Kaj vemo o mikroskopu?

" Brez anatomije ni funkcije ". Camillo Golgi, Nobelov nagrajenec za medicino leta 1906, je konec XNUMX. stoletja zapisal o svojih študijah centralnih in perifernih živčnih celic. Z drugimi besedami, funkcija preoblikuje obliko celic, zato mikroskopska opazovanja postanejo bistvena za razumevanje njenih fizioloških mehanizmov.

Ni naključje, da je bil Anton Van Leeuwenhoek leta 1715 prvi, ki je razumel, da so živci sestavljeni iz niza kablov in ne predstavljajo neke vrste kanala z mehko snovjo v notranjosti, kot je to v primeru krvnih žil.

Leeuwenhoek in mikroskop

leeuwenhoek, nizozemski optik in naravoslovec, je priznan kot izumitelj optičnega mikroskopa; torej tisti, ki je prvi natančno in natančno opazil nekatere naravne pojave, kot so kroženje rdečih krvničk v kapilarah, obstoj moških zarodnih celic, prva natančna identifikacija lamelna struktura leče, odkritje praživali in bakterij, imenovanih »male živali«. Očitno ni šlo le za razpoložljivost najboljših optičnih leč tistega časa, ki jih je tudi izdelal sam.

Takole je Leeuwenhoek zapisal v pismu Kraljevski družbi v Londonu leta 1692 in se odzval na kritike nekaterih svojih sodobnikov:

Dobro vem, spoštovani gospodje, da se poročila, ki vam jih občasno pišem in pošiljam, med seboj ne ujemajo vselej in da je v njih mogoče najti protislovja; s čimer želim še enkrat povedati, da imam navado, da se držim podatkov, ki jih imam, dokler nisem bolje obveščen ali dokler me moja opažanja ne pripeljejo drugam; in nikoli me ne bo sram spremeniti svoje metode.

Tako se je rodila sodobna mikroskopija, torej preučevanje narave v majhnih količinah, ki še danes predstavlja enega glavnih načinov raziskovanja sodobnega znanstvenega raziskovanja. Da pa bi bolje razumeli rojstvo in razvoj te znanosti, se moramo sklicevati na številne intuicije in odkritja, ki so od prvih poskusov v antiki oblikovala razvoj te discipline do osupljivih opažanj sodobne znanosti.

Svetloba v helenski in islamski tradiciji

Čeprav je mikroskop sorazmerno nov izum, je preučevanje svetlobnih pojavov zanimalo številne velike ume antike in je povzročilo razprave med različnimi šolami mišljenja; Dolgujemo ga že velikim mislecem, kot sta Aristotel ali Evklid, ki sta živela med IV. in III. stoletjem pred našim štetjem, čigar prvo formalizacijo imamo pisne dokaze o konceptu vizije in svetlobnih žarkov. Že v XNUMX. stoletju pr. C. uporaba slavnih Arhimedovih gorečih ogledal je postala znana med drugo punsko vojno, čeprav še ni bila zgodovinsko dokazana.

Roma

Najbolj dokumentirani primeri v zvezi s tem so tisti, ki prihajajo iz rimskega sveta. Pravzaprav je uporaba, ki so jo stari Rimljani izdelovali iz bolj ali manj sploščenih steklenih krogel za koncentracijo sončnih žarkov in pridobivanje ognja, že dolgo splošno priznana. Zdi se, da je tehnologija leč še starejša od rimske civilizacije, kar dokazujejo najdbe iz Knososa, ki segajo v bronasto dobo, obdobje med 3500 in 1200 pr. c.

Pompeji

Poleg kristalnih prizem izjemne natančnosti in pravilnosti (ki se uporabljajo za razbijanje svetlobe na barve spektra) prihajajo tudi iz izkopanin starodavni pompeji majhne okrogle posode, rahlo izbočene, ki omogočajo jasno in povečano sliko. Na žalost skorajda ni literarnih virov, ki bi govorili o teh predmetih kot orodjih za vid. Izročil ga je Plinij starejši, ko je cesar Neron, morda kratkoviden, opazoval gladiatorske boje tako, da jih je gledal skozi velik poliran smaragd.

