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Brad Amos hat den größten Teil seines Lebens damit verbracht, über winzige Welten nachzudenken und sie zu erforschen. Der 71-jährige arbeitet als Gastprofessor an der University of Strathclyde in Schottland und leitet dort ein Forscherteam, das ein extrem großes neues Mikroskopobjektiv entwirft - etwa die Länge und Breite eines menschlichen Arms. Das so genannte Mesolens, das 2016 zu den zehn größten Durchbrüchen der Physik-Welt zählt, ist so leistungsstark, dass es ganze Tumore oder Mausembryonen in einem Blickfeld abbilden und gleichzeitig die Innenseiten von Zellen abbilden kann.

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"Es hat die große Reichweite eines fotografischen Kameraobjektivs und die feine Auflösung des Mikroskopobjektivs, sodass es die Vorteile der beiden Ansätze bietet", sagt Amos. "Die Bilder sind äußerst nützlich."

Heute arbeiten Mikroskopiker wie Amos auf der ganzen Welt daran, neue Technologien mit weit verbreiteten Anwendungen in der Medizin und der menschlichen Gesundheit zu entwickeln. Diese bahnbrechenden Fortschritte gehen jedoch alle auf die ersten Mikroskope zurück, die im 16. und 17. Jahrhundert gebaut wurden. Obwohl sie für die damalige Zeit auf dem neuesten Stand sind, werden sie Sie nicht sehr beeindrucken. Das war nicht viel stärker als eine Handlupe.

Amos war schon immer von diesen einfachsten Mikroskopen besessen, seit er als Kind eines zum Geburtstag bekam. Seine Intrigen in mikroskopischen Welten wurden unersättlich, als er alles erforschte, was er finden konnte, von der Kraft in winzigen, platzenden Blasen bis hin zu Kupferstücken, die unter dem Stich einer Nadel geformt wurden. "Es ist wie Spielteig, es kann sehr weich sein", sagt Amos über Kupfer. Er beschreibt seine Ehrfurcht vor den Phänomenen, die er mit bloßen Augen nicht sehen konnte: "Sie studieren eine Welt, die nicht einmal denselben Wahrnehmungsregeln folgt."

Diese Art der Neugierde in den Geschehnissen winziger Welten trieb die Mikroskopie von Anfang an an an. Ein niederländisches Vater-Sohn-Team namens Hans und Zacharias Janssen erfand Ende des 16. Jahrhunderts das erste sogenannte zusammengesetzte Mikroskop, als sie entdeckten, dass, wenn sie eine Linse oben und unten in ein Röhrchen steckten und durch dieses schauten, Objekte auf das Mikroskop fielen Das andere Ende wurde vergrößert. Das Gerät hat wichtige Grundlagen für zukünftige Durchbrüche gelegt, jedoch nur um das 3-fache bis 9-fache vergrößert.

Die Bildqualität sei bestenfalls mittelmäßig, sagt Steven Ruzin, Mikroskopiker und Kurator der Golub Microscope Collection an der University of California in Berkeley. "Ich habe sie durchgesehen und sie sind wirklich schrecklich", sagt Ruzin. "Die Handlinsen waren viel besser."

Obwohl sie für eine Vergrößerung sorgten, konnten diese ersten zusammengesetzten Mikroskope die Auflösung nicht erhöhen, so dass vergrößerte Bilder verschwommen und undeutlich wirkten. Infolgedessen seien seit etwa 100 Jahren keine bedeutenden wissenschaftlichen Durchbrüche mehr zu verzeichnen, sagt Ruzin.

In den späten 1600er Jahren erhöhten Verbesserungen an den Objektiven die Bildqualität und die Vergrößerungsleistung auf das 270-fache und ebneten den Weg für wichtige Entdeckungen. Im Jahr 1667 veröffentlichte der englische Naturwissenschaftler Robert Hooke sein Buch Micrographia mit komplizierten Zeichnungen von Hunderten von Exemplaren, die er beobachtete, einschließlich bestimmter Abschnitte innerhalb des Zweigs einer krautigen Pflanze. Er nannte die Sektionen Zellen, weil sie ihn an Zellen in einem Kloster erinnerten - und wurde so der Vater der Zellbiologie.

