¿Qué sabemos sobre el microscopio?

“ No hay función sin anatomía ”. Camillo Golgi, Premio Nobel de Medicina en 1906, escribió esto a finales del siglo XIX sobre sus estudios sobre las células nerviosas centrales y periféricas. En otras palabras, la función remodela la forma de las células y, por lo tanto, las observaciones microscópicas se vuelven esenciales para comprender sus mecanismos fisiológicos.

No es casualidad que la primera persona que comprendió que los nervios estaban formados por un conjunto de cables y no representaban una especie de canal con una sustancia blanda en su interior, como en el caso de los vasos sanguíneos, fue Anton Van Leeuwenhoek en 1715.

Leeuwenhoek y el microscopio

Leeuwenhoek, óptico y naturalista holandés, es reconocido como el inventor del microscopio óptico; por tanto, el que fue el primero en observar, de forma aguda y precisa, algunos fenómenos naturales como la circulación de los glóbulos rojos en los capilares, la existencia de células germinales masculinas, la primera identificación exacta de la estructura lamelar del lens, el descubrimiento de protozoos y bacterias llamados “pequeños animales”. Obviamente no fue solo la disponibilidad de las mejores lentes ópticas de la época, que también construyó él mismo.

Así escribía Leeuwenhoek en una carta a la Royal Society de Londres en 1692, respondiendo a las críticas de algunos de sus contemporáneos:

Sé muy bien, Honorables Señores, que los informes que redacto y les envío de vez en cuando no siempre concuerdan entre sí, y que en ellos se pueden encontrar contradicciones; por lo cual quiero decir una vez más que tengo la costumbre de ceñirme a los datos que tengo hasta que esté mejor informado o hasta que mis observaciones me lleven a otra parte; y nunca me avergonzaré de cambiar mi método.

Así nació la microscopía moderna, es decir, el estudio de la naturaleza en pequeñas cantidades, que todavía hoy constituye uno de los principales medios de investigación de la investigación científica moderna. Pero para comprender mejor el nacimiento y evolución de esta ciencia debemos referirnos a las numerosas intuiciones y descubrimientos que desde los primeros intentos de la Antigüedad han perfilado el desarrollo de esta disciplina hasta las asombrosas observaciones de la ciencia moderna.

La luz en la tradición helénica e islámica

Aunque el microscopio es un invento relativamente reciente, el estudio de los fenómenos lumínicos ha interesado a muchas de las grandes mentes de la Antigüedad y ha dado lugar a debates entre diferentes escuelas de pensamiento; ya le debemos a grandes pensadores como Aristóteles, o Euclides, que vivieron entre los siglos IV y III aC, cuya primera formalización de la que tenemos constancia escrita del concepto de visión y rayos de luz. Ya en el siglo III a. C. se hizo famoso el uso de los famosos espejos ardientes de Arquímedes durante la Segunda Guerra Púnica, aunque todavía no ha sido probado históricamente.

Roma

Los ejemplos más documentados, al respecto, son los que proceden del mundo romano. De hecho, el uso que los antiguos romanos hacían de esferas de vidrio más o menos aplanadas para concentrar los rayos solares y obtener fuego está ampliamente acreditado desde hace mucho tiempo. La tecnología de lentes parece ser incluso más antigua que la civilización romana, como lo demuestran los hallazgos de Knossos, que se remontan a la Edad del Bronce, un período entre el 3500 y el 1200 a. C.

Pompeya

Además de prismas de cristal de extraordinaria precisión y regularidad (utilizados para descomponer la luz en los colores del espectro), también proceden de las excavaciones de la antigua Pompeya pequeños vasos redondos, ligeramente convexos, capaces de proporcionar una imagen nítida y ampliada. Desafortunadamente, casi no hay fuentes literarias que hablen de estos objetos como herramientas para la visión. Fue transmitido por Plinio el Viejo cuando el emperador Nerón, quizás miope, solía observar las peleas de gladiadores mirándolos a través de una gran esmeralda pulida.

Ottica e Catoptrica

Volviendo a Euclides, destacamos que fue el autor de los famosos cinco postulados de la geometría que contienen los conceptos de punto, recta y plano; estos conceptos fundamentales confluyeron en la obra Ottica e Catoptrica donde se contienen elementos de la perspectiva, el estudio de la reflexión en espejos planos y esféricos y, por primera vez, se define el concepto de rayo visual sin estructura física. Esto permite a Euclides extender el método típico de las demostraciones geométricas al campo de los fenómenos luminosos.

La naturaleza de estos axiomas, sin embargo, está fuertemente condicionada por la idea de que la visión tiene lugar por rayos emitidos por el ojo: la teoría extromisiva de la luz. Para llegar a una teoría de la visión más avanzada hubo que esperar hasta el siglo X, con las teorías del árabe Alhazen (965-1039). Según Alhazen, el ojo no puede «sentir» el objeto excepto por medio de los rayos que le envía con una velocidad finita; la luz debe tener una existencia real porque cuando es muy intensa puede dañar los ojos y generar imágenes secundarias.

