CHVÁLIME TERAZ VYNÁLEZ MIKROSKOPU VEDA SMITHSONIAN - ČLÁNKY, INOVÁCIE, VEDA

Brad Amos strávil väčšinu svojho života premýšľaním a hľadaním do malých svetov. Teraz má 71 rokov a pôsobí ako hosťujúci profesor na University of Strathclyde v Škótsku, kde vedie tím vedcov, ktorí navrhujú extrémne veľkú novú mikroskopickú šošovku - o dĺžke a šírke ľudskej ruky. Takzvaný Mesolens, pomenovaný jedným z desiatich najväčších prielomov Physics World v roku 2016, je taký silný, že dokáže zobraziť celé nádory alebo embryá myší v jednom zornom poli a súčasne zobrazovať vnútro buniek.

Súvisiaci obsah

Víťazné videá zachytávajú fascinujúci, mikroskopický svet
Nová technika prináša farebné snímky buniek z elektrónového mikroskopu
Skoré mikroskopy odhalili nový svet malých živých vecí

„Má veľké pokrytie objektívu fotografickej kamery a jemné rozlíšenie objektívu mikroskopu, takže má výhody oboch prístupov, “ hovorí Amos. „Obrázky sú veľmi užitočné.“

Dnes mikroskopovia ako Amos pracujú po celom svete na inovácii nových technológií s rozsiahlymi aplikáciami v medicíne a ľudskom zdraví. Tieto špičkové pokroky však siahajú až k úplne prvým mikroskopom vybudovaným v 16. a 17. storočí. Zatiaľ čo najmodernejší čas, na teba príliš nepôsobia; neboli oveľa silnejšie ako ručné lupy.

Amos bol posadnutý aj týmito najjednoduchšími mikroskopmi od chvíle, keď jeden dostal na narodeniny ako dieťa. Jeho intríg v mikroskopických svetoch sa stal neukojiteľným, keď skúmal čokoľvek, čo mohol nájsť, od sily v drobných bublinách až po spôsob, ako sa kúsky medi formovali pod bodnutím ihly. "Je to ako hracie cesto, môže byť veľmi mäkké, " hovorí Amos o medi. Opisuje svoju úctu nad fenoménom, ktorý objavil, do tej miery, že jeho holými očami nevidel: „Študujete svet, ktorý nedodržiava rovnaké pravidlá vnímania.“

Tento druh zvedavosti v pokračovaní malých svetov poháňal mikroskopiu od jej vzniku. Holandský tím otca a syna s názvom Hans a Zacharias Janssen vynašiel prvý takzvaný zložený mikroskop na konci 16. storočia, keď zistil, že ak vložia šošovku na hornú a dolnú časť skúmavky a pozerajú sa cez ňu, objekty na druhý koniec sa zväčšil. Zariadenie položilo kritické základy pre budúce objavy, ale zväčšené bolo iba 3x až 9x.

Kvalita obrazu bola prinajlepšom priemerná, hovorí Steven Ruzin, mikroskop a kurátor zbierky mikroskopov Golub na University of California v Berkeley. „Zobrazil som ich prostredníctvom nich a sú skutočne dosť hrozné, “ hovorí Ružín. "Ručné šošovky boli omnoho lepšie."

Hoci poskytovali zväčšenie, tieto prvé zložené mikroskopy nedokázali zvýšiť rozlíšenie, preto sa zväčšené obrázky javili ako rozmazané a nejasné. V dôsledku toho nepriniesli žiadne významné vedecké objavy asi 100 rokov, hovorí Ružín.

Ale koncom 1600s vylepšenia šošoviek zvýšili kvalitu obrazu a zväčšovaciu silu až na 270x, čo vydláždilo cestu pre významné objavy. V roku 1667 anglický prírodovedec Robert Hooke skvele publikoval svoju knihu Micrographia so zložitými kresbami stoviek exemplárov, ktoré pozoroval, vrátane rôznych častí vetvy bylinnej rastliny. Nazval bunky sekcií, pretože mu pripomenuli bunky v kláštore - a tak sa stal otcom bunkovej biológie.

Výkresy z mikrografie Roberta Hookeho, kde nakreslí prvú rastlinnú bunku, aká bola kedy objavená v tejto vetve borovice. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

V roku 1676 holandský obchodník s látkami obracajúcim sa na starosti Antony van Leeuwenhoek ďalej vylepšil mikroskop s úmyslom pozerať sa na látku, ktorú predával, ale neúmyselne urobil priekopnícky objav, že baktérie existujú. Jeho náhodný nález otvoril oblasť mikrobiológie a základ modernej medicíny; takmer o 200 rokov neskôr by francúzsky vedec Louis Pasteur zistil, že baktérie boli príčinou mnohých chorôb (predtým mnoho vedcov verilo v teóriu miasmy, ktorá nám spôsobila zhnitý vzduch a nepríjemné pachy).

"Bolo to obrovské, " hovorí Kevin Eliceiri, mikroskop z University of Wisconsin Madison, o počiatočnom objave baktérií. "Bolo veľa zmätku, čo spôsobilo, že si chorý." Myšlienka, že vo vode sú baktérie a veci, bola jedným z najväčších objavov všetkých čias. “

Budúci rok, v roku 1677, Leeuwenhoek urobil ďalší objav, keď prvýkrát identifikoval ľudské spermie. Študent medicíny mu priniesol ejakulát pacienta s kvapavkou na štúdium pod jeho mikroskopom. Leeuwenhoek sa zaviazal, objavil drobné chvostové zvieratá a vo svojej vzorke spermy pokračoval v hľadaní rovnakých krútiacich sa „zvieracích kostí“. Publikoval tieto priekopnícke zistenia, ale ako to bolo v prípade baktérií, uplynulo 200 rokov, kým vedci pochopili skutočný význam tohto objavu.

