История изобретения микроскопа кратко. Кто изобрёл микроскоп? Наблюдения Антони ван Левенгука
Изобретатель
: Захариус Йансен
Страна
: Голландия
Время изобретения
: 1595 г.
Сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа. Микроскоп широко применяется в большинстве лабораторий медицины и биологии, геологии и материаловедения.
Полученные с помощью микроскопа результаты необходимы при постановке точного диагноза, при контроле над ходом лечения. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.
Микроскоп (от греческого mikros — малый и skopeo — смотрю) — оптический прибор для получения увеличенного изображения мелких объектов и их деталей, не видимых невооруженным глазом.
Глаз человека способен различать детали объекта, отстоящие друг от друга не менее чем на 0,08 мм. С помощью светового микроскопа можно видеть детали, расстояние между которыми составляет до 0,2 мкм. Электронный микроскоп позволяет получить разрешение до 0,1-0,01 нм.
Изобретение микроскопа, столь важного для всей науки прибора обусловлено, прежде всего, влиянием развития оптики. Некоторые оптические свойства изогнутых поверхностей были известны еще Евклиду (300 лет до н.э.) и Птоломею (127-151 гг.), однако их увеличительная способность не нашла практического применения. В связи с этим первые очки были изобретены Сальвинио дели Арлеати в Италии только в 1285 г. В 16 веке Леонардо да Винчи и Мауролико показали, что малые объекты лучше изучать с помощью лупы.
Первый микроскоп был создан лишь в 1595 году Захариусом Йансеном (Z. Jansen). Изобретение заключалось в том, что Захариус Йансен смонтировал две выпуклые линзы внутри одной трубки, тем самым, заложив основы для создания сложных микроскопов. Фокусировка на исследуемом 
объекте достигалось за счет выдвижного тубуса. Увеличение микроскопа составляло от 3 до 10 крат. И это был настоящий прорыв в области микроскопии! Каждый свой следующий микроскоп он значительно совершенствовал.
В этот период (XVI в.) датские, английские и итальянские исследовательские приборы постепенно начали свое развитие, закладывая фундамент современной микроскопии.
Быстрое распространение и совершенствование микроскопов началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им , стал использовать ее как своеобразный микроскоп (1609-1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.
Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.
В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Akudemia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп». Первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), который первым описал растительную клетку (около 1665 г.). В своей книге «Micrographia» Гук описал устройство микроскопа.
В 1681 г. Лондонское королевское общество на своем заседании подробно обсуждало своеобразное положение. Голландец Левенгук (A. van Leenwenhoek) описывал изумительные чудеса, которые открывал своим микроскопом в капле воды, в настое перца, в иле реки, в дупле собственного зуба. Левенгук с помощью микроскопа обнаружил и зарисовал сперматозоиды различных простейших, детали строения костной ткани (1673-1677). Он писал:»С величайшим изумлением я увидел в капле великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде. Самое мелкое из этих крошечных животных в тысячу раз меньше глаза взрослой вши.»
Лучшие лупы Левенгука увеличивали в 270 раз. С ними он увидел впервые кровеносные тельца, движение крови в капиллярных сосудах хвоста головастика, полосатость мускулов. Он открыл инфузории. Он впервые погрузился в мир микроскопических одноклеточных водорослей, где лежит граница между животным и растением; где движущееся животное, как зеленое растение, обладает хлорофиллом и питается, поглощая свет; где растение, еще прикрепленное к субстрату, потеряло хлорофилл и заглатывает бактерии. Наконец, он видел даже бактерии и в великом разнообразии. Но, разумеется, тогда не было еще и отдаленной возможности понять ни значение бактерий для человека, ни смысла зеленого вещества — хлорофилла, ни границы между растением н животным.
Открывался новый мир живых существ, более разнообразный и бесконечно более оригинальный, чем видимый нами мир.
В 1668 г. Е. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа. В 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, микроскоп стали монтировать из тех основных деталей, которые входят в состав современного биологического микроскопа.
В середине 17 столетия Ньютон открыл сложный состав белого света и разложил его призмой. Рёмер доказал, что свет распространяется с конечной скоростью, и измерил ее. Ньютон высказал знаменитую гипотезу — неверную, как вам известно,- о том, что свет есть поток летящих частиц такой необычайной мелкости и частоты, что они проникают через прозрачные тела, как стекло через хрусталик глаза, и, поражая ретину ударами, производят физиологическое ощущение света. Гюйгенс впервые заговорил о волнообразной природе света и доказал, как естественно она объясняет и законы простого отражения и преломления, и законы двойного лучепреломления в исландском шпате. Мысли Гюйгенса и Ньютона встретились в резком контрасте. Таким образом, в XVII в. в остром споре действительно встала проблема о сущности света.
Как разгадка вопроса сущности света, так и усовершенствование микроскопа подвигались вперед медленно. Спор между идеями Ньютона и Гюйгенса продолжался целое столетие. К представлению о волновой природе света примкнул знаменитый Эйлер. Но решен был вопрос лишь через сто с лишним лет Френелем талантливым исследователем, какого знала наука.
Чем отличается поток распространяющихся волн — идея Гюйгенса — от потока несущихся мелких частиц — идея Ньютона? Двумя признаками:
1. Встретившись, волны могут взаимно уничтожиться, если горб одной ляжет на долину другой. Свет + свет, сложившись вместе, могут дать темноту. Это явление интерференции, это кольца Ньютона, непонятые самим Ньютоном; с потоками частиц этого быть не может. Два потока частиц — это всегда двойной поток, двойной свет.
2. Через отверстие поток частиц проходит прямо, не расходясь в стороны, а поток волн непременно расходится, рассеивается. Это дифракция.
Френель доказал теоретически, что расхождение во все стороны ничтожно, если волна мала, но все же и эту ничтожную дифракцию он обнаружил и измерил, а по ее величине определил длину волны света. Из явлений интерференции, которые так хорошо известны оптикам, полирующим до «одного цвета», до «двух полос», он также измерил длину волны — это полмикрона (половина тысячной доли миллиметра). И отсюда стали неоспоримыми волновая теория и исключительная тонкость и острота проникновения в сущность живого вещества. С тех пор все мы в разных модификациях подтверждаем и применяем мысли Френеля. Но и не зная этих мыслей, можно усовершенствовать микроскоп.