La invención del microscopio

Habrá que esperar hasta la época barroca para ver nacer el verdadero microscopio precursor de los modernos. El siglo XVII es un período fructífero en muchos países para la ciencia en general, de hecho hay que decir que vio una verdadera revolución científica con Bacon, Boyle, Copérnico, Leibniz y muchos otros. Sin embargo, hay que decir que en la historia de la microscopía no hay una fecha sobresaliente comparable a 1609, año en que Galileo Galilei (1564-1642) se hizo con un telescopio rudimentario.

Productores de tela y microscopios

Además, no es casualidad que Holanda fuera la cuna de un instrumento como el microscopio, dado que en el siglo XVII este país representaba un importante cruce de caminos comerciales para el sector textil y, al mismo tiempo, para la producción de cerámica y mayólica. De estos últimos talleres, quizás como un producto secundario del proceso de fabricación, salían con toda probabilidad las gotas de vidrio fundido que los productores de telas utilizaban como pequeñas lupas para controlar mejor la textura durante la fase de producción. Este fue el primer uso que Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), inicialmente administrador de una tienda de telas, hizo de gotas de vidrio solidificadas; posteriormente, probablemente siguiendo su interés por las ciencias naturales por las que se inclinaba naturalmente.

Por lo tanto, el de Van Leeuwenhoek puede considerarse el primer microscopio, ya que fue especialmente concebido y optimizado para su uso con fines de investigación científica. No es sorprendente que en ese momento se le citara como el brillante investigador que

[…] ha diseñado microscopios que superan con creces a los que se han visto hasta ahora…

De hecho, el microscopio de Leeuwenhoek consiste en una sola lente montada sobre un soporte de metal equipado con un portamuestras especial con foco ajustable por medio de un mecanismo de tornillo, y prevé el uso de iluminación artificial. Estos elementos, además de constituir, a partir de ese momento, los cimientos de cualquier microscopio óptico, presuponen una metodología para el estudio de los fenómenos naturales con un sabor ya moderno.

Arcana Naturae

Leeuwenhoek fue cubierto con reconocimiento oficial, su laboratorio fue visitado por académicos y figuras políticas de todo el mundo (la famosa visita del Zar Pedro el Grande de Rusia). Leeuwenhoek murió a la edad de 91 años, el 26 de agosto de 1723, después de haber visto la edición latina de la colección completa de sus numerosas cartas e informes, publicada en 1722 bajo el título de «Arcana Naturae» .

Los esfuerzos de los estudiosos en los siglos siguientes se dedicarán por completo a construir microscopios más potentes ya sistematizar, clasificar y cuantificar el micromundo recién descubierto. En este sentido, es fundamental la aportación del inglés Robert Hooke (1635-1703), más recordado por sus estudios sobre la elasticidad que por los de microscopía óptica. Hooke, un erudito completo, hizo mejoras al microscopio, equipándolo con nuevos sistemas ópticos y un nuevo sistema de iluminación. Esto le permitió hacer una serie de descubrimientos, como el de las cavidades en el corcho, separadas por paredes, a las que llamó celdas. En polémica con Isaac Newton, probablemente el científico más grande de la época, apoyó la idea de una teoría ondulatoria de la luz en contraposición a la teoría corpuscular.

La evolución de la microscopía entre los siglos XIX y XX: del microscopio óptico al microscopio electrónico

Las mejoras introducidas gradualmente en los microscopios compuestos construidos en el siglo XVIII se referían esencialmente a la estructura mecánica. Si bien se habían logrado algunos avances en las técnicas de fabricación de lentes, el rendimiento óptico aún era deficiente. Esto se debía tanto a la calidad del cristal como a dos graves defectos de las lentes: la aberración esférica y la aberración cromática, que daban como resultado imágenes borrosas e iridiscentes.

Además, cada mejora siempre y solo tuvo lugar sobre una base empírica y, por lo tanto, se trataba de productos hechos a mano. Para ser corregidas, estas aberraciones requieren el acoplamiento de varias lentes y, por tanto, no fue hasta mediados del siglo XIX que tales sistemas pudieron realizarse.

Ernst Abbe

A partir de ese momento los estudios teóricos y el progreso tecnológico fueron de la mano. La figura más representativa de este período fue el alemán Ernst Abbe (1840-1905), quien transformó el microscopio de un instrumento cualitativo a uno cuantitativo; muchos de los principios en los que se basa la tecnología moderna de la óptica de los microscopios y de las lentes en general se deben a él; Abbe colaboró ​​con Carl Zeiss (1816-1888) en los famosos talleres ópticos de Jena.

