Twoja wyszukiwarka

JAN KOZUBOWSKI
JAK ODKRYWANO MIKROŚWIAT
Wiedza i Życie nr 7/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 7/1998

TRUDNO UWIERZYĆ, ŻE PRZEZ PRAWIE DWA STULECIA MIKROSKOPY SŁUŻYŁY GŁÓWNIE DO ZABAWY. DOPIERO W DRUGIEJ POŁOWIE XIX WIEKU STAŁY SIĘ PODSTAWOWYM NARZĘDZIEM WIELU DZIEDZIN NAUKI.

Gdyby wykształconego obywatela starożytnej Grecji zapytać, czy można zobaczyć atom, to pewnie pokiwałby głową z politowaniem nad nie-uctwem pytającego. Bo przecież atom to z "definicji" najmniejsza cząstka materii, tak mała, że jej nie można zobaczyć. I chyba dlatego przypisywano jej osobliwe kształty, różne dla żywiołów powietrza, ziemi, ognia i wody.

Ukształtowani przez nauki doświadczalne, skłonni jesteśmy dziś zapominać, że atomy starożytni greccy filozofowie "wymyślili" i jeśli ta koncepcja miała jakieś związki z życiem codziennym, to były one dalece niebezpośrednie. Możemy je dostrzec u Lukrecjusza w jego monumentalnym, poetycko-naukowym dziele De Rerum Natura:

...Przez liczne lata słoneczne, wciąż wracające,
Pierścień na palcu się ściera od spodu skutkiem noszenia,
Kapiąca woda wydrąża kamień, a lemiesz żelazny
Nieznacznie staje się coraz mniejszy od pracy na roli.
I oglądamy kamienne bruki gościńców wytarte
Do gładka stopami tłumu; u bram stojące spiżowe
Posągi też pokazują, jak im szczupleją prawice,
Wciąż dotykane przez rzeszę pozdrawiających przechodniów.
Widzimy zatem, że wszystko to zmniejsza się od wytarcia,
Ale zazdrosna natura nie dopuściła możności,
Byś dojrzał, jakie uchodzą tam cząstki w każdym momencie.
Ponadto i najbystrzejsze oko nie może zobaczyć,
Chociaż wytęży się, cząstek, które w dniu każdym natura
Tajemnie rzeczom dodaje, każąc im wzrastać pomału.
A także nie zdołasz dostrzec, co tracą z czasem te rzeczy,
Które na starość marnieją i wysychają, lub skały
Wiszące nad morską falą, które sól trawi żarłoczna.
Natura sprawuje rzeczy przez cząstki, których nie dojrzysz.
(I, 311-328)1.

Dziś atomy nam spowszedniały. Dzieci uczą się o nich w szkole, gdzie stały się jednym z wielu pojęć omawianych na lekcjach fizyki lub chemii, ginąc wśród setek innych omawianych tematów. Dorosłych niepokoją tylko od czasu do czasu, gdy pojawiają się doniesienia o niesprawnościach starej elektrowni atomowej lub protestach wobec planów budowy nowej. Koszmar globalnej atomowej katastrofy, wiszący nad ludzkością przez ostatnie kilkadziesiąt lat, wydaje się mniej groźny, został wypchnięty gdzieś na margines świadomości. Wśród uczonych atomy przestały już budzić gorące spo-ry, w ciągu ostatnich stu lat stały się powszechnie uznanym elementem struktury materii.

Mikroskop Roberta Hooke'a z XVII wieku

W starożytności raczej rozmyślano nad rzeczami niewidzialnymi, niż chciano je dostrzec i chociaż już Egipcjanie znali lupę, Rzymianin Seneka wspomina o powiększającym działaniu szklanych kul wypełnionych wodą, a Chińczycy w zamierzchłej przeszłości wynaleźli okulary wprowadzone do Europy dopiero w XII wieku2, to musiało minąć od czasów Demokryta prawie 2 tys. lat, zanim zbudowano najprostsze mikroskopy umożliwiające oglądanie niedostrzegalnych gołym okiem przedmiotów w powiększeniach stu i więcej razy. Związane to było z postępem w szlifowaniu soczewek i sformułowaniem zasad prostej, geometrycznej optyki.

