Brad Amos spędził większość swojego życia na myśleniu i przeglądaniu maleńkich światów. Mając 71 lat, pracuje jako profesor wizytujący na Uniwersytecie Strathclyde w Szkocji, gdzie kieruje zespołem naukowców projektujących niezwykle dużą nową soczewkę mikroskopu - o długości i szerokości ludzkiego ramienia. Nazwany jednym z dziesięciu największych przełomów fizyki na świecie w 2016 r., Tak zwane mezoleny jest tak potężny, że może obrazować całe guzy lub zarodki myszy w jednym polu widzenia, jednocześnie obrazując wnętrze komórek.
powiązana zawartość
- Nagradzane filmy uchwycić fascynujący, mikroskopijny świat
- Nowa technika nadaje kolor mikroskopowi elektronowemu obrazów komórek
- Wczesne mikroskopy ujawniły nowy świat małych żywych istot
„Ma duże pokrycie obiektywu aparatu fotograficznego i dokładną rozdzielczość obiektywu mikroskopu, więc ma zalety dwóch podejść”, mówi Amos. „Obrazy są niezwykle przydatne”.
Dzisiaj mikroskopy, takie jak Amos, pracują na całym świecie, aby wprowadzać innowacje w nowych technologiach o szerokim zastosowaniu w medycynie i zdrowiu ludzkim. Ale wszystkie te najnowsze osiągnięcia sięgają pierwszych mikroskopów zbudowanych w XVI i XVII wieku. Najnowocześniejsze jak na razie nie zrobiłyby na tobie dużego wrażenia; które nie były dużo silniejsze niż ręczne szkło powiększające.
Amos ma obsesję na punkcie nawet tych najprostszych mikroskopów, odkąd jako dziecko dostał jeden na urodziny. Jego intryga w mikroskopijnych światach stała się nienasycona, gdy badał wszystko, co mógł znaleźć, od siły w małych, wyskakujących bąbelkach po sposób, w jaki kawałki miedzi uformowały się pod igłą. „To jak grać w ciasto, może być bardzo miękkie”, mówi Amos o miedzi. Opisuje swój podziw dla zjawisk, które odkrył w zakresie, którego nie widział gołym okiem: „Studiujesz świat, który nawet nie przestrzega tych samych zasad postrzegania”.
Ten rodzaj ciekawości w dziejach maleńkich światów napędzał mikroskopię od samego początku. Holenderski zespół ojciec-syn o imieniu Hans i Zacharias Janssen wynalazł pierwszy tak zwany mikroskop złożony pod koniec XVI wieku, kiedy odkrył, że jeśli umieści soczewkę na górze i na dole tubusu i przejrzy ją, obiekty na drugi koniec został powiększony. Urządzenie położyło fundamenty pod przyszłe przełomy, ale zostało powiększone jedynie od 3x do 9x.
Jakość obrazu była w najlepszym razie mierna, mówi Steven Ruzin, mikroskop i kustosz kolekcji Golub Microscope Collection na University of California w Berkeley. „Zrobiłem im zdjęcia i są naprawdę okropne” - mówi Ruzin. „Soczewki ręczne były znacznie lepsze”.
Mimo że zapewniały powiększenie, te pierwsze mikroskopy złożone nie mogły zwiększyć rozdzielczości, więc powiększone obrazy były rozmazane i zaciemnione. W rezultacie, przez około 100 lat nie uzyskano od nich znaczących przełomów naukowych, mówi Ruzin.
Ale pod koniec XVI wieku ulepszenia obiektywów podniosły jakość obrazu i powiększenia do 270x, torując drogę dla głównych odkryć. W 1667 r. Angielski przyrodnik Robert Hooke opublikował słynną książkę Micrographia ze skomplikowanymi rysunkami setek okazów, które obserwował, w tym odrębne sekcje w gałęzi rośliny zielnej. Nazwał sekcje komórkami, ponieważ przypominały mu komórki w klasztorze - i w ten sposób został ojcem biologii komórkowej.