Ottica in Catoptrica

Če se vrnemo k Evklidu, ugotavljamo, da je bil avtor slavnih petih postulatov geometrije, ki vsebujejo koncepte točke, črte in ravnine; Ti temeljni koncepti so se združili v delo Ottica e Catoptrica kjer so vsebovani elementi perspektive, preučevanje odboja v ravnih in sferičnih zrcalih in prvič je definiran koncept vidnega žarka brez fizične strukture. To omogoča Evklidu, da tipično metodo geometrijskih demonstracij razširi na področje svetlobnih pojavov.

Narava teh aksiomov pa je močno pogojena z idejo, da vid poteka z žarki, ki jih oddaja oko: ekstromizivna teorija svetlobe. Da bi prišli do naprednejše teorije vida, je bilo treba počakati do 965. stoletja, s teorijami Arabca Alhazena (1039-XNUMX). Po Alhazenu, oko ne more "otipati" predmeta, razen s pomočjo žarkov ki te pošilja s končno hitrostjo; svetloba mora resnično obstajati, ker ko je zelo intenzivna, lahko poškoduje oči in ustvari sekundarne slike.

Izum mikroskopa

Počakati bo treba do baročne dobe, da se bo rodil pravi predhodnik sodobnih mikroskopov. 1609. stoletje je v mnogih državah plodno obdobje za znanost nasploh, pravzaprav je treba reči, da je videlo pravo znanstveno revolucijo z Baconom, Boylom, Kopernikom, Leibnizom in mnogimi drugimi. Vendar je treba povedati, da v zgodovini mikroskopije ni izjemnega datuma, primerljivega z letom XNUMX, letom, v katerem Galileo Galilei (1564-1642) je bil izdelan z osnovnim teleskopom.

izdelovalci blaga in mikroskopi

Poleg tega ni naključje, da je bila Nizozemska zibelka instrumenta, kot je mikroskop, saj je ta država v XNUMX. stoletju predstavljala pomembno trgovsko križišče za tekstilni sektor in hkrati za proizvodnjo keramike in majolike. . Iz teh zadnjih delavnic, morda kot sekundarni produkt proizvodnega procesa, so po vsej verjetnosti prišle kapljice staljenega stekla, ki proizvajalci tkanin uporabljajo kot majhna povečevalna stekla za boljši nadzor teksture med proizvodno fazo. To je bila prva uporaba, ki jo je Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), sprva vodja trgovine s tkaninami, naredil iz strjenih steklenih kroglic; pozneje, verjetno po njegovem zanimanju za naravoslovne vede, h katerim je bil naravno nagnjen.

Zato lahko Van Leeuwenhoekov štejemo za prvi mikroskop, saj je je bil posebej zasnovan in optimiziran za uporabo v znanstvenoraziskovalne namene. Ni presenetljivo, da so ga takrat omenjali kot briljantnega raziskovalca, ki je

[…] je zasnoval mikroskope, ki daleč presegajo doslej videne…

Pravzaprav je Leeuwenhoekov mikroskop sestavljen iz ene same leče, nameščene na kovinskem nosilcu, ki je opremljen s posebnim držalom za vzorec z nastavljivim fokusom s pomočjo vijačnega mehanizma in omogoča uporabo umetne svetlobe. Ti elementi poleg tega, da od tega trenutka tvorijo temelji vsakega optičnega mikroskopa, predpostavljajo metodologijo preučevanja naravnih pojavov z že sodobnim pridihom.

Arcana Nature

Leeuwenhoek je bil pokrit z uradnim priznanjem, njegov laboratorij so obiskovali akademiki in politiki z vsega sveta (znameniti obisk ruskega carja Petra Velikega). Leeuwenhoek je umrl v starosti 91 let. 26. avgusta 1723, potem ko je videl latinsko izdajo celotne zbirke njegovih številnih pisem in poročil, objavljenih leta 1722 pod naslovom "Arcana Naturae".

