הבה כעת לשבח את המצאת המיקרוסקופ | מדע | סמית'סוניאן - מאמרים, חדשנות, מדע

בראד עמוס בילה את רוב חייו במחשבות על עולמות זעירים והסתכלות עליהם. כיום בן 71, הוא עובד כפרופסור אורח באוניברסיטת סטרטקלייד בסקוטלנד, שם הוא מוביל צוות חוקרים המעצב עדשת מיקרוסקופ חדשה וגדולה במיוחד - בערך ורוחב הזרוע האנושית. מה שמכונה אחת מעשר פריצות הדרך המובילות בעולם בפיזיקה משנת 2016, מה שמכונה Mesolens הוא כה עוצמתי עד שהוא מסוגל לדמיין גידולים שלמים או עוברים של עכברים בשדה ראיה אחד ובו זמנית לצלם את פנים התאים.

תוכן קשור

סרטונים זוכים בפרסים לכדו מהפנט, עולם מיקרוסקופי
טכניקה חדשה מביאה תמונות למיקרוסקופ אלקטרונים של תאים
המיקרוסקופים המוקדמים חשפו עולם חדש של דברים חיים זעירים

"יש לו הכיסוי הגדול של עדשת מצלמה מצולמת והרזולוציה העדינה של יעד המיקרוסקופ, כך שיש לה את היתרונות של שתי הגישות, " אומר עמוס. "התמונות מאוד שימושיות."

כיום מיקרוסקופים כמו עמוס עובדים ברחבי העולם כדי לחדש טכנולוגיות חדשות עם יישומים נרחבים בתחום הרפואה ובריאות האדם. אבל ההתקדמות החדישה הללו כל אחת חזרה למיקרוסקופים הראשונים שנבנו במאות ה -16 וה -17. בעודם מתקדמים באותה תקופה, הם לא היו מרשימים אתכם הרבה; זה לא היה הרבה יותר חזק מזכוכית מגדלת כף יד.

עמוס אובססיה אפילו במיקרוסקופים הפשוטים ביותר מאז שהוא קיבל יום הולדת כילד. התככנות שלו בעולמות מיקרוסקופיים הפכה לא יודעת שובע כשחקר כל מה שיכול למצוא, מהכוח בתוך בועות קטנטנות, קופצות ועד לאופן שבו חתיכות נחושת יצוקו מתחת לחטט המחט. "זה כמו בצק משחק, הוא יכול להיות רך מאוד, " אומר עמוס על נחושת. הוא מתאר את היראתו מהתופעות שגילה תחת היקף שלא יכול היה לראות בעיניו החשופות: "אתה לומד עולם שאפילו לא מציית לאותם כללי תפיסה."

סוג זה של סקרנות בהתרחשותם של עולמות זעירים הניע מיקרוסקופיה מראשיתה. צוות אב-בן הולנדי בשם האנס וזכריאס ג'נססן המציא את המיקרוסקופ המורכב הראשון שנקרא בסוף המאה ה -16 כשגילו שאם ישימו עדשה בחלק התחתון והתחתון של הצינור והסתכלו דרכו, חפצים על הקצה השני התחזק. המכשיר הניח תשתית קריטית לפריצות דרך עתידיות, אך הוגדל רק בין 3 ל- 9X.

איכות התמונה הייתה בינונית במקרה הטוב, אומר סטיבן רוזין, מיקרוסקופית ואוצר אוסף המיקרוסקופ של גולוב באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. "צילמתי דרכם והם באמת די נוראים", אומר רוזין. "עדשות היד היו טובות בהרבה."

אף על פי שהם סיפקו הגדלה, המיקרוסקופים המתחמים הראשונים הללו לא הצליחו להגדיל את הרזולוציה, ולכן תמונות מוגדלות נראו מטושטשות ומעורפלות. כתוצאה מכך, פריצות דרך מדעיות משמעותיות לא הגיעו מהן במשך כמאה שנה, אומר רוזין.

