Brad Amos și-a petrecut cea mai mare parte a vieții gândindu-se la lumi minuscule și uitându-se la ele. Acum, în vârstă de 71 de ani, lucrează ca profesor invitat la Universitatea din Strathclyde din Scoția, unde conduce o echipă de cercetători care proiectează un nou obiectiv microscopic extrem de mare – aproximativ lungimea și lățimea unui braț uman. Numit una dintre primele zece descoperiri ale Physics World din 2016, așa-numitul Mesolens este atât de puternic încât poate imagina tumori întregi sau embrioni de șoarece într-un câmp vizual, în timp ce imaginează simultan interiorul celulelor.
„Are o acoperire mare a obiectivului camerei foto și rezoluția fină a obiectivului microscopului, deci are avantajele celor două abordări”, spune Amos. „Imaginile sunt extrem de utile.”
Astăzi, microscopi ca Amos lucrează în întreaga lume pentru a inova noi tehnologii cu aplicații pe scară largă în medicină și sănătatea umană. Dar aceste progrese de ultimă oră se remarcă până la primele microscopuri construite în secolele al XVI-lea și al XVII-lea. În timp ce sunt de ultimă oră, nu te-ar impresiona prea mult; care nu erau mult mai puternice decât o lupă portabilă.
Amos a fost obsedat chiar și de cele mai simple microscopuri de când a primit unul pentru ziua de naștere în copilărie. Intriga sa în lumile microscopice a devenit de nesăbuit pe măsură ce a explorat tot ce a putut găsi, de la forța din bule minuscule, care scurgeau până la felul în care bucățile de cupru s-au turnat sub lovitura unui ac. „Este ca un aluat de joc, poate fi foarte moale”, spune Amos despre cupru. El își descrie uimirea față de fenomenele pe care le-a descoperit în scopuri pe care nu le-a putut vedea cu ochii goi: „Studiați o lume care nu Nu respecti nici măcar aceleași reguli de percepție. ”
Acest tip de curiozitate în cursul lumilor minuscule a propulsat microscopia încă de la începuturile sale. O echipă olandeză tată-fiu numită Hans și Zacharias Janssen au inventat primul așa-numit microscop compus la sfârșitul secolului al XVI-lea, când au descoperit că, dacă pun un obiectiv în partea de sus și de jos a unui tub și îl privesc, obiectele de pe celălalt capăt a devenit mărit. Dispozitivul a pus bazele critice pentru viitoare descoperiri, dar mărit doar între 3x și 9x.
Calitatea imaginii a fost mediocru în cel mai bun caz, spune Steven Ruzin, microscopist și curator al Golub Microscope Collection de la Universitatea din California la Berkeley. „Mi-am imaginat prin ele și sunt într-adevăr destul de îngrozitoare”, spune Ruzin. „Lentilele de mână au fost mult mai bune.”
Deși au oferit mărire, acești primi microscoape compuse nu au putut crește rezoluția, așa că mărite imaginile păreau neclare și ascunse. Ca rezultat, nu au apărut descoperiri științifice semnificative timp de aproximativ 100 de ani, spune Ruzin.
Dar la sfârșitul anilor 1600, îmbunătățirile obiectivelor au sporit calitatea imaginii și puterea de mărire până la 270x , deschizând calea pentru descoperiri majore. În 1667, omul de știință naturist englez Robert Hooke și-a publicat cartea Micrographia cu desene complexe ale sutelor de exemplare pe care le-a observat, inclusiv secțiuni distincte din ramura unei plante erbacee. El a numit secțiunile celule pentru că îi aminteau de celulele dintr-o mănăstire – și astfel a devenit tatăl biologiei celulare.
În 1676, Antony van Leeuwenhoek, negustor olandez, devenit om de știință, a îmbunătățit și mai mult microscopul cu intenția de a căuta la pânza pe care a vândut-o, dar din greșeală a făcut descoperirea revoluționară că există bacterii. Descoperirea sa accidentală a deschis domeniul microbiologiei și baza medicinei moderne; aproape 200 de ani mai târziu, omul de știință francez Louis Pasteur va stabili că bacteriile au fost cauza din spatele multor boli (înainte de aceasta, mulți oameni de știință credeau în teoria miasmei că aerul putred și mirosurile neplăcute ne îmbolnăveau).
a fost imens „, spune Kevin Eliceiri, microscop la Universitatea din Wisconsin Madison, despre descoperirea inițială a bacteriilor.” A existat o mulțime de confuzie cu privire la ceea ce v-a îmbolnăvit. Ideea că există bacterii și lucruri în apă a fost una dintre cele mai mari descoperiri vreodată. ”
Anul următor, în 1677, Leeuwenhoek a făcut o altă descoperire distinctivă când a identificat sperma umană pentru prima dată. Un student la medicină îi adusese ejacularea unui pacient cu gonoree pentru a studia la microscopul său. Leeuwenhoek a obligat, a descoperit animale mici cu coadă și a continuat să găsească aceleași „animalcule” zvârcolitoare în propria sa probă de material seminal.El a publicat aceste descoperiri revoluționare, dar, așa cum a fost cazul bacteriilor, au trecut 200 de ani înainte ca oamenii de știință să înțeleagă adevărata semnificație a descoperirii.
