Ο Brad Amos έχει περάσει το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του σκεπτόμενος και κοιτάζοντας σε μικροσκοπικούς κόσμους. Τώρα, 71 ετών, εργάζεται ως επισκέπτης καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Strathclyde στη Σκωτία, όπου διοικεί μια ομάδα ερευνητών που σχεδιάζουν ένα εξαιρετικά μεγάλο φακό νέας μικροσκοπίας - σχετικά με το μήκος και το πλάτος ενός ανθρώπινου βραχίονα. Ονομάστηκε ένα από τα κορυφαία εφφέ του Physics World του 2016, το λεγόμενο Mesolens είναι τόσο ισχυρό ώστε μπορεί να απεικονίσει ολόκληρους όγκους ή έμβρυα ποντικού σε ένα οπτικό πεδίο, ενώ παράλληλα απεικονίζει τα εσωτερικά των κυττάρων.
σχετικό περιεχόμενο
- Βίντεο που κερδίζουν βραβεία Capture mesmerizing, μικροσκοπικό κόσμο
- Μια νέα τεχνική φέρνει χρώματα σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Εικόνες κυττάρων
- Τα πρώιμα μικροσκόπια αποκάλυψαν έναν νέο κόσμο των μικροσκοπικών συνθηκών διαβίωσης
"Έχει μεγάλη κάλυψη φακού φωτογραφικής μηχανής και λεπτή ανάλυση του αντικειμένου μικροσκοπίου, έτσι έχει τα πλεονεκτήματα των δύο προσεγγίσεων", λέει ο Amos. "Οι εικόνες είναι εξαιρετικά χρήσιμες."
Σήμερα, μικροσκόπιοι όπως ο Amos εργάζονται σε όλο τον κόσμο για να καινοτομούν στις νέες τεχνολογίες με εκτεταμένες εφαρμογές στην ιατρική και την ανθρώπινη υγεία. Όμως αυτές οι τελευταίες εξελίξεις μαρτυρούν όλα τα πρώτα μικροσκόπια που χτίστηκαν τον 16ο και 17ο αιώνα. Ενώ είναι αιχμή του χρόνου, δεν θα σας εντυπωσιάσουν πολύ. που δεν ήταν πολύ ισχυρότερες από ένα φορητό μεγεθυντικό φακό.
Ο Amos έχει μανία ακόμα και με αυτά τα απλούστερα μικροσκόπια από τότε που πήρε ένα για γενέθλια ως παιδί. Οι ίντριγκες του σε μικροσκοπικούς κόσμους έγιναν ακόρεστες, καθώς εξερευνούσε οτιδήποτε μπορούσε να βρει, από τη δύναμη μέσα σε μικροσκοπικές φυσαλίδες που έβγαιναν μέχρι τον τρόπο με τον οποίο κομμάτια χαλκού χυτεύθηκαν κάτω από την πτύχωση μιας βελόνας. "Είναι σαν τη ζύμη του παιχνιδιού, μπορεί να είναι πολύ μαλακό", λέει ο Amos για το χαλκό. Περιγράφει το δέος του για τα φαινόμενα που ανακάλυψε κάτω από το πεδίο που δεν μπορούσε να δει με τα γυμνά του μάτια: «Σπούδασε έναν κόσμο που δεν υπακούει καν στους ίδιους κανόνες αντίληψης».
Αυτός ο τύπος περιέργειας στις περιπλανήσεις των μικροσκοπικών κόσμων ώθησε τη μικροσκοπία από την έναρξή της. Μια ολλανδική ομάδα πατέρα-γιου, που ονομάστηκε Hans και Zacharias Janssen εφευρέθηκε το πρώτο λεγόμενο σύνθετο μικροσκόπιο στα τέλη του 16ου αιώνα, όταν ανακάλυψαν ότι αν έβαζαν φακό στην κορυφή και στον πυθμένα ενός σωλήνα και τα κοίταζαν, το άλλο άκρο έγινε μεγεθυντικό. Η συσκευή αποτέλεσε κρίσιμη βάση για μελλοντικές ανακαλύψεις, αλλά αυξήθηκε μόνο μεταξύ 3x και 9x.
Η ποιότητα της εικόνας ήταν μέτρια στην καλύτερη περίπτωση, λέει ο Steven Ruzin, μικροσκόπτης και επιμελητής της συλλογής μικροσκοπίων Golub στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ. "Έχω απεικονίσει μέσω αυτών και είναι πραγματικά αρκετά απαίσιο", λέει ο Ruzin. "Οι φακοί του χεριού ήταν πολύ καλύτεροι."