Zeichnungen von Robert Hookes Micrographia, wo er die erste Pflanzenzelle zeichnet, die jemals in diesem Kiefernzweig entdeckt wurde. (Robert Hooke, Micrographia / Wikimedia Commons)

1676 verbesserte der niederländische Tuchhändler und Wissenschaftler Antony van Leeuwenhoek das Mikroskop weiter, um das von ihm verkaufte Tuch zu untersuchen, machte jedoch versehentlich die bahnbrechende Entdeckung, dass es Bakterien gibt. Seine zufällige Entdeckung eröffnete das Gebiet der Mikrobiologie und die Grundlagen der modernen Medizin; Fast 200 Jahre später stellte der französische Wissenschaftler Louis Pasteur fest, dass Bakterien die Ursache für viele Krankheiten waren (zuvor glaubten viele Wissenschaftler an die Miasma-Theorie, dass verdorbene Luft und schlechte Gerüche uns krank machten).

"Es war riesig", sagt Kevin Eliceiri, Mikroskopiker an der Universität von Wisconsin Madison, über die erste Entdeckung von Bakterien. „Es gab eine Menge Verwirrung darüber, was dich krank gemacht hat. Die Idee, dass sich Bakterien und andere Dinge im Wasser befinden, war eine der größten Entdeckungen aller Zeiten. “

Im nächsten Jahr, 1677, machte Leeuwenhoek eine weitere markante Entdeckung, als er zum ersten Mal menschliches Sperma identifizierte. Ein Medizinstudent hatte ihm das Ejakulat eines Gonorrhoe-Patienten gebracht, um es unter dem Mikroskop zu untersuchen. Leeuwenhoek verpflichtete sich, entdeckte winzige Schwanztiere und fand in seiner eigenen Samenprobe die gleichen zappelnden „Tierchen“. Er veröffentlichte diese bahnbrechenden Ergebnisse, doch wie bei Bakterien vergingen 200 Jahre, bis die Wissenschaftler die wahre Bedeutung der Entdeckung erkannten.

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte ein deutscher Wissenschaftler namens Walther Flemming die Zellteilung, die Jahrzehnte später dazu beitrug, das Wachstum von Krebs zu klären - ein Befund, der ohne Mikroskope nicht möglich gewesen wäre.

„Wenn Sie in der Lage sein möchten, einen Teil der Zellmembran oder einen Tumor anzugreifen, müssen Sie darauf achten“, sagt Eliceiri.

Während die ursprünglichen Mikroskope, die Hooke und Leeuwenhoek verwendeten, möglicherweise ihre Grenzen hatten, sei ihre Grundstruktur aus zwei durch Röhren verbundenen Linsen über Jahrhunderte hinweg relevant geblieben, sagt Eliceiri. In den letzten 15 Jahren sind Fortschritte in der Bildgebung in neue Bereiche vorgedrungen. 2014 gewann ein Team aus deutschen und amerikanischen Forschern den Nobelpreis für Chemie für eine Methode namens hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie, mit der wir nun einzelne Proteine verfolgen können, während sie sich in Zellen entwickeln. Diese sich entwickelnde Methode, die durch eine innovative Technik ermöglicht wird, die Gene zum Leuchten oder "Fluoreszieren" bringt, hat potenzielle Anwendungen bei der Bekämpfung von Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer.

Ein italienisches Mikroskop aus Elfenbein aus der Golub-Sammlung der UC Berkeley aus der Mitte des 17. Jahrhunderts. (Golub-Sammlung an der UC Berkeley.)

Ruzin leitet die Biological Imaging Facility an der University of California in Berkeley, wo Forscher mithilfe dieser Technologie alles erforschen, von Mikrostrukturen innerhalb des Giardia-Parasiten bis hin zur Anordnung von Proteinen innerhalb von Bakterien. Um die moderne Mikroskopieforschung in einen Zusammenhang zu bringen, legt er Wert darauf, einige der ältesten Objekte aus der Golub-Sammlung - eine der größten öffentlich ausgestellten Sammlungen der Welt mit 164 antiken Mikroskopen aus dem 17. Jahrhundert - mit seinem Studenten zu teilen Studenten. Er lässt sie sogar mit einigen der ältesten in der Sammlung umgehen, einschließlich einer italienischen aus Elfenbein um 1660.

"Ich sage:" Konzentriere dich nicht darauf, weil es kaputt gehen wird ", aber ich lasse die Schüler es durchsehen und es bringt es irgendwie nach Hause", sagt Ruzin.

