" Nėra funkcijos be anatomijos ". Camillo Golgi, Nobelio medicinos premija 1906 m., tai parašė XIX amžiaus pabaigoje apie savo centrinių ir periferinių nervų ląstelių tyrimus. Kitaip tariant, funkcija keičia ląstelių formą, todėl mikroskopiniai stebėjimai tampa būtini norint suprasti jos fiziologinius mechanizmus.
Neatsitiktinai pirmasis žmogus, kuris suprato, kad nervai yra sudaryti iš kabelių rinkinio ir neatspindi kanalo su minkšta medžiaga viduje, kaip kraujagyslėse, buvo Antonas Van Leeuwenhoekas 1715 m.
Leeuwenhoekas ir mikroskopas
Leuvenhukas, olandų optikas ir gamtininkas, pripažintas optinio mikroskopo išradėju; todėl tas, kuris pirmasis ūmiai ir tiksliai pastebėjo kai kuriuos gamtos reiškinius, tokius kaip raudonųjų kraujo kūnelių cirkuliacija kapiliaruose, vyriškų lytinių ląstelių egzistavimas, pirmasis tikslus lęšio sluoksninė struktūra, pirmuonių ir bakterijų, vadinamų „mažaisiais gyvūnais“, atradimas. Akivaizdu, kad tai buvo ne tik geriausi to meto optiniai lęšiai, kuriuos jis taip pat sukūrė pats.
Štai kaip Leeuwenhoekas rašė laiške Londono karališkajai draugijai 1692 m., atsakydamas į kai kurių savo amžininkų kritiką:
Puikiai žinau, gerbiamieji ponai, kad ataskaitos, kurias rašau ir karts nuo karto siunčiu jums, ne visada sutampa ir jose galima rasti prieštaravimų; kuriuo noriu dar kartą pasakyti, kad esu įpratęs laikytis turimų duomenų, kol būsiu geriau informuotas arba kol mano pastebėjimai nuves mane kitur; ir man niekada nebus gėda keisti savo metodo.
Taip gimė šiuolaikinė mikroskopijaty gamtos tyrinėjimas mažais kiekiais, kuris ir šiandien yra viena iš pagrindinių šiuolaikinių mokslinių tyrimų tyrimo priemonių. Tačiau norėdami geriau suprasti šio mokslo gimimą ir evoliuciją, turime remtis daugybe nuojautų ir atradimų, kurie nuo pirmųjų bandymų Antikoje suformavo šios disciplinos raidą iki stulbinančių šiuolaikinio mokslo stebėjimų.
Šviesa helenų ir islamo tradicijoje
Nors mikroskopas yra palyginti nesenas išradimas, šviesos reiškinių tyrimas sudomino daugelį didžiųjų Antikos protų ir sukėlė diskusijų tarp skirtingų mąstymo mokyklų; Jau esame skolingi didiesiems mąstytojams, tokiems kaip Aristotelis ar Euklidas, gyvenę IV–III amžiuje prieš Kristų, kurių pirmasis formalizavimas turi rašytinį regėjimo ir šviesos spindulių sampratos įrodymą. Jau III amžiuje prieš Kristų. C. garsiųjų degančių Archimedo veidrodžių panaudojimas išgarsėjo Antrojo Pūnų karo metu, nors istoriškai tai dar neįrodyta.
Romų
Labiausiai dokumentuoti pavyzdžiai šiuo atžvilgiu yra tie, kurie kilęs iš romėnų pasaulio. Tiesą sakant, senovės romėnų naudojimas iš daugiau ar mažiau išlygintų stiklo sferų saulės spinduliams sutelkti ir ugniai gauti buvo plačiai akredituotas ilgą laiką. Atrodo, kad lęšių technologija yra dar senesnė už romėnų civilizaciją, kaip rodo radiniai iš Knoso, datuojami bronzos amžiuje, laikotarpiu nuo 3500 iki 1200 m. c.
Pompėja
Be ypatingo tikslumo ir taisyklingumo kristalų prizmių (naudojamų šviesai suskaidyti į spektro spalvas), jos taip pat gaunamos iš kasinėjimų senovės Pompėja maži apvalūs indai, šiek tiek išgaubti, galintys suteikti aiškų ir padidintą vaizdą. Deja, beveik nėra literatūrinių šaltinių, kuriuose būtų kalbama apie šiuos objektus kaip apie regėjimo įrankius. Ją perdavė Plinijus Vyresnysis, kai imperatorius Neronas, galbūt trumparegis, stebėdavo gladiatorių kovas, žiūrėdamas į jas per didelį poliruotą smaragdą.
