" Немає функції без анатомії ". Камілло Гольджі, лауреат Нобелівської премії з медицини 1906 року, написав це наприкінці XNUMX століття про свої дослідження центральних і периферичних нервових клітин. Іншими словами, функція змінює форму клітин, і тому мікроскопічні спостереження стають важливими для розуміння її фізіологічних механізмів.
Не випадково першою людиною, яка зрозуміла, що нерви складаються з набору кабелів, а не являють собою свого роду канали з м'якою речовиною всередині, як у випадку з кровоносними судинами, був Антон Ван Левенгук в 1715 році.
Левенгук і мікроскоп
Левенгук, голландський оптик і натураліст, визнаний винахідником оптичного мікроскопа; отже, той, хто першим гостро і точно спостерігав деякі природні явища, такі як циркуляція еритроцитів у капілярах, існування чоловічих статевих клітин, перша точна ідентифікація пластинчаста структура кришталика, відкриття найпростіших і бактерій, названих «маленькими тваринами». Очевидно, справа була не лише в наявності найкращих оптичних лінз того часу, які він також створив сам.
Ось як писав Левенгук у листі до Лондонського королівського товариства в 1692 році, відповідаючи на критику деяких своїх сучасників:
Я добре знаю, шановні панове, що звіти, які я час від часу пишу і надсилаю вам, не завжди узгоджуються між собою і що в них можна знайти суперечності; цим я хочу ще раз сказати, що я маю звичку дотримуватися даних, які маю, доки я не буду краще поінформований або поки мої спостереження не приведуть мене до іншого; і мені ніколи не буде соромно змінити свій метод.
Так народилася сучасна мікроскопія, тобто вивчення природи в малих кількостях, яке і сьогодні є одним із основних засобів дослідження сучасних наукових досліджень. Але щоб краще зрозуміти народження та еволюцію цієї науки, ми повинні звернутись до численних інтуїцій та відкриттів, які від перших спроб античності сформували розвиток цієї дисципліни до дивовижних спостережень сучасної науки.
Світло в еллінській та ісламській традиції
Незважаючи на те, що мікроскоп є відносно недавнім винаходом, дослідження світлових явищ зацікавило багатьох великих умів Античності та викликало дебати між різними школами думки; Ми вже завдячуємо цим великим мислителям, таким як Арістотель або Евклід, які жили між IV і III століттями до нашої ери, чиї перші формалізації, про які ми маємо письмові докази концепції зору та променів світла. Вже в XNUMX столітті до н. C. Використання знаменитих палаючих дзеркал Архімеда стало відомим під час Другої Пунічної війни, хоча це ще не було історично доведено.
Рим
Найбільш задокументованими прикладами в цьому відношенні є ті, що прийшли з римського світу. Насправді використання стародавніми римлянами більш-менш сплющених скляних куль для концентрації сонячних променів і отримання вогню було широко визнано протягом тривалого часу. Технологія лінз, здається, навіть старша за римську цивілізацію, про що свідчать знахідки з Кноссу, які відносяться до бронзового віку, періоду між 3500 і 1200 роками до нашої ери. в.
Помпеї
На додаток до кристалічних призм надзвичайної точності та регулярності (які використовуються для розбиття світла на кольори спектру), вони також походять з розкопок стародавні помпеї маленькі круглі судини, злегка опуклі, здатні давати чітке і збільшене зображення. На жаль, літературних джерел, які б говорили про ці предмети як про засоби зору, майже немає. Це було передано Плінієм Старшим, коли імператор Нерон, можливо, короткозорий, дивився на бої гладіаторів, дивлячись на них крізь великий полірований смарагд.
Оттика і Катоптрика
Повертаючись до Евкліда, зазначимо, що він був автором знаменитих п'яти постулатів геометрії, які містять поняття точки, прямої та площини; Ці фундаментальні концепції зійшлися разом твір Ottica e Catoptrica де містяться елементи перспективи, дослідження відбивання в плоскому та сферичному дзеркалах і вперше визначено поняття зорового променя без фізичної структури. Це дозволяє Евкліду поширити типовий метод геометричних демонстрацій на область світлових явищ.
Природа цих аксіом, однак, сильно зумовлена ідеєю, що зір відбувається за допомогою променів, випромінюваних оком: екстромізивна теорія світла. Щоб прийти до більш досконалої теорії бачення, потрібно було почекати до 965 століття, з теоріями араба Альхазена (1039-XNUMX). За словами Альхазена, око не може «відчути» предмет інакше як за допомогою променів який посилає вас із кінцевою швидкістю; світло має бути реальним, тому що коли воно дуже інтенсивне, воно може пошкодити очі та створити вторинні зображення.
