Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Разделы: История, Оптика, Техника
Размещена 25.10.2018. Последняя правка: 27.10.2018.

КРАТКИЙ ОЧЕРК О ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ МИКРОСКОПА

Васильев Денис Владимирович

К.Б.Н. Профессор.

ФГБНУ ВНИИРАЭ

С.Н.С.

Аннотация:
Анализ соответствующей современной литературы показал, что на данный момент в ней нет нормально сложившегося общепринятого представления о том, кто же все-таки изобрел микроскоп и как этот инструмент в дальнейшем развивался и усовершенствовался. В предлагаемой Вашему вниманию статье делается попытка разобраться в этих вопросах и рассказать о том, как создавался и развивался этот прибор.


Abstract:
Analysis of modern literature has shown that at the moment it does not have a generally accepted idea of who invented the microscope and how this tool developed and improved. In this article, an attempt is made to understand these questions and to talk about how this device was created and developed.


Ключевые слова:
история; микроскоп; линзы

Keywords:
history; microscope; lenses


УДК 57.08;930.85

С великими изобретениями часто бывает так, что очень сложно однозначно сказать кто же его автор. Как правило, эти изобретения не возникают из неоткуда, их появлению предшествуют другие открытия и изобретения, создающие необходимую материальную и научную базу. Это является причиной того, что на авторство может претендовать множество изобретателей и исследователей. Данное правило относится и к изобретению микроскопа.

Для создания светового микроскопа необходимы линзы, а история производства линз уходит своими корнями в очень далекое прошлое. Так до наших времен дошла одна древняя большая плосковыпуклая линза имеющая диаметр 55 мм и фокусное расстояние 150 мм. Она была изготовлена за 2500 лет до нашей эры из горного хрусталя. Стеклянные же линзы начали изготовлять примерно в 600-400 годах до Рождества Христова, и они были обнаружены в Месопотамии [1]. Также и в Европе, в Швеции, была найдена изготовленная в 500 году нашей эры двойная линза, выпуклая с двух сторон и имеющая диаметр 5 см. Список обнаруженных древних линз можно сколько угодно долго продолжать, но про область их применения в те времена сейчас, увы, можно только догадываться. Первое и достаточно подробное описание линз, как предмета для увеличения изображения, появляется только в трудах Роджера Бэкона (1214-1294) В частности он писал: “Прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными и наоборот, так что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем” [2, 3].

Но линзы это еще далеко не сам микроскоп. Собственно сам прибор был изобретен где-то в конце 16 начале 17 веков и не совсем ясно кем, потому, что отдать пальму первенства одному из создателей устройства для микроскопии нельзя, ибо каждый из естествоиспытателей внес свой вклад в его развитие и оставил свой след в истории. Главными претендентами на звание изобретателя микроскопа являются голландцы Ханс Янсен и его сын Захария, а также итальянский ученый Галилео Галилей.

Голландские мастера по изготовлению очков, Ханс Янсен и его сын Захария. В своей мастерской по изготовлению линз в Мидлбурге (Голландия) они впервые применили принцип двух выпуклых линз в одной трубке. В результате экспериментов с двумя выпуклыми линзами, смонтированными в трубку они обнаружили, что можно достигнуть большего увеличения если расположить линзы так, что расстояние между ними меньше фокусного расстояния более сильной линзы. Конечно нельзя однозначно назвать данный прибор микроскопом. Их прибор для микроскопии был мало похож на современный микроскоп (рис. 1), однако, с его помощью можно было наблюдать под увеличением небольшие предметы. Увеличение микроскопа составляло от 3 до 10 крат, а фокусировка на исследуемом объекте достигалась за счет выдвижного тубуса [4, 5].

 

рис. 1

Рис.1. Микроскоп Янсенов

 Создав этот прибор Янсоны заложили основу развития микроскопии и создания прибора, с помощью которого человечество проникло в микромир.

Чуть позднее (1609—1610) Галилей, совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный микроскоп путем изменения расстояния между вогнутым окуляром и выпуклым объективом [2, 3]. Галилей просто обнаружил, что его зрительная труба в сильно раздвинутом состоянии позволяет сильно увеличивать мелкие предметы. Добиваясь в дальнейшем получения более короткофокусных линз, Галилей усовершенствовал первоначальную конструкцию зрительной трубы-микроскопа, значительно уменьшив его габариты.

