" Bez anatómie neexistuje žiadna funkcia ". Camillo Golgi, nositeľ Nobelovej ceny za medicínu z roku 1906, to napísal na konci XNUMX. storočia o svojich štúdiách o centrálnych a periférnych nervových bunkách. Inými slovami, funkcia mení tvar buniek, a preto sa mikroskopické pozorovania stávajú nevyhnutnými na pochopenie jej fyziologických mechanizmov.
Nie je náhoda, že prvým človekom, ktorý pochopil, že nervy sa skladajú zo sady káblov a nepredstavujú akýsi kanál s mäkkou látkou vo vnútri, ako v prípade krvných ciev, bol Anton Van Leeuwenhoek v roku 1715.
Leeuwenhoek a mikroskop
leeuwenhoek, holandský optik a prírodovedec, je uznávaný ako vynálezca optického mikroskopu; teda ten, kto ako prvý akútne a presne pozoroval niektoré prírodné javy ako cirkuláciu červených krviniek v kapilárach, existenciu mužských zárodočných buniek, prvú presnú identifikáciu lamelárna štruktúra šošovky, objav prvokov a baktérií nazývaných „malé zvieratá“. Očividne nešlo len o dostupnosť najlepších optických šošoviek tej doby, ktoré si aj sám zostrojil.
Takto Leeuwenhoek napísal v liste Kráľovskej spoločnosti v Londýne v roku 1692, v reakcii na kritiku niektorých svojich súčasníkov:
Veľmi dobre viem, vážení páni, že správy, ktoré vám z času na čas píšem a posielam, nie vždy navzájom súhlasia a možno v nich nájsť rozpory; čím chcem ešte raz povedať, že mám vo zvyku držať sa údajov, ktoré mám, kým nebudem lepšie informovaný alebo kým ma moje pozorovania nezavedú inam; a nikdy sa nebudem hanbiť zmeniť svoju metódu.
Tak sa zrodila moderná mikroskopia, teda skúmanie prírody v malých množstvách, ktoré aj dnes predstavuje jeden z hlavných prostriedkov skúmania moderného vedeckého bádania. Aby sme však lepšie pochopili zrod a vývoj tejto vedy, musíme sa odvolať na početné intuície a objavy, ktoré od prvých pokusov v staroveku formovali vývoj tejto disciplíny až po úžasné pozorovania modernej vedy.
Svetlo v helénskej a islamskej tradícii
Hoci je mikroskop relatívne nedávnym vynálezom, štúdium svetelných javov zaujalo mnohých veľkých mysliteľov staroveku a vyvolalo diskusie medzi rôznymi myšlienkovými prúdmi; Vďačíme za to veľkým mysliteľom ako Aristoteles alebo Euklides, ktorí žili medzi XNUMX. a XNUMX. storočím pred Kristom, o ktorých prvej formalizácii máme písomné dôkazy o koncepte videnia a lúčov svetla. Už v XNUMX. storočí pred n. C. používanie známych horiacich zrkadiel Archimedes sa preslávilo počas druhej púnskej vojny, hoci to ešte nebolo historicky dokázané.
rím
Najzdokumentovanejšie príklady v tomto smere sú tie, ktoré pochádzajú z rímskeho sveta. V skutočnosti, používanie, ktoré starí Rimania vyrábali z viac-menej sploštených sklenených gúľ na sústredenie slnečných lúčov a získavanie ohňa, bolo už dlho všeobecne uznávané. Zdá sa, že technológia šošoviek je ešte staršia ako rímska civilizácia, o čom svedčia nálezy z Knossosu, ktoré sa datujú do doby bronzovej, teda z obdobia medzi rokmi 3500 a 1200 pred Kristom. c.
Pompeje
Okrem krištáľových hranolov mimoriadnej presnosti a pravidelnosti (používaných na rozbitie svetla do farieb spektra) pochádzajú aj z vykopávok r. staroveké Pompeje malé okrúhle cievy, mierne konvexné, schopné poskytnúť jasný a zväčšený obraz. Bohužiaľ, neexistujú takmer žiadne literárne zdroje, ktoré by hovorili o týchto objektoch ako o nástrojoch videnia. Odovzdal ho Plínius Starší, keď cisár Nero, možno krátkozraký, sledoval zápasy gladiátorov tak, že sa na ne pozeral cez veľký leštený smaragd.