Так это и было в XVIII столетии, хотя события развивались очень медленно. Сейчас трудно даже представить себе, что первая труба Галилея, в которую он наблюдал мир Юпитера, и микроскоп Левенгука были простыми неахроматическими линзами.
Огромным препятствием в деле ахроматизации было отсутствие хорошего флинта. Как известно, ахроматизация требует двух стекол: крона и флинта. Последний представляет стекло, в котором одной из основных частей является тяжелая окись свинца, обладающая непропорционально большой дисперсией.
В 1824 г. громадный успех микроскопа дала простая практическая идея Саллига, воспроизведенная французской фирмой Шевалье. Объектив, раньше состоявший из одной линзы, расчленен на части, его начали изготовлять из многих ахроматических линз. Так умножено число параметров, дана возможность исправления ошибок системы, и стало впервые возможным говорить о настоящих больших увеличениях — в 500 и даже 1000 раз. Граница предельного видения передвинулась от двух к одному микрону. Далеко позади оставлен микроскоп Левенгука.
В 70-х годах 19 века победоносное шествие микроскопии связано с именем немецкого физика-оптика и астронома Эрнста Карла Аббе (Ernst Karl Abbe).
Достигнуто было следующее:
Во-первых, предельное разрешение передвинулось от полумикрона до одной десятой микрона.
Во-вторых, в построении микроскопа вместо грубой эмпирики введена высокая научность.
В-третьих, наконец, показаны пределы возможного с микроскопом, и эти пределы завоеваны.
Сформирован штаб ученых, оптиков и вычислителей, работающих при фирме Цейсса. В капитальных сочинениях учениками Аббе дана теория микроскопа и вообще оптических приборов. Выработана система измерений, определяющих качество микроскопа.
Когда выяснилось, что существующие сорта стекол не могут удовлетворить научным требованиям, планомерно созданы были новые сорта. Вне тайн наследников Гинана — Пара-Мантуа (наследники Бонтана) в Париже и Ченсов в Бирмингаме — созданы были вновь методы плавки , и дело практической оптики развито до такой степени, что можно сказать: Аббе оптическим снаряжением армии почти выиграл мировую войну 1914-1918 гг.
Наконец, призвав на помощь основы волновой теории света, Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Тончайший же из всех инструментов — это длина волны. Нельзя видеть объекты меньше полудлины волны — утверждает дифракционная теория Аббе,- и нельзя получить изображения меньше полудлины волны, т.е. меньше 1/4 микрона. Или с разными ухищрениями иммерсии, когда мы применяем среды, в которых длина волны меньше,- до 0,1 микрона. Волна лимитирует нас. Правда, лимиты очень мелкие, но все же это лимиты для деятельности человека.
Физик-оптик чувствует, когда на пути световой волны вставлен объект толщиной в тысячную, в десятитысячную, в отдельных случаях даже в одну стотысячную длину волны. Сама длина волны измерена физиками с точностью до одной десятимиллионной своей величины. Можно ли думать, что оптики, соединившие свои усилия с цитологами, не овладеют той сотой длины волны, которая стоит в поставленной ими задаче? Найдутся десятки способов обойти предел, поставленный длиной волны.
Вам известен один из таких обходов, так называемый метод ультрамикроскопии. Если невидимые в микроскоп микробы расставлены далеко друг от друга, то можно осветить их сбоку ярким светом. Как бы они малы ни были, они заблестят, как звезда на темном фоне. Форму их нельзя определить, можно лишь констатировать их присутствие, но и это часто чрезвычайно важно. Этим методом широко пользуется бактериология.
Труды английского оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии. В 1903 г. Р. Жигмонди (R. Zsigmondy) и Зидентопф (Н. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый 
двухлучевой интерференционный микроскоп, в 1935 г. Зернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в микроскопах прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине XX в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A. Wilska) был изобретен аноптральный микроскоп.
Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем микроскопа и микроскопической техники внесли М.В. Ломоносов, И.П. Кулибин, Л.И. Мандельштам, Д.С. Рождественский, А.А. Лебедев, С.И. Вавилов, В.П. Линник, Д.Д. Максутов и др.
Открытие Галлилео Галлилея
Однажды Галилей соорудил очень длинную подзорную трубу. Дело происходило днем. Закончив работу, он навел трубу на окно, чтобы на свету проверить чистоту линз. Прильнув к окуляру, Галилей оторопел: все поле зрения занимала какая-то серая искрящаяся масса. Труба немного покачнулась, и ученый увидел огромную голову с выпуклыми черными глазами по бокам. У чудовища было черное, с зеленым отливом туловище, шесть коленчатых ног… Да ведь это … муха! Отняв трубу от глаза, Галилей убедился: на подоконнике действительно сидела муха.
Так появился на свет микроскоп - состоящий из двух линз прибор для увеличения изображения маленьких предметов. Свое название - «микроскопиум» - он получил от члена «Академиа деи линчеи» («академии рысьеглазых»)
И. Фабера в 1625 г. Это было научное общество, которое, кроме прочего, одобряло и поддерживало применение оптических приборов в науке.
А сам Галилей в 1624 г. вставил в микроскоп более короткофокусные (более выпуклые) линзы, благодаря чему труба стала короче.
Роберт Гук
Следующая страница в истории микроскопа связана с именем Роберта Гука. Это был очень одаренный человек и талантливый ученый. По окончании Оксфордского университета в 1657 г. Гук стал помощником Роберта Бойля. Это была отличная школа у одного из крупнейших ученых того времени. В 1663 г. Гук уже работал секретарем и демонстратором опытов Английского Королевского общества (академии наук). Когда там стало известно о микроскопе, Гуку поручили провести наблюдения на этом приборе. Имевшийся в его распоряжении микроскоп мастера Дреббеля являл собой полуметровую позолоченную трубу, расположенную строго вертикально. Работать приходилось в неудобной позе - изогнувшись дугой.