Именно после этого началось быстрое распространение и совершенствование конструкции микроскопа, но, правда по несколько 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 и такой оптический инструмент [4, 5].

Еще одним изобретателем микроскопа считается Корнелиус Якобсон Дреббель — нидерландский изобретатель, занимавшийся исследованиями в области химии и оптики. Его оптическое устройство было впервые представлено публике в 1619 году в Лондоне, и принесло ему широкую известность. На предложенных Дреббелем принципах работают многие современные устройства для микроскопии. Крестьянин по происхождению, он совмещал знания с магией, а науку — с шарлатанством, однако став астрологом при дворе английского короля Якова I. Дреббель сконструировал и ряд полезных физических приборов, в том числе микроскопов. Изготовленные Дреббелем микроскопы, распространились в Европе, проникнув из Англии во Францию и Италию [4, 6]. Благодаря тому, что именно его модель микроскопа стала впервые широко распространяться, он также считается одним из изобретателей микроскопа. Так Кристиан Гюйгенс писал: “В 1621 году Дребель, голландец, живший в Лондоне, был известен как обладатель таких сложных микроскопов и считался всеми их изобретателем”.

Но приборы всех перечисленных изобретателей не имели под собой теоретической основы. Отцом принципов современной микроскопии считается как раз нидерландский ученый - Кристиан Гюйгенс - автор «Трактата о свете» (волновая теория света), который вышел в печать в 1678 году [4, 5]. Так же, его перу принадлежит теория отражения, преломления и двойного лучепреломления. Но сам микроскоп он не изобретал.

Но зато благодаря теории волнообразного распространения света Кристиана Гюйгенса, в 1665 году Роберт Гук — английский естествоиспытатель, создал собственный микроскоп (рис. 2). И более того, он дополнил теоретическую научную базу необходимую для создания микроскопов, создав гипотезу о поперечном характере световых волн, которую изложил в книге «Микрография». Основные постулаты этой теории впоследствии получили свое подтверждение опытным путем, и используются в современной микроскопии. Также Р. Гуку принадлежат и первые успехи, связанные с применением микроскопа в научных биологических исследованиях [1, 4, 5].

рис. 2

Рис. 2. Микроскоп Гука

Но особый, очень заметный след в истории развития микроскопии оставил Антони Ван Левенгук, проживавший в Голландии, в городе Дельфт с 1632 по 1723 год [1, 7]. Часто именно его называют изобретателем микроскопа. Но заслугой Левенгука является не создание микроскопа. Надо сказать, что название прибора появилось еще до рождения Левенгука. Оно было предложено в 1625 году членом Римской "Академии зорких" ("Akudemia dei lincei") И. Фабером [1]. Заслугой Левенгука является то, что он самостоятельно делал и использовал в своих исследованиях простые микроскопы (рис. 3), которые давали увеличение изображения до трехсот крат, для исследований микромира. Именно Антони Ван Левенгук первым, опираясь на опыт своих наблюдений, составил описание царства микроскопических организмов и бактерий. Он активно популяризировал свои открытия и благодаря этому его часто, и называют изобретателем микроскопа.

 рис. 3

Рис. 3. Микроскоп Левенгука

В дальнейшем световой микроскоп многократно усовершенствовался. В 1668 г. Евстахий Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, изобрел окуляр современного типа [8, 9].

В 1673 г. Ян  Гевелий ввел микровинт, а другой ученый Г. Гертель в 1716 г. предложил поместить под предметный столик небольшое зеркало для направления световых лучей в тубус микроскопа [9].

Таким образом, микроскопы стали изготавливать из пяти основных деталей, которые и в настоящее время входят в состав современного оптического микроскопа. Это:

  1. корпус;
  2. источник света, луч от которого фокусируется на объективе;
  3. предметный столик;
  4. объектив;
  5. окуляр.

Вначале XVIII в. микроскоп появился и в России. Перспективные молодые русские ученые, работавшие под руководством М.В. Ломоносова, имели возможность применять микроскопы в своих биологических исследованиях, а впоследствии принимали активное участие и в усовершенствовании самих приборов.