W XVII wieku w Holandii, Włoszech i Anglii zaczęto budować coraz lepsze mikroskopy i oglądać szczegóły niedostrzegalne przedtem dla ludzi3. Z jakąż fascynacją obserwowano bogactwo życia odkryte w kropli wody ze stawu. Świadczy o niej choćby raport z takich obserwacji przesłany przez Antona Leeuwenhoeka do Królewskiej Akademii Nauk w Londynie, datowany 9 października 1676 roku, czy wcześniejsze jeszcze wrażenia jednego z francuskich uczonych, który po odwiedzeniu Galileusza, również eksperymentującego z soczewkami, opisywał obraz muchy wielkiej jak jagnię, owłosionej i z pazurami na łapach. Nie wiemy, co sądził o mikroskopowych obrazach król Zygmunt III, któremu Galileusz w 1612 roku przesłał do Krakowa własnoręcznie wykonany mikroskop, ale wzmianka o tym podarunku jest jedną z najwcześniejszych informacji o mikroskopie, zwanym czasem w dawnej polszczyźnie "drobnowidzem".

W porównaniu z naszymi standardami pierwsze mikroskopy były prymitywne, a jednak przyczyniły się do przełomu w obrazie świata. Dotychczasowy świat, mający w jakimś sensie dwie skale - ludzką naszego bezpośredniego otoczenia z jego przedmiotami, roślinami i zwierzętami oraz skalę ponadludzką, krajobrazu i nieba z jego ciałami niebieskimi - poszerzył się o trzecią skalę, dotąd jedynie przeczuwaną, świat najmniejszych przedmiotów dostrzegalnych za pomocą mikroskopów. Odkryto mikroświat z jego, zdawałoby się, niewyczerpanym bogactwem szczegółów.

Jednak, rzecz ciekawa, możliwość oglądania bogactwa form mikroświata nie od razu została wykorzystana w nauce. Przez niemal 200 lat, prawie do połowy XIX wieku, mikroskop służył głównie rozrywce - bogaci entuzjaści nowinek pokazywali swoim znajomym tajemnicze mikroskopijne żyjątka i złożoną budowę korka, chleba czy innych, na pozór dobrze znanych, rzeczy. Zbudowano nawet służące do tego celu "mikroskopy słoneczne" - coś w rodzaju rzutników, w których promień słońca przechodzący przez otwór w okiennicy oświetlał mikroskopowy preparat, którego powiększony obraz można było obserwować na ścianie zaciemnionego pokoju. Panienki wiktoriańskiej Anglii z zainteresowaniem obserwowały specjalnie w tym celu wykonywane, artystyczne kompozycje miniaturowych, niewidocznych gołym okiem okrzemek, ujawniających swoje doskonale symetryczne kształty. Pamiętajmy - nie było wówczas kina ani telewizji!

Najwcześniej skorzystała z mikroskopu medycyna. Marcello Malphighi około 1660 roku zaobserwował naczynia włoskowate w układzie krwionośnym. Przyczyniło się to w decydujący sposób do zwycięstwa nowoczesnych poglądów Harveya na krążenie krwi w ludzkim organizmie; teoria Galena, według której krew jest wytwarzana w wątrobie, przepływa przez organizm i zamienia się w ciało, przestała być dogmatem dla lekarzy. Naczynia włoskowate były bowiem tym nie znanym wcześniej
Harveyowi łącznikiem pomiędzy żyłami a tętnicami.

Od zbudowania pierwszych mikroskopów na przełomie XVI i XVII wiekiem przez następne 200 lat, do połowy XIX wieku udoskonalano konstrukcje mikroskopów. Drewno, tektura i skóra, służące początkowo do montowania soczewek, zastąpiono mosiądzem, precyzyjne gwinty ułatwiały ogniskowanie i zapewniały stabilny obraz. Nauczono się korzystać z soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła i sklejać je ze sobą, co pozwoliło uniknąć barwnych otoczek wokół punktów obrazu i wyeliminować inne jego wady [patrz: M. Miś, Cudowne szkiełko, "WiŻ" nr 7/1994].

Jednocześnie koncepcja atomów jako elementarnych składników materialnego świata zyskiwała oparcie doświadczalne w pracach kilku pokoleń uczonych: Roberta Boyle'a nad sprężystością powietrza (1662 r.) i pierwotnymi składnikami materii; w odkrywaniu zadziwiających regularności w budowie kryształów (Robert Hooke, René Haüy), w XVIII-wiecznej chemii mówiącej o tym, "jak atomy się łączą" i pracach Johna Daltona (prawo stałych proporcji, 1810 r.), Amadeo Avogadro (1811 r.), który "policzył" atomy w jednym molu gazu, i pracach Josepha Losschmidta, dzięki którym można było oszacować rozmiary atomu na około jedną stumilionową część centymetra (1865 r.). Wkrótce potem opracowano okresowy układ pierwiastków (Dymitr Mendelejew, 1869 r.) i kinetyczną teorię gazów, a gdy koncepcja atomu jako elementarnej cegiełki w budowie materii wydawała się już przy końcu XIX wieku dobrze ugruntowana doświadczalnie, prace J.J. Thomsona nad "promieniami katodowymi" doprowadziły do odkrycia elektronu (1897 r.), jako składnika atomu, a prace Henriego Becquerela, Pierre'a Curie i Marii Skłodowskiej-Curie do odkrycia promieniotwórczości - odkrycia przemian i rozpadu atomów [patrz: Promieniotwórczość odkrywana na raty, "WiŻ" nr 4/1998]. Wreszcie w pierwszym dwudziestoleciu naszego wieku, w hipotezie Louisa de Broglie'a, atom się "rozmył w falę" jeszcze zanim udało się go zobaczyć.

