Статті

Мікроскоп – «патріарх» наукових приладів

21/11/2016

Серед усіх відомих приладів, завдячуючи яким сучасна наука досягла нинішнього високого рівня, особливе місце належить мікроскопу. Саме він тривалий час був єдиним способом зазирнути у мікросвіт і виявити існування цілої низки мікроорганізмів, що стало фундаментом принципово нових успіхів у біології та медицині. Нині цей «патріарх», незважаючи на появу величезної кількості найсучаснішого обладнання для проведення наукових досліджень, не здав своїх позицій і перебуває на «вістрі» науки, але, щоправда, принцип роботи його модифікацій значно змінився

Перші з перших мікроскопів

Конструкцію першого мікроскопа приписують голландцям Хансу та Захарію Янсенам. Відбулося це у 1595 р., а пристрій являв собою дві встановлені в трубці з непрозорого матеріалу випуклі скляні лінзи. Фокусування здійснювалося тубусом, що висувався. Удосконалити цю конструкцію вдалося Галілео Галілею в 1609 р., який використав елементи телескопа, а саме випуклу та увігнуту лінзи. Свій прилад він назвав «оккіоліно», що в перекладі означає «маленьке око». Назву «мікроскоп», яка використовується й понині, ці прилади отримали у 1625 р., а її автором став німецький лікар та ботанік Джовані Фабер.

Значного покращання характеристик тодішніх мікроскопів вдалося досягти голландському натуралісту Антоні ван Левенгуку (1632–1723). У 1674 р. він застосував особливу технологію шліфування лінз, що дозволило одержати збільшення в 275 разів — рекордний результат на той час.

robert-hooke-early-microscope1За допомогою власноручно виготовлених мікроскопів Левенгук розглядав краплі води, крові, слини та інших біологічних рідин, шматочки шкіри, пластинки м’яса, риб’ячу луску тощо й став першою людиною на планеті, яка побачила еритроцити, сперматозоїди, різноманітні рухливі мікроорганізми. Починаючи з 1673 р., він систематично надсилав результати своїх спостережень з докладними зарисовками до Лондонського королівського товариства. Його звіти публікували у «Philosophical Transactions». Таким чином, протягом 50 років Левенгук відкрив понад 200 видів мікроорганізмів, котрі він називав «мікротваринами» (animalicules). Крім того, дослідник вперше описав переміщення еритроцитів у капілярах, звернувши увагу на їхню здатність деформуватися. Він випробовував на собі дію ліків й спостерігав їхній вплив на пружні властивості еритроцитів. Також вчений уперше описав клітинну будову різних органів. У 1680 р. дослідника-самоучку було обрано дійсним членом Лондонського королівського товариства, а згодом прийнято до Французької академії наук. Місто Делфт, де жив та працював Левенгук, стало місцем паломництва багатьох людей, які бажали своїми очима впевнитися в існуванні світу мікроскопічних живих істот.

Читайте також: Роберт Вудворд: восторженный и вдохновенный экспериментатор

До піонерів мікроскопії належить і англійський вчений Роберт Гук (1635–1703). Всі проведені ним за допомогою мікроскопа власної конструкції дослідження він описав у книзі «Мікрографія або деякі фізіологічні описання найдрібніших тіл, виконані за допомогою збільшуваного скла…», що була опублікованою в 1665 р. За результатами своїх спостережень Гук зробив висновок про широке розповсюдження пухирець-подібних клітин, або комірок, у рослинних об’єктах і вперше запропонував термін «клітина».

Чим наука завдячує мікроскопу

Увійшли до історії мікроскопії й наші земляки — уродженці Полтавщини Мартин Тереховський (1740–1796) та Олександр Шумлянський (1748–1795). Тереховський відіграв визначну роль у розвитку уявлень про мікроорганізми: у дисертації, захищеній у Страсбурзі 1775 р., він довів, що різні мікроорганізми (інфузорії) не виникають у воді та настоях спонтанно, а заносяться іззовні. Шумлянський у своїй дисертації (Страсбург, 1782) на 60 років раніше за англійського лікаря У. Боумена описав особливості гістологічної будови нирки: звивисті канальці, судинні клубочки та капсулу, що оточує клубочок (капсула Шумлянського — Боумена).

Найвідомішими відкриттями, зробленими завдячуючи мікроскопу, вважають відкриття французького мікробіолога та хіміка Луї Пастера (1822–1895), німецького лікаря Роберта Коха (1843–1910) та нашого земляка, уродженця Харківської губернії, мікробіолога Іллі Мечникова. Пастер відкрив мікробіологічну суть бродіння і багатьох захворювань людини. Його ім’я широко відоме у світі завдяки створеній ним і названій згодом на його честь технології пастеризації. Кох відкрив бацилу сибірської виразки, холерний вібріон і light-microscopeтуберкульозну паличку. За дослідження туберкульозу він став лауреатом Нобелівської премії з фізіології та медицини у 1905 р. Мечников став одним із засновників еволюційної ембріології, першовідкривачем фагоцитозу та внутрішньоклітинного травлення, створив фагоцитарну теорію імунітету. В 1908 р. вчений отримав Нобелівську премію з фізіології та медицини.

