" Det finns ingen funktion utan anatomi ". Camillo Golgi, Nobelpriset i medicin 1906, skrev detta i slutet av XNUMX-talet om sina studier av centrala och perifera nervceller. Funktionen omformar med andra ord cellers form, och därför blir mikroskopiska observationer väsentliga för att förstå dess fysiologiska mekanismer.
Det är ingen slump att den första personen som förstod att nerver bestod av en uppsättning kablar och inte representerade en sorts kanal med en mjuk substans inuti, som i fallet med blodkärl, var Anton Van Leeuwenhoek 1715.
Leeuwenhoek och mikroskopet
Leeuwenhoek, holländsk optiker och naturforskare, är erkänd som uppfinnaren av det optiska mikroskopet; därför den som var den första att akut och precist observera vissa naturfenomen som cirkulationen av röda blodkroppar i kapillärerna, förekomsten av manliga könsceller, den första exakta identifieringen av linsens lamellstruktur, upptäckten av protozoer och bakterier som kallas "små djur". Uppenbarligen var det inte bara tillgången på dåtidens bästa optiska linser, som han också byggde själv.
Så här skrev Leeuwenhoek i ett brev till Royal Society of London 1692, och svarade på kritik från några av hans samtida:
Jag vet mycket väl, ärade herrar, att de rapporter jag emellanåt skriver och sänder er inte alltid överensstämmer med varandra, och att motsättningar kan finnas i dem; varmed jag än en gång vill säga att jag har för vana att hålla mig till de uppgifter jag har tills jag är bättre informerad eller tills mina iakttagelser leder mig någon annanstans; och jag kommer aldrig att skämmas för att ändra min metod.
Så föddes modern mikroskopi, det vill säga studiet av naturen i små mängder, som än idag utgör ett av de främsta undersökningsmedlen för modern vetenskaplig forskning. Men för att bättre förstå födelsen och utvecklingen av denna vetenskap, måste vi hänvisa till de många intuitioner och upptäckter som från de första försöken i antiken har format utvecklingen av denna disciplin till den moderna vetenskapens häpnadsväckande observationer.
Ljus i den hellenska och islamiska traditionen
Även om mikroskopet är en relativt ny uppfinning, har studiet av ljusfenomen intresserat många av antikens stora hjärnor och gett upphov till debatter mellan olika skolor; Vi är redan skyldiga det till stora tänkare som Aristoteles eller Euklid, som levde mellan IV och III århundraden f.Kr., vars första formalisering vi har skrivit bevis för begreppet syn och ljusstrålar. Redan på XNUMX-talet f.Kr. C. användningen av Arkimedes berömda brinnande speglar blev känd under det andra puniska kriget, även om det ännu inte har bevisats historiskt.
Roma
De mest dokumenterade exemplen i detta avseende är de som kommer från den romerska världen. Faktum är att den användning som de gamla romarna gjorde av mer eller mindre tillplattade glaskulor för att koncentrera solens strålar och få eld har varit allmänt ackrediterad under lång tid. Linstekniken verkar vara ännu äldre än den romerska civilisationen, vilket framgår av fynden från Knossos, som går tillbaka till bronsåldern, en period mellan 3500 och 1200 f.Kr. c.
Pompeji
Förutom kristallprismor med extraordinär precision och regelbundenhet (används för att bryta ljus i spektrumets färger), kommer de också från utgrävningar av forntida pompei små runda kärl, något konvexa, kapabla att ge en tydlig och förstorad bild. Tyvärr finns det nästan inga litterära källor som talar om dessa föremål som visionsverktyg. Den överlämnades av Plinius den äldre när kejsaren Nero, kanske närsynt, brukade titta på gladiatorstrider genom att titta på dem genom en stor polerad smaragd.
Ottica och Catoptrica
För att återgå till Euklid, noterar vi att han var författaren till de berömda fem geometripostulaten som innehåller begreppen punkt, linje och plan; Dessa grundläggande begrepp kom samman i verket Ottica e Catoptrica där element av perspektiv finns, den studie av reflektion i plana och sfäriska speglar och för första gången definieras begreppet visuell stråle utan fysisk struktur. Detta gör det möjligt för Euclid att utvidga den typiska metoden för geometriska demonstrationer till området för ljusfenomen.
Naturen hos dessa axiom är dock starkt betingad av tanken att syn sker av strålar som sänds ut av ögat: den extromisiva teorin om ljus. För att komma fram till en mer avancerad synsteori var det nödvändigt att vänta till 965-talet, med teorierna från arab Alhazen (1039-XNUMX). Enligt Alhazen, ögat kan inte "känna" föremålet annat än med hjälp av strålar som skickar dig med en ändlig hastighet; ljuset måste ha en verklig existens för när det är väldigt intensivt kan det skada ögonen och generera sekundära bilder.
