НЕКА СЕГА ПОХВАЛИМ ИЗОБРЕТЕНИЕТО НА МИКРОСКОПА | НАУКА | СМИТСОНИЪН - СТАТИИ, ИНОВАЦИИ, НАУКА

Брад Амос е прекарал по-голямата част от живота си в мислене и разглеждане на мънички светове. Сега на 71 години той работи като гостуващ професор в Университета Стратклайд в Шотландия, където ръководи екип от изследователи, проектиращи изключително голям нов обектив за микроскоп - за дължината и ширината на човешката ръка. Наречен като един от най-добрите десет пробива на физиката в света, така наречените мезоленци са толкова мощни, че могат да изобразяват цели тумори или миши ембриони в едно зрително поле, като едновременно изобразяват вътрешностите на клетките.

Свързано съдържание

Призови видеоклипове Заснемане на хипнотизиращ, микроскопичен свят
Нова техника носи цветни и електронни микроскопични изображения на клетки
Ранните микроскопи разкриха нов свят на мъничките живи същества

„Той има голямо покритие на обектива на фотоапарат и фината разделителна способност на целта на микроскопа, така че има предимствата на двата подхода“, казва Амос. „Изображенията са изключително полезни.“

Днес микроскописти като Amos работят по целия свят за иновация на нови технологии с широко приложение в медицината и човешкото здраве. Но тези авангардни постижения всичко проследява до първите микроскопи, построени през 16 и 17 век. Макар и авангардни за времето, те не биха ви впечатлили много; които не бяха много по-силни от ръчно лупа.

Амос е обсебен дори от тези най-прости микроскопи, откакто го получи за рожден ден като дете. Интригата му в микроскопичните светове стана ненаситна, докато проучваше всичко, което можеше да намери - от силата в рамките на мънички пукащи мехурчета до начина, по който парчета мед, оформени под иглата на игла. "Това е като тесто за игра, може да бъде много меко", казва Амос за мед. Той описва своето благоговение към явленията, които е открил под обхвата, който не е могъл да види с голи очи: „Вие изучавате свят, който дори не се подчинява на същите правила на възприятие.“

Този тип любопитство в движението на малките светове задвижва микроскопията от самото й създаване. Екип на холандски баща-син на име Ханс и Захариас Янсен изобретил първия така наречен сложен микроскоп в края на 16 век, когато открили, че ако поставят леща в горната и долната част на тръбата и погледнат през нея, предмети върху другият край се увеличи. Устройството положи критични основи за бъдещи пробиви, но само увеличени между 3x и 9x.

Качеството на изображението е в най-добрия случай посредствено, казва Стивън Рузин, микроскопист и уредник на колекцията от микроскопи Golub в Калифорнийския университет в Бъркли. „Аз съм ги представял и те са наистина ужасни“, казва Рузин. „Лещите за ръце бяха много по-добри.“

Въпреки че предоставиха увеличение, тези първи сложни микроскопи не можаха да увеличат разделителната способност, така че увеличените изображения изглеждаха размити и неясни. В резултат на това от 100 години не се стигна до значителни научни пробиви от тях, казва Рузин.

Но към края на 1600 г. подобренията на лещите повишават качеството на изображението и увеличаващата сила до 270 пъти, проправяйки пътя към големи открития. През 1667 г. английският природознавец Робърт Хук известно публикува книгата си Micrographia със сложни рисунки на стотици екземпляри, които наблюдава, включително отделни участъци в клона на тревисто растение. Той нарече секционните килии, защото му напомниха на клетки в манастир - и така стана баща на клетъчната биология.

Рисунки от Micrographia на Робърт Хук, където той рисува първата растителна клетка, открита някога в тази борова клонка. (Робърт Хук, Микрография / Wikimedia Commons)

През 1676 г. холандският учен, превърнал се в търговец на плат, Антоний ван Левенуек, подобрил допълнително микроскопа с намерението да разгледа плата, който е продал, но по невнимание направи новаторското откритие, че бактериите съществуват. Случайното му откриване отвори полето на микробиологията и основата на съвременната медицина; почти 200 години по-късно френският учен Луи Пастьор би определил, че бактериите са причината за много заболявания (преди това много учени вярваха в теорията за миазмата, че гнилият въздух и лошите миризми ни разболяват).

„Беше огромно“, казва Кевин Елисейри, микроскопист в Университета на Уисконсин Мадисън, за първоначалното откриване на бактерии. „Имаше много объркване относно това, което те е разболяло. Идеята, че във водата има бактерии и неща, беше едно от най-големите открития досега. "

На следващата година, през 1677 г., Лиувенхук направи още едно забележително откритие, когато идентифицира човешкия сперматозоид за първи път. Студент по медицина му бе донесъл еякулата на пациент с гонорея, за да учи под неговия микроскоп. Льовенхук задължително откри малки животни с опашки и продължи да открива същите извиващи се „животни“ в собствената си проба от сперма. Той публикува тези новаторски открития, но, както беше случаят с бактериите, минаха 200 години, преди учените да разберат истинското значение на откритието.

