Історія мікроскопа
Мікроскоп – це лабораторний прилад для вивчення об’єктів, які занадто малі для того, щоб бути поміченими неозброєним оком. Він здійснив справжню революцію в біології та медицині та відкрив людству мікровсесвіт, про існування якого найкращі мислителі могли лише здогадуватися. Винайдення оптичного мікроскопа приписують нідерландським виробникам окулярів, батьку й сину Гансу та Захарію Янсенам в 1590 році на основі лінз в трубці. В 1609 Галілео Галілей зібрав мікроскоп з опуклою та увігнутою лінзами та назвав його оккіоліно (occhiolino — «маленьке око»). В 1619 Корнеліус Дреббель розробив свій варіант приладу з двома опуклими лінзами. А у 1625 Джованні Фабер, друг Галілея запропонував назву – «мікроскоп» по аналогії з «телескопом», якою ми користуємось і донині. На жаль жодних спостережень з цих мікроскопів не було опубліковано і лише Роберт Гук та Антоні ван Левенгук явили світу цей науковий інструмент у всіх його можливостях і значно популяризували мікроскоп серед широкого кола дослідників.
Роберт Гук був сучасником ван Левенгука і використовував мікроскоп, який за своєю конструкцією дуже подібний на сучасні оптичні мікроскопи – з предметним столиком, джерелом світла та трьома лінзами. Він зробив багато спостережень, які опублікував в «Мікрографії» в 1665 році. В праці описані та надані ілюстрації мікроскопічної будови рослин, насіння, комах, структуру пробки. Роберт Гук описав пори всередині пробки як «клітини», що стало причиною сучасного використання цього терміну в біології. На відміну від Гука, ван Левенгук використовував окремі лінзи, що різко зменшило проблеми з оптичною аберацією та дозволило йому створювати найкращі інструменти, які були неперевершеними понад 150 років. Його мікроскопи були виготовлені вручну та складалися з латунної основи, що утримувала відмінно відшліфовану та відполіровану лінзу сферичної або сочевицеподібної форми. Також в конструкцію мікроскопа входили гвинти для регулювання штифта на якому знаходився зразок для дослідження. Ці прості інструменти не мали вбудованих джерел освітлення і для використання їх можна було піднести до свічки або іншого джерела світла, або використовувати денне освітлення. Мікроскопи ван Левенгука були дуже легкими та портативними, що дозволяло їх використання в польових умовах. Дослідження ван Левенгука включали мікроскопічну структуру насіння, кісток, шкіри, луски риби, раковин устриць, білого нальоту на язиках людей з гарячкою, нервів, м’язових волокон, кровоносної системи риб, очей комах, паразитичних червів, павуків, що описані в його листах до Лондонського королівського товариства. Створені вручну мікроскопи з найкращим збільшенням в його часи дозволили ван Левенгуку стати засновником мікробіології. Йому належить відкриття найпростіших, бактерій, клітинних вакуолей, сперматозоїдів.
Надалі мікроскопи розвивалися методом проб і помилок і лише в ХІХ ст. були розроблені теоретичні та технічні принципи сучасного світлового мікроскопа, зокрема теорія дифракції, лінзи з корекцією аберації та оптимізований режим освітлення (так зване освітлення Келера). Так, дослідженнями Джорджа Ейрі та Ернста Аббе виявлено, що теоретичною межею оптичного мікроскопа є половина довжини світлової хвилі (приблизно 200 – 300 нм при освітленні білим світлом). Аббе також допоміг розв'язувати проблему хроматичної аберації, яка полягає в тому, що звичайна лінза фокусує світло в різних точках залежно від довжини хвилі. У XVIII ст. була винайдена ахроматична лінза, яка складалася з двох лінз з різних матеріалів, що були об’єднані разом для того аби сфокусувати світло різної довжини хвилі в одну точку. У 1868 році Аббе винайшов апохроматичну лінзу, в якій шари лінзи були злиті більш щільно, що дозволяло краще коригувати хроматичні та сферичні аберації. Тож оптика Аббе в поєднанні з освітленням Келера лягли в основу сучасного світлового мікроскопа.