Francuski krystalograf René Just Haüy, żyjący na przełomie XVIII i XIX wieku, tłumaczył regularne formy kryształów jako rezultat układania elementarnych komórek o różnych kształtach. Potwierdzenie, że tak właśnie zbudowane są kryształy, uzyskano jednak dopiero sto lat później. Źródło: Traité de Crystalographie, 1822

Począwszy od drugiej połowy XIX wieku, mikroskop stał się podstawowym narzędziem badań w mikrobiologii i medycynie, pomocny był również geologom i metalurgom, którzy zakładali fundamenty dzisiejszej cywilizacji technicznej. Wspomnijmy, że sto kilkadziesiąt lat temu nie było popularnych dziś "pracowni analitycznych"; każdy praktykujący lekarz posługiwał się mikroskopem dla celów diagnostycznych. Prace Pasteura nad fermentacją, chorobami zakaźnymi i szczepionkami, a także późniejsze nieco badania Ehrlicha i Kocha, budujące fundamenty współczesnej bakteriologii, nie byłyby możliwe bez mikroskopów. Przypomnijmy tu może Roberta Kocha (1843-1910), bo mało kto już dziś pamięta, że jego przełomowe badania, które doprowadziły do odkrycia zarazków gruźlicy, cholery i dżumy, co pozwoliło w ciągu kilkudziesięciu lat uporać się z tymi odwiecznymi plagami ludzkości, rozpoczęły się na ziemiach polskich, gdy w 1872 roku został on mianowany lekarzem (jak to wówczas mówiono - "fizykiem") powiatowym w Wolsztynie.

Po odkryciu prątków gruźlicy Koch stał się bardzo znaną postacią, powierzono mu kierowanie specjalnie dla niego zbudowanym Instytutem Higieny w Berlinie, do którego zjeżdżali młodzi lekarze z całego świata, aby pod kierunkiem mistrza poznawać tajemnice życia i śmierci bakterii. Odwiedził go również polski bakteriolog Odo Bujwid, późniejszy profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego i pionier pasteurowskiej metody zwalczania wścieklizny w Polsce. W "Gazecie Lekarskiej" z 1885 roku opisał swoje wrażenia w artykule Z pracowni Prof. Roberta Kocha. Znaleźć tam można fragment o tym, jak Koch urządza fotografiję (Koch był bowiem jednym z pierwszych badaczy, którzy obrazy mikroskopowe fotografowali, a nie jedynie przerysowywali):

Preparat zabarwiony wezuwiną (tylko ten barwnik nadaje się do fotografii) umieszcza on w zwykły sposób pod rurą (czytaj - pod mikroskopem), którą przechyla pod kątem prostym do zwykłego stanu (poziomo do powierzchni stołu, jak lunetę np.), kierując otwór obiektywu w kierunku promieni słonecznych, dla skupienia których na fotografowanem polu umieszcza pod rurą system Seiberta Nr 7 (czytaj - układ oświetlający). Okular zdejmuje, na rurę zaś nakłada torbę dającą się dowolnie wydłużać. Koniec torby zamknięty jest przez ramki, w które wkłada się spreparowana fotograficzna klisza. Zdjęcie odbywa się sposobami zwykle używanymi w fotografii, jak również otrzymanie pozytywu i przeniesienie na papier. Przed rurą na drodze promieni słonecznych umieszcza się heliostat, który połączony z zegarem odbija promienie słoneczne w kierunku rury, stosując się do zmiany położenia Słońca; ustawianie bowiem przyrządów pochłania tyle czasu, że promienie słoneczne mogą się zupełnie z przed preparatu usunąć.

