지지했습니다.
XNUMX세기와 XNUMX세기 현미경의 진화: 광학 현미경에서 전자 현미경으로
XNUMX세기에 제작된 복합 현미경에 점진적으로 도입된 개선 사항은 본질적으로 기계 구조와 관련이 있습니다. 에서 약간의 진전이 있었지만 렌즈 제조 기술, 광학 성능은 여전히 나빴습니다. 이것은 유리의 품질과 렌즈의 두 가지 심각한 결함인 구면 수차와 색 수차로 인해 흐릿하고 무지개 빛깔의 이미지가 나타납니다.
또한 각각의 개선은 항상 그리고 오직 경험적 기반에서만 발생했습니다. 그들은 수제 제품이었습니다. 이러한 수차를 수정하려면 여러 렌즈를 결합해야 하므로 XNUMX세기 중반이 되어서야 이러한 시스템을 실현할 수 있었습니다.
에른스트 아베
그 순간부터 이론적 연구와 기술적 진보는 함께 진행되었습니다. 이 시기의 가장 대표적인 인물은 독일의 에른스트 아베(Ernst Abbe, 1840-1905)였다. 현미경을 질적 도구에서 정량적 도구로 전환; 일반적으로 현미경 광학 및 렌즈의 현대 기술이 기반으로 하는 많은 원리는 그에게 기인합니다. Abbe는 유명한 Jena 광학 워크샵에서 Carl Zeiss(1816-1888)와 협력했습니다.
그는 유리의 분산력을 특성화하고 개구수(numerical aperture)의 함수로 현미경 대물렌즈의 해상도를 관련시키기 위해 자신의 이름(Abbe number)이 붙은 표현을 도출했습니다. 일반적으로 현미경 광학 및 렌즈의 현대 기술이 기반으로 하는 많은 원리는 그에게 기인합니다. Abbe는 유명한 Jena 광학 워크샵에서 Carl Zeiss(1816-1888)와 협력했습니다.
아우구스트 콜러
1900년부터 August Kohler(1866-1948)도 Jena에서 일했는데, 그는 현미경 사진을 다루고 지금은 보편적으로 채택되는 현미경용 조명 시스템을 완성했습니다. XNUMX세기 말에 우수한 직선형 및 도립형 도구가 이미 시장에 존재했습니다.
1903년 Richard Zsigmondy(1865-1929)는 빛의 파장보다 작은 치수를 가진 콜로이드 입자를 연구할 수 있는 소위 초현미경을 개발했습니다. 그리고 그 뒤를 이은 수십 년 동안 그 속도는 느려지지 않았습니다. 위상차, 간섭법, 반사현미경과 같은 새로운 기술 그들은 형광, 콘트라스트 간섭 및 편광과 같은 다른 잘 알려진 기술이 완성되는 동안 새로운 응용 분야를 열었습니다. 방사능.
전자현미경
이미 30년대에 전자와 같은 기본 입자의 정의와 그 거동을 설명하기 위한 파동/입자 이원론의 도입으로 빛의 파장에 의해 부과되는 광학현미경의 공간해상도의 한계로 인해 시대가 무르익었다. , 완전히 새로운 관점인 전자 현미경의 맥락에서 능가할 수 있습니다.. 최초의 전자현미경은 1933년 독일 물리학자 Ernst Ruska(1906-1988)와 Max Knoll(1897-1969)에 의해 제작되었습니다. 수년 후 Ruska 자신은 그 시간을 연구와 연구의 유익한 기간으로 언급했습니다.
졸업(1931년) 후 독일의 경제 상황은 매우 어려워졌고 대학이나 산업계에서 만족스러운 자리를 찾는 것이 불가능해 보였습니다. 그래서 초고전압 연구소에서 박사과정 학생으로서 무료로 활동을 계속할 수 있어서 기뻤습니다…” .
XNUMX세기 후반 및 스캐닝 프로브 현미경
미시적 세계를 훨씬 더 자세히 조사하기 위한 새로운 해결책을 제안하는 것은 여전히 양자역학 법칙의 점진적인 체계화입니다. 분자와 원자. 이전과 달리 1980년대에는 이미 지적으로 개방되어 있고 인적, 기술적, 경제적 자원이 적절하게 부여된 맥락에서 몇 가지 훌륭한 아이디어가 개발되었습니다.
조지 가모프
1928년에 공식화된 터널 효과의 존재에 대한 George Gamow(소위 우주 배경 복사의 발견자)의 아이디어에서 두 명의 독일 물리학자 Gerd Binnig(1947)와 Heinrich Rohrer(1933- 2013)는 1981년 취리히에 있는 IBM 연구소에서 근무하면서 최초의 주사 터널링 현미경을 고안했습니다.
이 현미경은 미세 바늘 탐침을 사용하여 탐침과 연구 중인 시료 표면 사이의 약한 전류를 감지하며 이론적으로 원자와 분자의 크기보다 작은 분해능으로 조사할 수 있습니다. 이 발견은 발견자들에게 1986년 노벨 물리학상을 안겨주었고, Enrst Ruska도 이 상을 늦게 수상했다는 사실은 상당히 주목할 만합니다. "전자광학의 기초적인 연구와 최초의 전자현미경 설계".
스캐닝 현미경
같은 맥락에서, 그러나 근처에 배치된 작은 프로브에서 표면의 원자에 의해 가해지는 전기력을 기반으로 하여 Atomic Force Microscope가 발명되었습니다(1982)(Binning 자신의 협력으로). Calvin Quate(1923-2019)와 Christoph Gerber(1942)를 포함한 다른 학자들의 이 현미경은 생물학적 시료를 포함하여 광범위한 시료 범주에 대한 스캐닝 프로브 현미경.