Koncom 18. storočia nemecký vedec menom Walther Flemming objavil bunkové delenie, ktoré o desaťročia neskôr pomohlo objasniť, ako rakovina rastie - zistenie, ktoré by nebolo možné bez mikroskopov.

„Ak chcete byť schopní zacieľovať na časť bunkovej membrány alebo nádor, musíte sa na to pozerať, “ hovorí Eliceiri.

Zatiaľ čo pôvodné mikroskopy, ktoré použili Hooke a Leeuwenhoek, mohli mať svoje obmedzenia, ich základná štruktúra dvoch šošoviek prepojených trubicami zostala relevantná po celé storočia, hovorí Eliceiri. V posledných 15 rokoch sa pokrok v zobrazovaní posunul do nových oblastí. V roku 2014 tím nemeckých a amerických vedcov získal Nobelovu cenu za chémiu za metódu nazývanú fluorescenčná mikroskopia s vysokým rozlíšením, ktorá je taká silná, že môžeme sledovať jednotlivé proteíny, keď sa vyvíjajú v bunkách. Táto vyvíjajúca sa metóda, umožnená inovatívnou technikou, ktorá spôsobuje žiarenie génov alebo „fluorescenciu“ génov, má potenciálne aplikácie v boji proti chorobám, ako sú Parkinsonova choroba a Alzheimerova choroba.

Taliansky mikroskop vyrobený zo slonoviny v polovici 16. storočia, súčasť zbierky Golub v UC Berkeley. (Zbierka Golub v UC Berkeley.)

Ružín vedie Biologické zobrazovacie zariadenie na Kalifornskej univerzite v Berkeley, kde vedci používajú túto technológiu na skúmanie všetkého od mikroštruktúr v parazite Giardia a usporiadania proteínov v baktériách. Aby pomohol priblížiť moderný mikroskopický výskum do kontextu, snaží sa so svojím vysokoškolákom zdieľať niektoré z najstarších predmetov zbierky Golub - jednu z najväčších verejne zobrazených zbierok na svete, obsahujúcich 164 starožitných mikroskopov zo 17. storočia. študentov. Dokonca im umožňuje manipulovať s niektorými z najstarších v zbierke, vrátane talianskej zo slonoviny okolo roku 1660.

„Hovorím, že sa to nezameriava, pretože sa to zlomí, “ ale nechám študentov, aby sa cez to pozreli, a to ju privádza domov, “hovorí Ružín.

Napriek schopnosti mikroskopu s vysokým rozlíšením to stále predstavuje nové výzvy. Napríklad, kedykoľvek sa vzorka pohybuje vo vysokom rozlíšení, obraz sa rozmazáva, hovorí Ružín. "Ak bunka vibruje iba tepelným pohybom a poskakuje okolo molekúl vody, ktoré ju bijú, pretože sú teplé, to zabije super rozlíšenie, pretože to vyžaduje čas, " hovorí Ružin. (Z tohto dôvodu vedci vo všeobecnosti na štúdium živých vzoriek nepoužívajú mikroskopiu s vysokým rozlíšením.)

Ale technológia ako Amos 'Mesolens - s oveľa menším zväčšením iba 4x, ale s oveľa širším zorným poľom schopným zachytiť až 5 mm alebo okolo šírky nechtového nechtu - môže zobrazovať živé vzorky. To znamená, že môžu sledovať vývoj myšieho embrya v reálnom čase po sledovaní génov spojených s vaskulárnym ochorením novorodencov, keď sa začleňujú do embrya. Predtým by vedci použili röntgenové lúče na štúdium vaskulárnych chorôb u embryí, ale nedostali by sa podrobnosti až na úroveň buniek, ako to robia s Mesolensmi, hovorí Amos.

„Je takmer neslýchané, že by niekto navrhol nový objektív pre svetelnú mikroskopiu a urobili sme to preto, aby sme vyhoveli novým typom vzoriek, ktoré chcú biológovia študovať, “ hovorí kolega Amosovej Gail McConnell z University of Strathclyde Glasgow. že vedci majú záujem študovať neporušené organizmy, ale nechcú ohroziť množstvo detailov, ktoré môžu vidieť.

Doposiaľ priemysel spracovania dát prejavil záujem používať Mesolens na štúdium polovodičových materiálov a členovia ropného priemyslu sa zaujímali o jeho použitie na zobrazovanie materiálov z potenciálnych vrtných pracovísk. Dizajn šošovky zachytáva svetlo obzvlášť dobre, čo umožňuje vedcom sledovať zložité detaily, ako sú bunky v metastázujúcom nádore migrujúcom von. Skutočný potenciál týchto nových techník však treba ešte len vidieť.

„Ak si vytvoríte iný cieľ ako čokoľvek, čo sa za posledných 100 rokov dosiahlo, otvára to celý rad neznámych možností, “ hovorí Amos. "Začíname sa zaoberať tým, aké sú tieto možnosti."

Poznámka editora, 31. marca 2017: Tento príspevok bol upravený tak, aby odrážal, že Leeuwenhoek nezlepšil zložený mikroskop a že Ruzinova zbierka sa datuje do 17. storočia.

Steven Ruzin z UC Berkeley hovorí, že Hookeova mikrografia, publikovaná v roku 1665, je porovnateľná s Gutenbergovou bibliou biológov, ktorá obsahuje vôbec prvé podrobné nákresy mikroskopických vzoriek od peľových zŕn až po látky. Zostáva menej ako 1 000 kópií, obrázky však dnes inšpirujú mikroskopov. (Wikimedia Commons)