Ottica ir Catoptrica
Grįžtant prie Euklido, pastebime, kad jis buvo penkių garsiųjų geometrijos postulatų, kuriuose yra taško, linijos ir plokštumos sąvokos, autorius; Šios pagrindinės sąvokos susijungė kūrinys Ottica e Catoptrica kur yra perspektyvos elementų, atspindžio plokštuminiuose ir sferiniuose veidrodžiuose tyrimas ir pirmą kartą apibrėžiama regėjimo spindulio be fizinės struktūros sąvoka. Tai leidžia Euklidui išplėsti tipinį geometrinių demonstracijų metodą į šviesos reiškinių lauką.
Tačiau šių aksiomų prigimtis stipriai priklauso nuo idėjos, kad regėjimas vyksta akies skleidžiamais spinduliais: ekstremali šviesos teorija. Norint pasiekti pažangesnę regėjimo teoriją, reikėjo palaukti iki 965-ojo amžiaus su arabų Alhazeno (1039–XNUMX) teorijomis. Anot Alhazeno, akis negali „jausti“ objekto, išskyrus spindulius kuris siunčia jus ribotu greičiu; šviesa turi realiai egzistuoti, nes kai ji yra labai intensyvi, ji gali pažeisti akis ir generuoti antrinius vaizdus.
Mikroskopo išradimas
Teks palaukti iki baroko eros, kad pamatytume, kaip gims tikrasis šiuolaikinių mikroskopų pirmtakas. XVII amžius daugelyje šalių apskritai yra vaisingas laikotarpis mokslui, iš tikrųjų reikia pasakyti, kad čia įvyko tikra mokslo revoliucija su Baconu, Boyle'u, Koperniku, Leibnizu ir daugeliu kitų. Tačiau reikia pasakyti, kad mikroskopijos istorijoje nėra išskirtinės datos, kurią būtų galima palyginti su 1609 m. Galileo Galilei (1564-1642) buvo pagamintas elementariu teleskopu.
audinių gamintojai ir mikroskopai
Be to, neatsitiktinai Nyderlandai buvo tokio instrumento, kaip mikroskopas, lopšys, nes XVII amžiuje ši šalis buvo svarbi prekybos kryžkelė tekstilės sektoriui, o kartu ir keramikos bei majolikos gamybai. . Iš šių paskutinių cechų, galbūt kaip antrinis gamybos proceso produktas, greičiausiai atsirado išlydyto stiklo lašai, kurie audinių gamintojai naudojo kaip mažus didinamuosius stiklus, kad geriau kontroliuotų tekstūrą gamybos etape. Tai buvo pirmasis panaudojimas, kurį Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), iš pradžių audinių parduotuvės vadovas, pagamino iš sukietėjusių stiklo karoliukų; vėliau, tikriausiai po to, kai domėjosi gamtos mokslais, į kuriuos jis buvo iš prigimties linkęs.
Todėl Van Leeuwenhoek's gali būti laikomas pirmuoju mikroskopu, nes jis buvo specialiai sukurtas ir optimizuotas naudoti moksliniams tyrimams. Nenuostabu, kad tuo metu jis buvo minimas kaip puikus tyrinėtojas, kuris
[…] sukūrė mikroskopus, kurie gerokai pranoksta iki šiol matytus…
Tiesą sakant, Leeuwenhoek mikroskopas susideda iš vieno lęšio, pritvirtinto prie metalinės atramos su specialiu mėginių laikikliu su reguliuojamu židiniu, naudojant sraigtinį mechanizmą, ir numato dirbtinio apšvietimo naudojimą. Šie elementai, be to, nuo to momento sudaro bet kurio optinio mikroskopo pagrindus, suponuoja jau šiuolaikiško skonio gamtos reiškinių tyrimo metodiką.
Arkanų gamta
Leeuwenhoekas buvo padengtas oficialiu pripažinimu, jo laboratorijoje lankėsi akademikai ir politiniai veikėjai iš viso pasaulio (garsusis Rusijos caro Petro Didžiojo vizitas). Leeuwenhoekas mirė sulaukęs 91 metų, 26 m. rugpjūčio 1723 d., pamatęs lotynišką jo daugybės laiškų ir pranešimų rinkinį, išleistą 1722 m. pavadinimu „Arcana Naturae“.