Ottica a Catoptrica
Keď sa vrátime k Euklidovi, poznamenávame, že bol autorom slávnych piatich postulátov geometrie, ktoré obsahujú pojmy bod, čiara a rovina; Tieto základné pojmy sa spojili dielo Ottica e Catoptrica kde sú obsiahnuté prvky perspektívy, štúdium odrazu v rovinných a sférických zrkadlách a po prvýkrát je definovaný koncept vizuálneho lúča bez fyzickej štruktúry. To umožňuje Euklidovi rozšíriť typickú metódu geometrických demonštrácií na oblasť svetelných javov.
Povaha týchto axióm je však silne podmienená myšlienkou, že videnie sa uskutočňuje pomocou lúčov emitovaných okom: extromívna teória svetla. Aby sme dospeli k pokročilejšej teórii videnia, bolo potrebné počkať do 965. storočia s teóriami Araba Alhazena (1039-XNUMX). Podľa Alhazena, oko nemôže "cítiť" predmet inak ako pomocou lúčov ktorý vás posiela konečnou rýchlosťou; svetlo musí skutočne existovať, pretože keď je veľmi intenzívne, môže poškodiť oči a vytvárať sekundárne obrazy.
Vynález mikroskopu
Na zrod skutočného prekurzorového mikroskopu tých moderných si bude treba počkať až do baroka. 1609. storočie je v mnohých krajinách plodným obdobím pre vedu vo všeobecnosti, v skutočnosti treba povedať, že zažilo skutočnú vedeckú revolúciu so Baconom, Boylom, Kopernikom, Leibnizom a mnohými ďalšími. Treba však povedať, že v dejinách mikroskopie neexistuje žiadny výnimočný dátum porovnateľný s rokom XNUMX, v ktorom Galileo Galilei (1564-1642) bol vyrobený základným ďalekohľadom.
výrobcovia látok a mikroskopy
Okrem toho nie je náhoda, že Holandsko bolo kolískou takého prístroja, akým je mikroskop, pretože v XNUMX. storočí predstavovala táto krajina dôležitú obchodnú križovatku pre textilný sektor a súčasne aj pre výrobu keramiky a majoliky. . Z týchto posledných dielní, možno ako druhotný produkt výrobného procesu, s najväčšou pravdepodobnosťou pochádzali kvapky roztaveného skla, ktoré výrobcovia tkanín používané ako malé lupy na lepšiu kontrolu textúry počas výrobnej fázy. Toto bolo prvé použitie, ktoré Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), pôvodne vedúci obchodu s látkami, vyrobil zo stuhnutých sklenených guľôčok; neskôr, pravdepodobne v nadväznosti na jeho záujem o prírodné vedy, ku ktorým prirodzene inklinoval.
Preto možno Van Leeuwenhoekov považovať za prvý mikroskop, od r bol špeciálne koncipovaný a optimalizovaný pre použitie na účely vedeckého výskumu. Niet divu, že bol v tom čase uvádzaný ako vynikajúci výskumník, ktorý
[…] navrhol mikroskopy, ktoré ďaleko prevyšujú tie, ktoré sme doteraz videli...
V skutočnosti Leeuwenhoekov mikroskop pozostáva z jedinej šošovky namontovanej na kovovej podložke vybavenej špeciálnym držiakom vzorky s nastaviteľným ohniskom pomocou skrutkového mechanizmu a umožňuje použitie umelého osvetlenia. Tieto prvky, okrem toho, že od toho okamihu tvoria, základy akéhokoľvek optického mikroskopu, predpokladajú metodiku štúdia prírodných javov s už modernou príchuťou.
Príroda Arcana
Leeuwenhoek bol pokrytý oficiálnym uznaním, jeho laboratórium navštevovali akademici a politickí predstavitelia z celého sveta (slávna návšteva ruského cára Petra Veľkého). Leeuwenhoek zomrel vo veku 91 rokov 26. augusta 1723, po tom, čo videl latinské vydanie kompletnej zbierky jeho mnohých listov a správ, publikované v roku 1722 pod názvom „Arcana Naturae“.
