KIIDAGEM NÜÜD MIKROSKOOBI LEIUTIST | TEADUS | SMITHSONIAN - ARTIKLID, INNOVATSIOON, TEADUS

Brad Amos on suurema osa oma elust veetnud pisikeste maailmade mõtestamisel ja nendesse uurimisel. Nüüd 71-aastane mees töötab Šotimaa Strathclyde'i ülikooli külalisprofessorina, kus ta juhib teadlaste meeskonda, kes kavandab äärmiselt suure uue mikroskoobi objektiivi - umbes inimese käe pikkuse ja laiuse kohta. Füüsikumaailma 2016. aasta kümne parima läbimurde hulka kuuluv niinimetatud Mesolens on nii võimas, et suudab kogu vaateväljas terveid kasvajaid või hiireembrüoid pildistada, samal ajal raku sisekülge pildistades.

Seotud sisu

Auhinnatud videod jäädvustavad võluvalt, mikroskoopilises maailmas
Uus tehnika annab värvid rakkude elektronmikroskoobiga piltidele
Varased mikroskoobid paljastasid pisikeste elusolendite uue maailma

"Sellel on fotokaamera objektiiv lai katvus ja mikroskoobi objektiivi suurepärane eraldusvõime, seega on sellel kahel lähenemisel eelised, " ütleb Amos. "Pildid on äärmiselt kasulikud."

Täna töötavad Amosi-sugused mikroskoobid kogu maailmas, et töötada välja uusi tehnoloogiaid, mis on laialt levinud meditsiinis ja inimeste tervises. Kuid need tipptasemel edusammud on pärit juba esimestest 16. ja 17. sajandil ehitatud mikroskoopidest. Ehkki ajaliselt tipptasemel, ei avalda need teile suurt muljet; et see polnud palju tugevam kui käeshoitav luup.

Sellest ajast peale, kui ta ühe lapsena sünnipäevaks sai, on Amos kinnisideeks isegi nendele lihtsamatele mikroskoopidele. Tema intriigid mikroskoopilistes maailmades muutusid rahuldamatuteks, kui ta uuris kõike, mida ta suutis leida, alates pisikestest hüppavatest mullidest ja lõpetades viisidega, kuidas vase tükid vormiti nõelaga. "See on nagu mängutainas, see võib olla väga pehme, " räägib Amos vasest. Ta kirjeldab oma aukartust nähtuste suhtes, mille ta avastas ulatuse all, mida ta palja silmaga ei näinud: "Te uurite maailma, mis isegi ei järgi samu tajumise reegleid."

Seda tüüpi uudishimu väikeste maailmade jätkudes liikus mikroskoopiaga juba selle loomisest peale. Hollandi isa-poja meeskond nimega Hans ja Zacharias Janssen leiutas esimese niinimetatud liitmikroskoobi 16. sajandi lõpus, kui nad avastasid, et kui nad panevad läätse toru üla- ja alaossa ning vaatavad läbi selle, asuvad objektid teine ots sai suureks. Seade pani edaspidiste läbimurrete jaoks kriitilise aluse, kuid seda suurendati vaid vahemikus 3x kuni 9x.

Kujutise kvaliteet oli parimal juhul keskpärane, ütles Steven Ruzin, mikroskoop ja Golubi mikroskoobi kogu kuraator Berkeley California ülikoolis. "Olen nende kaudu pilti teinud ja nad on tõesti üsna kohutavad, " ütleb Ruzin. "Käsiläätsed olid palju paremad."

Ehkki need pakkusid suurendust, ei suutnud need esimesed ühendmikroskoobid eraldusvõimet suurendada, mistõttu suurendusega pildid olid udused ja varjatud. Selle tulemusel ei tulnud neist umbes 100 aasta jooksul olulist teaduslikku läbimurret, ütles Ruzin.