Роберт Гук
Прежде всего Гук сделал трубу - тубус - наклонной. Чтобы не зависеть от солнечных дней, которых в Англии бывает немного, он установил перед прибором масляную лампу оригинальной конструкции. Однако солнце светило все же гораздо ярче. Поэтому пришла мысль лучи света от лампы усилить, сконцентрировать. Так появилось очередное изобретение Гука - большой стеклянный шар, наполненный водой, а за ним специальная линза. Такая оптическая система в сотни раз усиливала яркость освещения.
Роберт Гук
Когда микроскоп был готов, Гук принялся за наблюдения. Их результаты он описал в своей книге «Микрография», изданной в 1665 г. За 300 лет она переиздавалась десятки раз. Помимо описаний, она содержала замечательные иллюстрации - гравюры самого Гука.
Открытие клетки Р.Гуком
Особый интерес в ней представляет наблюдение № 17 - «О схематизме, или строении пробки и о клетках и порах некоторых других пустых тел». Гук так описывает срез обыкновенной пробки: «Вся она перфорированная и пористая, подобно сотам, но поры ее неправильной формы, и в этом отношении она напоминает соты… Далее, эти поры, или клетки, неглубоки, но состоят из множества ячеек, разделенных перегородками».
В этом наблюдении бросается в глаза слово «клетка». Так Гук назвал то, что и сейчас называется клетками, например, клетки растений. В те времена люди не имели об этом ни малейшего представления. Гук первым наблюдал их и дал название, оставшееся за ними навсегда. Это было открытие громадной важности.
Антони ван Левенгук
Вскоре после Гука начал вести свои наблюдения голландец Антони ван Лсвенгук. Это была
интересная личность - он торговал тканями и зонтиками, но не получил никакого научного образования. Зато у него был пытливый ум, наблюдательность, настойчивость и добросовестность. Линзы, которые он сам шлифовал, увеличивали предмет в 200-300 раз, то есть в 60 раз лучше применявшихся тогда приборов. Все свои наблюдения он излагал в письмах, которые аккуратно посылал в Лондонское королевское общество. В одном из своих писем он сообщил об открытии мельчайших живых существ - анималькул, как Левенгук их назвал. Оказалось, что они присутствуют повсюду-в земле, растениях, теле животных. Это событие произвело революцию в науке - были открыты микроорганизмы.
Антони ван Левенгук
В 1698 г. Антони ван Левенгук встретился с российским императором Петром I и продемонстрировал ему свой микроскоп и анималькул. Император был так заинтересован всем, что он увидел и что объяснил ему голландский ученый, что закупил для России микроскопы голландских мастеров. Их можно увидеть в Кунсткамере в Петербурге.
Оптическая микроскопия
Теория получения изображения с помощью линз может быть представлена с точки зрения либо геометрической, либо физической оптики. Геометрическая оптика хорошо объясняет фокусирование и аберрацию, однако для понимания, почему изображение не совсем четкое и как получается контрастность, необходимо привлечь физическую оптику. В геометрической оптике существует два правила, которые следует постоянно помнить: 1) свет распространяется по прямой и 2) луч отклоняется от прямой (преломляется) на границе раздела между двумя прозрачными средами.
Объектив
Объективы микроскопов, как правило, тщательно стандартизируются по увеличению NA. Обычно NA увеличивается с уменьшением фокусного расстояния, поскольку увеличение растет с уменьшением диаметра линз
Окуляр
Окуляры Основная функция окуляра состоит в передаче изображения от объектива глазу. Существуют разнообразные системы окуляров: Рамсдена, Гюйгенса, Кельнера и компенсирующие. Три первых типа взаимозаменяемы и отличаются только способом нанесения сеток, указателей и других точек отсчета. Компенсирующий окуляр разработан для коррекции хроматической аберрации.
Регулировка микроскопа
Для подготовки микроскопа к работе необходимо провести следующую регулировку: 1) источник света и все его компоненты должны быть отцентрированы по оптической оси прибора; 2) объектив необходимо сфокусировать и 3) требуется отрегулировать освещение. В большинстве обычных (стандартных) микроскопов конденсор, объектив и окуляр коаксиальны, поэтому центрировать требуется только источник света. Это достигается путем фокусировки на микроскопном стекле, удаления окуляра и перемещения источника света с помощью регулировочного винта до тех пор, пока свет (при наблюдении в тубус) не будет находиться в центре объектива. Если регулируется и установка по центру конденсора, то конденсор вначале вынимают, источник света центрируют, как описано выше, затем конденсор ставят на место и с помощью регулировочного винта центрируют по источнику света. Затем конденсор фокусируют на объекте для критического освещения Для того чтобы избежать влияния рассеянного и отраженного света, полевую диафрагму следует уменьшить так, чтобы освещен был только объект. Если интенсивность освещения мешает удобному наблюдению, то ее можно уменьшить. Для уменьшения интенсивности ни в коем случае нельзя изменять апертуры, для этого либо вводят перед источником света нейтральные плотные фильтры, либо уменьшают напряжение, подаваемое на источник.
Контраст
Чтобы объект был видимым, его изображение должно отличаться по интенсивности от окружающего фона. Различие в интенсивно-стях объекта и фона называется контрастом. К сожалению, большинство биологических образцов (клетки и их компоненты) прозрачны, т. е. их контраст близок к нулю. В прошлом для решения этой проблемы образцы окрашивали, прибавляя окрашенные вещества, которые реагировали с определенными компонентами клеток.
