" Er is geen functie zonder anatomie ". Camillo Golgi, Nobelprijs voor de geneeskunde in 1906, schreef dit eind XNUMXe eeuw over zijn onderzoek naar centrale en perifere zenuwcellen. Met andere woorden, de functie hervormt de vorm van cellen, en daarom worden microscopische waarnemingen essentieel om de fysiologische mechanismen ervan te begrijpen.
Het is geen toeval dat Anton Van Leeuwenhoek in 1715 de eerste was die begreep dat zenuwen uit een stel kabels bestaan en niet een soort kanaal vertegenwoordigen met een zachte substantie erin, zoals in het geval van bloedvaten.
Leeuwenhoek en de microscoop
leeuwenhoek, Nederlandse opticien en natuuronderzoeker, wordt gezien als de uitvinder van de optische microscoop; daarom degene die als eerste acuut en nauwkeurig enkele natuurlijke fenomenen waarnam, zoals de circulatie van rode bloedcellen in de haarvaten, het bestaan van mannelijke geslachtscellen, de eerste exacte identificatie van de lamellaire structuur van de lens, de ontdekking van protozoa en bacteriën die "kleine dieren" worden genoemd. Uiteraard was het niet alleen de beschikbaarheid van de beste optische lenzen van die tijd, die hij ook zelf bouwde.
Zo schreef Leeuwenhoek in 1692 in een brief aan de Royal Society of London, als reactie op kritiek van enkele van zijn tijdgenoten:
Ik weet heel goed, geachte heren, dat de rapporten die ik schrijf en u van tijd tot tijd stuur, niet altijd met elkaar overeenkomen en dat er tegenstrijdigheden in kunnen voorkomen; waarmee ik nogmaals wil zeggen dat ik de gewoonte heb om bij de gegevens te blijven die ik heb totdat ik beter geïnformeerd ben of totdat mijn waarnemingen me ergens anders toe leiden; en ik zal me nooit schamen om mijn methode te veranderen.
Zo ontstond de moderne microscopie, dat wil zeggen, de studie van de natuur in kleine hoeveelheden, die nog steeds een van de belangrijkste onderzoeksmethoden van modern wetenschappelijk onderzoek vormt. Maar om de geboorte en evolutie van deze wetenschap beter te begrijpen, moeten we verwijzen naar de talrijke intuïties en ontdekkingen die vanaf de eerste pogingen in de oudheid de ontwikkeling van deze discipline hebben gevormd tot de verbazingwekkende observaties van de moderne wetenschap.
Licht in de Helleense en Islamitische traditie
Hoewel de microscoop een relatief recente uitvinding is, heeft de studie van lichtverschijnselen veel van de grote geesten uit de oudheid geïnteresseerd en aanleiding gegeven tot debatten tussen verschillende stromingen; We zijn het al verschuldigd aan grote denkers zoals Aristoteles of Euclides, die leefden tussen de IVe en IIIe eeuw voor Christus, wiens eerste formalisering waarvan we schriftelijk bewijs hebben van het concept van visie en lichtstralen. Al in de XNUMXe eeuw voor Christus. C. het gebruik van de beroemde brandende spiegels van Archimedes werd beroemd tijdens de Tweede Punische Oorlog, hoewel het historisch nog niet is bewezen.
Rome
De meest gedocumenteerde voorbeelden in dit opzicht zijn die komen uit de romeinse wereld. In feite is het gebruik dat de oude Romeinen maakten van min of meer afgeplatte glazen bollen om de zonnestralen te concentreren en vuur te verkrijgen al lange tijd alom erkend. Lenstechnologie lijkt zelfs ouder te zijn dan de Romeinse beschaving, zoals blijkt uit de vondsten uit Knossos, die dateren uit de Bronstijd, een periode tussen 3500 en 1200 voor Christus. C.
Pompeii
Naast kristallen prisma's van buitengewone precisie en regelmaat (gebruikt om licht te breken in de kleuren van het spectrum), zijn ze ook afkomstig van de opgravingen van oude Pompei kleine ronde vaten, enigszins convex, die een helder en vergroot beeld kunnen geven. Helaas zijn er bijna geen literaire bronnen die over deze objecten spreken als visuele hulpmiddelen. Het werd overgeleverd door Plinius de Oudere toen keizer Nero, misschien bijziend, gladiatorengevechten bekeek door ernaar te kijken door een grote gepolijste smaragd.