Kuid 1600-ndate aastate lõpuks tõstsid objektiivide täiustused pildi kvaliteeti ja suurendusvõimsust kuni 270x, sillutades teed suuremate avastuste jaoks. Inglise loodusteadlane Robert Hooke avaldas 1667. aastal kuulsalt oma raamatu Mikrograafia sadade vaadeldud isendite keerukate joonistega, sealhulgas eraldatud lõigud rohttaime harus. Ta nimetas sektsioonide rakke, kuna need tuletasid talle meelde kloostri rakke - ja said seeläbi rakubioloogia isaks.

Joonised Robert Hooke'i mikrograafiast, kus ta joonistab esimese taimeraku, mis selles männioksast kunagi avastatud. (Robert Hooke, mikrograafia / Wikimedia Commons)

Aastal 1676 täiustas hollandi riidekaupmees-pöörduteadlane Antony van Leeuwenhoek mikroskoopi veelgi, et vaadata oma müüdud lappi, kuid tegi tahtmatult murrangulise avastuse, et bakterid on olemas. Tema juhuslik leid avastas mikrobioloogia valdkonna ja moodsa meditsiini aluse; Ligi 200 aastat hiljem tegi prantsuse teadlane Louis Pasteur kindlaks, et paljude haiguste põhjustajaks olid bakterid (enne seda uskusid paljud teadlased miasma teooriasse, et mäda õhk ja halvad lõhnad tegid meid haigeks).

"See oli tohutu, " ütleb Wisconsini Madisoni ülikooli mikroskoop Kevin Eliceiri bakterite esialgse avastamise kohta. “Selles, mis teid haigeks tegi, oli palju segadust. Idee, et vees on baktereid ja asju, oli üks suuremaid avastusi läbi aegade. “

Järgmisel aastal, aastal 1677, tegi Leeuwenhoek veel ühe tunnusliku avastuse, kui tuvastas esmakordselt inimese sperma. Arstitudeng oli talle toonud gonorröaga patsiendi seemnepurske mikroskoobi alla. Leeuwenhoek kohustas, avastas pisikesed sabaga loomad ja leidis sama spermaproovis samad vingerdavad “loomarullid”. Ta avaldas need murrangulised leiud, kuid nagu ka bakterite puhul, möödus 200 aastat enne, kui teadlased mõistsid avastuse tõelist olulisust.

1800. aastate lõpuks avastas Saksa teadlane nimega Walther Flemming rakkude jagunemise, mis aastakümneid hiljem aitas selgitada, kuidas vähk kasvab - leid, mis oleks olnud võimatu ilma mikroskoopideta.

"Kui soovite, et rakumembraan või kasvaja oleks suunatud, peate seda jälgima, " ütleb Eliceiri.

Kui originaalsetel mikroskoopidel, mida Hooke ja Leeuwenhoek kasutasid, võisid olla oma piirangud, püsis nende kahe toruga ühendatud läätse põhistruktuur sajandeid asjakohane, kirjutab Eliceiri. Viimase 15 aasta jooksul on edasiminek pildinduses liikunud uutesse valdkondadesse. 2014. aastal võitis saksa ja ameerika teadlaste meeskond Nobeli keemiapreemia meetodi eest, mida nimetatakse superresolutsiooniga fluorestsentsmikroskoopiaks. Nii võimas võime nüüd jälgida üksikuid valke, kuna need arenevad rakkudes. Sellel areneval meetodil, mis on võimalik tänu uuenduslikule tehnikale, mis paneb geenid särama või fluorestseeruma, on potentsiaalseid rakendusi selliste haiguste vastu nagu Parkinsoni tõbi ja Alzheimeri tõbi.

Elevandiluust 1600-ndate aastate keskel valmistatud itaalia mikroskoop, mis on osa UC Berkeley Golubi kollektsioonist. (Golubi kollektsioon UC Berkeley'is.)

Ruzin juhib Californias Berkeley ülikoolis asuvat bioloogilist pildindusrajatist, kus teadlased kasutavad tehnoloogiat, et uurida kõike alates Giardia parasiidi mikrostruktuuridest ja valkude paigutusest bakterites. Kaasaegsete mikroskoopiauuringute konteksti toomiseks soovib ta jagada oma bakalaureusega Golubi kollektsiooni - maailma ühe suurima avalikult eksponeeritava kogu, mis sisaldab 164 antiikmikroskoopi, mis pärineb 17. sajandist - vanimaid esemeid. õpilased. Ta laseb neil käidelda isegi kollektsiooni vanimaid, sealhulgas 1660. aasta paiku elevandiluust valmistatud itaaliapärase.

