" Não há função sem anatomia ". Camillo Golgi, Prêmio Nobel de Medicina em 1906, escreveu isso no final do século XNUMX sobre seus estudos sobre células nervosas centrais e periféricas. Em outras palavras, a função remodela a forma das células e, portanto, as observações microscópicas tornam-se essenciais para entender seus mecanismos fisiológicos.
Não é por acaso que o primeiro a entender que os nervos são formados por um conjunto de cabos e não representam uma espécie de canal com uma substância mole em seu interior, como no caso dos vasos sanguíneos, foi Anton Van Leeuwenhoek em 1715.
Leeuwenhoek e o microscópio
leeuwenhoek, oculista e naturalista holandês, é reconhecido como o inventor do microscópio óptico; portanto, aquele que foi o primeiro a observar, com agudeza e precisão, alguns fenômenos naturais como a circulação de glóbulos vermelhos nos capilares, a existência de células germinativas masculinas, a primeira identificação exata de a estrutura lamelar da lente, a descoberta de protozoários e bactérias chamados de “pequenos animais”. Obviamente não era apenas a disponibilidade das melhores lentes óticas da época, que ele mesmo construía.
Foi assim que Leeuwenhoek escreveu em uma carta à Royal Society de Londres em 1692, respondendo às críticas de alguns de seus contemporâneos:
Eu sei muito bem, Senhores Senhores, que os relatórios que escrevo e lhes envio de tempos em tempos nem sempre concordam entre si, e que neles podem ser encontradas contradições; pelo que quero dizer mais uma vez que tenho o hábito de me ater aos dados que tenho até estar melhor informado ou até que minhas observações me levem a outro lugar; e nunca terei vergonha de mudar meu método.
Assim nasceu a microscopia moderna, ou seja, o estudo da natureza em pequenas quantidades, que ainda hoje constitui um dos principais meios de investigação da pesquisa científica moderna. Mas para entender melhor o nascimento e a evolução desta ciência, devemos nos referir às inúmeras intuições e descobertas que desde as primeiras tentativas na Antiguidade moldaram o desenvolvimento desta disciplina até as surpreendentes observações da ciência moderna.
Luz na tradição helênica e islâmica
Embora o microscópio seja uma invenção relativamente recente, o estudo dos fenômenos luminosos interessou muitas das grandes mentes da Antiguidade e deu origem a debates entre diferentes escolas de pensamento; Já o devemos a grandes pensadores como Aristóteles, ou Euclides, que viveu entre os séculos IV e III aC, cuja primeira formalização da qual temos evidências escritas do conceito de visão e raios de luz. Já no século III aC. C. o uso dos famosos espelhos ardentes de Arquimedes tornou-se famoso durante a Segunda Guerra Púnica, embora ainda não tenha sido comprovado historicamente.
Roma
Os exemplos mais documentados a esse respeito são aqueles que vem do mundo romano. De fato, o uso que os antigos romanos faziam de esferas de vidro mais ou menos achatadas para concentrar os raios solares e obter fogo é amplamente aceito há muito tempo. A tecnologia das lentes parece ser ainda mais antiga que a civilização romana, como evidenciado pelos achados de Knossos, que datam da Idade do Bronze, período entre 3500 e 1200 aC. c.
Pompéia
Além de prismas de cristal de extraordinária precisão e regularidade (usados para quebrar a luz nas cores do espectro), eles também vêm das escavações de antiga pompéia pequenos vasos redondos, ligeiramente convexos, capazes de fornecer uma imagem nítida e ampliada. Infelizmente, quase não existem fontes literárias que falem desses objetos como ferramentas de visão. Foi transmitida por Plínio, o Velho, quando o imperador Nero, talvez míope, costumava assistir às lutas de gladiadores olhando-as através de uma grande esmeralda polida.
Otica e Catoptrica
Voltando a Euclides, notamos que ele foi o autor dos famosos cinco postulados da geometria que contêm os conceitos de ponto, linha e plano; Esses conceitos fundamentais se juntaram em a obra Otica e Catoptrica onde elementos de perspectiva estão contidos, o estudo da reflexão em espelhos planos e esféricos e, pela primeira vez, é definido o conceito de raio visual sem estrutura física. Isso permite a Euclides estender o método típico de demonstrações geométricas ao campo dos fenômenos luminosos.
A natureza desses axiomas, no entanto, é fortemente condicionada pela ideia de que a visão se dá por raios emitidos pelo olho: a teoria extromisiva da luz. Para chegar a uma teoria da visão mais avançada, foi preciso esperar até o século X, com as teorias do árabe Alhazen (965-1039). Segundo Alhazen, o olho não pode "sentir" o objeto, exceto por meio de raios que o envia com uma velocidade finita; a luz deve ter uma existência real porque quando é muito intensa pode prejudicar os olhos e gerar imagens secundárias.
