После более чем двух лет постоянного освещения новостей о вирусной пандемии легко забыть, что до середины XVII века мы даже не подозревали о существовании микроорганизмов, невидимых невооруженным глазом.
Хотя возможность их существования обсуждалась еще в 6 веке до нашей эры, прямое наблюдение микроорганизмов под микроскопом сыграло решающую роль в основании области микробиологии, которая привела к удивительным и важным открытиям.
История начинается с Роберта Гука, британского ученого, известного своими открытиями в области физики, астрономии и палеонтологии. Он также ввел термин "клетка" и первым опубликовал изображение микроорганизма - микрогриба, который он наблюдал с помощью микроскопа и описал в своей книге "Микрография" (1665). Работа Гука проложила путь для других ученых, которые продолжали внедрять инновации в зарождающуюся область микроскопии.
Отец микробиологии и его современники
Через десять лет после публикации "Микрографии" Антоний ван Левенгук, голландский ученый, которого часто называют "отцом микробиологии", стал первым, кто наблюдал бактерии с помощью микроскопа. Его новаторские работы в области микроскопии были основаны на работах Роберта Гука и помогли утвердить микробиологию в качестве законной научной дисциплины во время голландского золотого века науки, длившегося в течение XVII века.
Подстегнутый интересом к изготовлению линз, ван Левенгук наблюдал в воде пруда то, что он назвал "diertjes", или "маленькие животные". Позже он задокументировал внешний вид других мельчайших структур и организмов, включая мышечные волокна, бактерии и эритроциты, с помощью микроскопов, которые он разработал и построил сам. Хотя он изготовил не менее 25 однолинзовых микроскопов, до наших дней сохранилось только 9. Они могли увеличивать изображение до 275 раз, что было невероятным достижением для своего времени; микроскоп Гука был способен увеличивать изображение примерно в 50 раз.
Рисунок ван Левенгука.Источник: commons.wikimedia.org
Микроскопы Ван Левенгука были гораздо меньше тех, которыми мы пользуемся сегодня, и имели простую конструкцию. Большинство из них состояло из маленькой линзы, зажатой между двумя плоскими металлическими пластинами, а весь прибор имел размер около 5 см. в поперечнике и 10 см. в длину. Образец помещался на штифт, расстояние от которого до линзы можно было регулировать с помощью двух винтов. Этот основной способ регулировки образца до сих пор используется в некоторых микроскопах, хотя во всех остальных аспектах произошли изменения.
Ван Левенгук никогда не сообщал о своих открытиях в научных журналах, потому что в 17 веке не существовало научных изданий в том виде, в котором мы знаем их сегодня. Вместо этого он опубликовал некоторые из сотен своих писем в Лондонском королевском обществе. Первое из этих писем касалось наблюдений за вшами, плесенью и пчелами. Однако когда в конце 1676 года он написал в Королевское общество о своих первых наблюдениях одноклеточных организмов, его репутация была поставлена под сомнение, поскольку никто не знал, что такие организмы вообще существуют. К счастью, ван Левенгук продолжал писать в Общество, и в итоге его открытия были широко приняты и даже прославлены еще при его жизни.
Хотя ван Левенгуку принадлежит заслуга первого наблюдения и документирования бактерий, другие люди выдвигали гипотезы об их существовании за сотни лет до него. В джайнских писаниях, датируемых VI веком до н.э., говорится о существовании "нигодас", крошечных существ, живущих повсюду, в том числе в тканях растений и животных. Как мы теперь знаем, это не так уж далеко от истины. Ученые всего мира также выдвигали гипотезу о том, что инфекционные заболевания могут быть вызваны невидимыми агентами. Турецкий ученый XIV века Акшамсаддин описывал их как "семена, которые настолько малы, что их нельзя увидеть, но они живые".
На самом деле, некоторые утверждают, что священник-иезуит, возможно, был первым, кто наблюдал микроорганизмы, до Гука или ван Левенгука. Благодаря своей работе над проекцией Афанасий Кирхер был хорошо знаком и с линзами; в 1646 году он писал, что молоко и уксус "изобилуют бесчисленным множеством червей". После микроскопического исследования крови жертв чумы он также предположил, что чума была вызвана микроорганизмом, хотя, скорее всего, он наблюдал клетки крови, а не Yersinia pestis.
Как только микроорганизмы были открыты, микробиология получила возможность процветать. И она процветала - в частности, 19 век был отмечен множеством микробиологических открытий, начиная с опровержения Луи Пастером теории спонтанного возникновения, теории микробов Роберта Коха и заканчивая признанием того, что мытье рук может предотвратить инфекции в медицинской практике.