Úsilie vedcov bude v nasledujúcich storočiach úplne venované budovaniu výkonnejších mikroskopov a systematizácii, klasifikácii a kvantifikácii novoobjaveného mikrosveta. V tomto zmysle je zásadný príspevok Angličana Roberta Hooka (1635-1703), ktorý sa viac pamätá na jeho štúdie o elasticite ako na štúdie optickej mikroskopie. Hooke, úplný vedec, vylepšil mikroskop, vybavil ho novými optickými systémami a novým systémom osvetlenia. To mu umožnilo urobiť sériu objavov, ako napríklad dutiny v korku, oddelené stenami, ktoré nazval bunky. V spore s Isaacom Newtonom, pravdepodobne najväčším vedcom tej doby, podporil myšlienku vlnovej teórie svetla na rozdiel od korpuskulárnej teórie.
Vývoj mikroskopie medzi XNUMX. a XNUMX. storočím: od optického mikroskopu po elektrónový mikroskop
Vylepšenia, ktoré sa postupne zavádzali do zložených mikroskopov vyrobených v XNUMX. storočí, sa v podstate týkali mechanickej štruktúry. Aj keď sa dosiahol určitý pokrok techniky výroby šošoviek, optický výkon bol stále slabý. Bolo to spôsobené kvalitou skla a dvoma vážnymi chybami v šošovkách: sférická a chromatická aberácia, ktoré viedli k rozmazaným a dúhovým obrazom.
Ďalej každé zlepšenie vždy a len prebiehalo na empirickom základe a teda Boli to ručne vyrábané výrobky.. Tieto aberácie si na korekciu vyžadujú spojenie niekoľkých šošoviek, a preto sa takéto systémy mohli realizovať až v polovici XNUMX. storočia.
Ernst Abbe
Od tohto momentu išli teoretické štúdium a technologický pokrok ruka v ruke. Najreprezentatívnejšou postavou tohto obdobia bol Nemec Ernst Abbe (1840-1905), ktorý transformoval mikroskop z kvalitatívneho na kvantitatívny prístroj; mnohé z princípov, na ktorých je založená moderná technológia mikroskopickej optiky a šošoviek všeobecne, sú jeho zásluhou; Abbe spolupracoval s Carlom Zeissom (1816-1888) v slávnych jenských optických dielňach.
Odvodil výraz, ktorý nesie jeho meno (Abbeho číslo), aby charakterizoval disperznú silu skla a dal do súvisu rozlíšenie objektívu mikroskopu ako funkciu jeho numerickej apertúry. mnohé z princípov, na ktorých je založená moderná technológia mikroskopickej optiky a šošoviek vôbec, sú jeho zásluhou. Abbe spolupracoval s Carlom Zeissom (1816-1888) v slávnych jenských optických dielňach.
August Kohler
Od roku 1900 pracoval v Jene aj August Kohler (1866-1948), ktorý sa zaoberal mikrofotografiou a zdokonalil dnes už všeobecne používaný osvetľovací systém pre mikroskopy; Koncom XNUMX. storočia už na trhu existovali vynikajúce rovné a invertované nástroje.
V roku 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) vyvinul takzvaný ultramikroskop, ktorý umožňuje štúdium koloidných častíc s rozmermi menšími ako je vlnová dĺžka svetla; a v nasledujúcich desaťročiach sa tempo nespomalilo: nové techniky ako fázový kontrast, interferenčné metódy a reflexná mikroskopia Otvorili nové oblasti použitia, zatiaľ čo iné dobre známe techniky boli zdokonalené, ako je fluorescencia, kontrastná interferencia a polarizácia. žiarenia.
elektrónová mikroskopia
Už v tridsiatych rokoch 30. storočia, s definíciou elementárnych častíc, ako je elektrón a zavedením dualizmu vlna/častica na vysvetlenie ich správania, dozreli časy, pretože limity priestorového rozlíšenia optických mikroskopov, dané vlnovou dĺžkou svetla , by mohla byť prekonaná v kontexte úplne novej perspektívy: elektrónovej mikroskopie. Prvý elektrónový mikroskop zostrojili v roku 1933 nemeckí fyzici Ernst Ruska (1906-1988) a Max Knoll (1897-1969). Sám Ruska o mnoho rokov neskôr hovoril o týchto časoch ako o plodnom období štúdia a výskumu:
Po jeho promócii (1931) sa hospodárska situácia v Nemecku veľmi sťažila a zdalo sa, že nie je možné nájsť si uspokojivé miesto na univerzite alebo v priemysle. Preto ma potešilo, že som mohol bezplatne pokračovať vo svojej činnosti ako doktorand na Ústave vysokého napätia...“ .