Mokslininkų pastangos ateinančiais šimtmečiais bus visiškai skirtos galingesnių mikroskopų kūrimui ir naujai atrasto mikropasaulio sisteminimui, klasifikavimui ir kiekybiniam įvertinimui. Šia prasme anglo Roberto Hooke'o (1635–1703) indėlis yra esminis, labiau prisimenamas dėl jo elastingumo, o ne optinės mikroskopijos studijų. Hooke'as, visiškas mokslininkas, patobulino mikroskopą, aprūpindamas jį naujomis optinėmis sistemomis ir nauja apšvietimo sistema. Tai leido jam padaryti daugybę atradimų, tokių kaip kamštienos ertmės, atskirtos sienomis, kurias jis pavadino. ląstelių. Ginčydamas su Izaoku Newtonu, turbūt didžiausiu to meto mokslininku, jis palaikė šviesos bangų teorijos idėją, o ne korpuskulinę teoriją.
Mikroskopijos raida nuo XIX iki XX a.: nuo optinio mikroskopo iki elektroninio mikroskopo
Patobulinimai, palaipsniui įdiegti sudėtiniuose mikroskopuose, pastatytuose XVIII amžiuje, iš esmės buvo susiję su mechanine struktūra. Nors buvo padaryta tam tikra pažanga lęšių gamybos technologijas, optinis našumas vis dar buvo prastas. Tai lėmė ir stiklo kokybė, ir du rimti lęšių trūkumai: sferinė aberacija ir chromatinė aberacija, dėl kurios vaizdas buvo neryškus ir vaivorykštis.
Be to, kiekvienas patobulinimas visada ir tik vyko empiriniu pagrindu ir todėl jie buvo rankų darbo gaminiai. Norint ištaisyti šias aberacijas, reikia sujungti kelis lęšius, todėl tokias sistemas pavyko įgyvendinti tik XIX amžiaus viduryje.
Ernstas Abbe
Nuo to momento teorinės studijos ir technologinė pažanga ėjo koja kojon. Reprezentatyviausia šio laikotarpio figūra buvo vokietis Ernstas Abbe (1840-1905), kuris pavertė mikroskopą iš kokybinio į kiekybinį instrumentą; daugelis principų, kuriais remiasi šiuolaikinės mikroskopo optikos ir apskritai lęšių technologijos, priklauso jam; Abbe bendradarbiavo su Carl Zeiss (1816-1888) garsiosiose Jenos optikos dirbtuvėse.
Jis išvedė išraišką, pavadintą jo vardu (Abbe numeris), kad apibūdintų stiklo sklaidos galią ir susiejo mikroskopo objektyvo skiriamąją gebą kaip jo skaitmeninės diafragmos funkciją. daugelis principų, kuriais remiasi šiuolaikinės mikroskopo optikos ir apskritai lęšių technologijos, priklauso jam. Abbe bendradarbiavo su Carl Zeiss (1816-1888) garsiosiose Jenos optikos dirbtuvėse.
Augustas Kohleris
Nuo 1900 m. Jenoje dirbo Augustas Kohleris (1866-1948), kuris užsiėmė mikrofotografija ir tobulino dabar visuotinai priimtą mikroskopų apšvietimo sistemą; XIX amžiaus pabaigoje rinkoje jau egzistavo puikūs tiesūs ir apversti instrumentai.
1903 m. Richardas Zsigmondy (1865-1929) sukūrė vadinamąjį ultramikroskopą, leidžiantį tirti koloidines daleles, kurių matmenys mažesni už šviesos bangos ilgį; ir per ateinančius dešimtmečius tempas nesulėtėjo: naujų metodų, tokių kaip fazinis kontrastas, trukdžių metodai ir atspindžio mikroskopija Jie atvėrė naujas taikymo sritis, o kiti gerai žinomi metodai buvo patobulinti, pavyzdžiui, fluorescencija, kontrasto trukdžiai ir poliarizacija. radiacija.
elektroninė mikroskopija
Jau XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, kai buvo apibrėžiamos elementarios dalelės, tokios kaip elektronas, ir įvedus bangų/dalelių dualizmą, paaiškinant jų elgesį, laikai buvo subrendę, nes optinių mikroskopų erdvinės skiriamosios gebos ribos, kurias lėmė šviesos bangos ilgis. , galėtų būti pranoksta visiškai naujos perspektyvos – elektroninės mikroskopijos – kontekste. Pirmąjį elektroninį mikroskopą 1933 metais sukonstravo vokiečių fizikai Ernstas Ruska (1906-1988) ir Maxas Knollas (1897-1969). Pats Ruska po daugelio metų tuos laikus įvardins kaip vaisingą studijų ir tyrimų laikotarpį:
Po jo baigimo (1931 m.) Vokietijos ekonominė padėtis tapo labai sunki ir atrodė, kad nepavyko rasti patenkinamos pareigos universitete ar pramonėje. Todėl džiaugiausi galėdamas nemokamai tęsti savo veiklą kaip doktorantas Aukštosios įtampos institute...“ .