Trotz der Leistungsfähigkeit der hochauflösenden Mikroskopie ergeben sich jedoch neue Herausforderungen. Jedes Mal, wenn sich eine Probe mit hoher Auflösung bewegt, verschwimmt das Bild, sagt Ruzin. „Wenn eine Zelle nur durch Wärmebewegung vibriert und durch Wassermoleküle, die auf sie treffen, weil sie warm sind, herumspringt, wird dies die Superauflösung töten, weil es Zeit braucht“, sagt Ruzin. (Aus diesem Grund verwenden Forscher im Allgemeinen keine hochauflösende Mikroskopie, um lebende Proben zu untersuchen.)

Eine Technologie wie Amos 'Mesolens - mit einer viel geringeren Vergrößerung von nur 4, aber einem viel breiteren Sichtfeld, das bis zu 5 mm erfassen kann, oder etwa der Breite eines kleinen Fingernagels - kann lebende Exemplare abbilden. Dies bedeutet, dass sie die Entwicklung eines Mausembryos in Echtzeit verfolgen können, indem sie Genen folgen, die mit Gefäßerkrankungen bei Neugeborenen assoziiert sind, wenn sie in den Embryo eingebaut werden. Zuvor verwendeten die Wissenschaftler Röntgenstrahlen, um Gefäßerkrankungen bei Embryonen zu untersuchen, sie gingen jedoch nicht auf die Zellebene zurück, wie dies bei den Mesolen der Fall ist, so Amos.

„Es ist für niemanden ungewöhnlich, ein neues Objektiv für die Lichtmikroskopie zu entwickeln, und wir haben dies getan, um die neuen Arten von Proben aufzunehmen, die Biologen untersuchen möchten“, erklärt Amos-Kollege Gail McConnell von der University of Strathclyde Glasgow dass Wissenschaftler daran interessiert sind, intakte Organismen zu untersuchen, aber nicht die Detailgenauigkeit beeinträchtigen möchten, die sie sehen können.

Bisher hat die Datenspeicherindustrie Interesse an der Verwendung des Mesolens zur Untersuchung von Halbleitermaterialien gezeigt, und Mitglieder der Ölindustrie waren daran interessiert, damit Materialien von potenziellen Bohrstandorten abzubilden. Das Linsendesign nimmt Licht besonders gut auf und ermöglicht es Forschern, komplizierte Details, wie Zellen in einem metastasierenden Tumor, die nach außen wandern, zu beobachten. Das wahre Potenzial dieser neuen Techniken bleibt jedoch abzuwarten.

"Wenn Sie ein anderes Ziel entwickeln als alles, was in den letzten 100 Jahren entwickelt wurde, eröffnen sich alle Arten von unbekannten Möglichkeiten", sagt Amos. "Wir fangen gerade erst an, diese Möglichkeiten zu erkennen."

Anmerkung der Redaktion, 31. März 2017: Dieser Beitrag wurde bearbeitet, um zu berücksichtigen, dass Leeuwenhoek das zusammengesetzte Mikroskop nicht verbessert hat und dass die Sammlung von Ruzin aus dem 17. Jahrhundert stammt.

Laut Steven Ruzin von der UC Berkeley ist Hookes Micrographia, das 1665 veröffentlicht wurde, mit der Gutenberg-Bibel der Biologen vergleichbar. Sie enthält die ersten detaillierten Zeichnungen von Mikroskopproben, die von Pollenkörnern bis zu Stoffen reichen. Es bleiben weniger als 1.000 Exemplare übrig, aber die Bilder begeistern die Mikroskopiker auch heute noch. (Wikimedia Commons)

Der in Micrographia (Wikimedia Commons) beschriebene Mond

Suber Zellen und Mimosenblätter (Wikimedia Commons)

Schema. XXXV - Von einer Laus. Diagramm einer Laus (Wikimedia Commons)

Schema. XXIX - "Der große Bauchnabel oder der weibliche Mücken". Eine Illustration eines Mücken, von dem angenommen wird, dass sie von Sir Christopher Wren gezeichnet wurde. (Wikimedia Commons)

Schema. XXIV - Von der Struktur und Bewegung der Fliegenflügel. Eine Illustration einer blauen Fliege, die vermutlich von Sir Christopher Wren gezeichnet wurde. (Wikimedia Commons)