Koncom XNUMX. storočia a rastrovacia sondová mikroskopia
Stále je to progresívna systematizácia zákonov kvantovej mechaniky, ktorá navrhuje nové riešenia na skúmanie mikroskopického sveta stále podrobnejšie, dokonca až tak ďaleko, že odhaľuje jeho intímnu povahu, tj. molekuly a atómy. Na rozdiel od toho, čo sa stalo predtým, v 1980. rokoch minulého storočia sa niektoré skvelé nápady rozvíjali v kontextoch, ktoré boli už intelektuálne otvorené a čo nie je príliš zlé, primerane obdarené ľudskými, technologickými a ekonomickými zdrojmi.
George Gamow
Z myšlienky Georgea Gamowa (už objaviteľa takzvaného kozmického žiarenia pozadia) o existencii tunelového efektu, sformulovanej v roku 1928, vychádzali dvaja nemeckí fyzici Gerd Binnig (1947) a Heinrich Rohrer (1933- 2013) vznikol v roku 1981, keď pracoval vo výskumných laboratóriách IBM v Zürichu, prvý skenovací tunelový mikroskop.
Tento mikroskop využíva sondu s jemnou ihlou na detekciu slabého elektrického prúdu medzi sondou a povrchom skúmanej vzorky, ktorý možno skúmať s rozlíšením teoreticky menším, ako je veľkosť atómov a molekúl. Tento objav priniesol svojim objaviteľom Nobelovu cenu za fyziku v roku 1986. Je pozoruhodné, že túto cenu dostal pomerne neskoro aj Enrst Ruska. "Za jeho základnú prácu v elektrónovej optike a za návrh prvého elektrónového mikroskopu".
skenovacia mikroskopia
V rovnakom kontexte, ale na základe elektrickej sily vyvíjanej atómami povrchu na malej sonde umiestnenej v blízkosti, bol vynájdený mikroskop Atomic Force Microscope (1982) (v spolupráci so samotným Binningom), ktorého vytvorenie sa opiera o spoločný príspevok. ďalších vedcov vrátane Calvina Quatea (1923-2019) a Christopha Gerbera (1942). Tento mikroskop umožnil rozšíriť aplikáciu skenovacia sondová mikroskopia na širokú kategóriu vzoriek, vrátane biologických.
Pre svoju širokú škálu variantov a aplikácií je dnes táto technika s najväčšou pravdepodobnosťou najuniverzálnejšia pre štúdium povrchov v oblasti nanotechnológií. V súčasnosti je cieľom mikroskopov získať stále viac kompletných informácií o povahe povrchov a moderné mikroskopy integrujú do toho istého prístroja rôzne techniky na prispôsobenie sa štúdiu vzoriek rôznej povahy.
Od renesancie optiky po nanoskop
Vývoj laserových zdrojov, ktorý nastal v druhej polovici XNUMX. storočia, predstavoval nový vývoj klasickejšieho optického poľa, v podstate možno povedať, že išlo o najvýznamnejší objav v optike po röntgenových lúčoch. charakteristiky laserového svetla (extrémna koherencia, vysoká intenzita a jedna vlnová dĺžka) umožňujú vyhnúť sa javom aberácií a difrakcií charakteristické pre svetlo produkované tradičnými žiarovkami.
V roku 1955, pri príležitosti svojej doktorandskej práce z matematiky, Marvin Lee Minsky (1927-2016), jeden zo zakladateľov umelej inteligencie, teoretizoval o konfokálnom mikroskope, optickom prístroji s bezprecedentným rozlíšením a kvalitou obrazu na epochu. Ako sám hovorí:
V roku 1956 som si nechal patentovať svoj konfokálny mikroskop, ale platnosť patentu vypršala skôr, ako niekto postavil druhý. Dokonca sme sa ani neobťažovali patentovať obrazovku alebo logo, pretože sme si mysleli, že ide o úplne zrejmé vynálezy. Zdá sa, že to, čo je zrejmé, nie je pre patent relevantné.