Световая и флуоресцентная микроскопия
Сами микроскопы прошли долгий путь со времен самодельных линз ван Левенгука. Тем не менее, световая микроскопия по-прежнему является основополагающим методом, используемым во многих лабораториях для наблюдения за формой и поведением микроорганизмов. Световые микроскопы также используются для таких целей, как диагностика бактериальных и грибковых инфекций в условиях ограниченных ресурсов без доступа к тестам на основе ПЦР. Однако световая микроскопия в конечном итоге позволяет ученым визуализировать клетки только в том виде, в каком они выглядят при естественном освещении.
Благодаря изобретению флуоресцентной микроскопии в начале 20 века, мы можем использовать флуоресцентные маркерные гены или красители, чтобы выделить различные виды клеток или определить клеточные компоненты. Например, зеленый флуоресцентный белок (GFP), флуоресцентный белок, первоначально выделенный из светящейся медузы, часто прикрепляется к определенным белкам. Это позволяет ученым следить за их перемещением внутри клеток или между ними. Разработчики GFP в качестве такого инструмента - Мартин Чалфи, Осаму Шимомура и Роджер Й. Тсиен - получили Нобелевскую премию по химии в 2008 году. GFP можно использовать для самых разных целей - от отслеживания метастазирования раковых клеток до измерения токсичности загрязняющих веществ и даже для изучения того, как аксолотли отращивают свои конечности.
Электронная микроскопия
Увеличительная способность микроскопов значительно возросла с момента изобретения этого инструмента - сегодня максимальное увеличение световых микроскопов, обусловленное физическими ограничениями визуального света, составляет около 1 000 раз. Этого увеличения достаточно для четкого наблюдения эукариотических и бактериальных клеток, поскольку их размеры составляют от 1 до 100 микрометров (мкм) в поперечнике. В то время как различные виды электронных микроскопов достигают разрешения до 1 нанометра (нм) - тысячной доли 1 мкм, обеспечивая чрезвычайно близкое рассмотрение мельчайших структур, включая вирусы и даже отдельные атомы.
Электронная микроскопия была изобретена в 1931 году двумя немецкими учеными, Эрнстом Руска и Максом Кноллем. Они поняли, что физические ограничения световой микроскопии можно преодолеть, если направить на объект пучок электронов, а не пучок фотонов. Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ), изобретенная Руском и Кноллем, и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), являющаяся развитием ТЭМ, используются в самых разных областях науки - от геологии до наук о жизни и электротехники. СЭМ позволяет ученым увидеть поверхность образца в 3D; классические примеры изображений, полученных с помощью СЭМ, включают крупные планы пыльцы и клопов, которые часто фигурируют в научных журналах. Между тем, ТЭМ используется для структурного анализа очень тонких срезов образца в 2D и может применяться для визуализации поперечных срезов клеток и целых организмов.
Пыльца при просмотре с помощью сканирующего электронного микроскопа (псевдоокрашивание).
Усовершенствования этой технологии, такие как криогенная электронная микроскопия (крио-ЭМ), могут дать еще больше информации, позволяя ученым визуализировать клеточные структуры в их трехмерном окружении. Крио-ЭМ использует криогенную заморозку, при которой образцы замораживаются в жидком азоте, чтобы сохранить структуру белков. Это позволяет избежать кристаллизации белков, что было основным ограничением для изучения некоторых типов белков, например, тех, которые встроены в клеточные мембраны. Например, крио-ЭМ позволила ученым реконструировать структуру белка шипа SARS-CoV-2 в атомном разрешении и определить, как изменения в его структуре позволяют вирусу уклоняться от вакцинного иммунитета. Разработчики этой методики Жак Дюбоше, Йоахим Франк и Ричард Хендерсон были удостоены Нобелевской премии по химии в 2017 году, что свидетельствует о ее ценности для современной науки.
Помимо того, что микроскопы позволяют нам больше узнать о живых организмах, они также способствовали достижениям в области нанотехнологий. Например, открытие углеродных нанотрубок, о котором было сообщено в 1991 году, стало возможным благодаря электронной микроскопии. Эти трубчатые структуры из чистого углерода шириной всего в несколько нанометров обладают превосходной проводимостью и прочностью на разрыв, что делает их привлекательными для многих инженерных применений в материаловедении и микроэлектронике.
Хотя мыслители предполагали существование микробов за много веков до этого, изобретение микроскопов и понимание, которое эти инструменты дали о мире, невидимом невооруженным глазом, сыграли решающую роль в начале более широкого изучения микроорганизмов. По словам Дейва Нг, профессора педагогики Университета Британской Колумбии, "новые способы познания ведут к новым способам мышления"; с каждым усовершенствованием техники и технологий микроскопии мы узнаем что-то новое об окружающем нас мире - каким бы крошечным он ни был.
