Без анатомии нет функции. Камилло Гольджи, лауреат Нобелевской премии по медицине в 1906 году, написал это в конце XNUMX века о своих исследованиях центральных и периферических нервных клеток. Другими словами, функция изменяет форму клеток, и поэтому наблюдения под микроскопом становятся необходимыми для понимания ее физиологических механизмов.
Неслучайно первым, кто понял, что нервы состоят из набора тросов, а не представляют собой своеобразный канал с мягким веществом внутри, как в случае с кровеносными сосудами, был Антон Ван Левенгук в 1715 году.
Левенгук и микроскоп
Левенгук, голландский оптик и натуралист, признан изобретателем оптического микроскопа; следовательно, тот, кто первым остро и точно наблюдал некоторые явления природы, такие как циркуляция эритроцитов в капиллярах, существование мужских половых клеток, первый точно идентифицировал ламеллярное строение хрусталика, открытие простейших и бактерий, названных «мелкими животными». Очевидно, дело было не только в наличии лучших оптических линз того времени, которые он тоже изготовил сам.
Вот как писал Левенгук в письме Лондонскому королевскому обществу в 1692 году, отвечая на критику со стороны некоторых его современников:
Я очень хорошо знаю, достопочтенные господа, что отчеты, которые я пишу и время от времени посылаю вам, не всегда согласуются друг с другом и что в них можно найти противоречия; этим я хочу еще раз сказать, что имею привычку придерживаться данных, которые у меня есть, до тех пор, пока я не буду лучше информирован или пока мои наблюдения не уведут меня в другое место; и мне никогда не будет стыдно изменить свой метод.
Так родилась современная микроскопия, то есть изучение природы в малых количествах, которое и сегодня составляет одно из основных средств исследования современных научных исследований. Но чтобы лучше понять рождение и эволюцию этой науки, мы должны обратиться к многочисленным интуициям и открытиям, которые, начиная с первых попыток в древности, определили развитие этой дисциплины и заканчивая удивительными наблюдениями современной науки.
Свет в эллинской и исламской традиции
Хотя микроскоп является относительно недавним изобретением, изучение световых явлений интересовало многих великих умов древности и вызвало споры между различными школами мысли; Мы уже обязаны этим великим мыслителям, таким как Аристотель или Евклид, жившим между IV и III веками до нашей эры, чьей первой формализацией о которых мы имеем письменные свидетельства понятия зрения и лучей света. Уже в XNUMX веке до н.э. C. Использование знаменитых горящих зеркал Архимеда прославилось во время Второй Пунической войны, хотя исторически это еще не доказано.
Рим
Наиболее задокументированными примерами в этом отношении являются те, которые родом из римского мира. На самом деле, использование древними римлянами более или менее сплющенных стеклянных сфер для концентрации солнечных лучей и получения огня уже давно широко признано. Технология линз кажется даже старше римской цивилизации, о чем свидетельствуют находки из Кносса, которые относятся к бронзовому веку, периоду между 3500 и 1200 годами до нашей эры. в.
Помпеи
В дополнение к хрустальным призмам необычайной точности и правильной формы (используемым для разделения света на цвета спектра), они также происходят из раскопок древние помпеи небольшие круглые сосуды, слегка выпуклые, способные давать четкое и увеличенное изображение. К сожалению, практически отсутствуют литературные источники, говорящие об этих предметах как о средствах зрения. Его передал Плиний Старший, когда император Нерон, возможно, близорукий, наблюдал за боями гладиаторов, глядя на них через большой полированный изумруд.
Оттика и Катоптрика
Возвращаясь к Евклиду, отметим, что он был автором знаменитых пяти постулатов геометрии, содержащих понятия точки, линии и плоскости; Эти фундаментальные понятия объединились в работа Ottica e Catoptrica где содержатся элементы перспективы, исследование отражения в плоских и сферических зеркалах и впервые определено понятие визуального луча без физической структуры. Это позволяет Евклиду распространить типичный метод геометрических доказательств на область световых явлений.
Однако природа этих аксиом сильно обусловлена идеей о том, что зрение осуществляется лучами, испускаемыми глазом: экстромизивной теорией света. Чтобы прийти к более продвинутой теории зрения, нужно было подождать до 965 века с теориями араба Альхазена (1039-XNUMX). По словам Альхазена, глаз не может «чувствовать» предмет иначе как с помощью лучей который отправляет вас с конечной скоростью; свет должен иметь реальное существование, потому что, когда он очень интенсивен, он может повредить глаза и создать вторичные образы.