A invenção do microscópio
Será preciso esperar até a época barroca para ver nascer o verdadeiro microscópio precursor dos modernos. O século XVII é um período frutífero em muitos países para a ciência em geral, de fato, deve-se dizer que ele viu uma verdadeira revolução científica com Bacon, Boyle, Copérnico, Leibniz e muitos outros. No entanto, deve-se dizer que na história da microscopia não há data marcante comparável a 1609, ano em que Galileo Galilei (1564-1642) foi feito com um telescópio rudimentar.
fabricantes de tecidos e microscópios
Além disso, não é por acaso que a Holanda foi o berço de um instrumento como o microscópio, já que no século XVII este país representava uma importante encruzilhada comercial para o setor têxtil e, ao mesmo tempo, para a produção de cerâmica e majólica . Destas últimas oficinas, talvez como produto secundário do processo de fabricação, muito provavelmente saíram as gotas de vidro fundido que produtores de tecido usados como pequenas lupas para controlar melhor a textura durante a fase de produção. Este foi o primeiro uso que Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), inicialmente um gerente de loja de tecidos, fez de contas de vidro solidificadas; mais tarde, provavelmente seguindo seu interesse pelas ciências naturais às quais ele estava naturalmente inclinado.
Portanto, o de Van Leeuwenhoek pode ser considerado o primeiro microscópio, pois foi especialmente concebido e otimizado para uso em pesquisas científicas. Não surpreendentemente, ele foi citado na época como o brilhante pesquisador que
[…] projetou microscópios que excedem em muito os vistos até agora…
Na verdade, o microscópio de Leeuwenhoek consiste em uma única lente montada em um suporte de metal equipado com um porta-amostras especial com foco ajustável por meio de um mecanismo de parafuso e permite o uso de iluminação artificial. Esses elementos, além de constituírem, a partir daquele momento, as bases de qualquer microscópio óptico, pressupõem uma metodologia para o estudo dos fenômenos naturais com um sabor já moderno.
Natureza Arcana
Leeuwenhoek foi coberto com reconhecimento oficial, seu laboratório foi visitado por acadêmicos e figuras políticas de todo o mundo (a famosa visita do czar Pedro, o Grande da Rússia). Leeuwenhoek morreu aos 91 anos, em 26 de agosto de 1723, depois de ter visto a edição latina da coleção completa de suas muitas cartas e relatórios, publicada em 1722 sob o título de "Arcana Naturae".
Os esforços dos estudiosos nos séculos seguintes serão inteiramente dedicados à construção de microscópios mais poderosos e à sistematização, classificação e quantificação do recém-descoberto micromundo. Nesse sentido, é fundamental a contribuição do inglês Robert Hooke (1635-1703), mais lembrado por seus estudos sobre elasticidade do que pelos de microscopia óptica. Hooke, um estudioso completo, fez melhorias no microscópio, equipando-o com novos sistemas ópticos e um novo sistema de iluminação. Isto permitiu-lhe fazer uma série de descobertas, como as cavidades na cortiça, separadas por paredes, a que chamou células. Em polêmica com Isaac Newton, provavelmente o maior cientista da época, ele apoiou a ideia de uma teoria ondulatória da luz em oposição à teoria corpuscular.
A evolução da microscopia entre os séculos XIX e XX: do microscópio óptico ao microscópio eletrônico
As melhorias gradualmente introduzidas nos microscópios compostos construídos no século XVIII diziam respeito essencialmente à estrutura mecânica. Embora alguns progressos tenham sido feitos na técnicas de fabricação de lentes, o desempenho óptico ainda era ruim. Isso se devia tanto à qualidade do vidro quanto a duas falhas graves nas lentes: aberração esférica e aberração cromática, que resultavam em imagens borradas e iridescentes.
Além disso, cada melhoria sempre e apenas ocorreu em uma base empírica e, portanto, Eram produtos artesanais.. Para serem corrigidas, essas aberrações requerem o acoplamento de várias lentes e, portanto, somente em meados do século XIX tais sistemas puderam ser realizados.
Ernesto Abbé
A partir desse momento, os estudos teóricos e o progresso tecnológico andaram de mãos dadas. A figura mais representativa desse período foi o alemão Ernst Abbe (1840-1905), que transformou o microscópio de um instrumento qualitativo para um quantitativo; muitos dos princípios em que se baseia a moderna tecnologia da óptica do microscópio e das lentes em geral são devidos a ele; Abbe colaborou com Carl Zeiss (1816-1888) nas famosas oficinas ópticas de Jena.