XX amžiaus pabaiga ir skenuojančio zondo mikroskopija
Vis dar laipsniškas kvantinės mechanikos dėsnių sisteminimas siūlo naujus sprendimus vis išsamiau ištirti mikroskopinį pasaulį, net atskleidžiant jo intymią prigimtį, t. molekules ir atomus. Kitaip nei anksčiau, devintajame dešimtmetyje kai kurios puikios idėjos buvo sukurtos kontekste, kuris jau buvo intelektualiai atviras ir, kas nėra blogai, pakankamai aprūpintas žmogiškaisiais, technologiniais ir ekonominiais ištekliais.
Džordžas Gamovas
Du vokiečių fizikai Gerd Binnig (1928) ir Heinrich Rohrer (1947 m.) kilo iš George'o Gamow (jau vadinamojo kosminio fono spinduliavimo atradėjo) idėjos apie tunelio efekto egzistavimą, suformuluotą 1933 m. 2013) sukurtas 1981 m., dirbant IBM tyrimų laboratorijose Ciuriche, pirmasis skenuojantis tunelinis mikroskopas.
Šis mikroskopas naudoja smulkios adatos zondą, kad aptiktų silpną elektros srovę tarp zondo ir tiriamo mėginio paviršiaus, kurią galima ištirti teoriškai mažesne nei atomų ir molekulių dydis. Šis atradimas savo atradėjams pelnė Nobelio fizikos premiją 1986 m.. Stebėtina, kad premija gana vėlai buvo skirta ir Enrstui Ruskai. „Už pagrindinį darbą elektroninės optikos srityje ir už pirmojo elektroninio mikroskopo dizainą“.
skenuojanti mikroskopija
Tame pačiame kontekste, tačiau remiantis elektrine jėga, kurią paviršiaus atomai veikia ant nedidelio zondo, esančio netoliese, buvo išrastas (1982 m.) Atominių jėgų mikroskopas (bendradarbiaujant pačiam Binningui), kurio kūrimas priklauso nuo bendro indėlio. kitų mokslininkų, įskaitant Calviną Quate'ą (1923–2019) ir Christophą Gerberį (1942). Šis mikroskopas leido išplėsti taikymą nuskaitymo zondo mikroskopija į plačią mėginių kategoriją, įskaitant biologinius.
Dėl plataus variantų ir pritaikymo spektro ši technika šiandien, greičiausiai, yra universaliausia paviršių tyrimams nanotechnologijų srityje. Tiesą sakant, šiandien mikroskopijomis siekiama gauti vis išsamesnės informacijos apie paviršių pobūdį, o šiuolaikiniai mikroskopai į tą patį instrumentą integruoja skirtingus metodus, pritaikytus skirtingo pobūdžio mėginiams tirti.
Nuo optikos renesanso iki nanoskopo
XX amžiaus antroje pusėje įvykęs lazerių šaltinių kūrimas reiškė naują labiau klasikinio optinio lauko raidą, iš tikrųjų galima sakyti, kad tai buvo svarbiausias atradimas optikoje po rentgeno spindulių. lazerio šviesos charakteristikos (kraštutinė koherencija, didelis intensyvumas ir vieno bangos ilgis) leidžia išvengti aberacijų ir difrakcijos reiškinių būdinga tradicinių kaitinamųjų lempų skleidžiamai šviesai.
1955 m. matematikos daktaro disertacijos proga Marvin Lee Minsky (1927–2016), vienas dirbtinio intelekto įkūrėjų, iškėlė teoriją apie konfokalinį mikroskopą – optinį instrumentą, kurio raiška ir vaizdo kokybė epochai neregėta. Kaip jis pats sako:
1956 m. užpatentavau savo konfokalinį mikroskopą, bet patentas pasibaigė anksčiau nei kas nors pastatė antrąjį. Mes net nesivarginome patentuoti ekrano ar logotipo, manydami, kad tai visiškai akivaizdūs išradimai. Atrodo, kad tai, kas akivaizdu, nėra susiję su patentu.
konfokalinis mikroskopas
Konfokalinis mikroskopas struktūriškai skiriasi nuo tradicinio fluorescencinio mikroskopo tuo, kad naudojamas lazerio šaltinis, bet visų pirma tuo, kad optiniame kelyje yra diafragma, leidžianti pašalinti signalą, sklindantį iš dalių virš ir žemiau mėginio židinio. pirmą kartą pateikiant vaizdą su trimatę informaciją. Tiesą sakant, konfokalinis mikroskopas patenka į laboratorijas tik devintojo dešimtmečio pabaigoje, kai lazerinės ir kompiuterinės technologijos tampa gana prieinamos ir pakankamai galingos. Šiuo metu tai iš esmės svarbi biomedicinos mokslinių tyrimų priemonė.