Изготовление микропрепаратов
Изготовление срезов препаратов Как правило, толщина кусочков материала слишком велика, чтобы сквозь них могло пройти достаточное для исследования под микроскопом количество света. Обычно приходится срезать очень тонкий слой исследуемого материала, т. е. готовить срезы. Срезы можно делать бритвой или на микротоме. Вручную срезы готовятся с помощью остро отточенной бритвы. Для работы на обычном микроскопе срезы должны быть толщиной 8-12 мкм. Ткань закрепляют между двумя кусочками сердцевины бузины. Бритву смачивают жидкостью, в которой хранилась ткань; срез делают через бузину и ткань, причем бритву держат горизонтально и двигают ее к себе медленным скользящим движением, направленным чуть вкось. Быстро сделав несколько срезов, следует выбрать из них самый тонкий, содержащий характерные участки ткани. Срез с ткани, залитой в ту или иную среду, можно сделать на микротоме. Для светового микроскопа срезы толщиной в несколько микрометров можно сделать с залитой в парафин ткани с помощью специального стального ножа. На ультратоме изготавливают чрезвычайно тонкие срезы (20-100 нм) для электронного микроскопа. В этом случае необходим алмазный или стеклянный нож. Срезы для светового микроскопа можно приготовить, не заливая материал в среду; для этого используют замораживающий микротом. В процессе приготовления замороженного среза образец сохраняется в замороженном твердом состоянии.
Простейшие под микроскопом
Многих простейших вы можете увидеть своими глазами в поле зрения под микроскопом в любое время года. Чтобы иметь для наблюдения живых простейших, необходимо заранее заготовить питательную среду, в которой они могли бы развиваться продолжительное время. Для этого в 2-3 стеклянные банки накладывают слой (толщиной 2 см) нарезанных листьев или сенной трухи, а сверху наливают (13 банки) дождевую или водопроводную воду. Банки покрывают стеклом и ставят на окно, затеняя от прямых солнечных лучей. Через 3-4 суток заливают водой, взятой из стоячего водоема (пруда, канавы), на дне которого находится гниющая растительность (трава, листья, ветки). С водой следует захватить и немного ила со дна. Через несколько дней в сосудах появится пленка, отливающая металлическим блеском. Просматривая под микроскопом капли воды, можно убедиться, какими видами простейших богата вода из банок. При таком разведении простейших сначала появляются разные виды мелких инфузорий, затем амебы и, наконец (через 15 суток), инфузории-туфельки.
Анализ крови
Микроскоп давно стал незаменимым помощником человека во многих сферах. В объектив прибора можно увидеть то, что не видно невооруженным глазом. Интереснейший объект для исследований представляет собой кровь. Под микроскопом можно рассмотреть основные элементы состава крови человека: плазму и форменные элементы.
Впервые состав крови человека исследовал врач - итальянец Марчелло Мальпиги. Он принял плавающие в плазме форменные элементы за жировые шарики. Клетки крови еще не раз называли то воздушными шариками, то животными, принимая их за разумных существ. Термин «кровяные клетки» или «кровяные шарики» ввел в научный обиход Антоний Левенгук. Кровь под микроскопом – это своеобразное зеркало состояния человеческого организма.
История создания первого микроскопа полна тайн и домыслов. Даже его изобретателя не так-то легко назвать. Но достоверно известно, что самые первые записи о микроскопе относятся к 1595 году. В них значится имя Захария Янсена, сына голландского мастера по изготовлению очков Ханса Янсена.
Захарий рос любознательным мальчиком и много времени проводил в мастерской отца. Однажды, в отсутствие отца он смастерил из металлического цилиндра и обрезков стекла необычную трубу. Ее особенность была в том, что при рассматривании через нее окружающие предметы увеличивались в размерах, становились намного ближе и, казалось, находятся на расстоянии вытянутой руки. Мальчик попробовал посмотреть на предметы через другой конец трубки. Каково же было его удивление, когда он увидел их маленькими и очень отдаленными.
О своем необычном опыте Захарий рассказал отцу, который всячески поощрял сына на этой стезе. Ханс Янсен, сам того не зная, усовершенствовал «волшебную» трубу - он заменил металлический цилиндр системой трубок, которые могли складываться друг в друга. Теперь рассматривание предметов стало еще интересней, ведь они стали четче и крупнее. Благодаря изменяющейся длине трубы можно было приближать или отдалять от себя изображение, рассматривать мелкие детали, видеть то, что ранее ни в одни очки увидеть было невозможно.
Так, в результате детской забавы было совершено историческое открытие - был создан первый микроскоп, и человечество получило возможность познакомиться с новым, доселе невиданным миром - миром микроскопических существ. И хотя увеличение микроскопа составляло всего от 3 до 10 крат, это было величайшее по своей значимости открытие!
Постепенно слух об увеличивающей трубе разошелся далеко за пределы Нидерландов и достиг Италии, где в городе Падуя жил и преподавал в университете астрономию Галилео Галилей. Он очень быстро понял преимущества нового изобретения и на основании этого создал собственную увеличительную трубу. Несколько позже, в личной лаборатории Галилео Галилей наладил производство простейших микроскопов.
Шло время, в 1648 г. в Нидерландах произошло знакомство с микроскопом у будущего основоположника научной микроскопии Антони ван Левенгука. Этот прибор настолько увлек юного Левенгука, что он все свое свободное время стал посвящать изучению научных трудов, посвященных исследованиям микромира. Параллельно с чтением книг, юный Левенгук осваивал профессию шлифовальщика линз, что в дальнейшем позволило ему создать собственный микроскоп с увеличительной способностью до 500 крат. С его помощью он сделал большое количество значительных открытий. Например, он первый, кто описал бактерий и инфузорий, обнаружил и зарисовал красные клетки крови - эритроциты, волокна хрусталика глаза, мышечные волокна и клетки кожи.
Одновременно с Левенгуком над усовершенствованием микроскопа работал другой великий ученый, внесший огромный вклад в микроскопию - англичанин Роберт Гук. Он не только сконструировал отличную от других модель микроскопа, но и тщательно изучил структуру клеток растений и некоторых животных, зарисовал их строение. В своей научной работе под названием «Микрография» Гук дал подробное описание клеточного строения бузины, моркови, укропа, глаза мухи, крыла пчелы, личинки комара и многого другого. Кстати, именно Гук ввел термин «клетка» и дал ему научное определение.
По мере развития человечества строение микроскопа усложнялось и совершенствовалось, появились новые виды микроскопов, с большей увеличительной способностью и повышенным качеством изображения. На сегодняшний день существует огромное разнообразие микроскопов - оптические, электронные, сканирующие зондовые, рентгеновские. Все они предназначены для увеличения микроскопических объектов и детального их изучения, но являются несравненно более сильными и многофункциональными, по сравнению со световыми микроскопами.