Изобретение микроскопа
Нужно будет дождаться эпохи барокко, чтобы увидеть рождение настоящего микроскопа-предшественника современных. XVII век во многих странах является плодотворным периодом для науки в целом, фактически нужно сказать, что он видел настоящую научную революцию с Бэконом, Бойлем, Коперником, Лейбницем и многими другими. Однако надо сказать, что в истории микроскопии нет выдающейся даты, сравнимой с 1609 годом, когда Галилео Галилей (1564-1642) был сделан с помощью элементарного телескопа.
ткани и микроскопы
Кроме того, неслучайно Нидерланды были колыбелью такого инструмента, как микроскоп, поскольку в XNUMX веке эта страна представляла собой важный торговый перекресток для текстильного сектора и, в то же время, для производства керамики и майолики. . Из этих последних мастерских, возможно, как вторичный продукт производственного процесса, по всей вероятности, поступали капли расплавленного стекла, которые производители тканей использовали их в качестве небольших увеличительных стекол, чтобы лучше контролировать текстуру на этапе производства. Это было первое использование Антони Ван Левенгука (1632-1723), первоначально управляющего магазином тканей, из затвердевших стеклянных бусин; позже, вероятно, из-за его интереса к естественным наукам, к которым он был естественно склонен.
Таким образом, микроскоп Ван Левенгука можно считать первым микроскопом, так как он специально разработан и оптимизирован для использования в научных исследованиях. Неудивительно, что в то время его цитировали как блестящего исследователя,
[…] разработала микроскопы, которые намного превосходят все, что видели до сих пор…
Фактически микроскоп Левенгука состоит из одной линзы, закрепленной на металлической подставке, снабженной специальным держателем образца с регулируемой фокусировкой с помощью винтового механизма, и предусматривает использование искусственного освещения. Эти элементы, кроме того, что с этого момента основы любого оптического микроскопа, предполагают методологию изучения явлений природы с уже современным колоритом.
Аркана Природа
Левенгук получил официальное признание, его лабораторию посещали ученые и политические деятели со всего мира (знаменитый визит российского царя Петра Великого). Левенгук умер в возрасте 91 года. 26 августа 1723 г., после просмотра латинского издания полного собрания его многочисленных писем и отчетов, опубликованного в 1722 г. под названием «Arcana Naturae».
Усилия ученых в последующие столетия будут целиком посвящены созданию более мощных микроскопов и систематизации, классификации и количественной оценке вновь открытого микромира. В этом смысле фундаментальным является вклад англичанина Роберта Гука (1635-1703), который запомнился больше своими исследованиями упругости, чем исследованиями оптической микроскопии. Гук, полный ученый, усовершенствовал микроскоп, оснастив его новыми оптическими системами и новой системой освещения. Это позволило ему сделать ряд открытий, таких как полости в пробке, разделенные стенками, которые он назвал клетки. В полемике с Исааком Ньютоном, вероятно, величайшим ученым того времени, он поддержал идею волновой теории света в противовес корпускулярной теории.
Эволюция микроскопии между XNUMX и XNUMX веками: от оптического микроскопа к электронному микроскопу
Усовершенствования, постепенно вводимые в сложные микроскопы, построенные в XNUMX веке, были в основном связаны с механической структурой. Хотя некоторый прогресс был достигнут в технологии изготовления линз, оптические характеристики были все еще плохими. Это было связано как с качеством стекла, так и с двумя серьезными недостатками объективов: сферической аберрацией и хроматической аберрацией, которые приводили к размытости и переливчатости изображения.
Кроме того, каждое улучшение всегда и только происходило на эмпирической основе и, следовательно, Это были изделия ручной работы.. Для исправления этих аберраций требуется соединение нескольких линз, поэтому такие системы можно было реализовать только в середине XNUMX века.
Эрнст Аббе
С этого момента теоретические исследования и технический прогресс пошли рука об руку. Наиболее представительной фигурой этого периода был немец Эрнст Аббе (1840-1905), который превратил микроскоп из качественного прибора в количественный.; многие принципы, на которых основана современная технология микроскопической оптики и объективов в целом, принадлежат ему; Аббе сотрудничал с Карлом Цейссом (1816-1888) в знаменитых оптических мастерских Йены.
