顕微鏡の発明を称賛しましょう| 科学| スミソニアン - 記事、イノベーション、科学

ブラッド・アモスは、人生のほとんどを小さな世界について考え、調査しています。現在71歳の彼は、スコットランドのストラスクライド大学の客員教授として働いており、研究者チームを率いて、人間の腕の長さと幅程度の非常に大きな新しい顕微鏡レンズを設計しています。 2016年の物理世界のトップ10のブレークスルーの1つと名付けられた、いわゆるメゾレンスは非常に強力であるため、1つの視野内で腫瘍全体またはマウス胚を同時に画像化できると同時に、細胞の内部も画像化できます。

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「写真用カメラレンズの広い範囲と顕微鏡対物レンズの高解像度を備えているため、2つのアプローチの利点があります」とAmos氏は言います。「画像は非常に便利です。」

今日、アモスのような顕微鏡専門家は世界中で医療と人間の健康に広く応用されている新しい技術を革新するために働いています。しかし、これらの最先端の進歩はすべて、16世紀と17世紀に建てられた最初の顕微鏡にまでさかのぼります。当時は最先端でしたが、彼らはあなたをそれほど感動させませんでした。ハンドヘルドの虫眼鏡ほど強くありませんでした。

アモスは、子供の誕生日に1つを手に入れて以来、これらの最も単純な顕微鏡にも夢中になっています。微小な世界での彼の陰謀は、小さな飛び出る泡の中の力から、針の突き刺しの下で成形された銅片に至るまで、彼が見つけることができるものをすべて探求したので飽き飽きした。「それは遊びの生地のようなもので、非常に柔らかくすることができます」とAmosは銅について語っています。彼は、目で見ることができなかった範囲で発見した現象にdescribes敬の念を抱いています。「あなたは、同じ知覚のルールさえ守らない世界を研究しています」。

小さな世界の常連であるこの種の好奇心は、顕微鏡を最初から推進しました。ハンスとザカリアス・ヤンセンという名前のオランダの父息子チームは、16世紀後半に最初のいわゆる複合顕微鏡を発明しました。チューブの上下にレンズを置いて、それを通して見ると、もう一方の端が拡大されました。このデバイスは、将来のブレークスルーのための重要な基礎を築きましたが、3倍から9倍までしか拡大しませんでした。

カリフォルニア大学バークレー校のゴラブ顕微鏡コレクションの顕微鏡学者兼キュレーターであるスティーブン・ルージンは、画像の品質はせいぜい平凡でした。「私はそれらを通してイメージしました、そして、彼らは本当に非常にひどいです」と、Ruzinが言います。「ハンドレンズの方がずっと良かった。」

これらは拡大を提供しましたが、これらの最初の複合顕微鏡は解像度を上げることができなかったため、拡大された画像はぼやけて見えなくなりました。その結果、約100年間、重要な科学的ブレークスルーは発生しませんでした、とRuzinは言います。

しかし、1600年代後半までに、レンズの改善により画像の品質と拡大率が最大270倍に向上し、主要な発見への道が開かれました。 1667年、イギリスの自然科学者ロバート・フックは、草本植物の枝の中の異なる部分を含む、観察した何百もの標本の複雑な図面を含む彼の著書Micrographiaを有名に出版しました。彼は修道院の細胞を思い出させたので、細胞をセクションと呼びました。したがって、細胞生物学の父になりました。

Robert HookeのMicrographiaからの描画。この松の枝でこれまでに発見された最初の植物細胞を描いています。（Robert Hooke、Micrographia / Wikimedia Commons）

1676年、オランダの布商人に転身した科学者アントニー・ファン・レーウェンフックは、彼が販売した布を見ることを意図して顕微鏡をさらに改良しましたが、細菌が存在するという画期的な発見を不注意で行いました。彼の偶然の発見により、微生物学の分野と現代医学の基礎が開かれました。約200年後、フランスの科学者ルイパスツールは、細菌が多くの病気の原因であると判断しました（それ以前は、多くの科学者が、腐敗した空気と悪臭が私たちを病気にしたというmi気説を信じていました）。

「それは巨大でした」と、ウィスコンシン大学マディソン校の顕微鏡学者ケビン・エリセイリは、細菌の最初の発見について語っています。「何があなたを病気にしたのかについて多くの混乱がありました。水の中にバクテリアや物があるという考えは、これまでで最大の発見の一つでした。」

翌年、1677年、リーウェンフックは初めて人間の精子を発見した際に、別の顕著な発見をしました。医学生がhim病患者の射精液を顕微鏡下で研究するために連れてきた。リーウェンフックは義務を負い、小さな尾を持つ動物を発見し、自分の精液サンプルで同じうごめく「動物」を見つけました。彼はこれらの画期的な調査結果を発表しましたが、細菌の場合と同様に、科学者が発見の真の意義を理解するまでに200年が経過しました。