konfokálny mikroskop
Konfokálny mikroskop sa štrukturálne líši od tradičného fluorescenčného mikroskopu použitím laserového zdroja, ale predovšetkým prítomnosťou clony pozdĺž optickej dráhy, ktorá umožňuje vylúčiť signál prichádzajúci z častí nad a pod ohniskom vzorky, teda poskytnutie obrazu po prvýkrát s trojrozmerné informácie. V skutočnosti sa konfokálny mikroskop dostáva do laboratórií až koncom 80. rokov XNUMX. storočia, keď sa laserová a počítačová technika stanú relatívne dostupnými a dostatočne výkonnými. V súčasnosti ide o zásadne dôležitý nástroj v biomedicínskom vedeckom výskume.
Konfokálny mikroskop predstavuje pre oblasť optiky nie technologický cieľ, ale východiskový bod pre rozkvet nových výskumných techník založených na laserovej technológii a použitie nových fluorescenčných markerov, ako je mikroskopia TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), zobrazovanie živých buniek, konfokálna spektrálna mikroskopia, použitie rôznych zobrazovacích techník, morfofunkčná analýza vrátane FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) a nakoniec použitia multifotónových laserov na dosiahnutie výrazného zvýšenia výkonu prenikania svetla do vzorky .
STED mikroskopia
Prvé roky tohto storočia sú tiež poznačené vývojom dômyselných nových nápadov, ktoré posunuli optické rozlíšenie za hranice dané povahou svetla. V skutočnosti hovoríme o super rozlíšení, dosiahnutom vďaka trom hlavným rozdielnym prístupom: lSTED mikroskopia vyvinutá Stefanom Hellom (1962), Nobelova cena za chémiu v roku 2014, štruktúrovaná svetelná mikroskopia, ktorá za svoj vznik vďačí Matsovi Gustafssonovi (1960-2011). ) a lokalizačná mikroskopia, ktorú v Harvardských laboratóriách zaviedol Xiaowei Zhuang (1972), ktorá je schopná vizualizovať jednu molekulu s rozlíšením 10-krát väčším ako tradičná optická mikroskopia.
Zavedenie superrozlišovacích techník viedlo k moderným svetelným mikroskopom, ktoré možno teda rozumne nazvať „nanoskopy“. viac a viac dialógu s elektronickými mikroskopmi pre lepšiu integráciu morfologických analýz. Dnes je mikroskop nenahraditeľným nástrojom v laboratóriu a stal sa samotným symbolom vedeckého výskumu.
Budúcnosť mikroskopie
Mikroskop bol nepochybne jednou z najväčších revolúcií v histórii vedy a znamenal zrod mikrobiológie, cytológie a bunkovej biológie. Obrovské skoky, ktoré lekársky výskum urobil za posledných 100-150 rokov, so všetkým, čo nasledovalo, by boli bez mikroskopu nemysliteľné.
Nové hranice technológie už vidia spojenie medzi informáciami produkovanými mikroskopmi a využívaním umelej inteligencie. Táto nová disciplína, tzv Deep Learning, je schopný analyzovať snímky nasnímané mikroskopmi a môže radikálne zmeniť mikroskopiu a pripraviť pôdu pre nové objavy. Ale Mats Gustafsson, jeden z otcov superrozlíšenia, si to všetko už uvedomil, keď povedal: „Keď sa medzi mikroskop a ľudského pozorovateľa pridá počítač, celá hra sa zmení. V tej chvíli, mikroskop už nie je zariadenie, ktoré musí generovať priamo interpretovateľný obraz. Teraz je to zariadenie na zaznamenávanie informácií.“
V tomto bode by bolo legitímne položiť si otázku, ako ďaleko je možné zájsť vo výskume a štúdiu mikroskopie: mikroskopický svet predstavuje takmer nevyčerpateľný rezervoár informácií: hmota má štrukturálne, chemické a fyzikálne vlastnosti, ktoré odrážajú odtlačok daný základnými konštantami a homogenitu fyzikálnych zákonov vznikli v prvých okamihoch vesmíru a možné varianty, z ktorých väčšina je stále mimo naše chápanie, predstavujú nepredstaviteľnú rozmanitosť sveta, ktorý pozorujeme.
