Brad Amos je večino svojega življenja preživel razmišljal in se zazrl v drobne svetove. Zdaj star 71 let, deluje kot gostujoči profesor na Univerzi Strathclyde na Škotskem, kjer vodi skupino raziskovalcev, ki oblikuje izredno veliko novo lečo za mikroskop - približno dolžino in širino človeške roke. Tako imenovani Mesolens je tako imenovan eden najboljših desetih prebojev leta 2016 v svetu fizike na svetu tako močan, da lahko na enem vidnem polju slika celotne tumorje ali mišične zarodke, hkrati pa slika notranjosti celic.
Sorodne vsebine
- Nagrajeni videoposnetki Ujamejo očarljiv mikroskopski svet
- Nova tehnika prinaša barvne in elektronske mikroskopske slike celic
- Zgodnji mikroskopi so razkrili nov svet drobnih živih bitij
"Ima veliko pokritost objektiva fotografskih kamer in natančno ločljivost cilja mikroskopa, zato ima prednosti obeh pristopov, " pravi Amos. "Slike so izjemno uporabne."
Danes mikroskopi, kot je Amos, po vsem svetu delajo na področju inovacij novih tehnologij s široko uporabo v medicini in zdravju ljudi. Toda ta vrhunski napredek sega vse do prvih mikroskopov, zgrajenih v 16. in 17. stoletju. Čeprav bi bili vrhunski zaenkrat, vas ne bi kaj dosti navdušili; ki niso bili veliko močnejši od ročnega povečevalnega stekla.
Amos je obseden še z najpreprostejšimi mikroskopi, odkar ga je kot otrok dobil za rojstni dan. Njegova spletka v mikroskopskih svetovih je postala nenasitna, ko je raziskal vse, kar bi lahko našel, od sile znotraj drobnih, poskočnih mehurčkov do načina, kako so kosi bakra oblikovali pod trnom igle. "To je kot testo za igranje, lahko je zelo mehko, " Amos pravi o bakru. Opisuje svoje strahospoštovanje do pojavov, ki jih je odkril v obsegu, ki ga ni mogel videti z golimi očmi: "Študiraš svet, ki niti ne drži enakih pravil dojemanja."
Ta vrsta radovednosti pri nastajanju drobnih svetov je poganjala mikroskopijo že od njenega nastanka. Nizozemska ekipa očetov in sin Hans in Zacharias Janssen je v 16. stoletju izumila prvi tako imenovani sestavljeni mikroskop, ko so odkrili, da če na levo na vrh in dno cevi postavijo lečo in pogledajo skozi njo, predmete na drugi konec se je povečal. Naprava je postavila kritične temelje za prihodnje preboje, vendar le za 3x do 9x.
Kakovost slike je bila v najboljšem primeru povprečna, pravi Steven Ruzin, mikroskop in kustos zbirke mikroskopov Golub na kalifornijski univerzi v Berkeleyju. "Slikal sem skozi njih in res so zelo grozne, " pravi Ruzin. "Ročne leče so bile veliko boljše."
Čeprav so omogočili povečavo, ti prvi sestavljeni mikroskopi niso mogli povečati ločljivosti, zato so bile povečave slike zamegljene in zakrite. Kot rezultat, približno 100 let od njih ni prišlo do pomembnih znanstvenih prebojev, pravi Ruzin.
Toda do poznih 1600-ih so izboljšave leč povečale kakovost slike in povečevalno moč do 270x, kar je pot do večjih odkritij. Leta 1667 je angleški naravoslovec Robert Hooke slavno izdal svojo knjigo Micrographia z zapletenimi risbami sto vzorcev, ki jih je opazoval, vključno z ločenimi odseki znotraj veje zelnate rastline. Odsek je poklical, ker so ga spominjale na celice v samostanu - in tako je postal oče celične biologije.