Prizadevanja znanstvenikov bodo v naslednjih stoletjih v celoti posvečena izdelavi močnejših mikroskopov ter sistematizaciji, klasifikaciji in kvantificiranju na novo odkritega mikrosveta. V tem smislu je temeljen prispevek Angleža Roberta Hooka (1635-1703), ki si ga bolj zapomnimo po svojih študijah o elastičnosti kot po študijah optične mikroskopije. Hooke, popoln učenjak, je izboljšal mikroskop in ga opremil z novimi optičnimi sistemi in novim sistemom osvetlitve. To mu je omogočilo vrsto odkritij, kot so votline v pluti, ločene s stenami, ki jih je poimenoval celic. V polemiki z Isaacom Newtonom, verjetno največjim znanstvenikom tistega časa, je podprl zamisel o valovni teoriji svetlobe v nasprotju s korpuskularno teorijo.

Razvoj mikroskopije med XNUMX. in XNUMX. stoletjem: od optičnega mikroskopa do elektronskega mikroskopa

Izboljšave, ki so bile postopoma uvedene v sestavljene mikroskope, zgrajene v XNUMX. stoletju, so se v bistvu nanašale na mehansko strukturo. Čeprav je bil dosežen določen napredek pri tehnike izdelave leč, je bila optična zmogljivost še vedno slaba. To je bilo tako zaradi kakovosti stekla kot dveh resnih napak na lečah: sferične aberacije in kromatične aberacije, ki sta povzročili zamegljene in prelivajoče se slike.

Poleg tega je vsaka izboljšava vedno in samo potekala na empirični podlagi in zato Bili so ročno izdelani izdelki.. Za odpravo teh aberacij je potrebna povezava več leč, zato je bilo takšne sisteme mogoče realizirati šele sredi XNUMX. stoletja.

Ernst Abbe

Od tega trenutka sta šla teoretični študij in tehnološki napredek z roko v roki. Najbolj reprezentativna osebnost tega obdobja je bil Nemec Ernst Abbe (1840-1905), ki je spremenil mikroskop iz kvalitativnega v kvantitativni instrument; veliko načel, na katerih temelji sodobna tehnologija mikroskopske optike in leč nasploh, je njegova zasluga; Abbe je sodeloval s Carlom Zeissom (1816-1888) v znamenitih jenskih optičnih delavnicah.

Izpeljal je izraz, ki nosi njegovo ime (Abbejeva številka), da bi označil razpršilno moč stekla in povezal ločljivost mikroskopskega objektiva kot funkcijo njegove numerične aperture. mnoga načela, na katerih temelji sodobna tehnologija mikroskopske optike in leč nasploh, pripadajo njemu. Abbe je sodeloval s Carlom Zeissom (1816-1888) v znamenitih jenskih optičnih delavnicah.

Avgust Kohler

Od leta 1900 je v Jeni deloval tudi August Kohler (1866-1948), ki se je ukvarjal z mikrofotografijo in izpopolnil danes splošno sprejet sistem osvetlitve mikroskopov; Konec XNUMX. stoletja so na trgu že obstajali odlični ravni in obrnjeni instrumenti.

Leta 1903 je Richard Zsigmondy (1865-1929) razvil tako imenovani ultramikroskop, ki omogoča preučevanje koloidnih delcev z dimenzijami, manjšimi od valovne dolžine svetlobe; in v desetletjih, ki so sledila, se tempo ni upočasnil: nove tehnike, kot so fazni kontrast, interferenčne metode in refleksijska mikroskopija Odprli so nova področja uporabe, medtem ko so bile izpopolnjene druge znane tehnike, kot so fluorescenca, kontrastna interferenca in polarizacija. sevanje.

elektronska mikroskopija

Že v tridesetih letih 30. stoletja, z definicijo osnovnih delcev, kot je elektron, in uvedbo dualizma val/delec za razlago njihovega obnašanja, so bili časi zreli, saj so omejitve prostorske ločljivosti optičnih mikroskopov, ki jih postavlja valovna dolžina svetlobe, padle. , bi lahko presegli v kontekstu popolnoma nove perspektive: elektronske mikroskopije. Prvi elektronski mikroskop sta leta 1933 izdelala nemška fizika Ernst Ruska (1906-1988) in Max Knoll (1897-1969). Sam Ruska je mnogo let kasneje te čase označil za plodno študijsko in raziskovalno obdobje:

Po njegovi diplomi (1931) so se gospodarske razmere v Nemčiji zelo zaostrile in ni bilo mogoče najti zadovoljivega položaja na univerzi ali v industriji. Zato sem bil vesel, da sem lahko brezplačno nadaljeval svojo dejavnost kot doktorski študent na Inštitutu za visoko napetost…” .

