" Tiada fungsi tanpa anatomi ". Camillo Golgi, Hadiah Nobel dalam Perubatan pada tahun 1906, menulis ini pada akhir abad ke-XNUMX tentang kajiannya tentang sel saraf pusat dan periferi. Dalam erti kata lain, fungsi itu membentuk semula bentuk sel, dan oleh itu pemerhatian mikroskopik menjadi penting untuk memahami mekanisme fisiologinya.
Bukan kebetulan bahawa orang pertama yang memahami bahawa saraf terdiri daripada satu set kabel dan tidak mewakili sejenis saluran dengan bahan lembut di dalamnya, seperti dalam kes saluran darah, ialah Anton Van Leeuwenhoek pada tahun 1715.
Leeuwenhoek dan mikroskop
leeuwenhoek, pakar optik dan naturalis Belanda, diiktiraf sebagai pencipta mikroskop optik; oleh itu, orang yang pertama kali memerhati, secara akut dan tepat, beberapa fenomena semula jadi seperti peredaran sel darah merah dalam kapilari, kewujudan sel kuman lelaki, pengenalan tepat pertama bagi struktur lamelar kanta, penemuan protozoa dan bakteria yang dipanggil "haiwan kecil". Jelas sekali ia bukan hanya ketersediaan kanta optik terbaik pada masa itu, yang dia juga membina sendiri.
Beginilah cara Leeuwenhoek menulis dalam surat kepada Royal Society of London pada tahun 1692, menjawab kritikan dari beberapa orang sezamannya:
Saya amat tahu, Yang Berhormat, bahawa laporan-laporan yang saya tulis dan hantar kepada tuan-tuan dari semasa ke semasa tidak selalunya bersetuju antara satu sama lain, dan percanggahan boleh didapati di dalamnya; yang mana saya ingin mengatakan sekali lagi bahawa saya mempunyai tabiat berpegang kepada data yang saya ada sehingga saya mendapat maklumat yang lebih baik atau sehingga pemerhatian saya membawa saya ke tempat lain; dan saya tidak akan pernah malu untuk mengubah kaedah saya.
Ini adalah bagaimana mikroskop moden dilahirkan, iaitu, kajian alam semula jadi dalam kuantiti yang kecil, yang masih hari ini merupakan salah satu kaedah utama penyiasatan penyelidikan saintifik moden. Tetapi untuk lebih memahami kelahiran dan evolusi sains ini, kita mesti merujuk kepada banyak intuisi dan penemuan yang dari percubaan pertama dalam Antikuiti telah membentuk perkembangan disiplin ini kepada pemerhatian sains moden yang menakjubkan.
Cahaya dalam tradisi Hellenic dan Islam
Walaupun mikroskop adalah ciptaan yang agak baru-baru ini, kajian fenomena cahaya telah menarik minat ramai pemikir besar Zaman Kuno dan telah menimbulkan perdebatan antara aliran pemikiran yang berbeza; Kita sudah berhutang budi kepada pemikir yang hebat seperti Aristotle, atau Euclid, yang hidup antara abad IV dan III SM, yang pemformalan pertamanya yang mana kita mempunyai bukti bertulis tentang konsep penglihatan dan sinar cahaya. Sudah pada abad ke-XNUMX SM. C. penggunaan cermin pembakaran terkenal Archimedes menjadi terkenal semasa Perang Punic Kedua, walaupun ia masih belum terbukti secara sejarah.
Rome
Contoh yang paling didokumenkan dalam hal ini ialah yang berasal dari dunia roman. Malah, penggunaan yang dibuat oleh orang Rom purba daripada sfera kaca yang lebih kurang rata untuk menumpukan sinaran matahari dan mendapatkan api telah diiktiraf secara meluas sejak sekian lama. Teknologi kanta nampaknya lebih tua daripada tamadun Rom, seperti yang dibuktikan oleh penemuan dari Knossos, yang bermula sejak Zaman Gangsa, tempoh antara 3500 dan 1200 SM. c.
Pompeii
Sebagai tambahan kepada prisma kristal dengan ketepatan dan keteraturan yang luar biasa (digunakan untuk memecahkan cahaya kepada warna spektrum), ia juga berasal dari penggalian pompeii purba kapal bulat kecil, sedikit cembung, mampu memberikan imej yang jelas dan diperbesarkan. Malangnya, hampir tiada sumber sastera yang bercakap tentang objek ini sebagai alat penglihatan. Ia telah diturunkan oleh Pliny the Elder apabila maharaja Nero, mungkin rabun, biasa menonton pertarungan gladiator dengan melihat mereka melalui zamrud besar yang digilap.