Risbe iz Micrographia Roberta Hooka, kjer je risal prvo rastlinsko celico, odkrito v tej borovi veji. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons) Leta 1676 je nizozemski znanstvenik, ki ga je spremenil trgovec s tkaninami, Antonij van Leeuwenhoek, še izboljšal mikroskop z namenom, da bi pogledal tkanino, ki jo je prodal, vendar je nenamerno odkril prelomno odkritje, da bakterije obstajajo. Njegova naključna ugotovitev je odprla področje mikrobiologije in osnove sodobne medicine; skoraj 200 let pozneje bi francoski znanstvenik Louis Pasteur ugotovil, da so bile bakterije vzrok za številne bolezni (pred tem pa so mnogi znanstveniki verjeli v teorijo o miasmi, da nam je gnil zrak in slabi vonji zboleli).
"Bilo je ogromno, " pravi Kevin Eliceiri, mikroskop na univerzi Wisconsin Madison, o prvotnem odkritju bakterij. "Bilo je veliko zmede glede tega, kaj vas je zbolelo. Misel, da so v vodi bakterije in stvari, je bilo eno največjih odkritij doslej. "
Naslednje leto je leta 1677 Leeuwenhoek odkril še eno značilno odkritje, ko je prvič identificiral človeško spermo. Študent medicine mu je prinesel ejakulat bolnika z gonorejo, da se je učil pod njegovim mikroskopom. Leeuwenhoek je obvezno odkril drobcene živali in nadaljeval z iskanimi živalskimi živalmi v svojem vzorcu semena. Objavil je te prelomne ugotovitve, vendar je, tako kot za bakterije, minilo 200 let, preden so znanstveniki razumeli resnični pomen tega odkritja.
Do poznih 1800-ih je nemški znanstvenik Walther Flemming odkril delitev celic, ki je desetletja pozneje pomagal razjasniti, kako rak raste - ugotovitev, ki bi bila brez mikroskopov nemogoča.
"Če želite biti sposobni ciljati na del celične membrane ali tumor, ga morate opazovati, " pravi Eliceiri.
Medtem ko sta izvirna mikroskopa, ki sta jih uporabljala Hooke in Leeuwenhoek, morda imela svoje omejitve, je njihova osnovna struktura dveh leč, povezanih s cevmi, ostala pomembna stoletja, pravi Eliceiri. V zadnjih 15 letih se je napredek slikanja preselil v nova področja. Leta 2014 je skupina nemških in ameriških raziskovalcev dobila Nobelovo nagrado za kemijo za metodo, imenovano fluorescentno mikroskopijo z visoko ločljivostjo, tako zmogljivo, da lahko zdaj sledimo posameznim beljakovinam, ko se razvijejo v celicah. Ta razvijajoča se metoda, ki jo omogoča inovativna tehnika, ki gene žare ali "fluorescira", ima potencialno uporabo v boju proti boleznim, kot sta Parkinsonova in Alzheimerjeva bolezen.
Italijanski mikroskop, narejen iz slonovine sredi 1600-ih let, del zbirke Golub pri UC Berkeley. (Zbirka Golub v UC Berkeley.) Ruzin vodi Inštitut za biološko slikanje na kalifornijski univerzi v Berkeleyju, kjer raziskovalci uporabljajo to tehnologijo za raziskovanje vsega, od mikrostrukture znotraj zajedavca Giardia in razporeditve beljakovin znotraj bakterij. Da bi lažje spravil sodobno raziskovanje mikroskopije v kontekst, si je s svojim dodiplomskim študentom delil najstarejše predmete iz zbirke Golub - eno največjih javno razstavljenih zbirk na svetu, ki vsebuje 164 starinskih mikroskopov iz 17. stoletja. študentje. Dovoli jim celo, da ravnajo z nekaterimi najstarejšimi v zbirki, vključno z italijanskim iz slonovine okoli leta 1660.
"Pravim, " ne osredotočaj se, ker se bo zlomilo ", vendar sem študentom pustil, da jih pogledajo in to nekako prinese domov, " pravi Ruzin.