Konfokalinis mikroskopas optikos sričiai yra ne technologinis tikslas, o atspirties taškas naujų tyrimų metodų, pagrįstų lazerine technologija ir naujų fluorescencinių žymenų naudojimasTIRF (visos vidaus atspindžio fluorescencijos) mikroskopija, gyvų ląstelių vaizdavimas, konfokalinė spektrinė mikroskopija, įvairių vaizdo gavimo metodų naudojimas, morfofunkcinė analizė įskaitant FRAP (fluorescencijos atkūrimas po fotobalinimo), FRET (fluorescencinės rezonansinės energijos perdavimas), FLIM (fluorescencinis vaizdas), FCS (fluorescencinė koreliacinė spektroskopija) ir galiausiai daugiafotonų lazerių naudojimas, siekiant žymiai padidinti šviesos prasiskverbimą į mėginį. .
STED mikroskopija
Ankstyvieji šio šimtmečio metai taip pat pažymėti išradingų naujų idėjų, kurios išstūmė optinę skiriamąją gebą už šviesos prigimties nustatytų ribų, raida. Tiesą sakant, mes kalbame apie super skiriamąją gebą, pasiekiamą dėl trijų pagrindinių skirtingų metodų: lSTED mikroskopija, sukurta Stefan Hell (1962), Nobelio chemijos premija 2014 m., struktūrinė šviesos mikroskopija, kurią sukūrė Matsas Gustafssonas (1960–2011). ), ir lokalizacinė mikroskopija, kurią Harvardo laboratorijose pristatė Xiaowei Zhuang (1972), galinti vizualizuoti vieną molekulę, kurios skiriamoji geba yra 10 kartų didesnė nei tradicinės optinės mikroskopijos.
Didžiosios skiriamosios gebos metodų įdiegimas paskatino šiuolaikinius šviesos mikroskopus, kuriuos galima pagrįstai vadinti "nanoskopai". vis daugiau dialogo su elektroniniais mikroskopais, kad būtų geriau integruota morfologinė analizė. Šiandien mikroskopas yra nepakeičiamas įrankis laboratorijoje ir tapo pačiu mokslinių tyrimų simboliu.
Mikroskopijos ateitis
Mikroskopas neabejotinai buvo viena didžiausių revoliucijų mokslo istorijoje, pažymėjusi mikrobiologijos, citologijos ir ląstelių biologijos gimimą. Milžiniški šuoliai, kurių medicininiai tyrimai padarė per pastaruosius 100–150 metų, su visa, kas vėliau buvo, būtų neįsivaizduojami be mikroskopo.
Naujos technologijų ribos jau mato ryšį tarp mikroskopų gaunamos informacijos ir dirbtinio intelekto panaudojimo. Ši nauja disciplina, vadinama Gilus mokymasis, gali analizuoti vaizdus, darytus mikroskopais, ir gali radikaliai pakeisti mikroskopiją bei atverti kelią naujiems atradimams. Tačiau Matsas Gustafssonas, vienas iš super raiškos tėvų, visa tai jau suprato, kai pasakė: „Kai tarp mikroskopo ir žmogaus stebėtojo pridedamas kompiuteris, visas žaidimas pasikeičia. Tuo momentu, mikroskopas nebėra prietaisas, kuris turi generuoti tiesiogiai interpretuojamą vaizdą. Dabar tai yra informacijos įrašymo įrenginys.
Šiuo metu būtų teisėta paklausti, kiek galima nueiti tiriant ir tiriant mikroskopiją: mikroskopinis pasaulis yra beveik neišsenkantis informacijos rezervuaras: medžiaga turi struktūrinių, cheminių ir fizinių savybių, kurios atspindi pagrindinių konstantų įspaudą ir fizinių dėsnių vienalytiškumą. atsirado pirmaisiais Visatos momentais, o galimi variantai, kurių dauguma vis dar nesuvokiami, sudaro neįsivaizduojamą mūsų stebimo pasaulio įvairovę.
