" Nie ma funkcji bez anatomii ". Camillo Golgi, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny w 1906 roku, tak pisał pod koniec XIX wieku o swoich badaniach nad centralnymi i obwodowymi komórkami nerwowymi. Innymi słowy, funkcja zmienia kształt komórek, dlatego obserwacje mikroskopowe stają się niezbędne do zrozumienia jej fizjologicznych mechanizmów.
To nie przypadek, że pierwszą osobą, która zrozumiała, że nerwy składają się z zestawu kabli i nie reprezentują rodzaju kanału z miękką substancją w środku, jak w przypadku naczyń krwionośnych, był Anton Van Leeuwenhoek w 1715 roku.
Leeuwenhoek i mikroskop
Leeuwenhoeka, holenderski optyk i przyrodnik, uznawany za wynalazcę mikroskopu optycznego; dlatego też ten, który jako pierwszy zaobserwował przenikliwie i dokładnie pewne zjawiska naturalne, takie jak krążenie krwinek czerwonych w naczyniach włosowatych, istnienie męskich komórek rozrodczych, pierwsza dokładna identyfikacja blaszkowata struktura soczewki, odkrycie pierwotniaków i bakterii zwanych „małymi zwierzętami”. Oczywiście nie chodziło tylko o dostępność najlepszych ówczesnych obiektywów optycznych, które również sam zbudował.
Oto jak Leeuwenhoek napisał w liście do Royal Society of London w 1692 roku, odpowiadając na krytykę ze strony niektórych jemu współczesnych:
Wiem dobrze, Szanowni Państwo, że raporty, które od czasu do czasu piszę i wysyłam, nie zawsze są ze sobą zgodne i że można w nich znaleźć sprzeczności; przez co chcę jeszcze raz powiedzieć, że mam zwyczaj trzymać się danych, które posiadam, dopóki nie uzyskam lepszych informacji lub dopóki moje obserwacje nie zaprowadzą mnie gdzie indziej; i nigdy nie będę się wstydził zmienić mojej metody.
Tak narodziła się współczesna mikroskopia, czyli badanie przyrody w małych ilościach, które do dziś stanowi jeden z głównych środków badania współczesnych badań naukowych. Aby jednak lepiej zrozumieć narodziny i ewolucję tej nauki, musimy odwołać się do licznych intuicji i odkryć, które od pierwszych prób w starożytności kształtowały rozwój tej dyscypliny, aż po zdumiewające obserwacje współczesnej nauki.
Światło w tradycji helleńskiej i islamskiej
Chociaż mikroskop jest stosunkowo nowym wynalazkiem, badanie zjawisk świetlnych zainteresowało wiele wielkich umysłów starożytności i wywołało debaty między różnymi szkołami myślenia; Zawdzięczamy to już wielkim myślicielom, takim jak Arystoteles, czy Euklides, żyjący między IV a III wiekiem p.n.e., których pierwsze sformalizowanie mamy na piśmie jako dowód pojęcia widzenia i promieni światła. Już w III wieku pne. C. użycie słynnych płonących zwierciadeł Archimedesa zasłynęło w czasie drugiej wojny punickiej, choć nie zostało to jeszcze udowodnione historycznie.
Roma
Najbardziej udokumentowanymi przykładami w tym zakresie są te, które pochodzą ze świata rzymskiego. W rzeczywistości wykorzystywanie, jakie starożytni Rzymianie robili z mniej lub bardziej spłaszczonych szklanych kulek do skupiania promieni słonecznych i uzyskiwania ognia, było szeroko akredytowane przez długi czas. Technologia soczewek wydaje się być nawet starsza niż cywilizacja rzymska, o czym świadczą znaleziska z Knossos, które sięgają epoki brązu, okresu między 3500 a 1200 pne. C.
Pompeje
Oprócz kryształowych pryzmatów o niezwykłej precyzji i regularności (służących do rozbijania światła na kolory widma), pochodzą one również z wykopalisk starożytne pompeje małe okrągłe naczynia, lekko wypukłe, zdolne do zapewnienia wyraźnego i powiększonego obrazu. Niestety, prawie nie ma źródeł literackich, które mówią o tych przedmiotach jako o narzędziach widzenia. Został przekazany przez Pliniusza Starszego, kiedy cesarz Neron, być może krótkowzroczny, zwykł oglądać walki gladiatorów, patrząc na nie przez duży, wypolerowany szmaragd.