Παρόλο που παρείχαν μεγέθυνση, αυτά τα πρώτα μικροσκόπια σύνθεσης δεν θα μπορούσαν να αυξήσουν την ανάλυση, έτσι οι μεγεθυμένες εικόνες εμφανίστηκαν θολές και σκοτεινές. Ως αποτέλεσμα, δεν έχουν προκύψει σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις από αυτά για περίπου 100 χρόνια, λέει ο Ρουζίν.
Αλλά από τα τέλη του 1600, οι βελτιώσεις στους φακούς αύξησαν την ποιότητα της εικόνας και την μεγεθυντική ισχύ έως και 270x, ανοίγοντας το δρόμο για σημαντικές ανακαλύψεις. Το 1667, ο αγγλικός φυσικός επιστήμονας Robert Hooke δημοσίευσε το βιβλίο του Micrographia με περίπλοκα σχέδια εκατοντάδων δειγμάτων τα οποία είδε, συμπεριλαμβανομένων ξεχωριστών τμημάτων στο κλαδί ενός ποώδους φυτού. Κάλεσε τα κελιά των τμημάτων επειδή του υπενθύμισαν τα κύτταρα σε μια μονή - και έτσι έγινε ο πατέρας της κυτταρικής βιολογίας.
Σχέδια από την Micrographia του Robert Hooke, όπου σχεδιάζει το πρώτο κύτταρο φυτού που ανακαλύφθηκε ποτέ σε αυτό το κλαδί πεύκου. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons) Το 1676, ο ολλανδός έμπορος-επιστήμονας Antony van Leeuwenhoek βελτίωσε περαιτέρω το μικροσκόπιο με πρόθεση να εξετάσει το ύφασμα που πώλησε, αλλά κατά λάθος έκανε την πρωτοποριακή ανακάλυψη ότι υπάρχουν βακτηρίδια. Το τυχαίο εύρημα του άνοιξε το πεδίο της μικροβιολογίας και τη βάση της σύγχρονης ιατρικής. σχεδόν 200 χρόνια αργότερα, ο Γάλλος επιστήμονας Louis Pasteur θα καθόριζε ότι τα βακτήρια ήταν η αιτία πίσω από πολλές ασθένειες (πριν από αυτό, πολλοί επιστήμονες πίστευαν στη θεωρία του miasma ότι ο σάπιος αέρας και οι κακές οσμές μας έκαναν άρρωστους).
"Ήταν τεράστιο", λέει ο Kevin Eliceiri, μικροσκόπτης στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin Madison, για την αρχική ανακάλυψη βακτηριδίων. "Υπήρξε πολλή σύγχυση σχετικά με το τι σε έκανε να νιώθεις άρρωστος. Η ιδέα ότι υπάρχουν βακτήρια και πράγματα στο νερό ήταν ένα από τα μεγαλύτερα ευρήματα που έγιναν ποτέ ".
Το επόμενο έτος, το 1677, ο Leeuwenhoek έκανε μια άλλη ανακάλυψη χαρακτηριστικών όταν αναγνώρισε ανθρώπινο σπέρμα για πρώτη φορά. Ένας φοιτητής ιατρικής του είχε φέρει την εκσπερμάτωση ενός ασθενούς γονόρροιας για να σπουδάσει στο μικροσκόπιο του. Ο Leeuwenhoek υποχρέωσε, ανακάλυψε μικροσκοπικά ουρά ζώα, και συνέχισε να βρει τα ίδια «σκυλιά» στο δικό του δείγμα σπέρματος. Δημοσίευσε αυτά τα πρωτοποριακά ευρήματα αλλά, όπως συνέβη και με τα βακτηρίδια, πέρασαν 200 χρόνια πριν οι επιστήμονες κατανοήσουν την πραγματική σημασία της ανακάλυψης.
Στα τέλη του 18ου αιώνα, ένας γερμανός επιστήμονας που ονομάστηκε Walther Flemming ανακάλυψε την κυτταρική διαίρεση η οποία, δεκαετίες αργότερα, βοήθησε να διευκρινιστεί ο τρόπος με τον οποίο ο καρκίνος μεγαλώνει - ένα εύρημα που θα ήταν αδύνατο χωρίς μικροσκόπια.