Rysunki z Micrographia Roberta Hooke'a, gdzie narysował pierwszą komórkę roślinną odkrytą w tej gałęzi sosny. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons) W 1676 r. Holenderski kupiec-sukiennik, naukowiec Antony van Leeuwenhoek, ulepszył mikroskop z zamiarem spojrzenia na sprzedawaną przez siebie tkaninę, ale przypadkowo dokonał przełomowego odkrycia, że bakterie istnieją. Jego przypadkowe odkrycie otworzyło pole mikrobiologii i podstawy współczesnej medycyny; prawie 200 lat później francuski naukowiec Louis Pasteur ustalił, że przyczyną wielu chorób były bakterie (wcześniej wielu naukowców wierzyło w teorię miazmy, że zepsute powietrze i nieprzyjemne zapachy wywoływały u nas choroby).
„To było ogromne” - mówi Kevin Eliceiri, mikroskopista z University of Wisconsin Madison, o początkowym odkryciu bakterii. „Było wiele zamieszania na temat tego, co sprawiło, że zachorowałeś. Pomysł, że w wodzie są bakterie i rzeczy, był jednym z największych odkryć w historii. ”
W następnym roku, w 1677 r., Leeuwenhoek dokonał kolejnego odkrycia, kiedy po raz pierwszy zidentyfikował ludzką spermę. Student medycyny przyniósł mu wytrysk pacjenta z rzeżączką do badania pod mikroskopem. Leeuwenhoek zobowiązał się, odkrył maleńkie ogoniaste zwierzęta i znalazł te same wijące się „zwierzęta” w swojej własnej próbce nasienia. Opublikował te przełomowe odkrycia, ale, tak jak w przypadku bakterii, minęło 200 lat, zanim naukowcy zrozumieli prawdziwe znaczenie odkrycia.
Pod koniec XIX wieku niemiecki naukowiec Walther Flemming odkrył podział komórek, który dziesięciolecia później pomógł wyjaśnić, jak rozwija się rak - odkrycie, które byłoby niemożliwe bez mikroskopów.
„Jeśli chcesz być w stanie celować w część błony komórkowej lub guza, musisz to obserwować” - mówi Eliceiri.
Chociaż oryginalne mikroskopy, których używali Hooke i Leeuwenhoek, mogły mieć swoje ograniczenia, ich podstawowa struktura dwóch soczewek połączonych tubusami pozostawała aktualna przez stulecia, mówi Eliceiri. W ciągu ostatnich 15 lat postępy w obrazowaniu przeniosły się w nowe sfery. W 2014 r. Zespół niemieckich i amerykańskich naukowców zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za metodę zwaną mikroskopią fluorescencyjną super-rozdzielczości, tak potężną, że możemy teraz śledzić pojedyncze białka w fazie rozwoju w komórkach. Ta ewoluująca metoda, możliwa dzięki innowacyjnej technice, która powoduje, że geny świecą lub „fluorescenują”, ma potencjalne zastosowanie w zwalczaniu chorób takich jak choroba Parkinsona i choroba Alzheimera.
Włoski mikroskop wykonany z kości słoniowej w połowie 1600 roku, część kolekcji Golub na UC Berkeley. (Kolekcja Golub w UC Berkeley.) Ruzin kieruje Biologicznym Ośrodkiem Obrazowania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, gdzie naukowcy wykorzystują tę technologię do badania wszystkiego, od mikrostruktur w obrębie pasożyta Giardia i uporządkowania białek w bakteriach. Aby pomóc w przeniesieniu współczesnych badań mikroskopowych w kontekst, chce udostępnić studentom niektóre z najstarszych przedmiotów z kolekcji Golub - jednej z największych kolekcji publicznych na świecie, zawierającej 164 zabytkowe mikroskopy z XVII wieku - ze swoim licencjatem studenci Pozwala im nawet na obsługę niektórych z najstarszych w kolekcji, w tym włoskiego wykonanego z kości słoniowej około 1660 roku.
„Mówię„ nie skupiaj się, bo się zepsuje ”, ale pozwalam uczniom to przejrzeć i to w pewnym sensie przynosi do domu”, mówi Ruzin.