Ottica i Catoptrica
Wracając do Euklidesa, zauważamy, że był on autorem słynnych pięciu postulatów geometrii zawierających pojęcia punktu, prostej i płaszczyzny; Te podstawowe koncepcje zbiegły się w czasie praca Ottica e Catoptrica gdzie zawarte są elementy perspektywy, badanie odbić w zwierciadłach płaskich i sferycznych i po raz pierwszy zdefiniowano pojęcie promienia wizualnego bez struktury fizycznej. Pozwala to Euclidowi rozszerzyć typową metodę demonstracji geometrycznych na dziedzinę zjawisk świetlnych.
Natura tych aksjomatów jest jednak silnie uwarunkowana ideą, że widzenie odbywa się za pomocą promieni emitowanych przez oko: ekstremistyczna teoria światła. Aby dojść do bardziej zaawansowanej teorii widzenia, trzeba było czekać aż do X wieku, z teoriami arabskiego Alhazena (965-1039). Według Alhazena, oko nie może „wyczuć” przedmiotu inaczej niż za pomocą promieni który wysyła cię ze skończoną prędkością; światło musi istnieć, ponieważ gdy jest bardzo intensywne, może uszkodzić oczy i generować wtórne obrazy.
Wynalezienie mikroskopu
Na narodziny prawdziwego prekursora mikroskopu współczesnego trzeba będzie poczekać do epoki baroku. Wiek XVII jest w wielu krajach okresem owocnym dla nauki w ogóle, w rzeczywistości trzeba powiedzieć, że był świadkiem prawdziwej rewolucji naukowej z udziałem Bacona, Boyle'a, Kopernika, Leibniza i wielu innych. Trzeba jednak powiedzieć, że w historii mikroskopii nie ma wybitnej daty porównywalnej z 1609 rokiem, w którym Galileo Galilei (1564-1642) został wykonany za pomocą prymitywnego teleskopu.
sukienników i mikroskopów
Ponadto to nie przypadek, że Holandia była kolebką instrumentu takiego jak mikroskop, ponieważ w XVII wieku kraj ten stanowił ważne skrzyżowanie handlowe dla sektora włókienniczego, a jednocześnie dla produkcji ceramiki i majoliki . Z tych ostatnich warsztatów, być może jako produkt uboczny procesu produkcyjnego, najprawdopodobniej pochodziły krople stopionego szkła producenci tkanin używali jako małych szkieł powiększających, aby lepiej kontrolować teksturę w fazie produkcji. Było to pierwsze zastosowanie zestalonych szklanych paciorków, które Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), początkowo kierownik sklepu z tkaninami; później, prawdopodobnie po jego zainteresowaniu naukami przyrodniczymi, do których miał naturalne skłonności.
Dlatego mikroskop Van Leeuwenhoeka można uznać za pierwszy od tego czasu został specjalnie opracowany i zoptymalizowany do użytku w celach badań naukowych. Nic dziwnego, że był wówczas cytowany jako genialny badacz, który
[…] zaprojektował mikroskopy, które znacznie przewyższają te, które widziano do tej pory…
W rzeczywistości mikroskop Leeuwenhoeka składa się z pojedynczej soczewki zamontowanej na metalowym wsporniku, wyposażonej w specjalny uchwyt na próbki z regulacją ostrości za pomocą mechanizmu śrubowego i zapewnia użycie sztucznego oświetlenia. Elementy te, oprócz tego, że od tego momentu stanowią fundamenty każdego mikroskopu optycznego, zakładają metodologię badania zjawisk naturalnych o już nowoczesnym charakterze.
Arkana Natura
Leeuwenhoek został objęty oficjalnym uznaniem, jego laboratorium odwiedzali naukowcy i politycy z całego świata (słynna wizyta cara Rosji Piotra Wielkiego). Leeuwenhoek zmarł w wieku 91 lat, 26 sierpnia 1723 r., po obejrzeniu łacińskiego wydania pełnego zbioru jego licznych listów i raportów, opublikowanego w 1722 r. pod tytułem „Arcana Naturae”.