1800年代後半までに、ドイツのWalther Flemmingという科学者が細胞分裂を発見しました。細胞分裂は、数十年後、癌の成長を明らかにするのに役立ちました。

「細胞膜または腫瘍の一部を標的にできるようにしたい場合、それを見なければなりません」とエリセイリは言います。

フックとレーウェンフックが使用した元の顕微鏡には限界がありましたが、チューブで接続された2つのレンズの基本構造は何世紀にもわたって関連性がありました、とエリセイリは言います。過去15年間で、イメージングの進歩は新しい領域に移行しました。 2014年、ドイツとアメリカの研究者チームは、超解像蛍光顕微鏡法と呼ばれる方法でノーベル化学賞を受賞しました。非常に強力なため、細胞内で発生する単一タンパク質を追跡できます。遺伝子を発光または「蛍光」させる革新的な技術によって可能になったこの進化する方法は、パーキンソン病やアルツハイマー病などの病気と戦う潜在的な用途があります。

UCバークレーのゴラブコレクションの一部である、1600年代半ばの象牙製のイタリア製顕微鏡。（カリフォルニア大学バークレー校のゴルブコレクション。）

ルジンはカリフォルニア大学バークレー校の生物イメージング施設を率いており、研究者はこの技術を使用して、ジアルジア寄生虫内の微細構造から細菌内のタンパク質の配置まで、あらゆるものを探索しています。現代の顕微鏡研究の背景を明らかにするために、彼は、17世紀に遡る164個のアンティーク顕微鏡を含む世界最大規模の公に展示されたコレクションの1つであるGolub Collectionの最古のアイテムのいくつかを共有することを強調します学生の。彼は、1660年頃の象牙で作られたイタリアのものなど、コレクションの最も古いもののいくつかを処理することさえ可能にしました。

「私は「それが壊れるので、それを集中させないでください」と言います、しかし、私は学生にそれを調べさせて、それは種類をそれを家に持ち帰ります」とルジンは言います。

それでも、超解像顕微鏡の力にもかかわらず、それは新しい挑戦をもたらします。例えば、標本が高解像度で動くときはいつでも、画像がぼやけます、とRuzinは言います。「熱運動だけで細胞が振動し、温かいために水分子が当たると跳ね回る場合、時間がかかるため超解像が失われます」とルジンは言います。（このため、研究者は通常、ライブサンプルの研究に超解像顕微鏡を使用しません。）

しかし、AmosのMesolensのような技術は、わずか4倍という非常に低い倍率でありながら、最大5 mmまで、またはピンキー爪の幅程度の広い視野で、生きた標本を撮像できます。これは、新生児の血管疾患に関連する遺伝子が胚に組み込まれると、マウスの胚がリアルタイムで発達するのを見ることができることを意味します。これに先立ち、科学者たちはX線を使用して胚の血管疾患を研究していましたが、メゾレンズのように細胞レベルまで詳細を把握することはできませんでした、とAmosは言います。

「誰も光学顕微鏡用の新しい対物レンズを設計することはほとんど前代未聞であり、生物学者が研究したい新しいタイプの標本に対応するためにこれを行いました」とストラスクライド大学グラスゴーのアモスの同僚ゲイル・マコネルは説明します科学者は無傷の生物の研究に興味を持っているが、彼らが見ることができる細部の量を妥協したくないと。

これまでのところ、データストレージ業界は半導体材料の研究にMesolensを使用することに関心を示しており、石油産業のメンバーはMesolensを使用して掘削予定地の材料を画像化することに関心を持っています。レンズの設計は光を特によくピックアップするため、研究者は、転移する腫瘍内の細胞が外側に移動するなど、複雑な詳細が明らかになるのを見ることができます。しかし、これらの新しい手法の真の可能性はまだ見られていません。

「過去100年間に作成されたものとは異なる目標を開発すると、あらゆる種類の未知の可能性が開かれます」とAmos氏は言います。「これらの可能性が何であるかを理解し始めたところです。」

編集者注、2017年3月31日：この投稿は、レーウェンフックが複合顕微鏡を改良しなかったこと、およびルージンのコレクションが17世紀に遡ることを反映するために編集されました。

UC BerkeleyのSteven Ruzinは、1665年に出版されたHookeのMicrographiaは 、花粉から布に至るまでの顕微鏡標本の最初の詳細な図面を含む生物学者のGutenberg聖書に匹敵すると述べています。残りのコピー数は1, 000未満ですが、画像は今日でも顕微鏡学者を刺激し続けています。（ウィキメディアコモンズ）