ХАЈДЕ САДА ДА ПОХВАЛИМО ИЗУМ МИКРОСКОПА | НАУКА | СМИТХСОНИАН - ЧЛАНЦИ, ИНОВАЦИЈЕ, НАУКА

Брад Амос је већину свог живота провео размишљајући и гледајући у малене светове. Сада стар 71 годину, ради као гостујући професор на Универзитету Стратхцлиде у Шкотској, где води тим истраживача који дизајнирају изузетно велико ново сочиво за микроскоп - приближно дужини и ширини људске руке. Названи једним од најбољих десет напредних физичких светских резултата 2016. године, такозвани Месоленс је толико моћан да може да слика читаве туморе или мишје ембрионе у једном видном пољу истовремено симулирајући унутрашњост ћелија.

Сличан садржај

Награђивани видео снимци Хватајуће задивљене, микроскопски свет
Нова техника доноси слике ћелија у електронском микроскопу у боји
Рани микроскопи открили су нови свет ситних живих бића

"Има велику покривеност објектива фотографске камере и фину резолуцију циља микроскопа, тако да има предности два приступа", каже Амос. "Слике су изузетно корисне."

Данас микроскопи попут Амоса раде широм света на иновацији нових технологија са широком применом у медицини и људском здрављу. Али ова врхунска достигнућа сежу све до првих микроскопа изграђених у 16. и 17. веку. Иако би били врхунски за то време, они вас неће много импресионирати; која није била много јача од ручног лупа.

Амос је опседнут чак и овим најједноставнијим микроскопима откад га је као дете добио за рођендан. Његова интрига у микроскопским светима постала је незаситна док је истраживао све што је могао да нађе, од силе унутар ситних, пуцкетајућих мехурића до начина на који су комадићи бакра обликовани испод убода игле. "То је попут тијеста за играње, може бити врло мекано", каже Амос о бакру. Он описује своје страхопоштовање према феноменима које је открио у домету које није могао видети голим очима: „Проучаваш свет који се чак не покорава истим правилима перцепције.“

Ова врста радозналости у настајању ситних светова покренула је микроскопију од њеног почетка. Холандски тим оца-сина по имену Ханс и Зацхариас Јанссен изумио је први такозвани сложени микроскоп крајем 16. века када су открили да ће, ако ставе сочиво на врх и дно цеви и погледају кроз њу, предмете на други крај је увећан. Уређај је поставио критичне основе за будуће пробоје, али само између 3к и 9к.

Квалитет слике је у најбољем случају био осредњи, каже Стевен Рузин, микроскоп и кустос колекције микроскопа Голуб на Калифорнијском универзитету у Берклију. "Прегледао сам их и они су заиста грозни", каже Рузин. "Ручна сочива су била много боља."

Иако су омогућили увећање, ови први сложени микроскопи нису могли да повећају резолуцију, па су увећане слике изгледале мутно и замрачено. Као резултат, отприлике 100 година од њих није дошло до значајних научних пробоја, каже Рузин.

Али до касних 1600-их, побољшања сочива повећала су квалитет слике и повећала до 270к, утирући пут великим открићима. Године 1667. енглески научник за природу Роберт Хооке чувено је објавио своју књигу Мицрограпхиа с замршеним цртежима стотина узорака које је посматрао, укључујући различите одсеке унутар гране зељасте биљке. Назвао је ћелије одељења јер су га подсећале на ћелије у манастиру - и тако постао отац ћелијске биологије.

Цртежи су из Мицрограпхиа Роберта Хоока-а, где је цртао прву биљну ћелију икад откривену у овој грани бора. (Роберт Хооке, Мицрограпхиа / Викимедиа Цоммонс)

Године 1676, холандски научник окренут трговцу платнима Антонију ван Лееувенхоеку још је побољшао микроскоп с намером да гледа у тканину коју је продао, али нехотице је открио револуционарно откриће да бактерије постоје. Његов случајни налаз отворио је поље микробиологије и основа савремене медицине; скоро 200 година касније, француски научник Лоуис Пастеур утврдио би да су бактерије биле узрок многих болести (пре тога, многи научници су веровали у теорију миасме да нас трули ваздух и лоши мириси разболе).

„Било је огромно“, каже Кевин Елицеири, микроскоп на Универзитету Висцонсин у Мадисону, о почетном открићу бактерија. „Било је доста конфузије око тога шта те је разбољело. Идеја да у води постоје бактерије и ствари било је једно од највећих открића икада. “

Следеће године 1677. године Лееувенхоек је направио још једно значајно откриће када је први пут идентификовао људску сперму. Студент медицине донио му је ејакулат пацијента са гонорејом на студиј под његовим микроскопом. Лееувенхоек се обавезао, открио сићушне животиње и наставио да нађе исте искривљене „животиње“ у сопственом узорку сперме. Објавио је ове револуционарне налазе, али, као што је то случај са бактеријама, прошло је 200 година пре него што су научници схватили стварни значај открића.