Mikroskop Carla Reicherta z XIX wieku. Takim instrumentem zapewne posługiwał się Robert Koch

Fot. Krzysztof Kaliński (eksponat ze zbiorów Muzeum Techniki w Warszawie)

Mimo że Koch używał mikroskopów najnowszej konstrukcji, fotografowanie obrazów mikroskopowych przy braku intensywnych źródeł sztucznego światła nie było łatwe!

Tymczasem konstruktorzy coraz lepszych mikroskopów natrafili na niezrozumiałe początkowo ograniczenie, potrafili budować mikroskopy dające coraz większe powiększenia, jednak na obrazach nie pojawiały się nowe szczegóły. Natrafiono jakby na granicę rozdzielczości. Przez dłuższy czas przypuszczano, że uda się ją przekroczyć dzięki jakiejś lepszej konstrukcji, przez poprawienie oświetlenia przedmiotu czy zwiększenie liczby soczewek. Mimo wysiłków wielu świetnych konstruktorów okazało się to niemożliwe i dopiero w latach siedemdziesiątych XIX w. Ernst Abbe, fizyk związany z firmą Zeiss, wyjaśnił, że natrafiamy tu na podstawowe ograniczenie przyrody. W mikroskopie obraz jest tworzony przez interferencję (nakładanie się) fal świetlnych, uginających się na szczegółach budowy badanego przedmiotu. Jak dowiódł Abbe, dla jakichkolwiek fal użytych do tworzenia obrazu najmniejsza odległość pomiędzy rozróżnialnymi szczegółami równa jest w przybliżeniu długości fali. Fale światła widzialnego mają długość około pół mikrometra (5x10-4 mm) i żadne udoskonalenia konstrukcyjne mikroskopu, w którym wykorzystujemy fale świetlne do tworzenia obrazu, nie ujawnią szczegółów o znacznie mniejszych rozmiarach.

Ernst Abbe pisał w 1878 roku: Cała współczesna nauka potwierdza fakt, że natura światła sama ustanawia granicę działaniu naszego aparatu wzrokowego - granicę, której nie jesteśmy w stanie przekroczyć z pomocą współczesnych środków technicznych. Pocieszać się możemy jedynie tym, że między niebem a ziemią istnieje jeszcze wiele rzeczy, które są nieosiągalne z uwagi na naszą ograniczoność. Możliwe, że w przyszłości rozum ludzki opanuje procesy i siły, które pozwolą w zupełnie inny sposób przekroczyć tę granicę, która dziś wydaje się nam nieprzekraczalna. Tak sądzę. Wydaje mi się jednak, że te przyrządy, które być może pozwolą kiedyś na doskonalsze badania najdrobniejszych elementów materialnego świata, niedostępnych dla współczesnych mikroskopów, nie będą mieć z nimi nic wspólnego poza nazwą.

Przez kilkadziesiąt lat badacze musieli pogodzić się z tym ograniczeniem, choć jego świadomość była coraz bardziej dokuczliwa, bo zarówno biolodzy i lekarze, jak ludzie zajmujący się budową materii nieożywionej wiedzieli, że wciąż istnieją niedostrzegalne szczegóły, ważne dla nauki i praktyki. Mikroświat wciąż kusił swymi tajemnicami.

1 Titus Lucretius Carus, O naturze rzeczy, PIW, Warszawa 1994. Rzymianin Lucretius, zwany w spolszczeniu Lukrecjuszem, żył w I wieku p.n.e. On głównie przyczynił się do popularyzacji atomistycznych teorii, pochodzących od Demokryta, Epikura i innych greckich filozofów.

2 Robert Grosseteste (1175-1253), tłumacz greckich i arabskich dzieł filozoficznych, biskup Lincolnu, rektor Uniwersytetu w Oksfordzie, proponował użycie soczewek dla zwiększenia obrazu małych przedmiotów i przybliżenia przedmiotów odległych. O użyciu soczewek i okularów wspomina też w 1268 roku angielski uczony i filozof Roger Bacon. Jednym z wczesnych świadectw używania okularów jest obraz namalowany około 1480 roku przez Domenico Ghirlandaio, przedstawiający św. Hieronima stojącego przy pulpicie, z którego zwisają okulary. Od tego czasu św. Hieronim stał się patronem optyków.

3 Obrazy z pierwszych mikroskopów można znaleźć w artykule Briana Forda w "Świecie Nauki" nr 6/1998.

Dr hab. JAN A. KOZUBOWSKI jest profesorem na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Od redakcji: O tym, jak dalej przebiegała droga od pojęcia atomu do jego obrazu, można bę-dzie przeczytać w następnym numerze "WiŻ", w artykule pt. Jak wygląda atom?