Так одной из проблем, с которой сталкивались изобретатели микроскопов, было явление хроматической аберрации. Оно сильно мешало проведению микроскопических исследований.

Надо сказать, что решить эту проблему пытался ещё Исаак Ньютон. Он смог установить природу хроматических аберраций, но в результате ошибки при проведении опытов, пришёл к выводу о невозможности удаления этого нежелательного эффекта в системе линз. Мнение Ньютона было весьма авторитетным, и долгое время его не пытались оспорить. Но в 1747 году Леонард Эйлер (1707-1783), член Петербургской Академии наук, выдвинул идею ахроматизации объектива микроскопа. Позднее его ученик Н.И.Фусс сделал расчеты для ахроматического микроскопа [1, 4, 5]. Идея ахроматизации предполагала создание сложного объектива, состоящего из выпукло-вогнутых линз, и использование двух различных сортов оптического стекла (более легкого крона и тяжелого флинта) для изготовления этих линз. А в 1802 году (после опубликования работы действительного члена Петербургской Академии наук Франца Ульриха Теодора Элинуса, под названием «Ахроматический микроскоп новой конструкции, пригодный для рассматривания объективов в свете, отраженном их поверхностью»), был сконструирован и первый ахроматический микроскоп [1]. Этот прибор стал нашумевшим открытием того времени. Ахроматический объектив позволял улучшить качество изображения, даваемого микроскопом, вследствие устранения хроматической и сферической аберраций. Положенная в основу построения микроскопа Элинуса схема представляла собой ахроматический микроскоп, укомплектованный шестью объективами. Она предусматривала возможность плавного изменения увеличения предметов, путем перемены расстояния от исследуемого предмета до изображения. В своей работе Элинус использовал идеи Л.Эйлера и Н.И.Фусса [10].

В начале XIX века изготовлением двух ахроматических микроскопов занялся немецкий оптик И.Г. Тидеман, проживавший в г. Штутгарт. Эти приборы были выпущены в 1808 году. За год до выпуска ахроматических микроскопов Тидеманом, в 1807 году оптик из Голландии, Ван Дейл опубликовал свою работу, в которой было описание конструкции, сделанного им ахроматического микроскопа. Историки Западной Европы признают именно этот прибор, как первый более менее удовлетворительный ахроматический микроскоп. Но по всем параметрам микроскоп голландского оптика на самом деле уступал инструменту Элинуса, а выпущенные в 1811 году ахроматические микроскопы Иозефа Фраунгофера имели еще более несовершенную конструкцию (Кацнельсон, 1963; Виноградова, 2012).

К этому времени швейцарский оптик Гинана разработал способ варки тяжелых стекол (флинт), без которых не была бы возможной ахроматизация объектива [11]. Ему совместно с Фраунгофером, удалось внедрить в Бенедиктбойерне (Бавария) на заводе Утцшнайдера приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO2, 18 % K2O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO2, 12 %K2O, 43 % PbO)

В 1824 году Саллинг предложил идею расчленения объектива, состоящего из одной линзы, на части и его стали делать из многих ахроматических линз. Умножение числа параметров, дало возможность исправления ошибок системы, и позволило увеличивать объекты в 500 и даже в 1000 раз [1].

Итальянский астроном, оптик и ботаник Джамбаттиста Амичи (1786 - 1863) создал объектив-ахромат, имеющий числовую апертуру 0,60 и хорошо корректирующий аберрации. В 1844 году он начал свои опыты по созданию объективов для водной и масляной иммерсий. В 1850 году Амичи создал объектив уже с апертурой 1,30. В результате к середине столетия граница видимости смогла достичь полмикрона, т.е. для изучения стали доступными предметы имеющие размер в одну длину волны [1].

Параллельно с созданием микроскопов развивается и их теоретическая база. В 1866 Эрнст Аббе открывает число Аббе - безразмерную величину, которая используется в оптике как мера дисперсии света в прозрачных средах. Аббе так же разрабатывает теорию микроскопа, что становится прорывом в технике их создания. Компания «Карл Цейс» применив на практике это открытие становится ведущим производителем микроскопов того времени. Также, Аббе впервые ясно показал, основываясь на волновой теории света, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Нельзя видеть объекты меньше полудлины волны - утверждает дифракционная теория Аббе,- и нельзя получить изображения меньше полудлины волны, т.е. меньше 1/4 микрона [1].