Ottica dan Catoptrica
Kembali kepada Euclid, kita perhatikan bahawa beliau adalah pengarang lima postulat geometri yang terkenal yang mengandungi konsep titik, garis dan satah; Konsep asas ini disatukan karya Ottica e Catoptrica di mana unsur-unsur perspektif terkandung, yang kajian tentang pantulan dalam cermin satah dan sfera dan, buat pertama kalinya, konsep sinar visual tanpa struktur fizikal ditakrifkan. Ini membolehkan Euclid memanjangkan kaedah tipikal demonstrasi geometri kepada bidang fenomena cahaya.
Sifat aksiom ini, bagaimanapun, sangat dikondisikan oleh idea bahawa penglihatan berlaku oleh sinar yang dipancarkan oleh mata: teori cahaya ekstromisif. Untuk mencapai teori penglihatan yang lebih maju, perlu menunggu sehingga abad ke-965, dengan teori Alhazen Arab (1039-XNUMX). Menurut Alhazen, mata tidak dapat "merasa" objek itu kecuali melalui sinar yang menghantar anda dengan kelajuan terhingga; cahaya mesti mempunyai kewujudan sebenar kerana apabila ia sangat sengit ia boleh merosakkan mata dan menghasilkan imej sekunder.
Penciptaan mikroskop
Ia perlu menunggu sehingga era Baroque untuk melihat kelahiran mikroskop pelopor sebenar yang moden. Abad ke-1609 adalah tempoh yang bermanfaat di banyak negara untuk sains secara amnya, malah mesti dikatakan bahawa ia menyaksikan revolusi saintifik yang benar dengan Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz dan banyak lagi. Walau bagaimanapun, mesti dikatakan bahawa dalam sejarah mikroskopi tidak ada tarikh tertunggak setanding dengan XNUMX, tahun di mana Galileo Galilei (1564-1642) telah dibuat dengan teleskop asas.
pembuat kain dan mikroskop
Tambahan pula, bukan suatu kebetulan bahawa Belanda adalah tempat lahirnya instrumen seperti mikroskop, kerana pada abad ke-XNUMX negara ini mewakili persimpangan komersial yang penting untuk sektor tekstil dan, pada masa yang sama, untuk pengeluaran seramik dan majolica. . Dari bengkel-bengkel terakhir ini, mungkin sebagai produk sekunder proses pembuatan, kemungkinan besar muncul titisan kaca cair yang pengeluar fabrik digunakan sebagai cermin mata pembesar kecil untuk mengawal tekstur dengan lebih baik semasa fasa pengeluaran. Ini adalah penggunaan pertama yang Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), pada mulanya pengurus kedai fabrik, diperbuat daripada manik kaca pepejal; kemudian, mungkin berikutan minatnya dalam sains semula jadi yang dia secara semula jadi cenderung.
Oleh itu, Van Leeuwenhoek boleh dianggap sebagai mikroskop pertama, kerana ia telah disusun dan dioptimumkan khas untuk digunakan bagi tujuan penyelidikan saintifik. Tidak menghairankan, beliau disebut pada masa itu sebagai penyelidik cemerlang yang
[…] telah mereka bentuk mikroskop yang jauh melebihi yang dilihat setakat ini…
Malah, mikroskop Leeuwenhoek terdiri daripada kanta tunggal yang dipasang pada sokongan logam yang dilengkapi dengan pemegang sampel khas dengan fokus boleh laras melalui mekanisme skru, dan menyediakan penggunaan pencahayaan buatan. Unsur-unsur ini, di samping membentuk, dari saat itu, asas mana-mana mikroskop optik, andaikan kaedah untuk mengkaji fenomena semula jadi dengan rasa yang sudah moden.
Alam Semulajadi Arcana
Leeuwenhoek diliputi dengan pengiktirafan rasmi, makmalnya dikunjungi oleh ahli akademik dan tokoh politik dari seluruh dunia (lawatan terkenal Tsar Peter the Great of Russia). Leeuwenhoek meninggal dunia pada usia 91 tahun, pada 26 Ogos 1723, selepas melihat edisi Latin koleksi lengkap pelbagai surat dan laporannya, diterbitkan pada tahun 1722 di bawah tajuk "Arcana Naturae."