Микроскопом называется уникальный прибор, призванный увеличивать микроизображения и измерять размеры объектов или структурные образования, наблюдаемые через объектив. Эта разработка удивительна, а значение изобретения микроскопа чрезвычайно велико, ведь без него не существовало бы некоторых направлений современной науки. И отсюда поподробнее.
Микроскоп - родственное телескопу устройство, которое применяется для совершенно других целей. С помощью него удается рассмотреть структуру объектов, которые невидимы глазом. Он позволяет определять морфологические параметры микрообразований, а также оценивать их объемное расположение. Потому даже сложно представить, какое значение имело изобретение микроскопа, и как его появление повлияло на развитие науки.
История микроскопа и оптики
Сегодня сложно ответить, кто первым изобрел микроскоп. Вероятно, этот вопрос будет также широко обсуждаться, как и создание арбалета. Однако, в отличие от оружия, изобретение микроскопа действительно произошло в Европе. А кем именно, пока неизвестно. Вероятность того, что первооткрывателем устройства стал Ханс Янсен, голландский мастер по производству очков, достаточно высока. Его сыном, Захарием Янсеном, в 1590 году было сделано заявление, что он вместе с отцом сконструировал микроскоп.
Но уже в 1609 году появился и еще один механизм, который создал Галилео Галилей. Он назвал его occhiolino и презентовал публике Национальной академии деи Линчеи. Доказательством того, что в тот период уже мог использоваться микроскоп, является знак на печати папы Урбана III. Считается, что он представляет собой модификацию изображения, полученного путем микроскопирования. Световой микроскоп (составной) Галилео Галилея состоял из одной выпуклой и одной вогнутой линзы.
Совершенствование и внедрение в практику
Уже через 10 лет после изобретения Галилея Корнелиус Дреббель создает составной микроскоп, имеющий две выпуклые линзы. А позже, то есть уже к концу Кристиан Гюйгенс разработал двухлинзовую систему окуляров. Они производятся и сейчас, хотя им не хватает широты обзора. Но, что важнее, при помощи такого микроскопа в 1665 году было проведено исследование среза пробкового дуба, где ученый увидел так называемые соты. Результатом эксперимента стало введение понятия "клетка".
Другой отец микроскопа - Антони ван Левенгук - лишь переизобрел его, но сумел привлечь к прибору внимание биологов. И после этого стало понятно, какое значение имело изобретение микроскопа для науки, ведь это позволило развиваться микробиологии. Вероятно, упомянутый прибор существенно ускорил развитие и естественных наук, ведь пока человек не увидел микробов, он верил, что болезни зарождаются от нечистоплотности. А в науке царствовали понятия алхимии и виталистические теории существования живого и самозарождения жизни.
Микроскоп Левенгука
Изобретение микроскопа является уникальным событием в науке Средневековья, потому как благодаря устройству удалось найти множество новых предметов для научного обсуждения. Более того, множество теорий разрушилось благодаря микроскопированию. И в этом большая заслуга Антони ван Левенгука. Он смог усовершенствовать микроскоп так, чтобы он позволял детально увидеть клетки. И если рассматривать вопрос в этом контексте, то Левенгук действительно является отцом микроскопа такого типа.
Структура прибора
Сам световой представлял собой пластинку с линзой, способной многократно увеличивать рассматриваемые объекты. Эта пластинка с линзой имела штатив. Посредством него она монтировалась на горизонтальный стол. Направляя линзу на свет и располагая между нею и пламенем свечи исследуемый материал, можно было разглядеть Причем первым материалом, который Антони ван Левенгук исследовал, был зубной налет. В нем ученый увидел множество существ, назвать которые пока не мог.
Уникальность микроскопа Левенгука поражает. Имеющиеся тогда составные модели не давали высокого качества изображения. Более того, наличие двух линз только усиливало дефекты. Потому потребовалось более 150 лет, пока составные микроскопы, изначально разработанные Галилеем и Дреббелем, начали давать такое же качество изображения, как устройство Левенгука. Сам же Антони ван Левенгук все равно не считается отцом микроскопа, но по праву является признанным мастером микроскопирования нативных материалов и клеток.
Изобретение и совершенствование линз
Само понятие линзы существовало уже в Древнем Риме и Греции. Например, в Греции при помощи выпуклых стекол удавалось разжигать огонь. А в Риме давно заметили свойства стеклянных сосудов, наполненных водой. Они позволяли увеличивать изображения, хотя и не во много раз. Дальнейшее развитие линз неизвестно, хотя очевидно, что прогресс на месте стоять не мог.
Известно, что в 16 веке в Венеции вошло в практику применение очков. Подтверждением этого являются факты о наличии станков для шлифовки стекла, что позволяло получать линзы. Также имелись чертежи оптических приборов, представляющих собой зеркала и линзы. Авторство данных работ принадлежит Леонардо да Винчи. Но еще раньше люди работали с увеличительными стеклами: еще в 1268 году Роджер Бэкон выдвинул идею создания подзорной трубы. Позже она была реализована.
Очевидно, что авторство линзы никому не принадлежало. Но это наблюдалось до того момента, пока оптикой не занялся Карл Фридрих Цейс. В 1847 году он приступил к производству микроскопов. Затем его компания стала лидером в разработке оптических стекол. Она существует до сегодняшнего дня, оставаясь главной в отрасли. С ней сотрудничают все компании, которые занимаются производством фото- и видеокамер, оптических прицелов, дальномеров, телескопов и прочих устройств.
Совершенствование микроскопии
История изобретения микроскопа поражает при ее детальном изучении. Но не менее интересной является и история дальнейшего совершенствования микроскопии. Начали появляться новые а научная мысль, порождающая их, погружалась все глубже. Теперь целью ученого было не только изучение микробов, но и рассмотрение более мелких составляющих. Оными являются молекулы и атомы. Уже в 19 веке их удавалось исследовать посредством рентгеноструктурного анализа. Но наука требовала большего.