Винахід мікроскопа
Доведеться дочекатися епохи бароко, щоб побачити народження справжнього мікроскопа-попередника сучасних. XVII століття є плідним періодом у багатьох країнах для науки загалом, фактично слід сказати, що воно бачило справжню наукову революцію з Беконом, Бойлем, Коперником, Лейбніцем та багатьма іншими. Однак слід сказати, що в історії мікроскопії немає видатної дати, порівнянної з 1609 роком, в якому Галілео Галілей (1564-1642) був зроблений за допомогою рудиментарного телескопа.
тканини та мікроскопи
Крім того, невипадково Нідерланди були колискою такого інструменту, як мікроскоп, оскільки в XNUMX столітті ця країна представляла важливий комерційний перехрестя для текстильного сектора і, в той же час, для виробництва кераміки та майоліки. . З цих останніх майстерень, можливо, як вторинний продукт виробничого процесу, цілком ймовірно, прийшли краплі розплавленого скла, які виробники тканин використовували як маленькі збільшувальні окуляри для кращого контролю текстури на етапі виробництва. Це було перше застосування, яке Антоні Ван Левенгук (1632-1723), спочатку менеджер магазину тканин, зробив із затверділого скляного бісеру; пізніше, ймовірно, після його інтересу до природничих наук, до яких він мав природну схильність.
Тому першим мікроскопом можна вважати Ван Левенгука, оскільки він був спеціально розроблений і оптимізований для використання в науково-дослідних цілях. Не дивно, що в той час його називали блискучим дослідником, який
[…] розробив мікроскопи, які значно перевершують ті, що бачили досі…
Фактично мікроскоп Левенгука складається з однієї лінзи, встановленої на металевій підставці, оснащеної спеціальним тримачем зразків з регульованим фокусуванням за допомогою гвинтового механізму, і передбачає використання штучного освітлення. Ці елементи, окрім того, що з цього моменту становлять основи будь-якого оптичного мікроскопа, передбачають методологію дослідження природних явищ із уже сучасним колоритом.
Тайна природи
Левенгук отримав офіційне визнання, його лабораторію відвідували вчені та політичні діячі з усього світу (відомий візит російського царя Петра Великого). Левенгук помер у віці 91 року 26 серпня 1723 року, побачивши латинське видання повного зібрання його численних листів і звітів, опубліковане в 1722 році під назвою «Arcana Naturae».
Зусилля вчених наступних століть будуть повністю спрямовані на створення потужніших мікроскопів і на систематизацію, класифікацію та кількісну оцінку нововідкритого мікросвіту. У цьому сенсі внесок англійця Роберта Гука (1635-1703) є основоположним, його більше запам’ятали завдяки його дослідженням еластичності, ніж дослідженням оптичної мікроскопії. Гук, справжній учений, вдосконалив мікроскоп, оснастивши його новою оптичною системою та новою системою освітлення. Це дозволило йому зробити низку відкриттів, таких як порожнини в пробці, розділені стінками, які він назвав клітин. У суперечці з Ісааком Ньютоном, мабуть, найбільшим вченим того часу, він підтримував ідею хвильової теорії світла на противагу корпускулярній теорії.
Еволюція мікроскопії між XNUMX і XNUMX століттями: від оптичного мікроскопа до електронного мікроскопа
Удосконалення, які поступово впроваджувалися в складні мікроскопи, побудовані в XNUMX столітті, в основному стосувалися механічної структури. Хоча певний прогрес був досягнутий у Технологія виготовлення лінз, оптичні характеристики все ще були незадовільними. Це було пов’язано як з якістю скла, так і з двома серйозними недоліками лінз: сферичною та хроматичною абераціями, які призвели до розмитих та райдужних зображень.
Крім того, кожне вдосконалення завжди і тільки відбувалося на емпіричній основі, а тому це були вироби ручної роботи. Щоб виправити ці аберації, потрібне з’єднання кількох лінз, тому такі системи можна було реалізувати лише в середині XNUMX століття.
Ернст Аббе
З цього моменту теоретичні дослідження та технічний прогрес йшли рука об руку. Найбільш репрезентативною постаттю цього періоду був німець Ернст Аббе (1840-1905), який перетворив мікроскоп із якісного інструменту на кількісний; йому належать багато принципів, на яких ґрунтується сучасна техніка оптики мікроскопів і взагалі лінз; Аббе співпрацював з Карлом Цейсом (1816-1888) у знаменитих оптичних майстернях Єни.