Usaha para sarjana pada abad-abad berikutnya akan ditumpukan sepenuhnya untuk membina mikroskop yang lebih berkuasa dan untuk mensistematisasi, mengelaskan, dan mengukur dunia mikro yang baru ditemui. Dalam pengertian ini, sumbangan orang Inggeris Robert Hooke (1635-1703) adalah asas, lebih diingati untuk kajiannya tentang keanjalan daripada untuk mikroskop optik. Hooke, seorang sarjana yang lengkap, membuat penambahbaikan pada mikroskop, memasangkannya dengan sistem optik baharu dan sistem pencahayaan baharu. Ini membolehkannya membuat beberapa siri penemuan, seperti rongga di gabus, dipisahkan oleh dinding, yang dipanggilnya sel. Dalam kontroversi dengan Isaac Newton, mungkin saintis terhebat pada masa itu, dia menyokong idea teori gelombang cahaya yang bertentangan dengan teori korpuskular.
Evolusi mikroskop antara abad ke-XNUMX dan ke-XNUMX: dari mikroskop optik kepada mikroskop elektron
Penambahbaikan yang diperkenalkan secara beransur-ansur dalam mikroskop kompaun yang dibina pada abad ke-XNUMX pada asasnya berkaitan dengan struktur mekanikal. Walaupun beberapa kemajuan telah dicapai dalam teknik pembuatan kanta, prestasi optik masih lemah. Ini disebabkan oleh kedua-dua kualiti kaca dan dua kecacatan serius dalam kanta: penyimpangan sfera dan penyimpangan kromatik, yang mengakibatkan imej kabur dan warni.
Tambahan pula, setiap penambahbaikan sentiasa dan hanya berlaku secara empirikal dan oleh itu mereka adalah produk buatan tangan. Untuk diperbetulkan, penyimpangan ini memerlukan gandingan beberapa kanta dan, oleh itu, sistem sedemikian baru dapat direalisasikan sehingga pertengahan abad ke-XNUMX.
Ernst Abbe
Sejak saat itu, kajian teori dan kemajuan teknologi berjalan seiring. Tokoh yang paling mewakili tempoh ini ialah Ernst Abbe Jerman (1840-1905), yang menukarkan mikroskop daripada instrumen kualitatif kepada kuantitatif; banyak prinsip yang berasaskan teknologi moden optik mikroskop dan kanta secara amnya adalah disebabkan olehnya; Abbe bekerjasama dengan Carl Zeiss (1816-1888) di bengkel optik Jena yang terkenal.
Dia memperoleh ungkapan, yang membawa namanya (nombor Abbe), untuk mencirikan kuasa penyebaran kaca dan mengaitkan resolusi objektif mikroskop sebagai fungsi apertur berangkanya. banyak prinsip yang berasaskan teknologi moden optik mikroskop dan kanta secara amnya adalah disebabkan oleh beliau. Abbe bekerjasama dengan Carl Zeiss (1816-1888) di bengkel optik Jena yang terkenal.
Ogos Kohler
Dari 1900 Ogos Kohler (1866-1948) juga bekerja di Jena, yang menangani mikrofotografi dan menyempurnakan sistem pencahayaan yang diterima pakai secara universal untuk mikroskop; Pada akhir abad ke-XNUMX, instrumen lurus dan songsang yang sangat baik telah wujud di pasaran.
Pada tahun 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) membangunkan apa yang dipanggil ultramikroskop, yang membolehkan kajian zarah koloid dengan dimensi lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya; dan dalam dekad yang mengikuti rentaknya tidak perlahan: teknik baru seperti kontras fasa, kaedah gangguan dan mikroskop pantulan Mereka membuka bidang aplikasi baharu manakala teknik terkenal lain telah disempurnakan, seperti pendarfluor, gangguan kontras dan polarisasi. sinaran.
mikroskop elektron
Sudah pada tahun 30-an, dengan takrifan zarah asas seperti elektron dan pengenalan dualisme gelombang/zarah untuk menjelaskan tingkah laku mereka, masanya sudah matang kerana had pada resolusi spatial mikroskop optik, yang dikenakan oleh panjang gelombang cahaya. , boleh diatasi dalam konteks perspektif yang sama sekali baru: mikroskop elektron. Mikroskop elektron pertama dibina pada tahun 1933 oleh ahli fizik Jerman Ernst Ruska (1906-1988) dan Max Knoll (1897-1969). Ruska sendiri, bertahun-tahun kemudian, akan merujuk pada masa itu sebagai tempoh kajian dan penyelidikan yang bermanfaat:
Selepas tamat pengajiannya (1931), keadaan ekonomi di Jerman telah menjadi sangat sukar dan nampaknya tidak mungkin untuk mencari jawatan yang memuaskan di universiti atau dalam industri. Oleh itu, saya berbesar hati kerana dapat meneruskan aktiviti saya secara percuma sebagai pelajar PhD di Institut Voltan Tinggi…” .