Până la sfârșitul anilor 1800, un om de știință german pe nume Walther Flemming a descoperit diviziunea celulară care, zeci de ani mai târziu, a ajutat la clarificarea modului în care crește cancerul – o constatare care ar fi fost imposibilă fără microscopuri.
„Dacă doriți să puteți viza o parte a membranei celulare sau o tumoare, trebuie să o urmăriți” spune Eliceiri.
În timp ce microscoapele originale pe care Hooke și Leeuwenhoek le-au folosit ar fi putut avea limitările lor, structura lor de bază a două lentile conectate printr-un tub a rămas relevantă de secole, spune Eliceiri. În ultimii 15 ani, progresele în imagistică s-au mutat în tărâmuri noi. În 2014, o echipă de cercetători germani și americani a câștigat Premiul Nobel pentru chimie pentru o metodă numită microscopie cu fluorescență cu rezoluție superioară, atât de puternică încât putem urmări acum proteinele singure pe măsură ce se dezvoltă în interiorul celulelor. Metoda ng, posibilă printr-o tehnică inovatoare care face ca genele să strălucească sau să „fluoresce”, are potențiale aplicații în combaterea bolilor precum Parkinson și Alzheimer.
Ruzin conduce Institutul de Imagistică Biologică de la Universitatea din California la Berkeley, unde cercetătorii folosesc tehnologia pentru a explora totul microstructuri din parazitul Giardia și aranjamente ale proteinelor din bacterii. Pentru a contribui la aducerea în context a cercetărilor moderne de microscopie, el își propune să împărtășească unele dintre cele mai vechi articole din colecția Golub – una dintre cele mai mari colecții expuse public din lume, care conține 164 de microscoape antice datând din secolul al XVII-lea – cu studenții săi elevi. El chiar le lasă să se ocupe de unele dintre cele mai vechi din colecție, inclusiv una italiană realizată din fildeș în jurul anului 1660.
„Eu spun„ nu-l focalizați pentru că se va sparge ”, dar le las studenților să arate prin ea, și o aduc într-un fel acasă „, spune Ruzin.
Totuși, în ciuda puterii microscopiei cu rezoluție superioară, ea pune noi provocări. De exemplu, de fiecare dată când un specimen se deplasează la rezoluție înaltă , imaginea se estompează, spune Ruzin. „Dacă o celulă vibrează doar prin mișcare termică, sărind în jurul valorii de molecule de apă care o lovesc pentru că sunt calde, acest lucru va ucide rezoluția superioară, deoarece necesită timp”, spune Ruzin. (Din acest motiv, cercetătorii nu folosesc, în general, microscopie cu rezoluție superioară pentru a studia probe vii.)
Dar tehnologie precum Mesolens a lui Amos – cu o mărire mult mai mică de doar 4x, dar cu un câmp vizual mult mai larg. capabil să capteze până la 5 mm sau aproximativ lățimea unei unghii roz – poate imagina specimen viu. Acest lucru înseamnă că pot urmări dezvoltarea unui embrion de șoarece în timp real, urmând gene asociate bolii vasculare la nou-născuți, pe măsură ce se încorporează în embrion. Înainte de aceasta, oamenii de știință foloseau razele X pentru a studia bolile vasculare la embrioni, dar nu obțineau detalii până la nivel celular, așa cum fac cu Mesolens, spune Amos.
„Este aproape nemaiauzit pentru ca oricine să proiecteze un nou obiectiv obiectiv pentru microscopie cu lumină și am făcut acest lucru pentru a încerca să acomodăm noile tipuri de specimene pe care biologii vor să le studieze ”, spune colegul lui Amos, Gail McConnell, de la Universitatea din Strathclyde Glasgow, explicând că oamenii de știință sunt interesați de studierea organismelor intacte, dar nu doresc să compromită cantitatea de detalii pe care o pot vedea.
Până în prezent, industria de stocare a datelor și-a exprimat interesul de a folosi Mesolens pentru a studia materialele semiconductoare și membrii industriei petroliere. au fost interesați să-l folosească pentru a imagina materiale de la potențialele site-uri de foraj. Designul obiectivului captează lumina deosebit de bine, permițând cercetătorilor să urmărească detaliile complicate, cum ar fi celulele dintr-o tumoare metastazantă care migrează spre exterior. L dintre aceste noi tehnici rămâne de văzut.
„Dacă dezvolți un obiectiv diferit de orice s-a făcut în ultimii 100 de ani, acesta îți deschide tot felul de posibilități necunoscute”, spune Amos. „Abia începem să ajungem la aceste posibilități.”
Nota editorului, 31 martie 2017: Această postare a fost editată pentru a reflecta faptul că Leeuwenhoek nu a îmbunătățit microscopul compus și că colecția lui Ruzin datează din secolul al XVII-lea.
