Увидеть одноклеточных «в лицо»

Наверное, каждый человек еще со школьных времен помнит, что такое микроскоп: это оптический прибор, который увеличивает мельчайшие объекты в сотни, тысячи раз. На школьных уроках биологии все мы смотрели на крупные клетки луковой пленки через окуляр светового микроскопа и удивлялись сложности и хитроумности такого изобретения.

Сфера микроскопии стремительно развивается, и сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа. Микроскоп широко применяется в медицине и биологии, геологии и материаловедении. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.

От момента создания до сегодняшних дней микроскопы модифицировались от простой лупы до сверхмощных электронных моделей. Однако и в настоящее время не ясно, кто изобрел первый микроскоп. Однозначно одно: изобретение этого столь важного для всей науки прибора обусловлено, прежде всего, влиянием развития оптики.

Надо сказать, что некоторые оптические свойства изогнутых поверхностей были известны еще Евклиду за 300 лет до н.э. В своих трактатах Евклид изложил проведенные оптические исследования, где говорил об отражении и преломлении света, тем самым объясняя некоторое зрительное увеличение предметов. Птолемей, живший во второй половине II в., в своей работе "Оптика" описал оптические характеристики воспламеняющих стекол. Однако в то время увеличительная способность некоторых предметов не нашла практического применения.

Наверное, поэтому первые очки были изобретены Сальвинио дели Арлеати в Италии только в 1285 г. В XVI в. Леонардо да Винчи и Мауролико показали, что малые объекты лучше изучать с помощью лупы.

Но прибор, напоминающий микроскоп, был создан лишь в 1595 г. Захариусом Йансеном, мастером по изготовлению очков из Голландии.

Изобретение заключалось в том, что Захариус Йансен смонтировал две выпуклые линзы внутри одной трубки, заложив тем самым основы для создания сложных микроскопов. Фокусировка на исследуемом объекте достигалось за счет выдвижного тубуса. Увеличение микроскопа составляло от трех до десяти крат. И это был настоящий прорыв в области микроскопии!

Каждый свой следующий микроскоп Йансен значительно совершенствовал. В этот период датские, английские и итальянские исследовательские приборы постепенно начали свое развитие, закладывая фундамент современной микроскопии.

Так, одновременно с Йансеном, другой голландец, Кристиан Гюйгенс, изобрел двулинзовую систему окуляров. Изобретение позволило получать ахроматическое, т.е. бесцветное изображение, благодаря чему увеличилась отчетливость изучаемых предметов. Окуляры Гюйгенса изготавливаются и сегодня, но у них очень узкое поля обзора, а размещение окуляров очень неудобно для глаз - учитывая современные широкообзорные окуляры.

В начале XVII в. Корнелиус Дребель создал сложный микроскоп, который состоял из двух линз: первая линза как объектив была обращена к предмету, а вторая - к глазу наблюдателя. В качестве объектива использовались двояковыпуклые стекла, которые давали увеличенное, но перевернутое изображение.

Быстрое распространение и совершенствование микроскопов началось после того, как Галилей, совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал в 1609-1610 гг. использовать ее как своеобразный микроскоп, изменяя расстояние между объективом и окуляром. Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.

Но в те годы этот прибор еще не назывался микроскопом. Это название, полученное от греческих слов "mikros" - "малый" и "skopeo" - "смотрю",  предложил в 1625 г. член Римской "Академии зорких" И. Фабер.

Однако существует мнение, что создателем более совершенного микроскопа стоит считать А. Кирхера, который в своем сочинении за 1646 г. описал прибор, названный им "блошиным стеклом". Его микроскоп состоял из лупы, закрепленной в медной основе, державшей предметный столик, который в свою очередь служил для помещения изучаемого объекта. Внизу находилось плоское зеркало, благодаря которому солнечные лучи отражались и освещали предмет снизу. Исследователь мог передвигать лупу при помощи винта, настраивая изображение так, чтобы объект был виден четко и ясно. Такой микроскоп стал основой современного светового микроскопа.

В 1661 г. Роберт Гук усовершенствовал микроскоп, добавив в него третью линзу и около 1665 г. первым описал растительную клетку. Гук описал устройство микроскопа в своей книге "Micrographia".

Этот тип микроскопа получил наибольшую популярность и стал базовой моделью для большинства микроскопов вплоть до середины XVIII в.

В 1681 г. Лондонское королевское общество на своем заседании с недоверием обсуждало невероятное событие. Некий голландец Антони ван Левенгук описывал изумительные чудеса, которые открыл своим микроскопом в капле воды, в настое перца, в иле реки, в дупле собственного зуба... Левенгук с помощью микроскопа в 1673-1677 гг. обнаружил и зарисовал сперматозоиды, детали строения костной ткани. "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", - писал Левенгук. Лучшие лупы Левенгука увеличивали в 270-300 раз. Возможно, поэтому многие считают, что изобретатель микроскопа именно он.