Він вивів вираз, який носить його ім'я (число Аббе), щоб охарактеризувати дисперсійну здатність скла та пов'язав роздільну здатність об'єктива мікроскопа як функцію його числової апертури. багато принципів, на яких базується сучасна техніка оптики мікроскопів і взагалі лінз, належать йому. Аббе співпрацював з Карлом Цейсом (1816-1888) у знаменитих оптичних майстернях Єни.
Август Колер
З 1900 р. в Єні також працював Август Колер (1866-1948), який займався мікрофотографією і вдосконалив загальноприйняту систему освітлення мікроскопів; В кінці XNUMX століття на ринку вже існували чудові прямі і перевернуті інструменти.
У 1903 році Річард Зігмонді (1865-1929) розробив так званий ультрамікроскоп, який дозволяє досліджувати колоїдні частинки з розмірами, меншими за довжину хвилі світла; і в наступні десятиліття темп не сповільнився: нові методи, такі як фазовий контраст, методи інтерференції та відбивна мікроскопія Вони відкрили нові сфери застосування, тоді як інші добре відомі методи були вдосконалені, такі як флуоресценція, контрастна інтерференція та поляризація. випромінювання.
електронна мікроскопія
Уже в 30-х роках, з визначенням елементарних частинок, таких як електрон, і запровадженням дуалізму хвиля/частинка для пояснення їхньої поведінки, час настав, оскільки обмеження просторової роздільної здатності оптичних мікроскопів, накладені довжиною хвилі світла , можна було б перевершити в контексті абсолютно нової точки зору: електронної мікроскопії. Перший електронний мікроскоп був створений у 1933 році німецькими фізиками Ернстом Руска (1906-1988) і Максом Кноллом (1897-1969). Сам Руска багато років потому називатиме ті часи плідним періодом навчання та досліджень:
Після його закінчення (1931) економічна ситуація в Німеччині стала дуже важкою, і здавалося, що неможливо знайти задовільну посаду в університеті чи промисловості. Тому я був радий безкоштовно продовжити свою діяльність як аспірант Інституту високої напруги…» .
Кінець XNUMX століття та скануюча зондова мікроскопія
Саме поступова систематизація законів квантової механіки пропонує нові рішення для все більш детального дослідження мікроскопічного світу, навіть заходячи настільки далеко, що розкриває його інтимну природу, тобто молекул і атомів. На відміну від того, що було раніше, у 1980-х роках деякі чудові ідеї були розроблені в контекстах, які вже були інтелектуально відкритими і, що не дуже погано, адекватно забезпечені людськими, технологічними та економічними ресурсами.
Георгій Гамов
Саме з ідеї Георгія Гамова (вже відкривача так званого космічного фонового випромінювання) про існування тунельного ефекту, сформульованого в 1928 році, двоє німецьких фізиків Герд Бінніг (1947) і Генріх Рорер (1933- 2013) задумав у 1981 році, працюючи в дослідницьких лабораторіях IBM у Цюріху, перший скануючий тунельний мікроскоп.
У цьому мікроскопі використовується зонд з тонкою голкою для виявлення слабкого електричного струму між зондом і поверхнею досліджуваного зразка, який можна досліджувати з роздільною здатністю, теоретично меншою за розмір атомів і молекул. Це відкриття принесло його першовідкривачам Нобелівську премію з фізики 1986 р. Примітно, що премію, доволі пізно, отримав і Енрст Руска. «За фундаментальні роботи в електронній оптиці та за проектування першого електронного мікроскопа».
скануюча мікроскопія
У тому ж контексті, але на основі електричної сили, яку діють атоми поверхні на невеликий зонд, розміщений поблизу, був винайдений атомно-силовий мікроскоп (1982) (у співпраці з самим Біннінгом), створення якого спирається на спільний внесок інших вчених, зокрема Кальвіна Куате (1923-2019) і Крістофа Гербера (1942). Цей мікроскоп дозволив розширити застосування скануюча зондова мікроскопія до широкої категорії зразків, у тому числі біологічних.
Завдяки широкому спектру варіантів і застосувань ця методика сьогодні, ймовірно, є найбільш універсальною для дослідження поверхонь у сфері нанотехнологій. Сьогодні, по суті, мікроскопії спрямовані на отримання все більш повної інформації про природу поверхонь, а сучасні мікроскопи об’єднують в одному приладі різні методи для адаптації до вивчення зразків різної природи.
Від ренесансу оптики до наноскопа
Розвиток лазерних джерел, який відбувся в другій половині XNUMX-го століття, став новим розвитком більш класичної оптичної області, фактично можна сказати, що це стало найважливішим відкриттям в оптиці після рентгенівського випромінювання. характеристики лазерного світла (надзвичайна когерентність, висока інтенсивність і одна довжина хвилі) дозволяють уникнути явищ аберації та дифракції характеристика світла, що виробляється традиційними лампами розжарювання.