Kljub moči mikroskopije super ločljivosti pa predstavlja nove izzive. Na primer, kadar se vzorec premakne z visoko ločljivostjo, se slika zamegli, pravi Ruzin. "Če celica vibrira le s toplotnim gibanjem in odskoči, ker jo molekule vode zadenejo, ker so tople, bo to ubilo super ločljivost, ker je potreben čas, " pravi Ruzin. (Zaradi tega raziskovalci na splošno ne uporabljajo mikroskopije z visoko ločljivostjo za preučevanje živih vzorcev.)
Toda tehnologija, kot je Amosov Mesolens - s precej manjšo povečavo samo 4-krat, vendar veliko širšim vidnim poljem, ki lahko zajame do 5 mm ali približno širino roza nohta - lahko prikaže žive vzorce. To pomeni, da lahko opazujejo, kako se mišji zarodek razvija v realnem času in spremlja gene, povezane z vaskularno boleznijo pri novorojenčkih, ko se ti zarodki vključijo. Pred tem bi znanstveniki uporabili rentgenske žarke za preučevanje vaskularne bolezni pri zarodkih, vendar ne bodo podrobnosti znižali na celično raven, kot to počnejo z mezoleni, pravi Amos.
"Skoraj ni slišati, da bi kdo zasnoval novo objektivno lečo za svetlobno mikroskopijo in to smo storili, da bi poskušali prilagoditi nove vrste vzorcev, ki jih želijo preučevati biologi, " pravi Amosov sodelavec Gail McConnell z univerze v Strathclyde Glasgow, ki pojasnjuje da so znanstveniki zainteresirani za preučevanje nepoškodovanih organizmov, vendar ne želijo ogrožati podrobnosti, ki jo lahko vidijo.
Do zdaj je industrija za shranjevanje podatkov izrazila zanimanje za uporabo mezolenov za preučevanje polprevodniških materialov, člani naftne industrije pa so bili zainteresirani, da ga uporabljajo za slikanje materialov z bodočih vrtalnih mest. Zastek leče nabira svetlobo še posebej dobro, kar omogoča raziskovalcem, da opazujejo zapletene podrobnosti, kot so celice, v katerih metastazirajoči se tumor seli navzven. Toda resnični potencial teh novih tehnik še ni viden.
"Če razvijete cilj, drugačen od vsega, kar je bilo narejeno v zadnjih 100 letih, se vam odprejo vse vrste neznanih možnosti, " pravi Amos. "Začenjamo šele spoznati, kakšne možnosti so."
Beležka urednika, 31. marec 2017: Ta objava je bila urejena, da odraža, da Leeuwenhoek ni izboljšal sestavljenega mikroskopa in da Ruzinova zbirka izvira iz 17. stoletja.
Steven Ruzin iz UC Berkeley pravi, da je Hookejeva Micrographia, objavljena leta 1665, primerljiva z Gutenbergovo biblijo biologov, ki vsebuje prve podrobnejše risbe vzorca mikroskopa, ki segajo od cvetnega prahu do platna. Manj kot 1.000 izvodov ostane, vendar slike še danes navdihujejo mikroskope. (Wikimedia Commons) 
Luna, opisana v Micrographia (Wikimedia Commons) 
Suber celice in listi mimoze (Wikimedia Commons) 
Shema. XXXV - od ljubezni. Diagram loške (Wikimedia Commons) 
Shema. XXIX - "Veliki Belly'ed Gnat ali ženski Gnat". Ponazoritev Gnata, ki ga je narisal Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Shema. XXIV - Sestava in gibanje Krila muh. Ponazoritev na modro muho, ki ga je narisal Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons) 
Mikroskop Roberta Hookeja, skica iz njegove prvotne publikacije (Wikimedia Commons) 
Znana bolha, opisana v knjigi Micrographia (Wikimedia Commons) 
Nekaj kristala, opisanega v Micrographia (Wikimedia Commons) 
Pluta, ki jo je v Micrographia opisal Robert Hooke (Wikimedia Commons)