Ottica en Catoptrica
Terugkerend naar Euclides, merken we op dat hij de auteur was van de beroemde vijf postulaten van geometrie die de concepten punt, lijn en vlak bevatten; Deze fundamentele concepten kwamen samen in het werk Ottica e Catoptrica waar elementen van perspectief zijn opgenomen, de studie van reflectie in vlakke en sferische spiegels en voor het eerst wordt het concept van visuele straal zonder fysieke structuur gedefinieerd. Hierdoor kan Euclid de typische methode van geometrische demonstraties uitbreiden naar het gebied van lichtverschijnselen.
De aard van deze axioma's wordt echter sterk bepaald door het idee dat visie plaatsvindt door stralen die door het oog worden uitgezonden: de extromisieve theorie van licht. Om tot een meer geavanceerde visietheorie te komen, moest worden gewacht tot de 965e eeuw, met de theorieën van de Arabier Alhazen (1039-XNUMX). Volgens Alhazen, het oog kan het object niet "voelen" behalve door middel van stralen die je met een eindige snelheid stuurt; het licht moet echt bestaan, want als het erg intens is, kan het de ogen beschadigen en secundaire beelden genereren.
De uitvinding van de microscoop
Het zal nodig zijn om te wachten tot het baroktijdperk om de geboorte van de echte voorlopermicroscoop van de moderne te zien. De 1609e eeuw is in veel landen een vruchtbare periode voor de wetenschap in het algemeen, in feite moet gezegd worden dat er een ware wetenschappelijke revolutie plaatsvond met Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz en vele anderen. Het moet echter gezegd worden dat er in de geschiedenis van de microscopie geen uitstaande datum is die vergelijkbaar is met XNUMX, het jaar waarin Galileo Galilei (1564-1642) is gemaakt met een rudimentaire telescoop.
stoffenmakers en microscopen
Het is bovendien geen toeval dat Nederland de bakermat was van een instrument als de microscoop, aangezien dit land in de XNUMXe eeuw een belangrijk handelsknooppunt vormde voor de textielsector en tegelijkertijd voor de productie van keramiek en majolica. . Uit deze laatste werkplaatsen, misschien als secundair product van het fabricageproces, kwamen naar alle waarschijnlijkheid de druppels gesmolten glas dat stoffenproducenten gebruikten als kleine vergrootglazen om de textuur beter te beheersen tijdens de productiefase. Dit was het eerste gebruik dat Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), aanvankelijk een stoffenwinkelmanager, maakte van gestolde glaskralen; later, waarschijnlijk als gevolg van zijn interesse in de natuurwetenschappen waartoe hij van nature geneigd was.
Daarom kan Van Leeuwenhoek's worden beschouwd als de eerste microscoop, aangezien het is speciaal ontworpen en geoptimaliseerd voor gebruik voor wetenschappelijke onderzoeksdoeleinden. Het is niet verrassend dat hij destijds werd genoemd als de briljante onderzoeker die
[…] heeft microscopen ontworpen die veel verder gaan dan de tot nu toe geziene...
De microscoop van Leeuwenhoek bestaat in feite uit een enkele lens gemonteerd op een metalen steun voorzien van een speciale monsterhouder met instelbare focus door middel van een schroefmechanisme, en voorziet in het gebruik van kunstlicht. Deze elementen vormen vanaf dat moment niet alleen de basis van elke optische microscoop, veronderstellen een methodologie voor de studie van natuurlijke fenomenen met een toch al moderne smaak.
Arcana-natuur
Leeuwenhoek kreeg officiële erkenning, zijn laboratorium werd bezocht door academici en politieke figuren uit de hele wereld (het beroemde bezoek van tsaar Peter de Grote van Rusland). Leeuwenhoek stierf op 91-jarige leeftijd, op 26 augustus 1723, nadat hij de Latijnse editie had gezien van de volledige verzameling van zijn vele brieven en rapporten, gepubliceerd in 1722 onder de titel "Arcana Naturae".