Wysiłki uczonych w następnych stuleciach będą całkowicie poświęcone budowaniu potężniejszych mikroskopów oraz systematyzowaniu, klasyfikowaniu i określaniu ilościowemu nowo odkrytego mikroświata. W tym sensie wkład Anglika Roberta Hooke'a (1635-1703) jest fundamentalny, bardziej pamiętany z jego badań nad sprężystością niż z mikroskopii optycznej. Hooke, kompletny uczony, dokonał ulepszeń w mikroskopie, wyposażając go w nowe systemy optyczne i nowy system oświetlenia. To pozwoliło mu na dokonanie szeregu odkryć, takich jak ubytki w korku oddzielone ścianami, które nazwał komórki. W polemice z Izaakiem Newtonem, prawdopodobnie największym naukowcem tamtych czasów, poparł ideę falowej teorii światła w opozycji do teorii korpuskularnej.
Ewolucja mikroskopii między XIX a XX wiekiem: od mikroskopu optycznego do mikroskopu elektronowego
Stopniowo wprowadzane udoskonalenia w mikroskopach złożonych zbudowanych w XVIII wieku dotyczyły zasadniczo konstrukcji mechanicznej. Chociaż poczyniono pewne postępy w techniki wytwarzania soczewek, wydajność optyczna była nadal słaba. Wynikało to zarówno z jakości szkła, jak i dwóch poważnych wad soczewek: aberracji sferycznej i aberracji chromatycznej, które skutkowały rozmazanymi i opalizującymi obrazami.
Ponadto każde ulepszenie zawsze i tylko odbywało się na podstawie empirycznej, a zatem Były to wyroby ręcznie robione.. Korygowanie tych aberracji wymaga sprzężenia kilku soczewek i dlatego dopiero w połowie XIX wieku można było zrealizować takie systemy.
Ernsta Abbego
Od tego momentu studia teoretyczne i postęp technologiczny szły ręka w rękę. Najbardziej reprezentatywną postacią tego okresu był niemiecki Ernst Abbe (1840-1905), który przekształcił mikroskop z jakościowego w ilościowy; wiele zasad, na których opiera się współczesna technologia optyki mikroskopowej i ogólnie soczewek, zawdzięcza jemu; Abbe współpracował z Carlem Zeissem (1816-1888) w słynnych warsztatach optycznych w Jenie.
Wyprowadził wyrażenie, które nosi jego imię (liczba Abbe), aby scharakteryzować zdolność rozpraszania szkła i powiązał rozdzielczość obiektywu mikroskopu z funkcją jego apertury numerycznej. wiele zasad, na których opiera się współczesna technologia optyki mikroskopowej i ogólnie soczewek, zawdzięcza jemu. Abbe współpracował z Carlem Zeissem (1816-1888) w słynnych warsztatach optycznych w Jenie.
Augusta Kohlera
Od 1900 r. w Jenie pracował także August Kohler (1866-1948), który zajmował się mikrofotografią i udoskonalił powszechnie przyjęty obecnie system oświetlenia mikroskopów; Pod koniec XIX wieku na rynku istniały już doskonałe instrumenty proste i odwrócone.
W 1903 roku Richard Zsigmondy (1865-1929) opracował tzw. ultramikroskop, który umożliwia badanie cząstek koloidalnych o wymiarach mniejszych niż długość fali światła; aw następnych dziesięcioleciach tempo nie zwalniało: nowe techniki, takie jak kontrast fazowy, metody interferencyjne i mikroskopia refleksyjna Otworzyły nowe obszary zastosowań, podczas gdy inne dobrze znane techniki zostały udoskonalone, takie jak fluorescencja, interferencja kontrastu i polaryzacja. promieniowanie.
mikroskopia elektronowa
Już w latach trzydziestych XX wieku, wraz z definicją cząstek elementarnych, takich jak elektron, i wprowadzeniem dualizmu falowo-cząsteczkowego w celu wyjaśnienia ich zachowania, czasy dojrzały, ponieważ ograniczenia rozdzielczości przestrzennej mikroskopów optycznych, narzucone przez długość fali światła , można było przekroczyć w kontekście zupełnie nowej perspektywy: mikroskopii elektronowej. Pierwszy mikroskop elektronowy zbudowali w 1933 roku niemieccy fizycy Ernst Ruska (1906-1988) i Max Knoll (1897-1969). Sam Ruska wiele lat później określiłby tamte czasy jako owocny okres studiów i badań:
Po ukończeniu studiów (1931) sytuacja ekonomiczna w Niemczech stała się bardzo trudna i nie wydawało się możliwe znalezienie satysfakcjonującej posady na uniwersytecie ani w przemyśle. Cieszyłem się zatem, że mogłem nieodpłatnie kontynuować swoją działalność jako doktorant w Instytucie Wysokich Napięć…” .