Mimo mocy mikroskopii super-rozdzielczości stwarza jednak nowe wyzwania. Na przykład za każdym razem, gdy próbka porusza się w wysokiej rozdzielczości, obraz rozmywa się, mówi Ruzin. „Jeśli komórka wibruje tylko przez ruch termiczny, odbijając się od cząsteczek wody uderzających w nią, ponieważ są ciepłe, zabije to super rozdzielczość, ponieważ zajmuje to trochę czasu”, mówi Ruzin. (Z tego powodu badacze zazwyczaj nie używają mikroskopii super-rozdzielczości do badania żywych próbek.)
Ale technologia taka jak Mesolens Amosa - ze znacznie mniejszym powiększeniem wynoszącym zaledwie 4x, ale o znacznie szerszym polu widzenia, zdolnym do uchwycenia do 5 mm lub o szerokości różowego paznokcia - może obrazować żywy okaz. Oznacza to, że mogą obserwować rozwój zarodka myszy w czasie rzeczywistym, śledząc geny związane z chorobą naczyniową u noworodków, gdy zostają włączone do zarodka. Wcześniej naukowcy używali promieni rentgenowskich do badania chorób naczyniowych zarodków, ale nie sprowadzali szczegółów do poziomu komórkowego, tak jak robią to mezoleny, mówi Amos.
„Projektowanie nowej soczewki obiektywowej do mikroskopii świetlnej jest niemal niespotykane, a my zrobiliśmy to, aby pomieścić nowe typy próbek, które biolodzy chcą badać”, wyjaśnia koleżanka Amosa, Gail McConnell z University of Strathclyde Glasgow, wyjaśniając że naukowcy są zainteresowani badaniem nienaruszonych organizmów, ale nie chcą narażać na szwank ilości szczegółów, które widzą.
Do tej pory przemysł przechowywania danych wyraził zainteresowanie wykorzystaniem Mesolens do badania materiałów półprzewodnikowych, a członkowie przemysłu naftowego byli zainteresowani wykorzystaniem go do obrazowania materiałów z potencjalnych miejsc wiercenia. Konstrukcja soczewki szczególnie dobrze odbiera światło, pozwalając badaczom obserwować rozwój skomplikowanych szczegółów, takich jak komórki w przerzutowym guzie migrującym na zewnątrz. Ale prawdziwy potencjał tych nowych technik dopiero się okaże.
„Jeśli opracujesz cel inny niż cokolwiek, co zostało osiągnięte w ciągu ostatnich 100 lat, otworzy to wiele nieznanych możliwości”, mówi Amos. „Właśnie zaczynamy rozumieć, jakie są te możliwości”.
Nota redaktora, 31 marca 2017 r .: Ten post został zredagowany, aby odzwierciedlić, że Leeuwenhoek nie poprawił mikroskopu złożonego, a kolekcja Ruzina pochodzi z XVII wieku.
Steven Ruzin z UC Berkeley twierdzi, że Micrographia Hooke'a, opublikowana w 1665 r., Jest porównywalna z Biblią Gutenberga biologów, zawierającą pierwsze w historii szczegółowe rysunki próbek mikroskopowych, od ziaren pyłku po tkaniny. Pozostało mniej niż 1000 kopii, ale zdjęcia nadal inspirują mikroskopistów. (Wikimedia Commons) 
Księżyc opisany w Micrographia (Wikimedia Commons) 
Podziemne komórki i liście mimozy (Wikimedia Commons) 
Schemat XXXV - Wesz. Schemat wszy (Wikimedia Commons) 
Schemat XXIX - „Wielki komar brzuchowy lub komar żeński”. Ilustracja komara, który prawdopodobnie został narysowany przez Sir Christophera Wrena. (Wikimedia Commons) 
Schemat XXIV - O strukturze i ruchu skrzydeł much. Ilustracja niebieskiej muchy, którą prawdopodobnie narysował Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Mikroskop Roberta Hooke'a, szkic z jego oryginalnej publikacji (Wikimedia Commons) 
Słynna pchła opisana w książce Micrographia (Wikimedia Commons) 
Niektóre kryształy opisane w Micrographia (Wikimedia Commons) 
Korek opisany w Micrographia przez Roberta Hooke (źródło Wikimedia Commons)