Akhir abad ke-XNUMX dan mengimbas mikroskop probe
Ia masih merupakan pensisteman progresif undang-undang mekanik kuantum yang mencadangkan penyelesaian baharu untuk menyiasat dunia mikroskopik dengan lebih terperinci, malah lebih jauh untuk mendedahkan sifat intimnya, iaitu, molekul dan atom. Tidak seperti yang berlaku sebelum ini, pada tahun 1980-an beberapa idea hebat telah dibangunkan dalam konteks yang sudah terbuka secara intelek dan, yang tidak terlalu buruk, dikurniakan sumber manusia, teknologi dan ekonomi secukupnya.
George Gamow
Ia adalah daripada idea George Gamow (sudah menemui apa yang dipanggil Sinaran Latar Belakang Kosmik) tentang kewujudan kesan terowong, yang dirumuskan pada tahun 1928, bahawa dua ahli fizik Jerman, Gerd Binnig (1947) dan Heinrich Rohrer (1933- 2013) diilhamkan pada tahun 1981, semasa bekerja di makmal penyelidikan IBM di Zurich, mikroskop terowong pengimbasan pertama.
Mikroskop ini menggunakan probe jarum halus untuk mengesan arus elektrik yang lemah antara probe dan permukaan sampel yang sedang dikaji, yang boleh disiasat kepada resolusi yang secara teorinya lebih kecil daripada saiz atom dan molekul. Penemuan ini menjadikan penemunya Hadiah Nobel dalam Fizik 1986. Agak luar biasa bahawa hadiah itu dianugerahkan, agak lewat, kepada Enrst Ruska juga. "Untuk kerja asasnya dalam optik elektron dan untuk reka bentuk mikroskop elektron pertama".
pengimbasan mikroskop
Dalam konteks yang sama, tetapi berdasarkan daya elektrik yang dikenakan oleh atom permukaan pada probe kecil yang diletakkan berdekatan, Mikroskop Daya Atom telah dicipta (1982) (dengan kerjasama Binning sendiri), yang penciptaannya bergantung pada sumbangan bersama ulama lain, termasuk Calvin Quate (1923-2019) dan Christoph Gerber (1942). Mikroskop ini memungkinkan untuk memanjangkan penggunaan mengimbas mikroskop probe kepada kategori sampel yang luas, termasuk sampel biologi.
Oleh kerana pelbagai variasi dan aplikasinya, teknik ini hari ini, dalam semua kemungkinan, yang paling serba boleh untuk kajian permukaan dalam bidang nanoteknologi. Hari ini, sebenarnya, mikroskop bertujuan untuk mendapatkan maklumat yang lebih dan lebih lengkap tentang sifat permukaan dan mikroskop moden mengintegrasikan, dalam instrumen yang sama, teknik yang berbeza untuk menyesuaikan diri dengan kajian sampel yang berbeza sifat.
Dari kebangkitan optik kepada nanoskop
Perkembangan sumber laser yang berlaku pada separuh kedua abad ke-XNUMX mewakili perkembangan baru bidang optik yang lebih klasik, malah boleh dikatakan bahawa ia merupakan penemuan terpenting dalam optik selepas sinar-X. ciri-ciri cahaya laser (koheren melampau, keamatan tinggi dan panjang gelombang tunggal) membenarkan elakkan fenomena penyelewengan dan pembelauan ciri cahaya yang dihasilkan oleh lampu pijar tradisional.
Pada tahun 1955, sempena tesis kedoktorannya dalam matematik, Marvin Lee Minsky (1927-2016), salah seorang pengasas kecerdasan buatan, berteori tentang mikroskop confocal, alat optik dengan resolusi dan kualiti imej yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk zaman. Sebagaimana dia sendiri berkata:
Pada tahun 1956, saya mempatenkan mikroskop confocal saya, tetapi paten itu tamat tempoh sebelum sesiapa membina mikroskop kedua. Kami tidak peduli untuk mempatenkan skrin atau logo, menganggap ia adalah ciptaan yang jelas. Nampaknya yang jelas tidak relevan dengan paten.
mikroskop confocal
Mikroskop confocal berbeza secara struktur daripada mikroskop pendarfluor tradisional dengan penggunaan sumber laser tetapi di atas semua dengan kehadiran diafragma di sepanjang laluan optik yang membolehkan untuk mengecualikan isyarat yang datang dari bahagian di atas dan di bawah fokus sampel, oleh itu. menyediakan imej buat kali pertama dengan maklumat tiga dimensi. Pada hakikatnya, mikroskop confocal memasuki makmal hanya pada akhir 80-an apabila teknologi laser dan komputer menjadi agak mudah diakses dan cukup kuat. Ia kini merupakan alat asas yang penting dalam penyelidikan saintifik bioperubatan.