"Εάν θέλετε να είστε σε θέση να στοχεύσετε μέρος της κυτταρικής μεμβράνης ή ενός όγκου, πρέπει να το παρακολουθήσετε", λέει ο Eliceiri.
Ενώ τα αρχικά μικροσκόπια που χρησιμοποίησαν οι Hooke και Leeuwenhoek ενδέχεται να έχουν τους περιορισμούς τους, η βασική τους δομή δύο φακών που συνδέονται με σωλήνες παρέμεινε σχετική εδώ και αιώνες, λέει ο Eliceiri. Τα τελευταία 15 χρόνια, οι εξελίξεις στην απεικόνιση έχουν μετατραπεί σε νέα σφαίρα. Το 2014, μια ομάδα Γερμανών και Αμερικανών ερευνητών κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας για μια μέθοδο που ονομάζεται μικροσκοπία φθορισμού υπερ-ανάλυσης, τόσο ισχυρή ώστε τώρα μπορούμε να παρακολουθούμε μεμονωμένες πρωτεΐνες καθώς αναπτύσσονται μέσα στα κύτταρα. Αυτή η εξελισσόμενη μέθοδος, που κατέστη δυνατή μέσω μιας καινοτόμου τεχνικής που κάνει τα γονίδια να λάμπουν ή να "φθορίζουν", έχει πιθανές εφαρμογές στην καταπολέμηση ασθενειών όπως η νόσος του Πάρκινσον και η νόσος του Alzheimer.
Ένα ιταλικό μικροσκόπιο από ελεφαντόδοντο στα μέσα του 1600, μέρος της συλλογής Golub στο UC Berkeley. (Συλλογή Golub στο UC Berkeley.) Ο Ρούζιν επικεφαλής της Διευκόλυνσης Βιολογικής Απεικόνισης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, όπου οι ερευνητές χρησιμοποιούν την τεχνολογία για να διερευνήσουν τα πάντα, από τις μικροδομές στο παράσιτο Giardia και τις διατάξεις των πρωτεϊνών μέσα στα βακτήρια. Για να συμβάλει στη σύγχρονη έρευνα στο μικροσκόπιο, κάνει ένα σημείο να μοιραστεί μερικά από τα παλαιότερα αντικείμενα από τη Συλλογή Golub - μία από τις μεγαλύτερες συλλογές που παρουσιάζονται στον κόσμο, που περιέχει 164 μικροσκόπια αντίκες που χρονολογούνται από τον 17ο αιώνα - με το προπτυχιακό του Φοιτητές. Ακόμα και τους αφήνει να χειριστούν μερικά από τα παλαιότερα της συλλογής, συμπεριλαμβανομένου ενός ιταλικού κατασκευασμένου από ελεφαντόδοντο γύρω στο 1660.
«Λέω« μην την επικεντρωθεί γιατί θα σπάσει », αλλά αφήνω τους μαθητές να το κοιτάξουν και αυτό το φέρνει στο σπίτι», λέει ο Ruzin.
Παρόλα αυτά, παρά τη δύναμη της μικροσκοπίας υπερ-ανάλυσης, δημιουργεί νέες προκλήσεις. Για παράδειγμα, κάθε φορά που ένα δείγμα κινείται με υψηλή ανάλυση, η εικόνα σβήνει, λέει ο Ruzin. "Εάν ένα κύτταρο δονείται μόνο με θερμική κίνηση, αναπηδώντας γύρω από τα μόρια του νερού που το χτυπάει επειδή είναι ζεστά, αυτό θα σκοτώσει την υπερβολική ανάλυση επειδή παίρνει χρόνο", λέει ο Ruzin. (Για το λόγο αυτό, οι ερευνητές δεν χρησιμοποιούν γενικά μικροσκοπία υπερ-ανάλυσης για τη μελέτη ζωντανών δειγμάτων.)
Αλλά η τεχνολογία όπως η Amos Mesolens - με πολύ μικρότερη μεγέθυνση μόλις 4x αλλά ένα πολύ ευρύτερο οπτικό πεδίο ικανό να συλλάβει μέχρι 5 mm, ή γύρω από το πλάτος ενός μικρού νύχι μπορεί να δει ζωντανό δείγμα. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να παρακολουθήσουν ένα έμβρυο ποντικού να αναπτυχθεί σε πραγματικό χρόνο, ακολουθώντας γονίδια που σχετίζονται με αγγειακές παθήσεις στα νεογέννητα καθώς ενσωματώνονται στο έμβρυο. Πριν από αυτό, οι επιστήμονες θα χρησιμοποιούσαν ακτίνες Χ για να μελετήσουν αγγειακές παθήσεις στα έμβρυα, αλλά δεν θα έβλεπαν τις λεπτομέρειες στο κυτταρικό επίπεδο όπως συμβαίνει με τους Μεσολένους, λέει ο Amos.