Итак, уже в 1863 году исследователем Генри Клифтоном Сорби для исследования метеоритов был разработан поляризационный микроскоп. А в 1863 году Эрнстом Аббе была разработана теория микроскопа. Она была успешно перенята на производстве Карла Цейса. Его компания за счет этого развилась до признанного лидера отрасли оптических приборов.
Но вскоре наступил 1931 год - время создания электронного микроскопа. Он стал новым видом аппарата, позволяющим видеть намного больше, чем световой. В нем для просвечивания применялись не фотоны и не поляризованный свет, а электроны - частицы куда более мелкие, нежели самые простые ионы. Именно изобретение электронного микроскопа позволило развиваться гистологии. Теперь ученые обрели полную уверенность, что их суждения о клетке и ее органеллах действительно правильные. Впрочем, лишь в 1986 году создателю электронного микроскопа Эрнсту Руска была присуждена Нобелевская премия. Более того, уже в 1938 году Джеймс Хиллер строит просвечивающий электронный микроскоп.
Новейшие виды микроскопов
Наука после успехов многих ученых развивалась все быстрее. А потому целью, продиктованной новыми реалиями, стала необходимость разработки высокочувствительного микроскопа. И уже в 1936 году Эрвином Мюллером выпускается полевой эмиссионный прибор. А в 1951 году производится еще одно устройство - полевой ионный микроскоп. Его важность чрезвычайна, потому как он впервые позволил ученым видеть атомы. А вдобавок к этому в 1955 году Ежи Номарский разрабатывает теоретические основы дифференциальной интерференционно-контрастной микроскопии.
Совершенствование новейших микроскопов
Изобретение микроскопа еще не является успехом, потому как заставить ионы или фотоны проходить через биологические среды, а потом рассматривать полученное изображение, в принципе, нетрудно. Вот только вопрос повышения качества микроскопии был действительно важным. И после этих умозаключений ученые создали пролетный масс-анализатор, который получил название сканирующего ионного микроскопа.
Это устройство позволяло сканировать отдельно взятый атом и получать данные о трехмерной структуре молекулы. Вместе с этот метод позволил значительно ускорить процесс идентификации многих веществ, встречающихся в природе. А уже в 1981 году был введен сканирующий туннельный микроскоп, а в 1986 - атомно-силовой. 1988 - это год изобретения микроскопа сканирующего электрохимического туннельного типа. А самым последним и наиболее полезным является силовой зонд Кельвина. Он был разработан в 1991 году.
Оценка глобального значения изобретения микроскопа
Начиная с 1665 года, когда Левенгук занялся обработкой стекла и производством микроскопов, отрасль развивалась и усложнялась. И задаваясь вопросом о том, какое значение имело изобретение микроскопа, стоит рассмотреть основные достижения микроскопирования. Итак, этот метод позволил рассмотреть клетку, что послужило очередным толчком развития биологии. Затем прибор позволил разглядеть органеллы клетки, что дало возможность сформировать закономерности клеточной структуры.
Затем микроскоп позволил увидеть молекулу и атом, а позднее ученые смогли сканировать их поверхность. Более того, посредством микроскопа можно увидеть даже электронные облака атомов. Поскольку электроны движутся со скоростью света вокруг ядра, то рассмотреть эту частицу совершенно невозможно. Несмотря на это, следует понимать, какое значение имело изобретение микроскопа. Он дал возможность увидеть нечто новое, что нельзя видеть глазом. Это удивительный мир, изучение которого приблизило человека к современным достижениям физики, химии и медицины. А это стоит всех трудов.
Основной частью микроскопа являются оптические линзы. Искусство шлифовки оптических линз и первые попытки их применения уходят в глубокую древность.
В XVI-XVII вв. это искусство достигло значительного развития, особенно в Голландии и Италии. Потребность в очках вызвала и соответствующую промышленность. Очки практически могли появиться только тогда, когда научились шлифовать стекла с большим фокусным расстоянием (конец XIII века, предположительно 1285-1289 гг.). Вероятно, они были сконструированы под влиянием идей Роджера Бэкона (Roger Bacon, ок. 1214-1294) флорентийцем Сальвино дельи-Армати (Salvino d’Amarto degli Armati) или его соотечественником Александром делля Спина (Alessandro della Spina), хотя сведения об этом не считаются достаточно достоверными. Так или иначе, в первой половине XIV в. очки были уже распространены и широко употреблялись в Европе.
Но еще два столетия понадобилось для того, чтобы идея микроскопа, потенциально существовавшая, вероятно, со времени Бэкона, была реализована и оптические линзы начали применяться как прибор, дающий возможность видеть «невидимое». Лишь к концу XVI в. техника изготовления оптических линз и практика их использования дают условия для изготовления микроскопа, и лишь в XVII в. увеличительные стекла находят применение для исследования природы.
На рубеже XVI и XVII вв. почти одновременно были изобретены два прибора, оказавшие неоценимые услуги в науке: телескоп и микроскоп. История изобретения микроскопа выяснена до сих пор недостаточно и часто подменяется непроверенными сведениями.
До недавнего времени большинство историков считало изобретателями микроскопа голландских оптических мастеров Ганса и Захариаса Янсенов (Hans, Zacharias Janssen), занимавшихся в Миддельбурге изготовлением очков. Однако С. Л. Соболь (1941-1943, 1949) на основании критического анализа существующей исторической документации оспаривает это положение. По мнению С. Л. Соболя, изобретению микроскопа предшествовало изобретение телескопа. Первый прототип микроскопа, считает Соболь, был сконструирован Галилеем в 1609-1610 гг. путем удлинения подзорной трубы (изобретенной им несколько ранее) и увеличения расстояния между вогнутым окуляром и выпуклым объективом. Галилей, очевидно, заметил, что при этом зрительная труба увеличивает близко находящиеся мелкие объекты. Добиваясь в дальнейшем получения более короткофокусных линз, Галилей усовершенствовал первоначальную конструкцию микроскопа, уменьшив длину трубы.