Към края на 1800 г. немски учен на име Уолтър Флемминг откри клетъчното делене, което десетилетия по-късно помогна да се изясни как ракът расте - откритие, което би било невъзможно без микроскопи.

"Ако искате да можете да насочите част от клетъчната мембрана или тумор, трябва да го гледате", казва Елисейри.

Докато оригиналните микроскопи, използвани от Хук и Левенхук, може да са имали своите ограничения, основната им структура от две лещи, свързани с тръби, остава актуална от векове, казва Елисейри. През последните 15 години напредъкът в изображенията се пренесе в нови сфери. През 2014 г. екип от немски и американски изследователи спечели Нобеловата награда за химия за метод, наречен флуоресцентна микроскопия със супер разделителна способност, толкова мощен, че сега можем да проследяваме единични протеини, докато те се развиват в клетките. Този развиващ се метод, станал възможен чрез иновативна техника, която гените свети или „флуоресцира“, има потенциални приложения в борбата срещу болести като болестта на Паркинсон и Алцхаймер.

Италиански микроскоп, изработен от слонова кост в средата на 1600 г., част от колекцията Golub в UC Berkeley. (Колекция Golub в UC Berkeley.)

Рузин оглавява механизма за биологично изображение в Калифорнийския университет в Бъркли, където изследователите използват технологията, за да изследват всичко - от микроструктури в паразита Giardia и подреждане на протеини в бактериите. За да помогне за привеждане на съвременните изследвания на микроскопията в контекста, той прави смисъл да споделя някои от най-старите предмети от колекцията Golub - една от най-големите публично показвани колекции в света, съдържаща 164 антични микроскопа от 17 век - със своя студент студенти. Той дори им позволява да се справят с едни от най-старите в колекцията, включително италиански, изработен от слонова кост около 1660 година.

„Казвам„ не го фокусирайте, защото ще се счупи “, но оставям на учениците да го прегледат и това го връща у дома“, казва Рузин.

Все пак, въпреки силата на микроскопията със супер разделителна способност, тя създава нови предизвикателства. Например всеки път, когато един образец се движи с висока разделителна способност, изображението се размива, казва Рузин. „Ако една клетка вибрира само от топлинно движение, подскачайки наоколо от водни молекули, които я удрят, защото е топла, това ще убие супер разделителната способност, защото отнема време“, казва Рузин. (Поради тази причина изследователите по принцип не използват микроскопия със супер разделителна способност за изследване на живи проби.)

Но технология като Mesolens на Amos - с много по-ниско увеличение от само 4 пъти, но много по-широко зрително поле, способно да улавя до 5 мм, или около ширината на розов нокът - може да изобрази жив екземпляр. Това означава, че те могат да наблюдават как мишки ембрион се развива в реално време, следвайки гени, свързани със съдова болест при новородени, когато те се включат в ембриона. Преди това учените биха използвали рентгенови лъчи за изследване на съдовите заболявания в ембрионите, но няма да стигнат подробности до клетъчно ниво, както правят с мезоленците, казва Амос.

„Почти не е чуто за всеки да проектира нова обективна леща за светлинна микроскопия и ние направихме това, за да се опитаме да поберем новите видове образци, които биолозите искат да изследват“, казва колегата на Amos Гейл Макконъл от университета в Стратклайд Глазгоу, обяснявайки че учените се интересуват от изучаване на непокътнати организми, но не искат да компрометират количеството подробности, които могат да видят.

Досега индустрията за съхранение на данни е проявила интерес да използва мезоленците за изучаване на полупроводникови материали, а членовете на нефтената индустрия са били заинтересовани да го използват за изобразяване на материали от бъдещи сондажни площадки. Дизайнът на лещата набира светлина особено добре, което позволява на изследователите да наблюдават как се разплитат сложни детайли, като клетки в метастазиращ тумор, мигриращ навън. Но истинският потенциал на тези нови техники остава да видим.

„Ако развиете цел, различна от всичко, което е направено през последните 100 години, тя отваря всякакви неизвестни възможности“, казва Амос. "Тепърва започваме да разбираме какви са тези възможности."

Забележка на редактора, 31 март 2017 г.: Тази публикация е редактирана, за да отразява, че Левенгук не е подобрил сложния микроскоп и че колекцията на Рузин датира от 17 век.

Стивън Рузин от UC Berkeley казва, че Micrographia на Хук, публикувана през 1665 г., е сравнима с Библията на Гутенберг от биолози, съдържаща първите в историята подробни чертежи на микроскопски образци, вариращи от поленовите зърна до плат. Остават по-малко от 1000 копия, но изображенията продължават да вдъхновяват микроскопистите и днес. (Wikimedia Commons)

Луната, описана в Micrographia (Wikimedia Commons)

Суберни клетки и листа от мимоза (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - От една луна. Диаграма на въшка (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - „Големият Belly'ed Gnat или женски Gnat“. Илюстрация на Гнат, за който се смята, че е нарисуван от сър Кристофър Рен. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - от структурата и движението на Крилата на мухите. Илюстрация на Синята муха, за която се смята, че е начертан от сър Кристофър Рен. (Wikimedia Commons)