Mikroskop confocal mewakili, untuk bidang optik, bukan matlamat teknologi tetapi titik permulaan untuk berkembangnya teknik penyelidikan baru berdasarkan teknologi laser dan penggunaan penanda pendarfluor baharu, seperti mikroskop TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), Pengimejan Sel Langsung, mikroskop spektrum confocal, penggunaan teknik pengimejan yang berbeza, analisis morfofungsi termasuk FRAP (Pemulihan Pendarfluor Selepas Photobleaching), FRET (Pemindahan Tenaga Resonan Pendarfluor), FLIM (Pengimejan Sepanjang Hayat Pendarfluor), FCS (Spektroskopi Korelasi Pendarfluor) dan akhir sekali penggunaan laser multifoton untuk mendapatkan peningkatan ketara dalam penembusan kuasa cahaya ke dalam sampel .
Mikroskopi STED
Tahun-tahun awal abad ini juga ditandai dengan perkembangan idea-idea baru yang bijak yang telah mendorong resolusi optik melebihi had yang dikenakan oleh sifat cahaya. Malah, kita bercakap tentang resolusi super, yang dicapai berkat tiga pendekatan berbeza utama: lMikroskopi STED dibangunkan oleh Stefan Hell (1962), Hadiah Nobel dalam Kimia pada 2014, mikroskop cahaya berstruktur yang berhutang kelahirannya kepada Mats Gustafsson (1960-2011). ), dan mikroskop penyetempatan, yang diperkenalkan di makmal Harvard oleh Xiaowei Zhuang (1972), mampu menggambarkan molekul tunggal dengan resolusi 10 kali lebih besar daripada mikroskop optik tradisional.
Pengenalan teknik resolusi super membawa kepada mikroskop cahaya moden, yang oleh itu boleh dipanggil secara munasabah "nanoskop". dialog semakin banyak dengan mikroskop elektronik untuk penyepaduan analisis morfologi yang lebih baik. Hari ini, mikroskop adalah alat yang tidak boleh ditukar ganti di makmal dan telah menjadi simbol penyelidikan saintifik.
Masa depan mikroskop
Mikroskop tidak diragukan lagi merupakan salah satu revolusi terbesar dalam sejarah sains, menandakan kelahiran mikrobiologi, sitologi, dan biologi sel. Lompatan gergasi yang telah diambil oleh penyelidikan perubatan dalam 100-150 tahun yang lalu, dengan semua yang telah diikuti, tidak dapat difikirkan tanpa mikroskop.
Sempadan baru teknologi sudah melihat perkahwinan antara maklumat yang dihasilkan oleh mikroskop dan penggunaan kecerdasan buatan. Disiplin baru ini, dipanggil Pembelajaran Deep, mampu menganalisis imej yang diambil dengan mikroskop dan boleh mengubah mikroskopi secara radikal dan membuka jalan untuk penemuan baharu. Tetapi Mats Gustafsson, salah seorang bapa resolusi super, telah menyedari semua ini apabila dia berkata: "Sebaik sahaja komputer ditambah antara mikroskop dan pemerhati manusia, keseluruhan permainan berubah. Pada ketika itu, mikroskop bukan lagi peranti yang mesti menghasilkan imej yang boleh ditafsir secara langsung. Kini ia adalah peranti untuk merekod maklumat.”
Pada ketika ini, adalah sah untuk bertanya sejauh mana penyiasatan dan kajian mikroskopi boleh dilakukan: dunia mikroskopik membentuk takungan maklumat yang hampir tidak habis-habis: jirim mempunyai sifat struktur, kimia dan fizikal yang mencerminkan kesan yang diberikan oleh pemalar asas dan kehomogenan undang-undang fizik timbul pada saat-saat pertama Alam Semesta dan kemungkinan variasi, yang kebanyakannya masih di luar pemahaman kita, membentuk kepelbagaian dunia yang tidak dapat dibayangkan yang kita perhatikan.