אולם בסוף שנות ה- 1600, שיפורים בעדשות העלו את איכות התמונה ואת עוצמת המגדילה עד 270X, מה שסלל את הדרך לתגליות גדולות. בשנת 1667, מדען הטבע האנגלי רוברט הוק פרסם במפורסם את ספרו מיקרוגרפיה עם רישומים מורכבים של מאות דגימות שצפה, כולל קטעים ברורים בתוך הענף של צמח עשבוני. הוא קרא לכלי התאים משום שהזכירו לו תאים במנזר - וכך הפך לאבי הביולוגיה התאית.

רישומים מתוך המיקרוגרפיה של רוברט הוק, שם הוא מצייר את תא הצמח הראשון שהתגלה אי פעם בענף האורן הזה. (רוברט הוק, מיקרוגרפיה / Wikimedia Commons)

בשנת 1676, מדען סוחר הבדים ההולנדי אנטוני ואן ליוונהוק שיפר עוד יותר את המיקרוסקופ מתוך כוונה להסתכל על הבד שמכר, אך באופן לא מכוון העלה את התגלית פורצת הדרך כי קיימים חיידקים. ממצאו המקרי פתח את תחום המיקרוביולוגיה ואת הבסיס לרפואה המודרנית; כמעט 200 שנה לאחר מכן, המדען הצרפתי לואי פסטר קבע כי חיידקים הם הגורם שמאחורי מחלות רבות (לפני כן, מדענים רבים האמינו בתיאוריית המיאזמה כי אוויר רקוב וריחות רע גרמו לנו לחלות).

"זה היה ענק", אומר קווין אליסירי, מיקרוסקופ באוניברסיטת ויסקונסין מדיסון, על התגלית הראשונית של חיידקים. "היה הרבה בלבול מה גרם לך להיות חולה. הרעיון שיש חיידקים ודברים במים היה אחד התגליות הגדולות ביותר אי פעם. "

בשנה שלאחר מכן, בשנת 1677, גילה ליוונהוק תגלית נוספת בסימן ההיכר כאשר זיהה לראשונה זרע אנושי. סטודנט לרפואה הביא לו שפיכה של חולה זיבה ללמוד תחת המיקרוסקופ שלו. ליוונהוק חייב, גילה חיות זנב קטנטנות והמשיך למצוא את אותם "בעלי חיים" מתפתלים במדגם הזרע שלו. הוא פרסם ממצאים פורצי דרך אלה, אך כמו במקרה של חיידקים, 200 שנה חלפו עד שהמדענים הבינו את המשמעות האמיתית של התגלית.

בסוף שנות ה -18 של המאה העשרים גילה מדען גרמני בשם וולטר פלמינג חלוקת תאים אשר עשרות שנים אחר כך סייעה להבהיר כיצד גדל סרטן - ממצא שהיה בלתי אפשרי ללא מיקרוסקופים.

"אם אתה רוצה להיות מסוגל למקד לחלק מממברנה התא או לגידול, אתה צריך לצפות בזה, " אומר אליצירי.

למרות שהמיקרוסקופים המקוריים שבהם השתמשו הוק וליוונהוק עשויים היו מגבלותיהם, המבנה הבסיסי של שתי עדשות המחוברות באמצעות צינורות נותר רלוונטי במשך מאות שנים, אומר אליצירי. ב -15 השנים האחרונות התקדמות הדמיה עברה לתחומים חדשים. בשנת 2014, צוות חוקרים גרמנים ואמריקאים זכה בפרס נובל לכימיה על שיטה המכונה מיקרוסקופיית פלואורסצנציה סופר-ברזולוציה, כל כך עוצמתית עד שנוכל לעקוב אחר חלבונים בודדים כשהם מתפתחים בתוך תאים. לשיטה מתפתחת זו, המתאפשרת באמצעות טכניקה חדשנית הגורמת גנים לזוהר או "לניאון", יש יישומים פוטנציאליים במאבק במחלות כמו פרקינסון ואלצהיימר.

מיקרוסקופ איטלקי עשוי שנהב באמצע שנות ה- 1600, חלק מאוסף גולוב ב- UC ברקלי. (אוסף גולוב ב- UC ברקלי.)