Konec XNUMX. stoletja in mikroskopija z vrstično sondo

Še vedno je postopna sistematizacija zakonov kvantne mehanike tista, ki predlaga nove rešitve za vedno bolj podrobno raziskovanje mikroskopskega sveta, ki gre celo tako daleč, da razkrije njegovo intimno naravo, tj. molekule in atomi. Za razliko od tistega, kar se je dogajalo prej, se je v osemdesetih nekaj velikih idej razvilo v kontekstih, ki so bili že intelektualno odprti in, kar ni tako slabo, primerno opremljeni s človeškimi, tehnološkimi in ekonomskimi viri.

George Gamow

Dva nemška fizika, Gerd Binnig (1928) in Heinrich Rohrer (1947-1933) sta izhajala iz ideje Georgea Gamowa (že odkritja tako imenovanega kozmičnega sevanja ozadja) o obstoju tunelskega učinka, oblikovanega leta 2013. 1981) je leta XNUMX med delom v IBM-ovih raziskovalnih laboratorijih v Zürichu zasnoval prvi vrstični tunelski mikroskop.

Ta mikroskop uporablja sondo s fino iglo za zaznavanje šibkega električnega toka med sondo in površino preučevanega vzorca, ki ga je mogoče raziskati z ločljivostjo, ki je teoretično manjša od velikosti atomov in molekul. To odkritje je svojim odkriteljem prineslo Nobelovo nagrado za fiziko leta 1986. Zanimivo je, da je nagrado precej pozno prejel tudi Enrst Ruska. "Za njegovo temeljno delo na področju elektronske optike in za načrtovanje prvega elektronskega mikroskopa".

vrstična mikroskopija

V istem kontekstu, vendar na podlagi električne sile, ki jo povzročajo atomi površine na majhno sondo, nameščeno v bližini, je bil izumljen mikroskop za atomsko silo (1982) (s sodelovanjem samega Binninga), katerega ustvarjanje temelji na skupnem prispevku drugih učenjakov, vključno s Calvinom Quateom (1923-2019) in Christophom Gerberjem (1942). Ta mikroskop je omogočil razširitev uporabe mikroskopijo z vrstično sondo na široko kategorijo vzorcev, vključno z biološkimi.

Zaradi širokega nabora variant in aplikacij je ta tehnika danes po vsej verjetnosti najbolj vsestranska za preučevanje površin na področju nanotehnologije. Danes si mikroskopije pravzaprav prizadevajo pridobiti vedno bolj popolne informacije o naravi površin, sodobni mikroskopi pa v istem instrumentu vključujejo različne tehnike za prilagajanje preučevanju vzorcev različne narave.

Od renesanse optike do nanoskopa

Razvoj laserskih virov, ki je potekal v drugi polovici XNUMX. stoletja, je predstavljal nov razvoj bolj klasičnega optičnega področja, pravzaprav lahko rečemo, da je predstavljal najpomembnejše odkritje v optiki po rentgenskih žarkih. značilnosti laserske svetlobe (ekstremna koherenca, visoka intenzivnost in ena valovna dolžina) omogočajo izogibajte se pojavom aberacij in difrakcij značilnost svetlobe, ki jo proizvajajo tradicionalne žarnice z žarilno nitko.