다양한 변형과 응용으로 인해 이 기술은 오늘날 나노 기술 분야의 표면 연구에 가장 다재다능합니다. 사실 오늘날 현미경은 표면의 특성에 대해 점점 더 완전한 정보를 얻는 것을 목표로 하고 있으며 현대 현미경은 동일한 기기에 다양한 특성의 샘플 연구에 적응하기 위해 다양한 기술을 통합합니다.
광학의 르네상스에서 나노스코프까지
XNUMX세기 후반에 이루어진 레이저 광원의 개발은 보다 고전적인 광학 분야의 새로운 발전을 의미하며, 사실상 X선 다음으로 광학 분야에서 가장 중요한 발견을 이루었다고 할 수 있습니다. 레이저 광의 특성(극한 일관성, 고강도 및 단일 파장)은 수차 및 회절 현상 방지 기존 백열 램프에서 생성되는 빛의 특성.
1955년, 인공지능의 창시자 중 한 명인 마빈 리 민스키(Marvin Lee Minsky, 1927-2016)는 수학 박사 학위 논문을 계기로 획기적인 해상도와 화질을 갖춘 광학 기기인 공초점 현미경에 대해 이론화했습니다. 그 자신이 말했듯이 :
1956년에 나는 공초점 현미경에 대한 특허를 받았지만 누군가 두 번째 현미경을 만들기 전에 특허가 만료되었습니다. 우리는 화면이나 로고가 완전히 명백한 발명품이라고 생각하여 특허를 내지도 않았습니다. 명백한 것은 특허와 관련이 없는 것 같습니다.
공초점 현미경
공초점 현미경은 레이저 소스를 사용한다는 점에서 기존의 형광 현미경과 구조적으로 다르지만 무엇보다도 샘플의 초점 위와 아래 부분에서 오는 신호를 배제할 수 있는 광학 경로를 따라 다이어프램이 있다는 점에서 다릅니다. 처음으로 이미지 제공 XNUMX차원 정보. 실제로 공초점 현미경은 레이저와 컴퓨터 기술이 상대적으로 접근 가능하고 충분히 강력해진 80년대 후반에야 실험실에 도입되었습니다. 현재 생물 의학 연구에서 근본적으로 중요한 도구입니다.
공초점 현미경은 광학 분야에서 기술적 목표가 아니라 레이저 기술과 새로운 형광 마커 사용TIRF(Total Internal Reflection Fluorescence) 현미경, 라이브 셀 이미징, 공초점 스펙트럼 현미경, 다양한 이미징 기술 사용, 형태 기능 분석 FRAP(Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM(Fluorescence Lifetime Imaging), FCS(Fluorescent Correlation Spectroscopy) 및 마지막으로 다광자 레이저를 사용하여 시료에 대한 빛의 침투력을 크게 증가시킵니다. .
STED 현미경
XNUMX세기 초는 또한 빛의 본성이 부여한 한계를 넘어 광학 해상도를 끌어올린 기발하고 새로운 아이디어의 발전으로 특징지어집니다. 사실, 우리는 세 가지 주요 접근 방식 덕분에 달성된 초고해상도에 대해 이야기하고 있습니다. lStefan Hell(1962)이 개발한 STED 현미경, 2014년 노벨 화학상, Mats Gustafsson(1960-2011)에 의해 탄생한 구조화 광학 현미경. ), Xiaowei Zhuang(1972)이 Harvard 연구소에 도입한 국소화 현미경은 기존의 광학 현미경보다 10배 더 큰 해상도로 단일 분자를 시각화할 수 있습니다.
초고해상도 기술의 도입으로 현대 광학 현미경이 탄생했습니다. "나노 스코프". 형태학적 분석의 더 나은 통합을 위해 전자현미경과 점점 더 많은 대화를 나눕니다. 오늘날 현미경은 실험실에서 대체할 수 없는 도구이며 과학 연구의 상징이 되었습니다.
현미경의 미래
현미경은 의심할 여지 없이 과학사에서 가장 위대한 혁명 중 하나였으며 미생물학, 세포학 및 세포 생물학의 탄생을 표시했습니다. 지난 100-150년 동안 의학 연구가 이룩한 거대한 도약은 현미경 없이는 생각할 수 없었을 것입니다.
기술의 새로운 영역은 이미 현미경으로 생성된 정보와 인공 지능 사용 사이의 결합을 보고 있습니다. 라고 불리는 이 새로운 학문은 깊은 학습, 현미경으로 찍은 이미지를 분석할 수 있으며 현미경을 근본적으로 변화시키고 새로운 발견의 길을 열 수 있습니다. 그러나 초고해상도의 아버지 중 한 명인 Mats Gustafsson은 다음과 같이 말했을 때 이미 이 모든 것을 깨달았습니다. “현미경과 인간 관찰자 사이에 컴퓨터가 추가되면 전체 게임이 바뀝니다. 그 순간, 현미경은 더 이상 직접 해석 가능한 이미지를 생성해야 하는 장치가 아닙니다. 이제는 정보를 기록하는 장치입니다.”
이 시점에서 현미경에 대한 조사와 연구가 어디까지 가능한지 묻는 것이 타당할 것입니다. 물질은 기본 상수가 부여하는 각인과 물리법칙의 동질성을 반영하는 구조적, 화학적, 물리적 특성을 가지고 있습니다. 우주의 첫 순간에 생겨났고 가능한 변종들은 아직 우리가 이해할 수 없는 대부분이 우리가 관찰하는 세상의 상상할 수 없는 다양성을 구성합니다.
