MARILAH KITA MEMUJI PENCIPTAAN MIKROSKOP

Brad Amos telah menghabiskan sebahagian besar hidupnya memikirkan dan melihat dunia kecil. Sekarang berusia 71 tahun, beliau bekerja sebagai profesor tamu di University of Strathclyde di Scotland di mana dia mengetuai pasukan penyelidik yang merekabentuk lensa mikroskop baru yang sangat besar-tentang panjang dan lebar lengan manusia. Dinamakan salah satu Terobosan Sepuluh Fisika Dunia pada tahun 2016, yang dikenali sebagai Mesolens sangat kuat sehingga ia dapat menggambarkan keseluruhan tumor atau embrio tetikus dalam satu bidang pandangan sambil mencantumkan sel-sel dalam serentak.

Kandungan Terkait

Video Memenangi Hadiah Menangkap Mesmerizing, Dunia Mikroskopik
Satu Teknik Baru Membawa Warna ke Mikroskop Elektron Imej Sel
Mikroskop Awal Mengungkap Dunia Baru Perkara Hidup Kecil

"Ia mempunyai liputan kamera lensa yang besar dan resolusi halus dari objektif mikroskop, jadi ia mempunyai kelebihan kedua-dua pendekatan ini, " kata Amos. "Imej sangat berguna."

Hari ini, ahli mikroskop seperti Amos sedang bekerja di seluruh dunia untuk membuat inovasi teknologi baru dengan aplikasi yang meluas dalam bidang perubatan dan kesihatan manusia. Tetapi kemajuan canggih ini semuanya kembali ke mikroskop pertama yang dibina pada abad ke-16 dan ke-17. Walaupun canggih untuk masa itu, mereka tidak akan menarik perhatian anda; yang tidak lebih kuat daripada kaca pembesar pegang tangan.

Amos telah terobsesi dengan mikroskop paling mudah semenjak dia mendapat satu untuk ulang tahun sebagai seorang kanak-kanak. Intriknya dalam dunia mikroskopis menjadi tidak puas ketika dia menjelajah apa sahaja yang dapat dia temukan, dari kekuatan dalam gelembung kecil yang muncul untuk cara potongan tembaga dibentuk di bawah poke jarum. "Ia seperti doh bermain, ia boleh menjadi sangat lembut, " kata Amos tentang tembaga. Dia menggambarkan kehebatannya pada fenomena yang dia dapati di bawah skop bahawa dia tidak dapat melihat dengan mata kosongnya: "Kamu sedang mengkaji dunia yang tidak mematuhi peraturan persepsi yang sama."

Ini jenis keingintahuan dalam dunia mikroskop yang kecil yang dipacu dari permulaannya. Pasukan bapa-anak Belanda bernama Hans dan Zacharias Janssen mencipta mikroskop sebatian pertama yang disebut di akhir abad ke-16 apabila mereka mendapati bahawa, jika mereka meletakkan lensa di bahagian atas dan bawah tiub dan melihat melaluinya, objek pada akhir lain menjadi besar. Peranti ini meletakkan asas kritikal untuk penemuan masa depan, tetapi hanya diperbesarkan antara 3x dan 9x.

Kualiti gambar itu biasa-biasa saja, kata Steven Ruzin, seorang mikroskop dan kurator Pengumpulan Mikroskop Golub di University of California di Berkeley. "Saya telah mencontohi mereka dan mereka benar-benar agak mengerikan, " kata Ruzin. "Kanta tangan lebih baik."

Walaupun mereka memberikan pembesaran, mikroskop majmuk yang pertama ini tidak dapat meningkatkan resolusi, sehingga imej yang diperbesar muncul kabur dan kabur. Akibatnya, tiada penemuan saintifik penting datang dari mereka selama kira-kira 100 tahun, kata Ruzin.

Tetapi pada penghujung tahun 1600-an, penambahbaikan kepada kanta meningkatkan kualiti imej dan kuasa pembesar sehingga 270x, membuka jalan untuk penemuan-penemuan utama. Pada tahun 1667, saintis semulajadi bahasa Inggeris, Robert Hooke, menerbitkan buku beliau Micrographia dengan lukisan-lukisan yang rumit daripada beratus-ratus spesimen yang diperhatikannya, termasuk bahagian yang berbeza di dalam cawangan tumbuhan herba. Dia memanggil sel-sel bahagian kerana mereka mengingatkan dia sel-sel di sebuah biara-dan dengan itu menjadi bapa biologi selular.