De inspanningen van geleerden in de volgende eeuwen zullen volledig gewijd zijn aan het bouwen van krachtigere microscopen en aan het systematiseren, classificeren en kwantificeren van de nieuw ontdekte microwereld. In die zin is de bijdrage van de Engelsman Robert Hooke (1635-1703) fundamenteel, meer herinnerd voor zijn studies over elasticiteit dan voor die van optische microscopie. Hooke, een complete geleerde, bracht verbeteringen aan de microscoop aan door hem uit te rusten met nieuwe optische systemen en een nieuw verlichtingssysteem. Hierdoor kon hij een reeks ontdekkingen doen, zoals de holtes in de kurk, gescheiden door muren, die hij noemde cellen. In controverse met Isaac Newton, waarschijnlijk de grootste wetenschapper van die tijd, steunde hij het idee van een golftheorie van licht in tegenstelling tot de corpusculaire theorie.
De evolutie van microscopie tussen de XNUMXe en XNUMXe eeuw: van de optische microscoop naar de elektronenmicroscoop
De verbeteringen die geleidelijk werden aangebracht in de samengestelde microscopen die in de XNUMXe eeuw werden gebouwd, hadden voornamelijk betrekking op de mechanische structuur. Hoewel er enige vooruitgang was geboekt in de technieken voor het vervaardigen van lenzen, waren de optische prestaties nog steeds slecht. Dit kwam zowel door de kwaliteit van het glas als door twee ernstige gebreken in de lenzen: sferische aberratie en chromatische aberratie, wat resulteerde in wazige en iriserende beelden.
Bovendien vond elke verbetering altijd en alleen plaats op empirische basis en dus Het waren handgemaakte producten.. Om te worden gecorrigeerd, vereisen deze aberraties de koppeling van meerdere lenzen en daarom duurde het tot het midden van de XNUMXe eeuw voordat dergelijke systemen konden worden gerealiseerd.
Ernst Abbe
Vanaf dat moment gingen theoretische studies en technologische vooruitgang hand in hand. De meest representatieve figuur van deze periode was de Duitser Ernst Abbe (1840-1905), die transformeerde de microscoop van een kwalitatief naar een kwantitatief instrument; veel van de principes waarop de moderne technologie van microscoopoptica en lenzen in het algemeen is gebaseerd, zijn aan hem te danken; Abbe werkte samen met Carl Zeiss (1816-1888) in de beroemde optiekateliers van Jena.
Hij leidde de uitdrukking af, die zijn naam draagt (Abbe-getal), om de verstrooiingskracht van glas te karakteriseren en relateerde de resolutie van een microscoopobjectief als een functie van zijn numerieke apertuur. veel van de principes waarop de moderne technologie van microscoopoptica en lenzen in het algemeen is gebaseerd, zijn aan hem te danken. Abbe werkte samen met Carl Zeiss (1816-1888) in de beroemde optiekateliers van Jena.
Augustus Kohler
Vanaf 1900 werkte August Kohler (1866-1948) ook in Jena, waar hij zich bezighield met microfotografie en een inmiddels algemeen aanvaard verlichtingssysteem voor microscopen perfectioneerde; Aan het einde van de XNUMXe eeuw waren er al uitstekende rechte en omgekeerde instrumenten op de markt.
In 1903 ontwikkelde Richard Zsigmondy (1865-1929) de zogenaamde ultramicroscoop, waarmee colloïdale deeltjes met afmetingen kleiner dan de golflengte van licht kunnen worden bestudeerd; en in de decennia die volgden, vertraagde het tempo niet: nieuwe technieken zoals fasecontrast, interferentiemethoden en reflectiemicroscopie Ze openden nieuwe toepassingsgebieden terwijl andere bekende technieken werden geperfectioneerd, zoals fluorescentie, contrastinterferentie en polarisatie. straling.
elektronenmicroscopie
Al in de jaren dertig, met de definitie van elementaire deeltjes zoals het elektron en de introductie van het golf/deeltje-dualisme om hun gedrag te verklaren, waren de tijden rijp omdat de grenzen aan de ruimtelijke resolutie van optische microscopen, opgelegd door de golflengte van licht , zou kunnen worden overtroffen in de context van een geheel nieuw perspectief: elektronenmicroscopie. De eerste elektronenmicroscoop werd in 1933 gebouwd door de Duitse natuurkundigen Ernst Ruska (1906-1988) en Max Knoll (1897-1969). Ruska zelf zou vele jaren later naar die tijd verwijzen als een vruchtbare periode van studie en onderzoek:
Na zijn afstuderen (1931) was de economische situatie in Duitsland erg moeilijk geworden en leek het niet mogelijk een bevredigende baan te vinden aan de universiteit of in het bedrijfsleven. Ik was dan ook verheugd dat ik mijn activiteit als doctoraatsstudent aan het High Voltage Institute kosteloos kon voortzetten…” .