Ученый родился в 1632 г. в семье корзинщика по фамилии Тонисзон и сам придумал себе фамилию по названию соседних с его домом ворот. Левенгук окончил гимназию, приобрел лавку и занимался торговлей. Однажды, прочитав книгу Гука, торговец заинтересовался изучением природы с помощью линз, освоил ремесло шлифовальщика и соорудил свой микроскоп, который состоял еще из одной линзы (лишь через 150 лет удалось собрать микроскоп из двух линз с хорошим качеством изображения). Объекты изучения Левенгук зарисовывал, описывал и отправлял в письмах на адрес Лондонского королевского общества. Он стал первым человеком, который увидел одноклеточных "в лицо"! В их существование ученые мужи сначала не поверили, пришлось созывать комиссию...

С помощью микроскопа Левенгук увидел впервые кровеносные тельца эритроциты, движение крови в капиллярных сосудах хвоста головастика, полосатость мускулов. Он открыл и описал инфузории, зарисовал волокна хрусталика, клетки кожи, строение глаз насекомых и т.п. 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 и животным...

Так открывался новый мир живых существ, более разнообразный и бесконечно более оригинальный, чем видимый нами мир. А Левенгук с тех пор считается основателем новой науки - микробиологии. Кстати, с тех пор как он рассмотрел в свой микроскоп каплю воды, пить он стал только чай и вино... Кстати, вино под микроскопом выглядит вот так:

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.

Дальше, вплоть до XVIII столетии, 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 собой стекло, в котором одной из основных частей является тяжелая окись свинца, обладающая непропорционально большой дисперсией.

Однако даже несовершенные, микроскопы XVII в. были очень красивыми. В этом нетрудно убедиться, посмотрев на эти фото:

Огромный вклад в развитие и совершенствование прибора внесли ученые России. В начале XVIII в. в мастерской Академии Наук в Петербурге опытные специалисты Калмыков, Беляев и другие производили микроскопы высокого качества, а также плодотворно работали над улучшением этих приборов. Высококачественные микроскопы были сконструированы великим русским изобретателем И.П. Кулибиным.

Любопытно, что в процессе постройки первого прибора И.П. Кулибин не владел никакими данными о способах его конструирования. Это оставалось тайной зарубежных мастеров. Прекрасный русский механик заново придумывает способы изготовления стекла для линз, производит оборудование для их отшлифовки, и опытным путем измеряет фокусные расстояния. Изготовленные русскими специалистами микроскопы очень широко применяются в научных исследованиях ученых. В частности, довольно большие исследования с участием микроскопа проводил великий русский ученый М.В.Ломоносов. Его считают первым российским ученым, который постоянно использовал этот прибор в своих разнообразных опытах и исследованиях.

В 1824 г. громадный успех микроскопу дала простая практическая идея Саллига, воспроизведенная французской фирмой "Шевалье". Объектив, раньше состоявший из одной линзы, расчленен теперь на части, его начали изготовлять из многих ахроматических линз. Так было умножено число параметров, дана возможность исправления ошибок системы, и стало впервые возможным говорить о настоящих больших увеличениях - в пятьсот и даже в тысячу раз. Граница предельного видения передвинулась от двух к одному микрону. Далеко позади оставлен микроскоп Левенгука.

В 70-х годах XIX века микроскопии начала свое победоносное шествие. Сказавшим веское слово был Эрнст Карл Аббе, немецкий физик-оптик и астроном. Достигнуто было многое. Во-первых, предельное разрешение передвинулось от полумикрона до одной десятой микрона. Во-вторых, в построении микроскопа вместо грубой эмпирики введена высокая научность. В-третьих, показаны пределы возможного с микроскопом, и эти пределы завоеваны.

Был сформирован штаб ученых, оптиков и вычислителей, работающих при фирме Цейсса. В капитальных сочинениях учениками Е. Аббе дана теория микроскопа и вообще оптических приборов. Выработана система измерений, определяющих качество микроскопа. А вот так выглядел один из первых цейсовских микроскопов:

Когда выяснилось, что существующие сорта стекол не могут удовлетворить научным требованиям, планомерно начали создаваться новые сорта. В Париже Бирмингеме созданы были новые методы плавки стекла, дело практической оптики развивалось огромными темпами.

В настоящее время изобретенные ранее микроскопы претерпели значительные изменения, появились новые модели, использующие для получения изображения не свет, а потоки электронов, или даже лазерное излучение. Появляются методики, основанные на квантовых свойствах света. Разрабатываются методики, которые используют компьютерные вычисления для получения изображения. Создаются микроскопы, изображение на которых получают при помощи когерентности света. Сегодня микроскоп - это важнейший прибор в жизни исследователей естественных наук.