Lukisan dari Micrographia Robert Hooke, di mana dia melukis sel tumbuhan pertama yang pernah ditemui di cawangan pain ini. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

Pada tahun 1676, saudar saudar saudar Belanda yang bernama Antony van Leeuwenhoek terus meningkatkan mikroskop dengan niat mencari kain yang dia laku, namun secara tidak sengaja membuat penemuan hebat bahawa bakteria ada. Hasilnya yang tidak sengaja membuka bidang mikrobiologi dan asas perubatan moden; hampir 200 tahun kemudian, saintis Perancis, Louis Pasteur akan menentukan bahawa bakteria adalah punca di sebalik banyak penyakit (sebelum itu, ramai saintis percaya teori miasma bahawa udara busuk dan bau busuk membuat kita sakit).

"Ia sangat besar, " kata Kevin Eliceiri, seorang mikroskop di Universiti Wisconsin Madison, mengenai penemuan awal bakteria. "Terdapat banyak kekeliruan mengenai apa yang membuat anda sakit. Idea bahawa terdapat bakteria dan benda-benda di dalam air adalah salah satu penemuan terbesar yang pernah ada. "

Pada tahun berikutnya, pada tahun 1677, Leeuwenhoek membuat satu lagi penemuan penting apabila dia mengenal pasti sperma manusia buat kali pertama. Seorang pelajar perubatan telah membawa dia ejakulasi pesakit gonorrhea untuk belajar di bawah mikroskopnya. Leeuwenhoek mewajibkan, menemui haiwan ekor kecil, dan terus mencari "heliks helikopter" dalam sampel air mani sendiri. Dia menerbitkan penemuan ini tetapi, seperti halnya bakteria, 200 tahun berlalu sebelum saintis memahami maksud sebenar penemuan itu.

Menjelang lewat tahun 1800an, ahli sains Jerman bernama Walther Flemming mendapati bahagian sel yang, beberapa dekad kemudian, membantu menjelaskan bagaimana kanser tumbuh-penemuan yang mungkin tidak mungkin tanpa mikroskop.

"Jika anda mahu dapat menyasarkan sebahagian membran sel atau tumor, anda perlu menontonnya, " kata Eliceiri.

Walaupun mikroskop asal yang digunakan oleh Hooke dan Leeuwenhoek mungkin mempunyai batasan mereka, struktur dasar dua kanta yang dihubungkan oleh tiub kekal relevan selama berabad-abad, kata Eliceiri. Dalam tempoh 15 tahun yang lalu, kemajuan pencitraan telah berpindah ke alam baru. Pada tahun 2014, satu pasukan penyelidik Jerman dan Amerika memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia untuk kaedah yang dipanggil super-resolusi mikroskopi pendarfluor, begitu kuat kita kini boleh menjejaki protein tunggal semasa mereka berkembang dalam sel. Kaedah yang berkembang ini dibuat melalui teknik yang inovatif yang membuat gen bersinar atau "fluoresce", mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam memerangi penyakit seperti Parkinson dan Alzheimer.

Mikroskop Itali yang diperbuat daripada gading pada pertengahan 1600-an, sebahagian daripada Koleksi Golub di UC Berkeley. (Golub Collection di UC Berkeley.)

Ruzin mengetuai Kemudahan Pengimejan Biologi di University of California di Berkeley, di mana penyelidik menggunakan teknologi untuk meneroka segala sesuatu dari mikrostruktur dalam paras paras Giardia dan pengaturan protein dalam bakteria. Untuk membantu membawa penyelidikan mikroskop moden ke dalam konteks, dia membuat satu titik untuk berkongsi beberapa barangan tertua dari Koleksi Golub-salah satu koleksi terbesar yang dipaparkan secara umum di dunia, mengandungi 164 mikroskop antik sejak abad ke-17-dengan sarjana pelajar. Dia juga membolehkan mereka mengendalikan beberapa yang tertua dalam koleksi itu, termasuk sebuah bahasa Itali yang diperbuat daripada gading sekitar 1660.