Однако последующая конструкция микроскопа пошла по другому пути, на основе оптического инструмента, предложенного Кеплером, где были применены окуляр и объектив в виде одиночных выпуклых линз, что давало обратное (перевернутое) изображение. Идея такого инструмента была выдвинута Кеплером еще в 1611 г., а в 1613-1617 гг. впервые был сконструирован подобный телескоп.
Поэтому, считает С. Л. Соболь, изобретение микроскопа нужно отнести к 1617-1619 гг. Во всяком случае к 1619 г. относится один из первых микроскопов, о которых сохранились сведения, - микроскоп Дреббеля. Корнелиус Дреббель (Cornelius Drebbel, 1572-1634), крестьянин по происхождению, приобрел славу опытами, где незаурядное знание физики перемешивалось с магией, а наука - с шарлатанством. Прожив богатую приключениями жизнь, Дреббель стал астрологом при дворе английского короля Якова I. Дреббель занимался конструкцией ряда физических приборов, в том числе и микроскопов. Изготовленные Дреббелем микроскопы, изобретателем которых он себя выдавал, распространились в Европе, проникнув из Англии во Францию и Италию. Изображена реконструкция микроскопа Дреббеля, выполненная по указанию С. Л. Соболя на основании описания, относящегося к 1619 г. Труба этого микроскопа около полуметра длиной, при диаметре около 5 см; она была сделана из позолоченной меди и поддерживалась тремя медными дельфинами на круглой подставке из черного дерева. На подставку, пишет современник, «клались различные вещи, которые мы рассматривали сверху в увеличенном почти до невероятности виде».
Первые четыре десятилетия конструкция микроскопа прогрессировала медленно, однако вместо объективов типа очковых линз постепенно начинают применять более короткофокусные линзы. Кирхер (Atanasius Kircher, 1601-1680), немецкий естествоиспытатель, издал в Риме сочинение под названием «Великое искусство света и тени» (Ars magna lucis et umbrae), где дал перечень существовавших в то время микроскопов (С. Л. Соболь, 1949).
В начале XVII века к микроскопу относились преимущественно как к любопытной игрушке, с помощью которой, забавы ради, можно рассматривать мелких насекомых и вообще различные мелкие предметы, но который мало кто считал серьезным научным инструментом. «Микроскопы» того времени представляли собой трубку с двумя стеклами по концам; их называли «блошиными» или «комариными стеклами» (vitrium pulicarium), в чем отражалось характерное для этого периода легкомысленное отношение к инструменту, служившему обычно для изумления наблюдателей величиной изображения. Гевелиус (Jan Heveliusz, 1611--1687), выдающийся польский астроном, в своей «Селенографии», изданной в Гданьске, так описывает подобный «микроскоп»: «Микроскоп, который обычно называют комариным стеклом, показывает маленькие тельца и едва ли заметных зверьков в величину верблюда или слона, так что это вызывает большое удивление и забаву. Он состоит из двух стекол и трубки, около дюйма длиной, перед которой располагается объект. Одно стекло, расположенное около глаза, выпуклое, вышлифованное из сегмента небольшого шара, не более двух дюймов в диаметре; другое стекло, лежащее у основания, где располагаются рассматриваемые предметы, - простое плоское стекло, назначение которого пропускать свет». Таким образом, служившие для забавы «микроскопы» представляли собою чаще всего простые лупы, или, как их позже стали называть, «простые микроскопы». Но наряду с этим Гевелиус описывает и «сложный микроскоп» из двух выпуклых линз типа микроскопа Дреббеля, в отношении которого он замечает, что «при этом способе предстоящие мельчайшие объекты, которые ускользают от глаз, явятся более ясными и отчетливыми, чем в первом микроскопе» (т. е. в «блошином стекле»).
Применение микроскопа с научными целями впервые было начато по инициативе Федерико Чези (Federico Cesi, 1585-1630) в римской Academia dei Lincei (к ее составу принадлежал и Галилей). По-видимому, итальянский натуралист Стеллути (Francesco Stelluti, 1577-1646) одним из первых применил микроскоп для изучения биологического объекта - пчелы.
Первые микроскопы никаких осветительных приспособлений и приспособлений для изменения фокуса не имели. Объекты рассматривались в них при дневном освещении в падающем свете. Естественно, что эти микроскопы давали весьма плохое и искаженное изображение.
Первое усовершенствование микроскопа и пропаганда этого прибора в качестве научного инструмента связаны с именем выдающегося английского физика Роберта Гука (Robert Hooke, 1635-1703), впервые обнаружившего при помощи своего микроскопа «клетки» у растений. Таким образом, возникновение понятия о клетке почти совпадает с периодом появления микроскопа и зарождения микроскопии.
Гук был знаком с микроскопом, привезенным Дреббелем в 1619 г. в Англию. Будучи по складу ума изобретателем, Гук заинтересовался новым прибором и поставил перед собой цель реконструировать микроскоп Дреббеля. Гуку удалось создать инструмент, обладавший рядом преимуществ по сравнению с существовавшими микроскопами. В «Микрографии» (1665) Гук дал подробное описание и изображение своего микроскопа. Тубус имел около 8 см в диаметре и около 18 см длины и был снабжен приспособлениями для некоторого изменения расстояния объектива от объекта и изменения наклона трубы. Существенным изменением оптической части микроскопа было введение третьей двояковыпуклой линзы, помещенной между окуляром и объективом; уменьшая изображение, эта линза делала его более отчетливым и увеличивала поле зрения. Объект располагался на небольшом круглом диске или его нанизывали на штифт, расположенный на диске сбоку. К микроскопу был приспособлен осветительный аппарат, состоявший из источника света, наполненного водой стеклянного шара и двояковыпуклой линзы, концентрировавшей свет на объект. Таким образом, и в микроскопе Гука объект рассматривался в падающем свете. При помощи этого микроскопа Гук сделал поразительные по тонкости наблюдения, описание которых в его «Микрографии» сопровождается прекрасными иллюстрациями, показывающими тонкость наблюдений этого первого микроскописта.