Крок за кроком

Оскільки мікроскоп відкривав нові можливості не лише в біології, а й у багатьох інших галузях
науки, в подальшому вдосконалення цього приладу відбувалося досить стрімко. У 1863 р. британський геолог і мікроскопіст Генрі Кліфтон Сорбі (1826–1908) конструює поляризаційний мікроскоп, який дозволив детально вивчити будову мінералів та інших кристалічних речовин з поляризаційними властивостями.

Детальну теорію оптичної мікроскопії було розроблено німецьким фізиком-оптиком Ернстом Аббе в період 1866–1873 рр. й встановлено дифракційну межу, тобто мінімальний розмір об’єктів, котрі можна спостерігати за допомогою оптичного мікроскопа (так званий бар’єр Аббе, що становить чверть мікрона).

Читайте також: Про що розповідають назви ліків

Основи інтерференційної мікроскопії було закладено Дж. Сірксом у 1893 р., а першу конструкцію двопроменевого інтерференційного мікроскопа було виготовлено в 1911 р. М. Сан’яком.

Відкриття в галузі електронної фізики привели до створення електронного мікроскопа, котрий суттєво розширив кордони спостереження мікросвіту. Відбулося це у 1931 р., а його автором став німецький фізик Ернст Руска, який продемонстрував принципову можливість використання соленоїда в якості лінзи для пучка електронів, що дозволило значно підвищити розрізнювальну здатність порівняно з оптичними мікроскопами, й визначати в досліджуваних об’єктах деталі розміром 500 ангстрем (50 нм). У 1937 р. колективом дослідників на чолі з Рускою було розроблено перший у світі комерційний масовий електронний мікроскоп з розрізнювальною здатністю 100 ангстрем (10 нм).

subscribe

У 50-х роках ХХ ст. американський інженер Стерлінг Ньюбері створив перший комерційний рентгенівський мікроскоп. Оскільки рентгенівські промені не сприймаються оком людини, для фіксації результатів застосовують технічні засоби (фототехніку або електронно-оптичні перетворювачі). За технічними характеристиками рентгенівський мікроскоп розташовується між оптичним та електронним.

Протягом ХХ ст. було сконструйовано ще цілу низку мікроскопів, які базувалися на різних фізичних явищах: польовий емісійний (1936 р.), польовий іонний (1951 р.), фазово-контрастний (1953 р.), зондовий атомний (1967 р.), сканувальний тунельний (1981 р.), сканувальний атомно-силовий (1986 р.) тощо.

Читайте також: Не такие уж и случайные: из истории нескольких медицинских открытий

Висока оцінка

Розробку растрового тунельного мікроскопа було відзначено Нобелевською премією з фізики за 1986 р. Лауреатами стали німецький фізик Герд Бінніг та швейцарець Хенрик Рорер. Цікаво зазначити, що третім лауреатом премії став 79-річний Ернст Руска, той самий засновник електронних мікроскопів, тобто його розробка була достойно оціненою через 55(!) років. Як згадував Рорер, коли 1978 р. розпочиналися роботи зі створення растрового тунельного мікроскопа, котрий міг би «побачити» окремі атоми, їхні колеги вважали, що розробники «лишилися розуму», але й, з іншого боку, говорили, що у разі успіху «божевільні» можуть стати нобелівськими лауреатами. Так воно й сталося, а розроблений прилад виявився придатним для вивчення найрізноманітніших об’єктів, зокрема вірусів, злоякісних пухлин, ДНК тощо.

Ще одна розробка сучасного мікроскопа, але на цей раз не електронного, а оптичного, що була сконструйована у 2006 р., також удостоєна Нобелівської премії з хімії, яку отримали у 2014 р. німецький вчений Штефан Хелль та американські вчені Уіл’ям Мернер і Ерік Бетциг за розробку методів флуоресцентної мікроскопії надвисокого розрізнювання. Цим вченим вдалося за electronic_microscopeдопомогою деяких «хитрощів» подолати дифракційний бар’єр Аббе й побачити об’єкти розміром менші за 10 нм. Основною ідеєю тут стало використання флуоресцентних молекул (таких як флуоресцентні білки, що застосовують у молекулярній біології), котрі не просто віддзеркалюють або розсіюють світло, а повторно випромінюють його, причому відбувається це на рівні окремих молекул. Перевагою цього виду мікроскопії є те, що дослідник має можливість працювати з живими клітинами й мітити цільові структури молекули за допомогою флуоресцентних барвників та флуоресцентних білків.

Таким чином, сучасна мікроскопія поступово піднімається на новий рівень: спостереження нанооб’єктів тепер стало реальністю, а «магічний» бар’єр Аббе, як виявилося, можна подолати. Але не слід думати, що такі прилади відразу спрятимуть «перевороту» в науці, поки що вони продемонстрували лише потенціал найсучасніших методів дослідження, а самі методи є надзвичайно трудомісткими. Безсумнівно, вони стимулюють нові покоління дослідників, які розуміють, що оптична мікроскопія ще далеко не вичерпала своїх можливостей. Зокрема, такий підхід дозволяє вивчати структуру біологічних молекул, що є вельми важливим, наприклад, з точки зору створення нових лікарських засобів.

Читайте також: Як створюють нові ліки?

Підготував Руслан Примак, канд. хім. наук

“Фармацевт Практик” #11′ 2016

 

ПЕРЕДПЛАТА
КУПИТИ КНИГИ