Однією з основних проблем при дослідженні біологічних зразків є їх низький контраст, оскільки їх показник заломлення дуже близький до води тому дуже слабо розсіює світло. Було розроблено ряд різних методів збільшення контрасту, включаючи зміни фази та поляризації зображення, фарбування та флуоресценцію, причому остання є, можливо, найбільш далекосяжною розробкою з моменту винаходу світлового мікроскопа.
Фріц Церніке розробив фазово-контрастну мікроскопію в 1930-х роках. Альтернативою фазовому контрасту є диференційний інтерференційний контраст (DIC). Він був створений Смітом і Номарським у 1955 році.
Контрастність в біологічних зразках можна підвищити забарвивши їх барвником. Це також дозволяє проводити диференційний контраст, коли фарбуються лише певні частини зразка, наприклад, ядро клітини. У 1858 році з'явилося одне з перших задокументованих повідомлень про фарбування під час мікроскопії, коли Джозеф фон Герлах продемонстрував диференційне фарбування ядра і цитоплазми в тканині мозку людини, змоченої контрастною речовиною карміном. Іншим визначним прикладом є фарбування сріблом, введене Камілло Гольджі в 1873 році, яке дозволяло візуалізувати нервову тканину, і фарбування за Грамом, винайдене Гансом Крістіаном Грамом у 1884 році, що дозволяє диференціювати різні типи бактерій. Фарбування зразків широко використовується сьогодні, включаючи багато медичних досліджень. Однак поява флуоресцентного фарбування зробила революцію в посиленні контрасту в біологічних зразках. Поєднання фарбування з флуоресценцією дозволяє значно збільшити контраст. У 1941 році Альберт Кунс опублікував першу роботу з імунофлюоресценції. Ця техніка використовує флуоресцентно мічені антитіла для маркування певних частин зразка. Це відкрило шлях до використання флуоресцентних антитіл як високоспецифічного фарбування. Зелений флуоресцентний білок (GFP) був вперше виділений з медузи Aequorea victoria в 1962 році, але лише в 1994 році було доказано, що він може експресуватися і флуоресцувати за межами медузи. За це відкриття Осаму Шімомуру, Мартіна Чалфі та Роджера Цієна було відзначено у 2008 році Нобелівською премією з хімії. Шляхом мутації GFP були виготовлені сині, блакитні та жовті похідні, а згодом з інших організмів помаранчеві та червоні. Відкриття спектрально відмінних флуоресцентних білків дозволило отримати багатоканальну (подвійну і багатоколірну) флуоресцентну візуалізацію і відкрило шлях до вивчення взаємодії між різними флуоресцентно міченими білками.
Звичайно, що розвиток мікроскопів на цьому не зупинився, жага до пізнання світу вимагала створення нових приладів, які б дозволяли переступити межу оптичного мікроскопа і зазирнути далі у глибину матерії. Тому були винайдені електронний, рентгенівський, скануючий тунельний мікроскопи. Однак оптичні мікроскопи не втратили своєї актуальності, в клінічній практиці їх можливості задовольняють необхідні потреби.
Ознайомитися з асортиментом лабораторних оптичних мікроскопів можна на сайті Фармєдіс.
Джерела:
- Wollman AJ, Nudd R, Hedlund EG, Leake MC. From Animaculum to single molecules: 300 years of the light microscope. Open Biol. 2015 Apr;5(4):150019. doi: 10.1098/rsob.150019. PMID: 25924631; PMCID: PMC4422127.
- Cocquyt T, Zhou Z, Plomp J, van Eijck L. Neutron tomography of Van Leeuwenhoek's microscopes. Sci Adv. 2021 May 14;7(20):eabf2402. doi: 10.1126/sciadv.abf2402. PMID: 33990325; PMCID: PMC8121416.
- Lane N. The unseen world: reflections on Leeuwenhoek (1677) 'Concerning little animals'. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2015 Apr 19;370(1666):20140344. doi: 10.1098/rstb.2014.0344. PMID: 25750239; PMCID: PMC4360124.