Uppfinningen av mikroskopet
Det kommer att bli nödvändigt att vänta till barocktiden för att se födelsen av det sanna prekursormikroskopet för de moderna. 1609-talet är en fruktbar period i många länder för vetenskapen i allmänhet, man måste faktiskt säga att den såg en sann vetenskaplig revolution med Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz och många andra. Det måste dock sägas att det i mikroskopins historia inte finns något enastående datum jämförbart med XNUMX, det år då Galileo Galilei (1564-1642) gjordes med ett rudimentärt teleskop.
tygtillverkare och mikroskop
Dessutom är det ingen slump att Nederländerna var vaggan för ett instrument som mikroskopet, eftersom detta land på XNUMX-talet representerade ett viktigt kommersiellt vägskäl för textilsektorn och samtidigt för produktionen av keramik och majolika . Från dessa sista verkstäder, kanske som en sekundär produkt av tillverkningsprocessen, kom med all sannolikhet dropparna av smält glas som tygproducenter använde som små förstoringsglas för att bättre kontrollera strukturen under produktionsfasen. Detta var den första användningen som Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), ursprungligen en tygaffärschef, gjord av stelnade glaspärlor; senare, troligen efter sitt intresse för naturvetenskaperna som han naturligt var benägen till.
Därför kan Van Leeuwenhoeks betraktas som det första mikroskopet, eftersom det var speciellt utformad och optimerad för användning för vetenskapliga forskningsändamål. Inte överraskande citerades han vid den tiden som den briljanta forskaren som
[…] har designat mikroskop som vida överträffar de som vi sett hittills...
Leeuwenhoeks mikroskop består faktiskt av en enda lins monterad på ett metallstöd utrustat med en speciell provhållare med justerbar fokus med hjälp av en skruvmekanism, och tillhandahåller användning av artificiell belysning. Dessa element utgör, förutom att från det ögonblicket, grunden för alla optiska mikroskop, förutsätter en metodik för studiet av naturfenomen med en redan modern smak.
Arcana Nature
Leeuwenhoek var täckt med officiellt erkännande, hans laboratorium besöktes av akademiker och politiska personer från hela världen (det berömda besöket av tsar Peter den store av Ryssland). Leeuwenhoek dog vid en ålder av 91, den 26 augusti 1723, efter att ha sett den latinska upplagan av den fullständiga samlingen av hans talrika brev och rapporter, utgiven 1722 under titeln "Arcana Naturae".
Forskarnas ansträngningar under de följande århundradena kommer helt att ägnas åt att bygga mer kraftfulla mikroskop och att systematisera, klassificera och kvantifiera den nyupptäckta mikrovärlden. I denna mening är bidraget från engelsmannen Robert Hooke (1635-1703) grundläggande, mer ihågkommen för hans studier om elasticitet än för optisk mikroskopi. Hooke, en komplett forskare, gjorde förbättringar av mikroskopet och försåg det med nya optiska system och ett nytt belysningssystem. Detta gjorde det möjligt för honom att göra en rad upptäckter, som hålrummen i korken, åtskilda av väggar, som han kallade celler. I kontrovers med Isaac Newton, förmodligen tidens största vetenskapsman, stödde han idén om en vågteori om ljus i motsats till den korpuskulära teorin.
Utvecklingen av mikroskopi mellan XNUMX- och XNUMX-talen: från det optiska mikroskopet till elektronmikroskopet
De förbättringar som gradvis infördes i de sammansatta mikroskop som byggdes på XNUMX-talet handlade i huvudsak om den mekaniska strukturen. Även om vissa framsteg hade gjorts i linstillverkningstekniker, den optiska prestandan var fortfarande dålig. Detta berodde på både kvaliteten på glaset och två allvarliga brister i linserna: sfärisk aberration och kromatisk aberration, vilket resulterade i suddiga och iriserande bilder.
Dessutom skedde varje förbättring alltid och endast på empirisk grund och därför de var handgjorda produkter. För att korrigeras kräver dessa aberrationer koppling av flera linser och därför var det inte förrän i mitten av XNUMX-talet som sådana system kunde realiseras.
Ernst Abbe
Från det ögonblicket gick teoretiska studier och tekniska framsteg hand i hand. Den mest representativa figuren för denna period var tysken Ernst Abbe (1840-1905), som förvandlat mikroskopet från ett kvalitativt till ett kvantitativt instrument; många av de principer som den moderna tekniken för mikroskopoptik och linser i allmänhet bygger på beror på honom; Abbe samarbetade med Carl Zeiss (1816-1888) i de berömda optiska verkstäderna i Jena.