Derivó la expresión, que lleva su nombre (número de Abbe), para caracterizar el poder dispersivo del vidrio y relacionó la resolución del objetivo de un microscopio en función de su apertura numérica. muchos de los principios en los que se basa la tecnología moderna de la óptica de los microscopios y de las lentes en general se deben a él. Abbe colaboró ​​con Carl Zeiss (1816-1888) en los famosos talleres ópticos de Jena.

August Kohler

Desde 1900 August Kohler (1866-1948) también trabajó en Jena, quien se ocupó de la microfotografía y perfeccionó un sistema de iluminación para microscopios ahora adoptado universalmente; a finales del siglo XIX ya existían en el mercado excelentes instrumentos rectos e invertidos.

En 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) desarrolló el llamado ultramicroscopio, que permite el estudio de partículas coloidales de dimensiones inferiores a la longitud de onda de la luz; y en las décadas siguientes el ritmo no se ralentizó: nuevas técnicas como el contraste de fase, los métodos de interferencia y la microscopía de reflexión abrieron nuevos campos de aplicación mientras se perfeccionaban otras técnicas ya conocidas, como es el caso de la fluorescencia, la interferencia de contraste y el polarizado. radiación.

Microscopía electrónica

Ya en los años 30 del siglo XX, con la definición de partículas elementales como el electrón y la introducción del dualismo onda/partícula para explicar su comportamiento, los tiempos estaban maduros porque los límites en la resolución espacial de los microscopios ópticos, impuestos por la longitud de onda de la luz, podría superarse en el contexto de una perspectiva completamente nueva: la microscopía electrónica. El primer microscopio electrónico fue construido en 1933 por los físicos alemanes Ernst Ruska (1906-1988) y Max Knoll (1897-1969). El mismo Ruska, muchos años después, se referiría a aquellos tiempos como un fructífero período de estudio e investigación:

Después de su graduación (1931), la situación económica en Alemania se había vuelto muy difícil y no parecía posible encontrar un puesto satisfactorio en la universidad o en la industria. Por lo tanto, me complació poder continuar mi actividad de forma gratuita como estudiante de doctorado en el Instituto de Altas Tensiones…” .

Finales del siglo XX y microscopía de sonda de barrido

Todavía es la sistematización progresiva de las leyes de la mecánica cuántica la que sugiere nuevas soluciones para investigar el mundo microscópico con cada vez mayor detalle, llegando incluso a revelar su naturaleza íntima, es decir, las moléculas y los átomos. A diferencia de lo que ocurría anteriormente, en la década de 1980 se desarrollaron algunas ideas geniales en contextos ya intelectualmente abiertos y, lo que no está de más, adecuadamente dotados de recursos humanos, tecnológicos y económicos.

George Gamow

Es a partir de la idea de George Gamow (ya descubridor de la llamada Radiación de Fondo Cósmico) de la existencia del efecto túnel, formulada en 1928, que dos físicos alemanes, Gerd Binnig (1947) y Heinrich Rohrer (1933- 2013) concibió en 1981, mientras trabajaba en los laboratorios de investigación de IBM en Zúrich, el primer microscopio de túnel de barrido.

Este microscopio utiliza una sonda de aguja fina para detectar una corriente eléctrica débil entre la sonda y la superficie de la muestra que se está estudiando, que se puede investigar hasta una resolución teóricamente más pequeña que el tamaño de los átomos y las moléculas. Este descubrimiento le valió a sus descubridores el Premio Nobel de Física de 1986. Es bastante notable que el premio se entregó, con bastante retraso, también a Enrst Ruska «Por su trabajo fundamental en óptica electrónica y por el diseño del primer microscopio electrónico».

Microscopia de barrido

En el mismo contexto, pero partiendo de la fuerza eléctrica que ejercen los átomos de una superficie sobre una pequeña sonda colocada en su proximidad, se inventa el Microscopio de Fuerza Atómica (1982) (con la colaboración del propio Binning), cuya creación cuenta con la contribución conjunta de otros estudiosos, entre ellos Calvin Quate (1923-2019) y Christoph Gerber (1942). Este microscopio hizo posible extender la aplicación de la microscopía de sonda de barrido a una amplia categoría de muestras, incluidas las biológicas.

Debido a su gran abanico de variantes y aplicaciones, esta técnica es hoy, con toda probabilidad, la más versátil para el estudio de superficies en el campo de la nanotecnología. Hoy en día, de hecho, las microscopías tienen como objetivo obtener información cada vez más completa sobre la naturaleza de las superficies y los microscopios modernos integran, en un mismo instrumento, diferentes técnicas para adaptarse al estudio de muestras de distinta naturaleza.