"Είναι σχεδόν ανύπαρκτο για οποιονδήποτε να σχεδιάσει ένα νέο αντικειμενικό φακό για μικροσκοπία φωτός και το κάναμε αυτό για να φιλοξενήσουμε τους νέους τύπους δειγμάτων που οι βιολόγοι θέλουν να σπουδάσουν", λέει ο συνάδελφος του Amos Gail McConnell στο Πανεπιστήμιο Strathclyde Glasgow, εξηγώντας ότι οι επιστήμονες ενδιαφέρονται να μελετήσουν ανέπαφους οργανισμούς, αλλά δεν θέλουν να θέσουν σε κίνδυνο την ποσότητα λεπτομέρειας που μπορούν να δουν.
Μέχρι στιγμής, η βιομηχανία αποθήκευσης δεδομένων έχει εκφράσει το ενδιαφέρον της για τη χρήση των Mesolens για τη μελέτη υλικών ημιαγωγών, ενώ τα μέλη της πετρελαϊκής βιομηχανίας ενδιαφέρονται να τα χρησιμοποιήσουν για την απεικόνιση υλικών από προοπτικές γεωτρήσεις. Ο σχεδιασμός του φακού προσελκύει το φως ιδιαίτερα καλά, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθήσουν περίπλοκες λεπτομέρειες ξεδιπλώνουν, όπως κύτταρα σε μεταστατικό όγκο που μεταναστεύει προς τα έξω. Αλλά το πραγματικό δυναμικό αυτών των νέων τεχνικών παραμένει προς συζήτηση.
"Εάν αναπτύξετε έναν διαφορετικό στόχο από ό, τι έχει γίνει για τα τελευταία 100 χρόνια, ανοίγει κάθε είδους άγνωστες δυνατότητες", λέει ο Amos. «Μόλις αρχίζουμε να βρούμε τις δυνατότητες αυτές».
Σημείωση εκδότη, 31 Μαρτίου 2017: Αυτή η ανάρτηση έχει τροποποιηθεί ώστε να αντικατοπτρίζει ότι ο Leeuwenhoek δεν βελτίωσε το σύνθετο μικροσκόπιο και ότι η συλλογή του Ruzin χρονολογείται από τον 17ο αιώνα.
Ο Steven Ruzin στο UC Berkeley λέει ότι η Micrographia του Hooke, που δημοσιεύθηκε το 1665, είναι συγκρίσιμη με την Αγία Γραφή των Βιολόγων Gutenberg, η οποία περιέχει τα πρώτα λεπτομερή σχέδια των δειγμάτων μικροσκοπίου που κυμαίνονται από κόκκους γύρης μέχρι ύφασμα. Λιγότερο από 1.000 αντίτυπα παραμένουν, αλλά οι εικόνες συνεχίζουν να εμπνέουν μικροσκόπια σήμερα. (Wikimedia Commons) 
Το φεγγάρι που περιγράφεται στην Micrographia (Wikimedia Commons) 
Υποβρύχια κύτταρα και φύλλα μιμόζης (Wikimedia Commons) 
Schem. XXXV - από ένα ποντίκι. Διάγραμμα μιας ψείρας (Wikimedia Commons) 
Schem. ΧΧΙΧ - "Η μεγάλη τράχηλος ή θηλυκό γάντι". Μια απεικόνιση ενός Gnat που πιστεύεται ότι έχει σχεδιαστεί από τον Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Schem. XXIV - Από τη δομή και την κίνηση των φτερών των μύγες. Μια απεικόνιση μιας Blue Fly που πιστεύεται ότι έχει σχεδιαστεί από τον Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Το μικροσκόπιο του Robert Hooke, σκίτσο από την αρχική του έκδοση (Wikimedia Commons) 
Ο περίφημος ψύλλος που περιγράφεται στο βιβλίο Micrographia (Wikimedia Commons) 
Ορισμένοι κρύσταλλοι που περιγράφονται στην Micrographia (Wikimedia Commons) 
Ο φελλός που περιγράφεται στο Micrographia από τον Robert Hooke (Wikimedia Commons)