Koniec XX wieku i mikroskopia z sondą skanującą
To wciąż postępująca systematyzacja praw mechaniki kwantowej sugeruje nowe rozwiązania umożliwiające coraz bardziej szczegółowe badanie mikroskopijnego świata, posuwające się nawet do ujawnienia jego intymnej natury, tj. cząsteczki i atomy. W przeciwieństwie do tego, co działo się wcześniej, w latach 1980. niektóre wielkie idee rozwijały się w kontekstach, które były już intelektualnie otwarte i, co nie jest takie złe, odpowiednio wyposażone w zasoby ludzkie, technologiczne i ekonomiczne.
Jerzego Gamowa
To z pomysłu George'a Gamowa (już odkrywcy tzw. Kosmicznego Promieniowania Tła) istnienia efektu tunelowego, sformułowanego w 1928 roku, dwóch fizyków niemieckich, Gerd Binnig (1947) i Heinrich Rohrer (1933- 2013) powstał w 1981 roku podczas pracy w laboratoriach badawczych IBM w Zurychu, pierwszy skaningowy mikroskop tunelowy.
Ten mikroskop wykorzystuje sondę cienkoigłową do wykrywania słabego prądu elektrycznego między sondą a powierzchnią badanej próbki, który można badać z rozdzielczością teoretycznie mniejszą niż wielkość atomów i cząsteczek. Odkrycie to przyniosło jego odkrywcom Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 r. Jest dość niezwykłe, że nagrodę tę przyznano dość późno również Enrstowi Rusce. „Za fundamentalną pracę w dziedzinie optyki elektronowej i za zaprojektowanie pierwszego mikroskopu elektronowego”.
mikroskopia skaningowa
W tym samym kontekście, ale w oparciu o siłę elektryczną wywieraną przez atomy powierzchni na umieszczoną w pobliżu małą sondę, wynaleziono (1982) (przy współpracy samego Binninga) Mikroskop Sił Atomowych, którego stworzenie opiera się na wspólnym wkładzie innych uczonych, w tym Calvina Quate'a (1923-2019) i Christopha Gerbera (1942). Mikroskop ten umożliwił rozszerzenie zastosowania mikroskopii z sondą skaningową do szerokiej kategorii próbek, w tym próbek biologicznych.
Ze względu na szeroki wachlarz wariantów i zastosowań, technika ta jest obecnie najprawdopodobniej najbardziej wszechstronną do badania powierzchni w dziedzinie nanotechnologii. Obecnie celem mikroskopii jest uzyskiwanie coraz pełniejszych informacji na temat natury powierzchni, a nowoczesne mikroskopy integrują w tym samym urządzeniu różne techniki, aby dostosować je do badania próbek o różnym charakterze.
Od renesansu optyki do nanoskopu
Rozwój źródeł laserowych, który nastąpił w drugiej połowie XX wieku, stanowił nowy rozwój bardziej klasycznego pola optycznego, w zasadzie można powiedzieć, że stanowił najważniejsze odkrycie w optyce po promieniach rentgenowskich. pozwalają na to właściwości światła laserowego (ekstremalna spójność, wysoka intensywność i pojedyncza długość fali). uniknąć zjawisk aberracji i dyfrakcji charakterystyczne dla światła wytwarzanego przez tradycyjne żarówki.
W 1955 roku, przy okazji pracy doktorskiej z matematyki, Marvin Lee Minsky (1927-2016), jeden z twórców sztucznej inteligencji, teoretyzował na temat mikroskopu konfokalnego, instrumentu optycznego o niespotykanej dla epoki rozdzielczości i jakości obrazu. Jak sam mówi:
W 1956 roku opatentowałem swój mikroskop konfokalny, ale patent wygasł, zanim ktokolwiek zbudował drugi. Nawet nie zadaliśmy sobie trudu, aby opatentować ekran lub logo, myśląc, że to całkowicie oczywiste wynalazki. Wydaje się, że to, co oczywiste, nie ma znaczenia dla patentu.