Eind XNUMXe eeuw en scanning probe microscopie
Het is nog steeds de voortschrijdende systematisering van de wetten van de kwantummechanica die nieuwe oplossingen aandraagt om de microscopische wereld steeds gedetailleerder te onderzoeken, en zelfs zo ver gaat dat de intieme aard ervan wordt onthuld, dat wil zeggen: moleculen en atomen. In tegenstelling tot wat eerder gebeurde, werden in de jaren tachtig enkele geweldige ideeën ontwikkeld in contexten die al intellectueel open waren en, wat niet zo erg is, voldoende bedeeld met menselijke, technologische en economische middelen.
George Gamow
Het is vanuit het idee van George Gamow (reeds ontdekker van de zogenaamde kosmische achtergrondstraling) van het bestaan van het tunneleffect, geformuleerd in 1928, dat twee Duitse natuurkundigen, Gerd Binnig (1947) en Heinrich Rohrer (1933- 2013) bedacht in 1981, tijdens zijn werk in de IBM-onderzoekslaboratoria in Zürich, de eerste scanning tunneling-microscoop.
Deze microscoop gebruikt een fijne naaldsonde om een zwakke elektrische stroom tussen de sonde en het oppervlak van het bestudeerde monster te detecteren, die kan worden onderzocht tot een resolutie die theoretisch kleiner is dan de grootte van atomen en moleculen. Deze ontdekking leverde de ontdekkers de Nobelprijs voor de natuurkunde op in 1986. Het is nogal opmerkelijk dat de prijs vrij laat ook aan Enrst Ruska werd toegekend. "Voor zijn fundamentele werk in elektronenoptica en voor het ontwerp van de eerste elektronenmicroscoop".
scanning microscopie
In dezelfde context, maar gebaseerd op de elektrische kracht die wordt uitgeoefend door de atomen van een oppervlak op een kleine sonde die in de buurt is geplaatst, werd de Atomic Force Microscope uitgevonden (1982) (met medewerking van Binning zelf), wiens creatie berust op de gezamenlijke bijdrage van andere geleerden, waaronder Calvin Quate (1923-2019) en Christoph Gerber (1942). Deze microscoop maakte het mogelijk om de toepassing van scanning-sondemicroscopie tot een brede categorie monsters, inclusief biologische monsters.
Vanwege het brede scala aan varianten en toepassingen is deze techniek tegenwoordig naar alle waarschijnlijkheid de meest veelzijdige voor de studie van oppervlakken op het gebied van nanotechnologie. Tegenwoordig hebben microscopies tot doel om steeds meer volledige informatie over de aard van oppervlakken te verkrijgen en moderne microscopen integreren in hetzelfde instrument verschillende technieken om zich aan te passen aan de studie van monsters van verschillende aard.
Van de renaissance van de optica tot de nanoscoop
De ontwikkeling van laserbronnen die plaatsvond in de tweede helft van de XNUMXe eeuw vertegenwoordigde een nieuwe ontwikkeling van een meer klassiek optisch veld, in feite kan worden gezegd dat het de belangrijkste ontdekking in de optica vormde na die van röntgenstralen. kenmerken van laserlicht (extreme coherentie, hoge intensiteit en enkele golflengte) mogelijk maken vermijd fenomenen van aberraties en diffracties karakteristiek voor het licht dat wordt geproduceerd door traditionele gloeilampen.