Leta 1955 je ob doktorski disertaciji iz matematike Marvin Lee Minsky (1927-2016), eden od utemeljiteljev umetne inteligence, teoretiziral o konfokalnem mikroskopu, optičnem instrumentu z izjemno ločljivostjo in kakovostjo slike za epoho. Kot pravi sam:

Leta 1956 sem patentiral svoj konfokalni mikroskop, vendar je patent potekel, preden je kdo izdelal drugega. Nismo se niti trudili patentirati zaslona ali logotipa, saj smo mislili, da sta povsem očitna izuma. Zdi se, da očitno ni pomembno za patent.

konfokalni mikroskop

Konfokalni mikroskop se strukturno razlikuje od tradicionalnega fluorescenčnega mikroskopa po uporabi laserskega vira, predvsem pa po prisotnosti diafragme vzdolž optične poti, ki omogoča izključitev signala, ki prihaja iz delov nad in pod žariščem vzorca, torej zagotavljanje slike prvič s tridimenzionalne informacije. V resnici pride konfokalni mikroskop v laboratorije šele v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko postaneta laserska in računalniška tehnologija relativno dostopni in dovolj zmogljivi. Trenutno je bistveno pomembno orodje v biomedicinskih znanstvenih raziskavah.

Konfokalni mikroskop za področje optike ne predstavlja tehnološkega cilja, temveč izhodišče za razcvet novih raziskovalnih tehnik, ki temeljijo na laserski tehnologiji in uporaba novih fluorescenčnih markerjev, kot so mikroskopija TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), slikanje celic v živo, konfokalna spektralna mikroskopija, uporaba različnih tehnik slikanja, morfofunkcionalna analiza vključno s FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) in končno uporabo večfotonskih laserjev za doseganje znatnega povečanja moči prodora svetlobe v vzorec .

STED mikroskopija

Prva leta tega stoletja zaznamuje tudi razvoj genialnih novih idej, ki so optično ločljivost potisnile onkraj meja, ki jih postavlja narava svetlobe. Pravzaprav govorimo o super ločljivosti, ki jo dosežemo s tremi glavnimi različnimi pristopi: lSTED mikroskopija, ki jo je razvil Stefan Hell (1962), Nobelova nagrada za kemijo leta 2014, strukturirana svetlobna mikroskopija, ki se je rodila Matsu Gustafssonu (1960-2011). ), in lokalizacijsko mikroskopijo, ki jo je v harvardskih laboratorijih uvedel Xiaowei Zhuang (1972), ki je sposobna vizualizirati eno molekulo z ločljivostjo, ki je 10-krat večja od tradicionalne optične mikroskopije.

Uvedba tehnik super ločljivosti je pripeljala do sodobnih svetlobnih mikroskopov, ki jih zato upravičeno lahko imenujemo "nanoskopi". čedalje bolj komunicirajo z elektronskimi mikroskopi za boljšo integracijo morfoloških analiz. Danes je mikroskop nenadomestljiv pripomoček v laboratoriju in je postal sam simbol znanstvenega raziskovanja.

Prihodnost mikroskopije

Mikroskop je bil nedvomno ena največjih revolucij v zgodovini znanosti, saj je zaznamoval rojstvo mikrobiologije, citologije in celične biologije. Ogromen skok, ki so ga medicinske raziskave naredile v zadnjih 100–150 letih, z vsem, kar je sledilo, bi si bil nepredstavljiv brez mikroskopa.

Nove meje tehnologije že vidijo poroko med informacijami, ki jih proizvajajo mikroskopi, in uporabo umetne inteligence. Ta nova disciplina, imenovana Globoko učenje, je sposoben analizirati slike, posnete z mikroskopi, in lahko radikalno spremeni mikroskopijo ter utre pot novim odkritjem. Toda Mats Gustafsson, eden od očetov super ločljivosti, je vse to že spoznal, ko je rekel: »Ko se med mikroskop in človeški opazovalec doda računalnik, se celotna igra spremeni. V tistem trenutku, mikroskop ni več naprava, ki mora ustvariti sliko, ki jo je mogoče neposredno interpretirati. Zdaj je to naprava za zapisovanje informacij.”

Na tem mestu bi se bilo upravičeno vprašati, kako daleč je mogoče iti v raziskovanju in proučevanju mikroskopije: mikroskopski svet predstavlja skoraj neizčrpen rezervoar informacij: snov ima strukturne, kemijske in fizikalne lastnosti, ki odražajo pečat temeljnih konstant in homogenosti fizikalnih zakonov je nastal v prvih trenutkih vesolja in možne različice, ki so večinoma še vedno izven našega razumevanja, tvorijo nepredstavljivo raznolikost sveta, ki ga opazujemo.