רוזין עומד בראש מתקן ההדמיה הביולוגית באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שם משתמשים החוקרים בטכנולוגיה כדי לחקור כל דבר, החל במבנים מיקרויים בטפיל ג'יארדיה וסידור חלבונים בתוך חיידקים. כדי לעזור להכניס את המחקר המיקרוסקופי המודרני להקשר, הוא מנסה לשתף כמה מהפריטים העתיקים ביותר מאוסף Golub - אחד האוספים הגדולים ביותר המוצגים בפומבי בעולם, המכיל 164 מיקרוסקופים עתיקים מימי המאה ה -17 - עם התואר הראשון שלו. סטודנטים. הוא אפילו מאפשר להם להתמודד עם כמה מהעתיקים באוסף, כולל איטלקי עשוי שנהב בסביבות שנת 1660.

"אני אומר 'אל תתמקד בזה כי זה ישבר', אבל אני נותן לסטודנטים להסתכל דרך זה, וזה סוג של הבאתו הביתה", אומר רוזין.

ובכל זאת, למרות הכוח של מיקרוסקופיית רזולוציית-על, הוא אכן מציב אתגרים חדשים. לדוגמה, בכל פעם שדגימה עוברת ברזולוציה גבוהה, התמונה מטשטשת, אומר רוזין. "אם תא רוטט רק בתנועה תרמית, מקפץ על ידי מולקולות מים המכות אותו מכיוון שהם חמים, זה יהרוג את הרזולוציה העל מכיוון שזה לוקח זמן, " אומר רוזין. (מסיבה זו החוקרים בדרך כלל אינם משתמשים במיקרוסקופיה בעלת רזולוציה סופר כדי ללמוד דגימות חיות.)

אבל טכנולוגיה כמו Mesolens של עמוס - בהגדלה נמוכה בהרבה של 4x בלבד, אך שדה ראייה רחב בהרבה המסוגל לתפוס עד 5 מ"מ, או בערך רוחב ציפורן ורדרד - יכולה להציג תמונה של דגימה חיה. המשמעות היא שהם יכולים לצפות בעובר עכבר מתפתח בזמן אמת, בעקבות גנים הקשורים למחלות כלי דם אצל יילודים כשהם משתלבים בעובר. לפני כן, מדענים ישתמשו בצילומי רנטגן בכדי לחקור מחלות כלי דם בעוברים, אך לא ימצאו פירוט לרמת התאית כמו אצל המסולנים, אומר עמוס.

"כמעט בלתי נשמע שמישהו יעצב עדשה אובייקטיבית חדשה למיקרוסקופיית אור ואנחנו עשינו זאת כדי לנסות להכיל את הסוגים החדשים של דגימות שביולוגים רוצים ללמוד", אומר עמיתו של עמוס, גייל מקונל מאוניברסיטת סטרטקליד גלזגו, והסביר שמדענים מעוניינים ללמוד אורגניזמים שלמים אך אינם רוצים להתפשר על כמות הפרטים שהם יכולים לראות.

עד כה, ענף אחסון הנתונים הביע עניין בשימוש ב- Mesolens ללימוד חומרים מוליכים למחצה, וחברי תעשיית הנפט התעניינו להשתמש בהם לחומרי תמונה מאתרי קידוח פוטנציאליים. עיצוב העדשות מרים אור טוב במיוחד ומאפשר לחוקרים לצפות בפרטים מורכבים שמתגלים כמו תאים בגידול גרורתי הנודד החוצה. אך עדיין ניתן לראות את הפוטנציאל האמיתי של טכניקות חדשות אלה.

"אם אתה מפתח מטרה שונה מכל מה שנעשה במאה השנים האחרונות, זה פותח כל מיני אפשרויות לא ידועות", אומר עמוס. "אנחנו רק מתחילים להבין מה האפשרויות האלו."

הערת העורך, 31 במרץ, 2017: פוסט זה נערך בכדי לשקף כי ליוונהוק לא שיפר את המיקרוסקופ המורכב וכי אוסף רוזין מתוארך למאה ה -17.

סטיבן רוזין, באוניברסיטת ברקלי, אומר כי המיקרוגרפיה של הוק, שפורסמה בשנת 1665, דומה לתנ"ך הביולוגים של גוטנברג. הוא מכיל את הרישומים המפורטים לראשונה של דגימת המיקרוסקופ שנע בין גרגרי אבקה לבד. נותרו פחות מאלף עותקים, אך התמונות ממשיכות לעורר השראה במיקרוסקופים כיום. (Wikimedia Commons)