Ele derivou a expressão, que leva seu nome (número de Abbe), para caracterizar o poder dispersivo do vidro e relacionou a resolução da objetiva de um microscópio em função de sua abertura numérica. muitos dos princípios nos quais se baseia a moderna tecnologia da ótica do microscópio e das lentes em geral se devem a ele. Abbe colaborou com Carl Zeiss (1816-1888) nas famosas oficinas ópticas de Jena.
August Kohler
A partir de 1900, August Kohler (1866-1948) também trabalhou em Jena, que lidou com microfotografia e aperfeiçoou um sistema de iluminação agora universalmente adotado para microscópios; No final do século XIX já existiam no mercado excelentes instrumentos retos e invertidos.
Em 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) desenvolveu o chamado ultramicroscópio, que permite o estudo de partículas coloidais com dimensões menores que o comprimento de onda da luz; e nas décadas que se seguiram o ritmo não diminuiu: novas técnicas como contraste de fase, métodos de interferência e microscopia de reflexão Eles abriram novos campos de aplicação e aperfeiçoaram outras técnicas já conhecidas, como fluorescência, interferência de contraste e polarização. radiação.
microscópio eletrônico
Já na década de 30, com a definição de partículas elementares como o elétron e a introdução do dualismo onda/partícula para explicar seu comportamento, os tempos estavam maduros porque os limites da resolução espacial dos microscópios ópticos, impostos pelo comprimento de onda da luz , poderia ser superado no contexto de uma perspectiva completamente nova: a microscopia eletrônica. O primeiro microscópio eletrônico foi construído em 1933 pelos físicos alemães Ernst Ruska (1906-1988) e Max Knoll (1897-1969). O próprio Ruska, muitos anos depois, referir-se-ia àquela época como um período frutífero de estudos e pesquisas:
Após sua formatura (1931), a situação econômica na Alemanha tornou-se muito difícil e não parecia possível encontrar uma posição satisfatória na universidade ou na indústria. Assim, tive o prazer de poder continuar gratuitamente a minha atividade como aluno de doutoramento no Instituto de Alta Tensão…” .
Final do século XNUMX e microscopia de sonda de varredura
É ainda a sistematização progressiva das leis da mecânica quântica que sugere novas soluções para investigar o mundo microscópico com cada vez maior detalhe, chegando mesmo a revelar a sua natureza íntima, isto é, moléculas e átomos. Ao contrário do que acontecia antes, na década de 1980 algumas grandes ideias foram desenvolvidas em contextos já intelectualmente abertos e, o que não é ruim, adequadamente dotados de recursos humanos, tecnológicos e econômicos.
George Gamow
É a partir da ideia de George Gamow (já descobridor da chamada Radiação Cósmica de Fundo) da existência do efeito túnel, formulada em 1928, que dois físicos alemães, Gerd Binnig (1947) e Heinrich Rohrer (1933- 2013) concebeu em 1981, enquanto trabalhava nos laboratórios de pesquisa da IBM em Zurique, o primeiro microscópio de tunelamento de varredura.
Este microscópio usa uma sonda de agulha fina para detectar uma corrente elétrica fraca entre a sonda e a superfície da amostra em estudo, que pode ser investigada com uma resolução teoricamente menor que o tamanho de átomos e moléculas. Essa descoberta rendeu a seus descobridores o Prêmio Nobel de Física de 1986. É bastante notável que o prêmio tenha sido concedido, um tanto tarde, também a Enrst Ruska. "Pelo seu trabalho fundamental em óptica eletrônica e pelo projeto do primeiro microscópio eletrônico".
microscopia de varredura
No mesmo contexto, mas com base na força elétrica exercida pelos átomos de uma superfície sobre uma pequena sonda colocada nas proximidades, foi inventado (1982) (com a colaboração do próprio Binning) o Microscópio de Força Atômica, cuja criação conta com a contribuição conjunta de outros estudiosos, incluindo Calvin Quate (1923-2019) e Christoph Gerber (1942). Este microscópio possibilitou estender a aplicação de microscopia de sonda de varredura para uma ampla categoria de amostras, incluindo as biológicas.
Devido à sua vasta gama de variantes e aplicações, esta técnica é hoje, com toda a probabilidade, a mais versátil para o estudo de superfícies no campo da nanotecnologia. Hoje, de fato, as microscopias visam obter informações cada vez mais completas sobre a natureza das superfícies e os microscópios modernos integram, no mesmo instrumento, diferentes técnicas para se adaptar ao estudo de amostras de natureza diferente.