Han härledde uttrycket, som bär hans namn (Abbe-nummer), för att karakterisera glasets spridningskraft och relaterade upplösningen av ett mikroskopobjektiv som en funktion av dess numeriska bländare. många av de principer som den moderna tekniken för mikroskopoptik och linser i allmänhet bygger på beror på honom. Abbe samarbetade med Carl Zeiss (1816-1888) i de berömda optiska verkstäderna i Jena.
August Kohler
Från 1900 arbetade August Kohler (1866-1948) också i Jena, som sysslade med mikrofotografering och fulländade ett nu universellt antaget belysningssystem för mikroskop; I slutet av XNUMX-talet fanns redan utmärkta raka och inverterade instrument på marknaden.
1903 utvecklade Richard Zsigmondy (1865-1929) det så kallade ultramikroskopet, som gör det möjligt att studera kolloidala partiklar med dimensioner mindre än ljusets våglängd; och under decennierna som följde avtog inte takten: nya tekniker som faskontrast, interferensmetoder och reflektionsmikroskopi De öppnade upp för nya användningsområden samtidigt som andra välkända tekniker fulländades, såsom fluorescens, kontrastinterferens och polarisering. strålning.
elektronmikroskopi
Redan på 30-talet, med definitionen av elementarpartiklar som elektronen och introduktionen av våg/partikeldualismen för att förklara deras beteende, var tiderna mogna eftersom gränserna för den rumsliga upplösningen av optiska mikroskop, påtvingade av ljusets våglängd , skulle kunna överträffas i ett helt nytt perspektiv: elektronmikroskopi. Det första elektronmikroskopet byggdes 1933 av de tyska fysikerna Ernst Ruska (1906-1988) och Max Knoll (1897-1969). Ruska själv, många år senare, skulle hänvisa till den tiden som en fruktbar period av studier och forskning:
Efter sin examen (1931) hade den ekonomiska situationen i Tyskland blivit mycket svår och det verkade inte vara möjligt att finna en tillfredsställande befattning vid universitetet eller inom industrin. Därför var jag glad över att kunna fortsätta min verksamhet kostnadsfritt som doktorand vid Högspänningsinstitutet...” .
Sent XNUMX-tal och scanning probe mikroskopi
Det är fortfarande den progressiva systematiseringen av kvantmekanikens lagar som föreslår nya lösningar för att undersöka den mikroskopiska världen i allt större detalj, till och med gå så långt som att avslöja dess intima natur, dvs. molekyler och atomer. Till skillnad från vad som hände tidigare utvecklades på 1980-talet några fantastiska idéer i sammanhang som redan var intellektuellt öppna och, vad som inte är så illa, tillräckligt utrustade med mänskliga, tekniska och ekonomiska resurser.
George Gamow
Det är från George Gamows idé (redan upptäckaren av den så kallade kosmiska bakgrundsstrålningen) om existensen av tunneleffekten, formulerad 1928, som två tyska fysiker, Gerd Binnig (1947) och Heinrich Rohrer (1933- 2013) skapades 1981, när han arbetade vid IBMs forskningslaboratorier i Zürich, det första tunnelmikroskopet.
Detta mikroskop använder en tunn nål-sond för att detektera en svag elektrisk ström mellan sonden och ytan på provet som studeras, vilket kan undersökas till en upplösning som är teoretiskt mindre än storleken på atomer och molekyler. Denna upptäckt gav sina upptäckare Nobelpriset i fysik 1986. Det är ganska anmärkningsvärt att priset, ganska sent, även tilldelades Enrst Ruska. "För hans grundläggande arbete inom elektronoptik och för designen av det första elektronmikroskopet".
scanningsmikroskopi
I samma sammanhang, men baserat på den elektriska kraft som utövas av atomerna på en yta på en liten sond placerad i närheten, uppfanns Atomic Force Microscope (1982) (i samarbete med Binning själv), vars skapelse förlitar sig på det gemensamma bidraget av andra forskare, inklusive Calvin Quate (1923-2019) och Christoph Gerber (1942). Detta mikroskop gjorde det möjligt att utöka tillämpningen av scanning sond mikroskopi till en bred kategori av prover, inklusive biologiska.
På grund av sitt breda utbud av varianter och tillämpningar är denna teknik idag, med all sannolikhet, den mest mångsidiga för studier av ytor inom nanoteknikområdet. Idag syftar faktiskt mikroskoper till att få mer och mer fullständig information om ytornas natur och moderna mikroskop integrerar, i samma instrument, olika tekniker för att anpassa sig till studier av prover av olika karaktär.