Крајем 1800-их, немачки научник по имену Валтхер Флемминг открио је ћелијску деобу која је деценијама касније помогла да се разјасни како рак расте - налаз који би био немогућ без микроскопа.

"Ако желите бити у могућности циљати дио ћелијске мембране или тумор, морате то посматрати", каже Елицеири.

Иако су изворни микроскопи које су користили Хооке и Лееувенхоек можда имали ограничења, њихова основна структура два сочива повезана цевима остала је важна вековима, каже Елицеири. У последњих 15 година, напредак у обради слика прешао је у нова подручја. 2014. године тим немачких и америчких истраживача освојио је Нобелову награду за хемију за методу која се зове флуоресцентна микроскопија супер резолуције, тако моћна да сада можемо да пратимо појединачне протеине како се развијају у ћелијама. Ова еволуирајућа метода, омогућена иновативном техником која ствара гене блиставим или "флуоресцентним", има потенцијалну примену у борби против болести попут Паркинсонове и Алцхајмерове болести.

Италијански микроскоп израђен од слоноваче средином 1600-их, део је Голуб-ове колекције у УЦ Беркелеи. (Колекција Голуб у УЦ Беркелеи.)

Рузин води управу за биолошко снимање на Калифорнијском универзитету у Берклију, где истраживачи користе ову технологију да би истражили све, од микроструктуре унутар паразита Гиардиа и распореда протеина унутар бактерија. Да би помогао да се модерна истраживања микроскопије доведу у контекст, он намерава да подељује неке од најстаријих предмета из Голуб-ове колекције - једне од највећих јавно приказаних колекција на свету, која садржи 164 античка микроскопа из 17. века - са својим додипломским студенти. Чак им омогућава да обрађују неке од најстаријих у збирци, укључујући и италијанску направљену од слоноваче око 1660. године.

„Кажем„ немојте то усредсређивати јер ће се сломити “, али пустио сам студенте да га погледају и то га некако доноси кући“, каже Рузин.

Ипак, и поред снаге микроскопије супер резолуције, она представља нове изазове. На пример, сваки пут када се узорак помера под великом резолуцијом, слика се замагли, каже Рузин. "Ако ћелија вибрира само топлотним кретањем, одбијајући се од молекула воде ударајући је зато што је топла, ово ће убити супер резолуцију јер треба времена", каже Рузин. (Из тог разлога, истраживачи углавном не користе микроскопију супер резолуције за проучавање живих узорака.)

Али технологија попут Амосових мезолена - са много мањим увећањем од само 4к, али много ширим видним пољем способним да ухвати и до 5 мм, односно око ширине ружичастог нокта - може приказати живи примерак. То значи да могу гледати како се мишји заметак развија у реалном времену, пратећи гене повезане са васкуларном болешћу код новорођенчади како се уграђују у ембрион. Пре тога, научници би користили рендген зраке за проучавање васкуларне болести у ембрионима, али не би спуштали детаље до ћелијског нивоа као што је то случај са Мезоленима, каже Амос.

"Готово је нечувено да неко дизајнира ново објективно сочиво за светлосну микроскопију и то смо учинили да бисмо покушали да примимо нове типове узорака које биолози желе да проуче", каже Амосов колега Гаил МцЦоннелл са Универзитета Стратхцлиде Гласгов, објашњавајући да су научници заинтересовани за проучавање нетакнутих организама, али не желе да угрозе количину детаља које могу да виде.

До сада, индустрија за складиштење података показала је интересовање за коришћење мезолена за проучавање полуводичких материјала, а чланови нафтне индустрије су били заинтересовани да га користе за сликање материјала са потенцијалних локација за бушење. Дизајн сочива посебно узима светлост, омогућавајући истраживачима да гледају како се сложени детаљи, попут ћелија, у метастазирајућем тумору мигрирају према ван. Али прави потенцијал ове нове технике тек треба да се сагледа.

"Ако развијете циљ другачији од свега што је направљено током последњих 100 година, то ће отворити све врсте непознатих могућности", каже Амос. "Тек почињемо схватати које су те могућности."

Напомена уредника, 31. марта 2017: Овај пост је измењен како би одражавао да Лееувенхоек није побољшао сложени микроскоп и да Рузинова збирка датира из 17. века.

Стевен Рузин из УЦ Беркелеи каже да је Хооке-ова Мицрограпхиа, објављена 1665. године, упоредива са Гутенберговом Библијом биолога, која садржи прве детаљне цртеже узорка микроскопа у распону од полена зрна до платна. Остало је мање од 1.000 примјерака, али слике и данас инспиришу микроскопе. (Викимедиа Цоммонс)

Месец описан у Мицрограпхиа (Викимедиа Цоммонс)

Сухе ћелије и листови мимозе (Викимедиа Цоммонс)

Шема. КСКСКСВ - од љубави. Дијаграм лозе (Викимедиа Цоммонс)

Шема. КСКСИКС - "Велики Белли'ед Гнат или женски Гнат". Илустрацију Гната за коју је мислио да ју је нацртао Сир Цхристопхер Врен. (Викимедиа Цоммонс)