Брэд Амос провел большую часть своей жизни, думая и изучая крошечные миры. Сейчас ему 71 год, он работает в качестве приглашенного профессора в Университете Стратклайда в Шотландии, где он возглавляет группу исследователей, разрабатывающих чрезвычайно большой новый объектив микроскопа - длиной и шириной человеческой руки. Названный одним из десяти главных достижений в мире физики 2016 года, так называемые мезолены настолько мощны, что могут отображать целые опухоли или эмбрионы мыши в одном поле зрения, одновременно отображая внутренние части клеток.
Связанный контент
- Признанные видео захватывают завораживающий, микроскопический мир
- Новая методика приносит цвета в электронном микроскопе изображения клеток
- Ранние микроскопы открыли новый мир крошечных живых существ
«Он имеет большой охват объектива фотоаппарата и прекрасное разрешение объектива микроскопа, поэтому у него есть преимущества обоих подходов», - говорит Амос. «Изображения чрезвычайно полезны».
Сегодня такие микроскопы, как Амос, работают по всему миру, чтобы внедрять новые технологии, широко применяемые в медицине и здоровье человека. Но эти передовые достижения восходят к самым первым микроскопам, построенным в 16-17 веках. Будучи ультрасовременными в то время, они не будут вас сильно впечатлять; это было не намного сильнее, чем портативное увеличительное стекло.
Амос был одержим даже этими простейшими микроскопами с тех пор, как получил его на день рождения в детстве. Его интрига в микроскопических мирах стала ненасытной, когда он исследовал все, что он мог найти, от силы в крошечных, шипучих пузырьках до того, как кусочки меди отливались под иглой. «Это похоже на тесто, оно может быть очень мягким», - говорит Амос о меди. Он описывает свое благоговение перед явлениями, которые он обнаружил под прицелом, который он не мог видеть невооруженным глазом: «Вы изучаете мир, который даже не подчиняется тем же правилам восприятия».
Этот тип любопытства в крошечных мирах продвигал микроскопию с самого начала. Голландская команда отца-сына по имени Ганс и Захария Янссен изобрела первый так называемый составной микроскоп в конце 16-го века, когда они обнаружили, что, если они надевают линзу на верхнюю и нижнюю часть трубки и просматривают ее, объекты на другой конец стал увеличенным. Устройство заложило важную основу для будущих прорывов, но только увеличилось в 3–9 раз.
Качество изображения было в лучшем случае посредственным, говорит Стивен Рузин, микроскопист и куратор коллекции микроскопов Голуба в Калифорнийском университете в Беркли. «Я представил их, и они действительно ужасны», - говорит Рузин. «Ручные линзы были намного лучше».
Несмотря на то, что они обеспечивали увеличение, эти первые составные микроскопы не могли увеличить разрешение, поэтому увеличенные изображения выглядели размытыми и затемненными. В результате никаких значительных научных достижений за последние 100 лет не было, говорит Рузин.
Но к концу 1600-х годов улучшения в объективах повысили качество изображения и увеличенную мощность до 270х, проложив путь к крупным открытиям. В 1667 году английский естествоиспытатель Роберт Гук классно опубликовал свою книгу «Микрография» со сложными рисунками сотен экземпляров, которые он наблюдал, включая отдельные участки в пределах ветви травянистого растения. Он назвал ячейки секций, потому что они напомнили ему клетки в монастыре - и, таким образом, стали отцом клеточной биологии.
Рисунки из Микрографии Роберта Гука, где он нарисовал первую растительную клетку, когда-либо обнаруженную в этой сосновой ветке. (Роберт Гук, Микрография / Wikimedia Commons) В 1676 году голландский торговец тканями, ставший ученым Энтони ван Левенгуком, усовершенствовал микроскоп, намереваясь взглянуть на продаваемую им ткань, но случайно обнаружил, что бактерии существуют. Его случайное открытие открыло область микробиологии и основы современной медицины; Спустя почти 200 лет французский ученый Луи Пастер определил, что причиной многих болезней являются бактерии (до этого многие ученые верили в теорию миазма, что гнилой воздух и неприятные запахи делают нас больными).
«Это было огромно», - говорит Кевин Элисейри, микроскопист из Висконсинского университета в Мэдисоне, о первоначальном открытии бактерий. «Было много путаницы из-за того, что заставило тебя заболеть. Идея о том, что в воде есть бактерии и другие предметы, была одним из величайших открытий за всю историю »
На следующий год, в 1677 году, Левенгук сделал еще одно отличительное открытие, когда впервые обнаружил сперму человека. Студент-медик принес ему эякулят пациента с гонореей для изучения под микроскопом. Леувенхук обязался, обнаружил крошечных хвостатых животных и продолжил находить те же извивающиеся «жаворонки» в своем собственном образце спермы. Он опубликовал эти новаторские результаты, но, как и в случае с бактериями, прошло 200 лет, прежде чем ученые поняли истинное значение этого открытия.
К концу 1800-х годов немецкий ученый по имени Вальтер Флемминг обнаружил деление клеток, которое спустя десятилетия помогло прояснить, как растет рак - открытие, которое было бы невозможно без микроскопов.
«Если вы хотите иметь возможность воздействовать на часть клеточной мембраны или опухоль, вы должны наблюдать за ней», - говорит Элисейри.