Он вывел выражение, носящее его имя (число Аббе), для характеристики рассеивающей способности стекла и связал разрешающую способность объектива микроскопа с функцией его числовой апертуры. многие из принципов, на которых основана современная технология микроскопической оптики и объективов в целом, принадлежат ему. Аббе сотрудничал с Карлом Цейссом (1816-1888) в знаменитых оптических мастерских Йены.
Август Колер
С 1900 г. в Йене работал также Август Келер (1866-1948), который занимался микрофотографией и усовершенствовал ныне повсеместно принятую систему освещения для микроскопов; В конце XNUMX века на рынке уже существовали отличные прямые и перевернутые инструменты.
В 1903 г. Ричард Зигмонди (1865-1929) разработал так называемый ультрамикроскоп, позволяющий изучать коллоидные частицы с размерами меньше длины волны света; и в последующие десятилетия темп не замедлился: новые методы, такие как фазовый контраст, интерференционные методы и отражательная микроскопия Они открыли новые области применения, в то время как другие известные методы, такие как флуоресценция, контрастная интерференция и поляризация, были усовершенствованы. излучение.
электронная микроскопия
Уже в 30-х годах, с определением элементарных частиц, таких как электрон, и введением дуализма волна/частица для объяснения их поведения, настало время, поскольку ограничения на пространственное разрешение оптических микроскопов, налагаемые длиной волны света , может быть превзойдена в контексте совершенно новой точки зрения: электронной микроскопии.. Первый электронный микроскоп был построен в 1933 году немецкими физиками Эрнстом Руска (1906-1988) и Максом Кноллем (1897-1969). Сам Руска много лет спустя назовет те времена плодотворным периодом учебы и исследований:
После его окончания (1931 г.) экономическое положение в Германии стало очень тяжелым, и не представлялось возможным найти удовлетворительное место в университете или на производстве. Поэтому я был рад возможности бесплатно продолжить свою деятельность в качестве аспиранта Института высоких напряжений…».
Конец XNUMX века и сканирующая зондовая микроскопия
Именно прогрессивная систематизация законов квантовой механики предлагает новые решения для все более подробного исследования микроскопического мира, вплоть до раскрытия его внутренней природы, т. е. молекулы и атомы. В отличие от того, что случалось раньше, в 1980-е годы некоторые великие идеи разрабатывались в условиях, которые уже были интеллектуально открыты и, что не так уж плохо, адекватно обеспечены человеческими, технологическими и экономическими ресурсами.
Джордж Гамов
Именно из идеи Георгия Гамова (уже первооткрывателя так называемого космического фонового излучения) о существовании туннельного эффекта, сформулированной в 1928 году, два немецких физика, Герд Бинниг (1947) и Генрих Рорер (1933- 2013) задумал в 1981 году во время работы в исследовательских лабораториях IBM в Цюрихе первый сканирующий туннельный микроскоп.
В этом микроскопе используется тонкоигольчатый зонд для обнаружения слабого электрического тока между зондом и поверхностью исследуемого образца, который можно исследовать с разрешением, теоретически меньшим, чем размер атомов и молекул. Это открытие принесло его первооткрывателям Нобелевскую премию по физике 1986 г. Весьма примечательно, что премия была присуждена довольно поздно и Энрсту Руске. «За фундаментальные работы в области электронной оптики и за разработку первого электронного микроскопа»..
сканирующая микроскопия
В том же контексте, но на основе электрической силы, действующей атомами поверхности на небольшой зонд, расположенный поблизости, был изобретен атомно-силовой микроскоп (1982 г.) (при содействии самого Биннинга), создание которого основано на совместном вкладе других ученых, в том числе Кальвина Куэйта (1923–2019) и Кристофа Гербера (1942). Этот микроскоп позволил расширить область применения сканирующей зондовой микроскопии широкой категории образцов, в том числе биологических.
Благодаря широкому спектру вариантов и применений этот метод на сегодняшний день, по всей вероятности, является наиболее универсальным для исследования поверхностей в области нанотехнологий. Фактически, сегодня микроскопия направлена на получение все более и более полной информации о природе поверхностей, а современные микроскопы объединяют в одном приборе различные методы для адаптации к изучению образцов различной природы.
От ренессанса оптики к наноскопу
Развитие лазерных источников, имевшее место во второй половине XNUMX-го века, представляло собой новое развитие более классической оптической области, фактически можно сказать, что оно стало самым важным открытием в оптике после открытия рентгеновских лучей. характеристики лазерного излучения (высокая когерентность, высокая интенсивность и одна длина волны) позволяют избежать явлений аберраций и дифракций характеристика света, излучаемого традиционными лампами накаливания.