"Saya katakan 'jangan fokus kerana ia akan pecah, ' tetapi saya membenarkan pelajar melihatnya, dan ia membawa pulang ke rumah, " kata Ruzin.

Namun, walaupun terdapat mikroskopi resolusi super, ia menimbulkan cabaran baru. Sebagai contoh, pada bila-bila masa spesimen bergerak di bawah resolusi tinggi, imej yang mengaburkan, kata Ruzin. "Sekiranya sel itu bergetar hanya oleh gerakan termal, memantul oleh molekul air yang memukulnya kerana ia hangat, ini akan membunuh resolusi super kerana ia memerlukan masa, " kata Ruzin. (Oleh sebab itu, para penyelidik tidak menggunakan mikroskopi resolusi super untuk mengkaji sampel langsung.)

Tetapi teknologi seperti Amos 'Mesolens-dengan pembesaran yang lebih rendah hanya 4x tetapi medan pandangan yang lebih luas mampu menangkap sehingga 5 mm, atau kira-kira lebar kuku berwarna merah jambu-boleh membina spesimen secara langsung. Ini bermakna mereka boleh menyaksikan embrio tetikus berkembang dalam masa nyata, mengikut gen yang berkaitan dengan penyakit vaskular pada bayi baru lahir kerana ia dimasukkan ke dalam embrio. Sebelum ini, para saintis menggunakan sinar-X untuk mengkaji penyakit vaskular dalam embrio, tetapi tidak akan mendapat detail ke peringkat sel seperti yang dilakukan oleh Mesolens, kata Amos.

"Ia hampir tidak pernah didengar oleh sesiapa sahaja untuk merekabentuk lensa objektif baru untuk mikroskop cahaya dan kami telah melakukan ini untuk menampung jenis spesimen baru yang ahli biologi ingin belajar, " kata rakan sekerja Amos, Gail McConnell di University of Strathclyde Glasgow, menjelaskan bahawa saintis berminat untuk mengkaji organisma yang utuh tetapi tidak mahu berkompromi dengan jumlah terperinci yang dapat mereka lihat.

Setakat ini, industri simpanan data telah menyatakan minat untuk menggunakan Mesolens untuk mengkaji bahan semikonduktor, dan ahli industri minyak berminat untuk menggunakannya untuk bahan-bahan imej dari tapak penggerudian yang prospektif. Reka bentuk kanta mengambil cahaya sangat baik, membolehkan para penyelidik melihat butiran rumit terungkap seperti sel-sel dalam tumor metastasis yang berpindah ke luar. Tetapi potensi sebenar teknik baru ini masih dapat dilihat.

"Jika anda membuat objektif yang berbeza daripada apa yang telah dibuat selama 100 tahun yang lalu, ia membuka semua jenis kemungkinan yang tidak diketahui, " kata Amos. "Kami baru mula mendapat apa yang kemungkinan itu."

Nota Editor, 31 Mac, 2017: Jawatan ini telah disunting untuk menunjukkan bahawa Leeuwenhoek tidak memperbaiki mikroskop kompaun dan koleksi Ruzin bermula pada abad ke-17.

Steven Ruzin di UC Berkeley mengatakan Micrographia Hooke, yang diterbitkan pada tahun 1665, adalah setanding dengan ahli-ahli biologi Alkitab Gutenberg, yang mengandungi lukisan spesimen mikroskop yang pertama dari biji serbuk kepada kain. Kurang daripada 1, 000 salinan kekal, tetapi imej terus memberi inspirasi kepada mikroskopis hari ini. (Wikimedia Commons)

Bulan yang diterangkan dalam Micrographia (Wikimedia Commons)

Sel suber dan daun mimosa (Wikimedia Commons)

Schem. XXXV - Daripada Louse. Rajah lakunya (Wikimedia Commons)

Schem. XXIX - "Gnat Belly'ed besar atau Gnat perempuan". Ilustrasi pemikiran Gnat telah ditarik oleh Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)

Schem. XXIV - Daripada Struktur dan gerakan Wings of Flies. Satu ilustrasi Blue Fly difikirkan telah ditarik oleh Sir Christopher Wren. (Wikimedia Commons)