Do renascimento da óptica ao nanoscópio
O desenvolvimento das fontes de laser ocorrido na segunda metade do século XX representou um novo desenvolvimento de um campo óptico mais clássico, de fato pode-se dizer que constituiu a descoberta mais importante da óptica depois da dos raios X. O características da luz laser (coerência extrema, alta intensidade e comprimento de onda único) permitem evitar fenômenos de aberrações e difrações característica da luz produzida pelas lâmpadas incandescentes tradicionais.
Em 1955, por ocasião de sua tese de doutorado em matemática, Marvin Lee Minsky (1927-2016), um dos fundadores da inteligência artificial, teorizou sobre o microscópio confocal, um instrumento óptico com resolução e qualidade de imagem sem precedentes para a época. Como ele mesmo diz:
Em 1956, patenteei meu microscópio confocal, mas a patente expirou antes que alguém construísse um segundo. Nem nos preocupamos em patentear a tela ou o logotipo, pensando que eram invenções totalmente óbvias. Parece que o óbvio não é relevante para a patente.
microscópio confocal
Um microscópio confocal difere estruturalmente do microscópio de fluorescência tradicional pelo uso da fonte de laser, mas sobretudo pela presença de um diafragma ao longo do caminho óptico que permite excluir o sinal proveniente das porções acima e abaixo do foco da amostra, portanto fornecer uma imagem pela primeira vez com informações tridimensionais. Na realidade, o microscópio confocal entrou nos laboratórios apenas no final da década de 80, quando o laser e a tecnologia de computador tornaram-se relativamente acessíveis e poderosos o suficiente. Atualmente é uma ferramenta de fundamental importância na pesquisa científica biomédica.
O microscópio confocal representa, para o campo da óptica, não um objetivo tecnológico, mas um ponto de partida para o florescimento de novas técnicas de pesquisa baseadas na tecnologia laser e na uso de novos marcadores fluorescentes, como microscopia TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), Live Cell Imaging, microscopia espectral confocal, o uso de diferentes técnicas de imagem, análise morfofuncional incluindo FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) e, finalmente, o uso de lasers multifótons para obter um aumento significativo na penetração da luz na amostra .
microscopia STED
Os primeiros anos deste século também são marcados pelo desenvolvimento de novas ideias engenhosas que levaram a resolução óptica além dos limites impostos pela natureza da luz. Na verdade, estamos falando de super resolução, alcançada graças a três principais abordagens diferentes: lMicroscopia STED desenvolvida por Stefan Hell (1962), Prêmio Nobel de Química em 2014, microscopia de luz estruturada que deve seu nascimento a Mats Gustafsson (1960-2011). ) e a microscopia de localização, introduzida nos laboratórios de Harvard por Xiaowei Zhuang (1972), capaz de visualizar uma única molécula com resolução 10 vezes maior que a microscopia óptica tradicional.
A introdução de técnicas de super-resolução levou aos microscópios de luz modernos, que podem, portanto, ser chamados de "nanoscópios". dialogar cada vez mais com os microscópios eletrônicos para uma melhor integração das análises morfológicas. Hoje, o microscópio é uma ferramenta insubstituível no laboratório e tornou-se o próprio símbolo da pesquisa científica.
O futuro da microscopia
O microscópio foi, sem dúvida, uma das maiores revoluções da história da ciência, marcando o nascimento da microbiologia, da citologia e da biologia celular. Os saltos gigantescos que a pesquisa médica deu nos últimos 100-150 anos, com tudo o que se seguiu, seriam impensáveis sem o microscópio.
As novas fronteiras da tecnologia já enxergam o casamento entre a informação produzida por microscópios e o uso de inteligência artificial. Essa nova disciplina, chamada Aprendizagem profunda, é capaz de analisar imagens tiradas com microscópios e pode mudar radicalmente a microscopia e abrir caminho para novas descobertas. Mas Mats Gustafsson, um dos pais da superresolução, já havia percebido tudo isso quando disse: “Uma vez que um computador é adicionado entre o microscópio e o observador humano, todo o jogo muda. Nesse momento, um microscópio não é mais um dispositivo que deve gerar uma imagem diretamente interpretável. Agora é um dispositivo para registrar informações.”
Neste ponto, seria legítimo perguntar até onde é possível ir na investigação e estudo da microscopia: o mundo microscópico constitui um reservatório quase inesgotável de informações: a matéria possui propriedades estruturais, químicas e físicas que refletem a impressão dada pelas constantes fundamentais e a homogeneidade das leis físicas surgiu nos primeiros momentos do Universo e as possíveis variantes, muitas das quais ainda estão além da nossa compreensão, constituem a variedade inimaginável do mundo que observamos.