Одновременно с Гуком над усовершенствованием микроскопа работал в Риме Эвстахий Дивини (Divini, 1667), внесший существенное улучшение введением окуляра, составленного из двух плосковыпуклых линз, выпуклые поверхности которых были направлены друг к другу. Это создавало плоское поле зрения и более равномерное увеличение различных частей рассматриваемого предмета. Линзы Дивини увеличивали от 41 до 143 раз. Конструкцией микроскопов занимались в Италии еще несколько мастеров, способствовавших распространению нового прибора.
В 1672 г. немецкий оптик Штурм (Sturm) ввел в микроскоп новое улучшение: вместо объектива с одной линзой, он изготовил объективы из двух линз: плосковыпуклой и двояковыпуклой или из двух двояковыпуклых линз с различной кривизной («дублеты»). Таким образом, в практику вводятся микроскопы с комбинацией нескольких линз в окуляре и в объективе. Венский инженер Гриндель фон Ах (Griendel von Ach) сконструировал в 1685 г. микроскоп с 6 линзами. Общий вид этого микроскопа очень схож с описанием микроскопа Дреббеля.
Новое изменение в конструкцию микроскопа ввел (около 1665 г.) итальянец Камяани (Giuseppe Campani), микроскоп которого имел в предметном столике отверстие и зажимы для стеклянных или слюдяных пластинок с объектами. Его микроскоп состоял из двух линз. Ту же конструкцию Тортона (Carl Anton Tortona) применил для своего трехлинзового микроскопа (около 1685 г.). Микроскоп Тортоны состоял из трубки, в верхний конец которой был вставлен окуляр, далее располагалась собирательная линза, а внизу был укреплен объектив. Все линзы представляли собой двояковыпуклые чечевицы. На трубку навинчивалось кольцо, соединенное с объектодержателем, состоящим из двух стекол, между которыми помещался предмет, рассматриваемый в проходящем свете.
Изображена модель микроскопа Бонануса (Bonannus) - одна из наиболее сложных моделей конца XVII в. За основу взят микроскоп Тортоны, дополненный рядом приспособлений. Микроскоп Бонануса сконструирован так, чтобы, прочно фиксировав положение инструмента, освободить руки наблюдателя (микроскопы Тортоны, как и первые микроскопы Бонануса, надо было держать в руках) и сконцентрировать на объекте максимум света. Микроскоп состоит из тубуса (АВ), несущего линзы. Винт Z зажимает вертикальную подачу тубуса, укрепленного в держателе У. Приспособление RTG, деталь которого изображена отдельно, позволяет передвигать тубус вперед и назад, т. е. менять фокусное расстояние. Это первая попытка механического приспособления для установки фокуса при неподвижной фиксации объекта. Объект помещается в особый держатель CD, зажатый между двумя стеклами, вделанными в деревянные пластинки I. Освещается объект лампой Q, свет которой концентрируется конденсором О; конденсор может двигаться по горизонтальной и вертикальной плоскости. В микроскопе Бонануса есть уже зачатки основных механических частей и приспособлений позднейшего микроскопа: механическая подача тубуса, осветитель и предметный столик. Объект рассматривался в проходящем свете; Бонанус снова ввел для этой цели искусственное освещение.
Оптические части его микроскопа состояли из трех или четырех линз, дававших увеличение в 200-300 раз.
Несмотря на все эти нововведения, микроскоп оставался очень несовершенным инструментом, так как при употреблении комбинированных систем линз резко ощущались сферическая и хроматическая аберрации, сильно искажавшие изображения при сколько-нибудь большом увеличении. В этом приходится искать причину того, что некоторые выдающиеся исследователи XVII и XVIII вв. не применяли сложного микроскопа.
Сваммердам - замечательный зоотом XVII в., прославившийся искусством препаровки мелких объектов, особенно насекомых, употреблял лишь простую лупу. Он сконструировал прибор, где можно было быстро сменять лупы разных увеличений, и при помощи этого прибора последовательно переходил от слабых линз к сильным, не прибегая к их комбинированию.
Лёвенгук, второй замечательный голландский микроскопист, также не пользовался настоящим сложным микроскопом. «Микроскопы» Лёвенгука были в действительности лупами. Изображен один из подобных инструментов Лёвенгука. Он представлял собой две серебряные пластинки, имеющие отверстие, в которое вделана линза; позади помещается держатель для объекта. Наблюдатель брал «микроскоп» за особую ручку и рассматривал объекты в проходящем свете. Для различных объектов Лёвенгуку приходилось делать разные держатели, и он делал с этой целью новые инструменты. По собственному заявлению, Лёвенгук обладал 200 «микроскопами», дававшими увеличение от 40 до 270 раз. Только исключительное мастерство в шлифовке стекол позволило Левенгуку изготовлять линзы с таким поразительным увеличением (ведь увеличение в 270 раз достигалось одной линзой), а зоркость наблюдателя позволила Лёвенгуку сделать поразительные открытия.
Таковы инструменты, с которыми работали и сделали выдающиеся открытия микроскописты XVII в. Достойно удивления, как с такими примитивными приборами можно было описывать те порой поразительные по точности детали, которые мы находим в их работах. Очевидно, настойчивость, перспектива открытия новых, никому не известных фактов, помогали преодолевать трудности, которые ставил перед наблюдателем микроскоп в ранний период своего возникновения.
К сказанному нужно добавить, что изучаемые объекты рассматривались без всякой обработки, прямо в воздухе, помещенными на стекло (иногда между двумя стеклами) или наколотыми на иголку. Резкая разница между показателями преломления воздуха и объекта создавала дополнительные трудности для изучения. Наконец, несмотря на исключительное мастерство в шлифовке линз, стекла того времени давали резкую хроматическую аберрацию, особенно чувствительную в сложных микроскопах, где недостатки одной системы стекол усиливались второй системой - окуляром.
Едва ли кто-либо из современных опытных микроскопистов, избалованных новейшими ахроматическими микроскопами, мог бы при помощи инструментов, которыми пользовались в XVII в., рассмотреть то, что видели выдающиеся микроскописты того времени. Простой современный школьный микроскоп представляет собой шедевр, с которым эти старинные микроскопы нельзя сравнивать. И тем не менее с их помощью открывали замечательные факты. Одним из них явилось открытие в XVII в. клеточного строения растений.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