"Ma ütlen, et" ärge keskenduge sellele, sest see puruneb ", aga ma lasin õpilastel seda läbi vaadata ja see viib koju, " ütleb Ruzin.

Vaatamata ülitäpsusega mikroskoopia võimsusele, seab see siiski uued väljakutsed. Näiteks iga kord, kui isend liigub suure eraldusvõimega, häguneb pilt, ütleb Ruzin. "Kui rakk vibreerib lihtsalt termilise liikumise teel, põrgates ümber veemolekulidega, mis löövad seda sooja tõttu, hävitab see superlahutuse, kuna see võtab aega, " ütleb Ruzin. (Sel põhjusel ei kasuta teadlased elusate proovide uurimiseks ülitäpsusega mikroskoopiat.)

Kuid selline tehnoloogia nagu Amos Mesolens - palju väiksema suurendusega, vaid 4x, kuid palju laiema vaateväljaga, mis on võimeline jäädvustama kuni 5 mm või umbes roosaka sõrmeküüne laiusega - suudab elavat isendit pildistada. See tähendab, et nad saavad jälgida hiireembrüo arengut reaalajas, järgides vastsündinutel vaskulaarse haigusega seotud geene, kui nad embrüo sisse saavad. Enne seda kasutasid teadlased embrüote veresoonkonnahaiguste uurimiseks röntgenikiirgust, kuid ei saaks detaile raku tasemele, nagu nad teevad Mesolensiga, väidab Amos.

"Keegi on peaaegu ennekuulmatu kavandada uut valgusmikroskoopia objektiivi ja me oleme seda teinud selleks, et proovida mahutada uut tüüpi proovid, mida bioloogid soovivad uurida, " ütleb Amose kolleeg Gail McConnell Glasgow Strathclyde'i ülikoolist, selgitades. et teadlased on huvitatud puutumatute organismide uurimisest, kuid ei taha ohtu seada detailsust, mida nad näevad.

Siiani on andmesalvestussektor väljendanud huvi Mesolensi kasutamise vastu pooljuhtide materjalide uurimiseks ja õlitööstuse liikmed on huvitatud selle kasutamisest materjalide kuvamiseks potentsiaalsetest puurimiskohtadest. Objektiivi kujundus võtab eriti hästi valgust, võimaldades teadlastel jälgida keerulisi detaile, näiteks rakke metastaseerivas kasvajas, mis rändab väljapoole. Kuid nende uute tehnikate tegelikku potentsiaali tuleb veel välja uurida.

"Kui arendate eesmärgi, mis pole midagi muud, kui seda on tehtud viimase 100 aasta jooksul, avab see igasuguseid tundmatuid võimalusi, " ütleb Amos. "Me hakkame alles uurima, millised need võimalused on."

Toimetaja märkus, 31. märts 2017: Seda postitust on redigeeritud kajastamaks seda, et Leeuwenhoek ei parandanud liitmikroskoopi ja Ruzini kollektsioon pärineb 17. sajandist.

Steven Ruzin UC Berkeley ülikoolis väidab, et Hooke'i 1665. aastal avaldatud mikrograafia on võrreldav Gutenbergi bioloogide piibliga, mis sisaldab mikroskoobi proovide esimesi üksikasjalikke jooniseid õietolmu teradest riideni. Alles on jäänud vähem kui 1000 eksemplari, kuid kujutised inspireerivad mikroskoope endiselt. (Wikimedia Commons)

Kuu, mida on kirjeldatud ajakirjas Micrographia (Wikimedia Commons)

Suberirakud ja mimoosilehed (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - ülalt. Kanga skeem (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - "Suur kõhutäis näär või naissoost päkapikk". Näide hiiglasest, mille arvatavasti joonistas sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - kärbeste tiibade struktuurist ja liikumisest. Sinise kärbse illustratsiooni arvatavasti joonistanud Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)