В 1955 году, по случаю своей докторской диссертации по математике, Марвин Ли Мински (1927-2016), один из основоположников искусственного интеллекта, выдвинул теорию о конфокальном микроскопе, оптическом приборе с беспрецедентным для эпохи разрешением и качеством изображения. Как он сам говорит:
В 1956 году я запатентовал свой конфокальный микроскоп, но срок действия патента истек до того, как кто-либо построил второй. Мы даже не удосужились запатентовать экран или логотип, думая, что это совершенно очевидные изобретения. Кажется, что очевидное не имеет отношения к патенту.
конфокальный микроскоп
Конфокальный микроскоп конструктивно отличается от традиционного флуоресцентного микроскопа использованием лазерного источника, но, прежде всего, наличием диафрагмы вдоль оптического пути, что позволяет исключить сигнал, поступающий от участков выше и ниже фокуса образца, таким образом предоставление изображения в первый раз с трехмерная информация. На самом деле конфокальный микроскоп поступает в лаборатории только в конце 80-х годов, когда лазерные и компьютерные технологии становятся относительно доступными и достаточно мощными. В настоящее время это принципиально важный инструмент в биомедицинских научных исследованиях.
Конфокальный микроскоп представляет собой для области оптики не технологическую цель, а отправную точку для расцвета новых методов исследования, основанных на лазерных технологиях и использование новых флуоресцентных маркеров, такие как микроскопия TIRF (флуоресценция полного внутреннего отражения), визуализация живых клеток, конфокальная спектральная микроскопия, использование различных методов визуализации, морфофункциональный анализ включая FRAP (восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания), FRET (резонансная передача энергии флуоресценции), FLIM (визуализация жизни флуоресценции), FCS (флуоресцентная корреляционная спектроскопия) и, наконец, использование многофотонных лазеров для получения значительного увеличения мощности проникновения света в образец. .
STED-микроскопия
Первые годы этого века также отмечены развитием гениальных новых идей, которые вывели оптическое разрешение за пределы, налагаемые природой света. Фактически речь идет о сверхразрешении, достигаемом благодаря трем основным различным подходам: lSTED-микроскопия, разработанная Стефаном Хеллом (1962 г.), Нобелевская премия по химии в 2014 году, структурированная световая микроскопия, которая обязана своим рождением Матсу Густафссону (1960-2011). ), и локализационная микроскопия, представленная в гарвардских лабораториях Xiaowei Zhuang (1972), способная визуализировать одну молекулу с разрешением в 10 раз большим, чем традиционная оптическая микроскопия.
Внедрение методов сверхвысокого разрешения привело к появлению современных световых микроскопов, которые поэтому с полным основанием можно назвать «наноскопы». диалог все больше и больше с электронными микроскопами для лучшей интеграции морфологических анализов. Сегодня микроскоп является незаменимым инструментом в лаборатории и стал настоящим символом научных исследований.
Будущее микроскопии
Микроскоп, несомненно, был одной из величайших революций в истории науки, ознаменовав рождение микробиологии, цитологии и клеточной биологии. Гигантские скачки, совершенные медицинскими исследованиями за последние 100-150 лет, со всеми вытекающими последствиями, были бы немыслимы без микроскопа.
На новых рубежах технологий уже видна связь между информацией, производимой микроскопами, и использованием искусственного интеллекта. Эта новая дисциплина, названная Глубокое обучение, способен анализировать изображения, сделанные с помощью микроскопов, и может радикально изменить микроскопию и проложить путь к новым открытиям. Но Матс Густафссон, один из отцов суперразрешения, уже понял все это, когда сказал: «Как только между микроскопом и человеком-наблюдателем добавляется компьютер, вся игра меняется. В тот момент, микроскоп больше не является устройством, которое должно генерировать непосредственно интерпретируемое изображение. Теперь это устройство для записи информации».
Здесь правомерно спросить, как далеко можно зайти в исследовании и изучении микроскопии: микроскопический мир представляет собой почти неисчерпаемый резервуар информации: материя обладает структурными, химическими и физическими свойствами, отражающими отпечаток фундаментальных констант и однородности физических законов возникла в первые мгновения Вселенной и возможные варианты, большинство из которых еще находятся за пределами нашего понимания, составляют невообразимое разнообразие мира, который мы наблюдаем.