mikroskop konfokalny
Mikroskop konfokalny różni się strukturalnie od tradycyjnego mikroskopu fluorescencyjnego zastosowaniem źródła laserowego, ale przede wszystkim obecnością diafragmy wzdłuż drogi optycznej, która pozwala na wykluczenie sygnału pochodzącego z części powyżej i poniżej ogniska próbki, a tym samym udostępnianie obrazu po raz pierwszy trójwymiarowe informacje. W rzeczywistości mikroskop konfokalny pojawia się w laboratoriach dopiero pod koniec lat 80., kiedy technologia laserowa i komputerowa stały się stosunkowo dostępne i wystarczająco wydajne. Jest to obecnie fundamentalnie ważne narzędzie w biomedycznych badaniach naukowych.
Mikroskop konfokalny stanowi dla dziedziny optyki nie cel technologiczny, ale punkt wyjścia dla rozkwitu nowych technik badawczych opartych na technologii laserowej i zastosowanie nowych znaczników fluorescencyjnych, takich jak mikroskopia TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence), obrazowanie żywych komórek, konfokalna mikroskopia spektralna, wykorzystanie różnych technik obrazowania, analiza morfofunkcjonalna w tym FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) czy wreszcie zastosowanie laserów wielofotonowych w celu uzyskania znacznego wzrostu mocy wnikania światła w próbkę .
mikroskop STED
Wczesne lata tego stulecia są również naznaczone rozwojem nowych, pomysłowych pomysłów, które przesunęły rozdzielczość optyczną poza granice narzucone przez naturę światła. W rzeczywistości mówimy o super rozdzielczości, osiągniętej dzięki trzem głównym różnym podejściem: lMikroskopia STED opracowana przez Stefana Hella (1962), Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2014 r., strukturalna mikroskopia świetlna, która swoje narodziny zawdzięcza Matsowi Gustafssonowi (1960-2011). ) oraz mikroskopia lokalizacyjna, wprowadzona w laboratoriach Harvardu przez Xiaowei Zhuanga (1972), zdolna do wizualizacji pojedynczej cząsteczki z rozdzielczością 10 razy większą niż tradycyjna mikroskopia optyczna.
Wprowadzenie technik superrozdzielczości doprowadziło do powstania nowoczesnych mikroskopów świetlnych, które można zatem rozsądnie nazwać „nanoskopy”. dialogu z mikroskopami elektronicznymi w celu lepszej integracji analiz morfologicznych. Dziś mikroskop jest niezastąpionym narzędziem w laboratorium i stał się symbolem badań naukowych.
Przyszłość mikroskopii
Mikroskop był niewątpliwie jedną z największych rewolucji w historii nauki, wyznaczającą narodziny mikrobiologii, cytologii i biologii komórki. Gigantyczne skoki, jakie dokonały się w badaniach medycznych w ciągu ostatnich 100-150 lat, wraz ze wszystkim, co nastąpiło później, byłyby nie do pomyślenia bez mikroskopu.
Nowe granice technologii już pokazują mariaż informacji wytwarzanych przez mikroskopy z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Ta nowa dyscyplina, tzw głęboki Learning, jest w stanie analizować obrazy wykonane za pomocą mikroskopów i może radykalnie zmienić mikroskopię i utorować drogę nowym odkryciom. Ale Mats Gustafsson, jeden z ojców superrozdzielczości, zdał sobie z tego sprawę, kiedy powiedział: „Gdy komputer zostanie dodany między mikroskopem a ludzkim obserwatorem, cała gra się zmieni. W tym momencie, mikroskop nie jest już urządzeniem, które musi generować bezpośrednio interpretowalny obraz. Teraz jest to urządzenie do zapisywania informacji”.
W tym miejscu uzasadnione byłoby pytanie, jak daleko można się posunąć w badaniach i studiach nad mikroskopią: mikroskopijny świat stanowi niemal niewyczerpany zasób informacji: materia posiada właściwości strukturalne, chemiczne i fizyczne, które odzwierciedlają ślad nadany przez podstawowe stałe i jednorodność praw fizycznych powstały w pierwszych chwilach Wszechświata, a możliwe warianty, z których większość wciąż pozostaje poza naszym zrozumieniem, składają się na niewyobrażalną różnorodność świata, który obserwujemy.