Хотя у оригинальных микроскопов, которые использовали Гук и Леувенхук, могли быть свои ограничения, их базовая структура из двух линз, соединенных трубками, сохраняла свою актуальность на протяжении веков, говорит Элисейри. За последние 15 лет достижения в области визуализации переместились в новые области. В 2014 году группа немецких и американских исследователей получила Нобелевскую премию по химии за метод, названный флуоресцентной микроскопией сверхвысокого разрешения, настолько мощный, что теперь мы можем отслеживать отдельные белки по мере их развития в клетках. Этот развивающийся метод, ставший возможным благодаря инновационной технике, которая заставляет гены светиться или «флуоресцировать», имеет потенциальное применение в борьбе с такими болезнями, как болезнь Паркинсона и Альцгеймера.
Итальянский микроскоп из слоновой кости в середине 1600-х годов, входящий в коллекцию Голуб в Калифорнийском университете в Беркли. (Коллекция Голуб в Калифорнийском университете в Беркли.) Рузин возглавляет Центр биологической визуализации в Калифорнийском университете в Беркли, где исследователи используют эту технологию для изучения всего: от микроструктур в паразите Giardia и расположения белков в бактериях. Чтобы помочь привести современные исследования в области микроскопии в контекст, он хочет поделиться со своими студентами некоторыми из самых старых предметов из коллекции Голуба - одной из крупнейших публично выставленных коллекций в мире, содержащей 164 антикварных микроскопа, относящихся к 17 веку. ученики. Он даже позволяет им обрабатывать некоторые из самых старых в коллекции, в том числе итальянский из слоновой кости около 1660 года.
«Я говорю« не фокусируй это, потому что оно сломается », но я позволяю студентам просматривать его, и это как бы возвращает его домой», - говорит Рузин.
Тем не менее, несмотря на мощь микроскопии сверхвысокого разрешения, она ставит новые задачи. Например, всякий раз, когда образец перемещается с высоким разрешением, изображение размывается, говорит Рузин. «Если клетка вибрирует только от теплового движения, подпрыгивая от ударов молекул воды, потому что они теплые, это убьет суперразрешение, потому что это требует времени», - говорит Рузин. (По этой причине исследователи обычно не используют микроскопию сверхвысокого разрешения для изучения живых образцов.)
Но такие технологии, как Mesolens Амоса - с гораздо меньшим увеличением, всего в 4 раза, но с гораздо более широким полем зрения, способным захватывать до 5 мм или шириной ногтя мизинца - могут отображать живой образец. Это означает, что они могут наблюдать за развитием эмбриона мыши в реальном времени, следуя генам, связанным с сосудистыми заболеваниями у новорожденных, по мере того, как они включаются в эмбрион. До этого ученые использовали рентгеновские лучи для изучения сосудистых заболеваний у эмбрионов, но не опускались до клеточного уровня, как это делают с мезоленами, говорит Амос.
«Практически неслыханно для всех разрабатывать новые объективы для световой микроскопии, и мы сделали это, чтобы попытаться приспособить новые типы образцов, которые хотят изучать биологи», - говорит коллега Амоса Гейл Макконнелл из Университета Стратклайда в Глазго, объясняя что ученые заинтересованы в изучении неповрежденных организмов, но не хотят ставить под угрозу количество деталей, которые они могут видеть.
До сих пор индустрия хранения данных проявляла интерес к использованию Mesolens для исследования полупроводниковых материалов, а представители нефтяной промышленности были заинтересованы в использовании его для изображения материалов с перспективных буровых площадок. Конструкция линзы особенно хорошо воспринимает свет, что позволяет исследователям наблюдать, как разворачиваются сложные детали, такие как клетки в метастазирующей опухоли, мигрирующей наружу. Но истинный потенциал этих новых методов еще предстоит выяснить.
«Если вы развиваете цель, отличную от всего, что было сделано за последние 100 лет, это открывает все виды неизвестных возможностей», - говорит Амос. «Мы только начинаем понимать, что это за возможности».
Примечание редактора, 31 марта 2017 года. Это сообщение было отредактировано, чтобы отразить, что Леувенхук не улучшил составной микроскоп и что коллекция Рузина восходит к 17 веку.
Стивен Рузин из Калифорнийского университета в Беркли говорит, что « Микрография» Гука, опубликованная в 1665 году, сопоставима с Библией биологов Гутенберга, в которой содержатся первые в мире подробные чертежи образцов микроскопа от пыльцевых зерен до ткани. Осталось менее 1000 экземпляров, но изображения продолжают вдохновлять микроскопистов сегодня. (Wikimedia Commons) 
Луна описана в Микрографии (Wikimedia Commons) 
Клеточные клетки и листья мимозы (Wikimedia Commons) 
Сч. XXXV - Вши. Схема вшей (Wikimedia Commons) 
Сч. XXIX - "Великий Комнатный Живот, или Женский Комнат". Иллюстрация комара, предположительно нарисованная сэром Кристофером Реном. (Wikimedia Commons) 
Сч. XXIV - о строении и движении крыльев мух. Иллюстрация Синей Мухи, которую, как полагают, нарисовал сэр Кристофер Рен. (Wikimedia Commons) 
Микроскоп Роберта Гука, набросок из его оригинальной публикации (Wikimedia Commons) 
Знаменитая блоха описана в книге Микрография (Wikimedia Commons) 
Некоторые кристаллы описаны в Micrographia (Wikimedia Commons) 
Пробка, описанная в Micrographia Робертом Гуком (Wikimedia Commons)