Från optikens renässans till nanoskopet
Utvecklingen av laserkällor som ägde rum under andra hälften av XNUMX-talet representerade en nyutveckling av ett mer klassiskt optiskt fält, i själva verket kan man säga att det utgjorde den viktigaste upptäckten inom optiken efter röntgenstrålningen. egenskaper hos laserljus (extrem koherens, hög intensitet och enkel våglängd) tillåter undvika fenomen av aberrationer och diffraktioner karakteristisk för ljuset som produceras av traditionella glödlampor.
1955, med anledning av sin doktorsavhandling i matematik, teoretiserade Marvin Lee Minsky (1927-2016), en av grundarna av artificiell intelligens, om det konfokala mikroskopet, ett optiskt instrument med oöverträffad upplösning och bildkvalitet för epok. Som han själv säger:
1956 patenterade jag mitt konfokalmikroskop, men patentet gick ut innan någon byggde ett andra. Vi brydde oss inte ens om att patentera skärmen eller logotypen, och trodde att det var helt självklara uppfinningar. Det verkar som att det uppenbara inte är relevant för patentet.
konfokalmikroskop
Ett konfokalt mikroskop skiljer sig strukturellt från det traditionella fluorescensmikroskopet genom användningen av laserkällan men framför allt genom närvaron av ett membran längs den optiska vägen som gör det möjligt att utesluta signalen som kommer från delarna ovanför och under provets fokus, alltså tillhandahålla en bild för första gången med tredimensionell information. I verkligheten kommer det konfokala mikroskopet in i laboratorier först i slutet av 80-talet när laser- och datorteknik blir relativt tillgänglig och tillräckligt kraftfull. Det är för närvarande ett fundamentalt viktigt verktyg inom biomedicinsk vetenskaplig forskning.
Det konfokala mikroskopet representerar, för optikområdet, inte ett tekniskt mål utan en startpunkt för uppblomstringen av nya forskningstekniker baserade på laserteknik och användning av nya fluorescerande markörer, såsom TIRF (Total internal Reflection Fluorescence) mikroskopi, Live Cell Imaging, konfokal spektralmikroskopi, användning av olika bildtekniker, morfofunktionell analys inklusive FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) och slutligen användningen av multifotonlasrar för att få en signifikant ökning av kraftpenetrering av ljus in i provet .
STED mikroskopi
De första åren av detta århundrade kännetecknas också av utvecklingen av geniala nya idéer som har drivit den optiska upplösningen bortom gränserna för ljusets natur. Faktum är att vi talar om superupplösning, uppnådd tack vare tre huvudsakliga olika tillvägagångssätt: lSTED-mikroskopi utvecklad av Stefan Hell (1962), Nobelpriset i kemi 2014, strukturerad ljusmikroskopi som har sin födelse till Mats Gustafsson (1960-2011). ), och lokaliseringsmikroskopi, introducerad i Harvard-laboratorierna av Xiaowei Zhuang (1972), som kan visualisera en enda molekyl med en upplösning som är 10 gånger högre än traditionell optisk mikroskopi.
Införandet av superupplösningstekniker ledde till moderna ljusmikroskop, som därför rimligen kan kallas "nanoskop". dialog mer och mer med elektroniska mikroskop för en bättre integration av morfologiska analyser. Idag är mikroskopet ett oersättligt verktyg i laboratoriet och har blivit själva symbolen för vetenskaplig forskning.
Framtiden för mikroskopi
Mikroskopet var utan tvekan en av de största revolutionerna i vetenskapens historia, och markerade födelsen av mikrobiologi, cytologi och cellbiologi. De gigantiska språng som medicinsk forskning tagit de senaste 100-150 åren, med allt som har följt, hade varit otänkbara utan mikroskopet.
Teknikens nya gränser ser redan äktenskapet mellan information som produceras av mikroskop och användningen av artificiell intelligens. Denna nya disciplin, kallas Deep Learning, kan analysera bilder tagna med mikroskop och kan radikalt förändra mikroskopi och bana väg för nya upptäckter. Men Mats Gustafsson, en av superupplösningens fäder, hade redan insett allt detta när han sa: ”När en dator väl läggs till mellan mikroskopet och den mänskliga observatören förändras hela spelet. Vid det tillfället, ett mikroskop är inte längre en anordning som måste generera en direkt tolkningsbar bild. Nu är det en enhet för att registrera information.”
Vid denna punkt skulle det vara legitimt att fråga sig hur långt det är möjligt att gå i undersökningen och studien av mikroskopi: den mikroskopiska världen utgör en nästan outtömlig reservoar av information: materia har strukturella, kemiska och fysikaliska egenskaper som återspeglar det avtryck som ges av de grundläggande konstanterna och homogeniteten i fysikaliska lagar uppstod i universums första ögonblick och de möjliga varianterna, av vilka de flesta fortfarande är bortom vår förståelse, utgör den ofattbara mångfalden av världen som vi observerar.