Но, правда, вскоре были найдены способы для обхода данного лимита. В 1903 году Г. Зидентопф и Р. Жигмонди создали ультрамикроскоп [12]. Если невидимые в микроскоп микроорганизмы расставлены достаточно далеко друг от друга, то можно сбоку осветить их ярким светом. Как бы ни были они малы, они обязательно заблестят, как звезды на темном небе. Их форму конечно нельзя будет определить, но можно будет их сосчитать, что также иногда чрезвычайно важно. Таким методом до сих пор широко пользуются в бактериологии.

В стремлении к все более высокому оптическому разрешению изобретались разные технические ухищрения. В частности была доведена до предела длина облучающего света. Благодаря этому была создана ультрафиолетовая микроскопия (разрешающая способность 280 - 300 нм), которая позволила визуализировать объекты размером 150 - 170 нм [13]. Но, несмотря на то, что эти ультрафиолетовые микроскопы почти вдвое превосходили обычные по разрешающей способности, они имели один серьезный недостаток - ультрафиолет повреждает биологические объекты, поэтому такие микроскопы совершенно не подходят для биотехнологических исследований.

Также для изучения нанообъектов разрешения даже самых хороших оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. Поэтому примерно в 1930-х годах двадцатого века возникает идея использовать вместо света - электроны, у которых длина волны в сотни раз меньше чем у фотонов.

В 1931 году немецкий инженер Райнхольд Руденберг патентует просвечивающий электронный микроскоп. Его микроскоп имел электростатическую фокусировку электронов. В этом же году Макс Кнолль и Эрнст Руска создают прототип просвечивающего электронного микроскопа но уже с фокусировкой магнитными линзами [1, 14].

В 1937 году Манфред фон Арденне изобретает растровый (сканирующий) электронный микроскоп. Этот микроскоп имел разрешение около 100 нм. [1].

В 1951 году Чарльз Отли создаёт сканирующий электронный микроскоп. Этот микроскоп  регистрирует вторичные (испускаемые исследуемой поверхностью) электроны и имеет разрешение 50 нм. Этот микроскоп к тому же позволяет увидеть трёхмерную структуру поверхности [1].

В 1965 году начинается уже промышленное производство электронных микроскопов с большим разрешением, составляющим около 10 нм. [15].

В 1981 году Генрих Рорер и Герд Биннинг создают электронный туннельный микроскоп. В данном приборе электроны туннелируют между иглой зонда и поверхностью исследуемого образца. По величине тока этих туннелирующих электронов и определяют расстояние между образцом и кончиком иглы. Сканируя образец, получают рельефное изображение изучаемой поверхности [16, 17].

Путь от первых линз до микроскопа занял около двух тысяч лет, поскольку наука и люди того времени не нуждались в приборах позволявших проникнуть в микромир. Но когда благодаря работам первых исследователей и прежде всего Антони Ван Левенгука были открыты двери в таинственный и прекрасный микромир, микроскоп стал не только прекрасным развлечением для знати, но потребовался и биологам и медикам и многим другим наукам. За триста лет после создания первых примитивных приборов микроскоп прошёл огромный путь развития от простых линз в трубке до электронных приборов позволяющих различать уже не микро, а нанообъекты.
Что ожидает нас в будущем пока сложно сказать. Возможно, будут созданы микроскопы способные показать как взаимодействуют молекулы.

Библиографический список:

1. Виноградова Г.Н. История науки и приборостроения. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 157 с.
2. Гуриков В.А. Становление прикладной оптики. М.: Наука, 1983, 188 с.
3. Толанский С. Революция в оптике. М.: Мир, 1971, 223 с.
4. Соболь С. Л. Изобретение микроскопа и его исторические предпосылки. Реф. работ учр. отд. биол. наук АН СССР за 1941 —1943 гг. М., 1945, С. 418—419.
5. Кацнельсон З. С. Клеточная теория в ее историческом развитии Л.: Государственное издательство медицинской литературы, 1963 г. 335 с.
6. Соболь С. Л. Развитие естествознания в России в первой половине XIX века. Биология. В кн.: История естествознания в России. Т. 1, ч. 2, М., 1957, С. 275—338
7. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966, 564 с.
8. Вермель Е.М. История учения о клетке. Изд-во «Наука», 1970 г.
9. Виноградова, В.В. Захаров. Основы микроскопии. Часть 1. Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2018. — 133 с.
10. Соболь С.Л. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. 1949. 111 С.
11. Clay R.S., Court T.H. The history of the microscope. L., 1932; Bradbury S. The evolution of the microscope. Oxford, 1967.
12. Дерягин Б. В., Власенко Г. Я., Поточная ультрамикроскопия, «Природа», 1953, № 11.
13. Михель К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955
14. Галанин Д.Д., Электронный микроскоп «Наука и жизнь» № 2, 1934 С23-25.
15. Галанин Д.Д., Электронный микроскоп «Наука и жизнь» » № 10, 2009 С2-5.
16. Binnig G., Rohrer H., Gerber C., Weibel E.. Surface studies by scanning tunneling microscopy. // Phys. Rev. Lett. V. 49, № 1, S. 57 — 61 (1982).
17. Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения к юности: Нобелевская лекция. // УФН, Т. 154, № 2 (1988).




Рецензии:

25.10.2018, 13:00 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Данная статья относится к области истории техники. С инженерной точки зрения статья написана достаточно грамотно. Окончательные выводы, на мой взгляд, следует сделать специалистам по исторической науке.

27.10.2018 14:14 Ответ на рецензию автора Васильев Денис Владимирович:
Спасибо за хорошую рецензию.



Комментарии пользователей:

25.10.2018, 23:02 Адибекян Оганес Александрович
Отзыв: Ульянова Юлия Семеновна. Статья Васильева Д.В. обогащает сведения об истории создании хорошо известного в наши дни прибора для исследований. Автор последовательно показывает поэтапные совершенствования микроскопа, называя изобретателей, отмечая их личный вклад. Текст отражает исторический подход. Статья представляет интерес для преподавателей естественнонаучных дисциплин и всех тех, кто интересуется историей науки. Однако есть недочеты, которые стоит исправить. Следует отметить оценочное отношение научной общественности к изобретению микроскопа. Был ли получен патент? Не совсем ясно, почему не упоминается телескоп. Есть ли связь в совершенствовании этих приборов? Несколько орфографических ошибок для исправления: Янсен и его сын Захария не «Голландцы», а «голландцы». Как «Янсен» стал «Яхонсеном»? В библиографическом списке источник № 2 находится не на своем месте. В заключении необходимы выводы с указанием причин длительного процесса создания микроскопа, причин отстраненности российских исследователей. После доработки статья может быть опубликована.


27.10.2018, 14:20 Васильев Денис Владимирович
Отзыв: Спасибо за Ваш отзыв и замечания, позволяющие сделать данную работу лучше. Благодаря им я исправил ряд недочетов. Задачей данной статьи не было дать четкий ответ на вопрос о том, кто изобрел микроскоп. Ведь данная работа действительно предназначена для обучения. Если сразу поставить штамп, что большинство сходится во мнении, что микроскоп изобрел (имя рек) то зачем нужна сама статья. Все и так понятно, как с Плутоном. Поэтому в данной статье не дается оценочное отношение научной общественности к изобретению микроскопа, а предоставляется возможность подумать саму об этом. Патента на изобретение микроскопа, судя по всему нет, но есть патент на изобретение телескопа. И он был выдан не Галилею, а Хансу Липперсгей. Но данная статья не касается телескопии, поэтому о телескопах практически ничего и не говорится. После того, как Галилей понял, что телескоп может не только увеличивать космические объекты, но и объекты микромира, связь телескопов и микроскопов обрывается, поскольку в последующем микроскопы изготавливались по другому принципу. Об этом говорится в статье - «Именно после этого началось быстрое распространение и совершенствование конструкции микроскопа, но, правда по несколько другому пути - на основе оптического инструмента, предложенного Кеплером». Что касается отстраненности Российских ученых от создания микрпоскопа – то в статье особое внимание отдается работе именно российских исследователей над созданием ахроматического микроскопа. Более подробно вклад русских ученых можно описать в более развернутой статье. Поэтому говорить в выводах, что русские исследователи не внесли вклад в развитие микроскопа нельзя.


Оставить комментарий


 
 

Вверх