У 1955 році, під час захисту докторської дисертації з математики, Марвін Лі Мінскі (1927-2016), один із засновників штучного інтелекту, висунув теорію про конфокальний мікроскоп, оптичний інструмент із безпрецедентною для епохи роздільною здатністю та якістю зображення. Як він сам каже:
У 1956 році я запатентував свій конфокальний мікроскоп, але термін дії патенту закінчився до того, як хтось створив другий. Ми навіть не потрудилися запатентувати екран чи логотип, вважаючи, що це абсолютно очевидні винаходи. Здається, що очевидне не стосується патенту.
конфокальний мікроскоп
Конфокальний мікроскоп структурно відрізняється від традиційного флуоресцентного мікроскопа використанням лазерного джерела, але, перш за все, наявністю діафрагми вздовж оптичного шляху, що дозволяє виключити сигнал, що надходить від частин над і під фокусом зразка, таким чином. надання зображення вперше тривимірна інформація. Насправді конфокальний мікроскоп потрапляє в лабораторії лише наприкінці 80-х років, коли лазерна та комп’ютерна технологія стає відносно доступною та потужною. Нині це принципово важливий інструмент у біомедичних наукових дослідженнях.
Для галузі оптики конфокальний мікроскоп є не технологічною метою, а відправною точкою для розквіту нових методів дослідження, заснованих на лазерній технології та використання нових флуоресцентних маркерів, як-от мікроскопія TIRF (флуоресценція повного внутрішнього відображення), візуалізація живих клітин, конфокальна спектральна мікроскопія, використання різних методів візуалізації, морфофункціональний аналіз включаючи FRAP (Відновлення флуоресценції після фотовідбілювання), FRET (Передача флуоресцентної резонансної енергії), FLIM (Флуоресцентна візуалізація впродовж життя), FCS (Флуоресцентна кореляційна спектроскопія) і, нарешті, використання багатофотонних лазерів для отримання значного збільшення потужності проникнення світла в зразок .
STED мікроскопія
Перші роки цього століття також позначені розвитком нових геніальних ідей, які вивели оптичну роздільну здатність за межі, накладені природою світла. Насправді ми говоримо про суперроздільність, яка досягається завдяки трьом основним різним підходам: lSTED мікроскопія, розроблена Стефаном Хеллом (1962), Нобелівська премія з хімії 2014 року, структурована світлова мікроскопія, яка завдячує своїм народженням Матсу Густафссону (1960-2011). ), а також локалізаційну мікроскопію, запроваджену в лабораторіях Гарварду Сяовеєм Чжуаном (1972), здатну візуалізувати одну молекулу з роздільною здатністю в 10 разів більшою, ніж традиційна оптична мікроскопія.
Впровадження техніки надроздільної здатності призвело до появи сучасних світлових мікроскопів, які тому можна розумно назвати «наноскопи». все більше і більше спілкуватися з електронними мікроскопами для кращої інтеграції морфологічного аналізу. Сьогодні мікроскоп є незамінним інструментом у лабораторії та став символом наукових досліджень.
Майбутнє мікроскопії
Мікроскоп, безсумнівно, був однією з найбільших революцій в історії науки, ознаменувавши народження мікробіології, цитології та клітинної біології. Гігантські стрибки, яких зробили медичні дослідження за останні 100-150 років, з усіма, що послідували, були б немислимі без мікроскопа.
Нові межі технологій уже бачать поєднання інформації, отриманої за допомогою мікроскопів, і використання штучного інтелекту. Ця нова дисципліна, наз Глибоке навчання, здатний аналізувати зображення, зроблені за допомогою мікроскопів, і може радикально змінити мікроскопію та прокласти шлях для нових відкриттів. Але Матс Густафссон, один із батьків суперроздільності, вже усвідомив усе це, коли сказав: «Як тільки між мікроскопом і людиною-спостерігачем додається комп’ютер, уся гра змінюється. На той момент, мікроскоп більше не є пристроєм, який повинен генерувати зображення, яке можна безпосередньо інтерпретувати. Тепер це пристрій для запису інформації».
На цьому місці було б правомірно запитати, наскільки далеко можна зайти в дослідженні та вивченні мікроскопії: мікроскопічний світ являє собою майже невичерпний резервуар інформації: матерія має структурні, хімічні та фізичні властивості, які відображають відбиток фундаментальних констант і однорідність фізичних законів виникли в перші моменти Всесвіту, і можливі варіанти, більшість з яких все ще знаходяться за межами нашого розуміння, складають неймовірну різноманітність світу, який ми спостерігаємо.