In 1955, ter gelegenheid van zijn proefschrift in de wiskunde, theoretiseerde Marvin Lee Minsky (1927-2016), een van de grondleggers van kunstmatige intelligentie, over de confocale microscoop, een optisch instrument met een ongekende resolutie en beeldkwaliteit voor een tijdperk. Zoals hij zelf zegt:
In 1956 patenteerde ik mijn confocale microscoop, maar het patent liep af voordat iemand een tweede bouwde. We namen niet eens de moeite om het scherm of het logo te patenteren, omdat we dachten dat het volkomen voor de hand liggende uitvindingen waren. Het lijkt erop dat het voor de hand liggende niet relevant is voor het octrooi.
confocale microscoop
Een confocale microscoop verschilt structureel van de traditionele fluorescentiemicroscoop door het gebruik van de laserbron, maar vooral door de aanwezigheid van een diafragma langs het optische pad dat het mogelijk maakt om het signaal uit te sluiten dat afkomstig is van de delen boven en onder de focus van het monster, dus voor het eerst een beeld geven driedimensionale informatie. In werkelijkheid komt de confocale microscoop pas eind jaren tachtig in laboratoria terecht, wanneer laser- en computertechnologie relatief toegankelijk en krachtig genoeg worden. Het is momenteel een fundamenteel belangrijk instrument in biomedisch wetenschappelijk onderzoek.
De confocale microscoop vertegenwoordigt voor het vakgebied van de optica geen technologisch doel maar een startpunt voor de bloei van nieuwe onderzoekstechnieken gebaseerd op lasertechnologie en de gebruik van nieuwe fluorescerende markers, zoals TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) microscopie, Live Cell Imaging, confocale spectraalmicroscopie, het gebruik van verschillende beeldvormende technieken, morfofunctionele analyse inclusief FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) en ten slotte het gebruik van multifoton-lasers om een significante toename van de krachtpenetratie van licht in het monster te verkrijgen .
STED-microscopie
De eerste jaren van deze eeuw worden ook gekenmerkt door de ontwikkeling van ingenieuze nieuwe ideeën die de optische resolutie voorbij de grenzen van de aard van het licht hebben geduwd. In feite hebben we het over superresolutie, bereikt dankzij drie verschillende benaderingen: lSTED-microscopie ontwikkeld door Stefan Hell (1962), Nobelprijs voor scheikunde in 2014, gestructureerde lichtmicroscopie die zijn geboorte te danken heeft aan Mats Gustafsson (1960-2011). ), en lokalisatiemicroscopie, geïntroduceerd in de laboratoria van Harvard door Xiaowei Zhuang (1972), in staat om een enkel molecuul te visualiseren met een resolutie die 10 keer groter is dan die van traditionele optische microscopie.
De introductie van superresolutietechnieken leidde tot moderne lichtmicroscopen, die dus redelijk te noemen zijn "nanoscopen". meer en meer in dialoog met elektronische microscopen voor een betere integratie van morfologische analyses. Tegenwoordig is de microscoop een onmisbaar instrument in het laboratorium en het symbool geworden van wetenschappelijk onderzoek.
De toekomst van microscopie
De microscoop was ongetwijfeld een van de grootste revoluties in de geschiedenis van de wetenschap en markeerde de geboorte van microbiologie, cytologie en celbiologie. De gigantische sprongen die het medisch onderzoek de afgelopen 100-150 jaar heeft gemaakt, met alles wat erop volgde, zouden ondenkbaar zijn geweest zonder de microscoop.
De nieuwe grenzen van technologie zien al het huwelijk tussen de informatie geproduceerd door microscopen en het gebruik van kunstmatige intelligentie. Deze nieuwe discipline, genaamd Diepe leren, is in staat om met microscopen gemaakte beelden te analyseren en kan microscopie radicaal veranderen en de weg vrijmaken voor nieuwe ontdekkingen. Maar Mats Gustafsson, een van de grondleggers van superresolutie, had dit allemaal al gerealiseerd toen hij zei: “Als er eenmaal een computer tussen de microscoop en de menselijke waarnemer is geplaatst, verandert het hele spel. Op dat moment, een microscoop is niet langer een apparaat dat een direct interpreteerbaar beeld moet genereren. Nu is het een apparaat om informatie vast te leggen.”
Op dit punt zou het legitiem zijn om te vragen hoe ver het mogelijk is om te gaan in het onderzoek en de studie van microscopie: de microscopische wereld vormt een bijna onuitputtelijk reservoir van informatie: materie bezit structurele, chemische en fysische eigenschappen die de afdruk weerspiegelen die wordt gegeven door de fundamentele constanten en de homogeniteit van fysische wetten ontstond in de eerste momenten van het heelal en de mogelijke varianten, waarvan de meeste nog steeds ons bevattingsvermogen te boven gaan, vormen de onvoorstelbare verscheidenheid van de wereld die we waarnemen.