Del renacimiento de la óptica al nanoscopio

El desarrollo de las fuentes láser que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo XX supuso un nuevo desarrollo de un campo óptico más clásico, de hecho se puede decir que constituyó el descubrimiento más importante en óptica después del de los rayos X. Las características de la luz láser (coherencia extrema, alta intensidad y longitud de onda única) permiten evitar fenómenos de aberraciones y difracciones propias de la luz producida por las lámparas incandescentes tradicionales.

En 1955, con motivo de su tesis doctoral en matemáticas, Marvin Lee Minsky (1927-2016), uno de los fundadores de la inteligencia artificial, teorizó sobre el microscopio confocal, un instrumento óptico con una resolución y calidad de imagen sin precedentes para la época. Como él mismo dice:

En 1956, patenté mi microscopio confocal, pero la patente expiró antes de que alguien construyera un segundo. Ni siquiera nos molestamos en patentar la pantalla o el logotipo, creyendo que eran invenciones totalmente obvias. Parece que lo obvio no es relevante para la patente.

Microscopio confocal

Un microscopio confocal difiere estructuralmente del tradicional microscopio de fluorescencia por el uso de la fuente láser pero sobre todo por la presencia de un diafragma a lo largo del camino óptico que permite excluir la señal proveniente de las porciones arriba y abajo del foco de la muestra, por lo tanto proporcionando una imagen por primera vez con información tridimensional. En realidad, el microscopio confocal ingresa a los laboratorios solo a fines de los años 80 cuando la tecnología láser e informática se vuelven relativamente accesibles y suficientemente poderosas. Actualmente es una herramienta de fundamental importancia en la investigación científica biomédica.

El microscopio confocal representa, para el campo de la óptica, no una meta tecnológica sino un punto de partida para el florecimiento de nuevas técnicas de investigación basadas en la tecnología láser y en el uso de nuevos marcadores fluorescentes, como es el caso de la microscopía TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), Live Cell Imaging, microscopía espectral confocal, el uso de diferentes técnicas de análisis morfofuncional entre las que se incluyen FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent espectroscopía de correlación) y finalmente el uso del láser multifotónico para obtener un aumento significativo en el poder de penetración de la luz en el interior de la muestra.

Microscopia STED

Los primeros años de este siglo también se caracterizan por el desarrollo de nuevas ideas ingeniosas que han llevado la resolución óptica más allá de los límites impuestos por la naturaleza de la luz. De hecho, estamos hablando de superresolución, lograda gracias a tres enfoques diferentes principales: la microscopía STED desarrollada por Stefan Hell (1962), Premio Nobel de Química en 2014, la microscopía de luz estructurada que debe su nacimiento a Mats Gustafsson (1960-2011). ), y microscopía de localización, introducida en los laboratorios de Harvard por Xiaowei Zhuang (1972), capaz de visualizar una sola molécula con una resolución 10 veces mayor que la microscopía óptica tradicional.

La introducción de técnicas de súper resolución condujo a los microscopios ópticos modernos, que por lo tanto pueden llamarse razonablemente «nanoscopios». dialogar cada vez más con los microscopios electrónicos para una mejor integración de los análisis morfológicos. Hoy en día, el microscopio es una herramienta insustituible en el laboratorio y se ha convertido en el símbolo mismo de la investigación científica.

El futuro de la microscopía

El microscopio fue sin duda una de las mayores revoluciones de la historia de la ciencia, y marcó el nacimiento de la microbiología, la citología y la biología celular. Los saltos de gigante que ha dado la investigación médica en los últimos 100-150 años, con todo lo que ha seguido, habrían sido impensables sin el microscopio.

Las nuevas fronteras de la tecnología ya ven el matrimonio entre la información que producen los microscopios y el uso de la inteligencia artificial. Esta nueva disciplina, llamada Deep Learning, es capaz de analizar imágenes tomadas con microscopios y puede cambiar radicalmente la microscopía y allanar el camino para nuevos descubrimientos. Pero Mats Gustafsson, uno de los padres de la superresolución, ya se había dado cuenta de todo esto cuando decía: “Una vez que se añade un ordenador entre el microscopio y el observador humano, todo el juego cambia. En ese momento, un microscopio ya no es un dispositivo que debe generar una imagen directamente interpretable. Ahora es un dispositivo para registrar información».

Llegados a este punto, sería legítimo preguntarse hasta dónde es posible llegar en la investigación y el estudio de la microscopía: el mundo microscópico constituye un reservorio de información casi inagotable: la materia posee propiedades estructurales, químicas y físicas que reflejan la impronta dada por las constantes fundamentales y la homogeneidad de las leyes físicas surgidas en los primeros instantes del Universo y las posibles variantes, la mayoría de las cuales aún escapan a nuestra comprensión, constituyen la inimaginable variedad del mundo que observamos.