Неђељко Јекнић

TAJNE OPTIČKE NAUKE

Evolucija mikroskopa

Pitanje koje su granice ljudskog vida nema jasan odgovor kada pričamo o najsitnijim stvarima koje možemo vidjeti. Oko zapravo može vidjeti objekat bilo koje veličine ako on raspršuje dovoljno svjetlosti koje bi pokrenule detektorske ćelije oka. Ipak, ono što je ograničeno je rezolucija ljudskog oka: koliko blizu mogu biti dva objekta prije nego nam se zamute u jedan. U najboljem slučaju, ljudi mogu da konstatuju dvije razdvojene linije na udaljenosti od 0.026 mm i to 15 cm od našeg lica. Ipak, u praksi je to najviše 0.04 mm (debljina slabije ljudske kose) i to za bolje oči. S' obzirom da je čovjek bio zainteresovan da vidi i sitnije stvari, izmišljen je mikroskop. Naravno, ne odmah ovakav kakav je danas, počeci optičke nauke su bili veoma skromni i vjekovi su protekli do momenta kada su ljudi uspjeli otvoriti jedan potpuno novi mikro svijet.

Пише: Види све колумне

Rađenje moderne optike u arapskom svijetu

Prva “naprava“ koja je mogla biti korišćena za svrhe uvećavanja predmeta je sočivo iz antičkog asirskog grada Nimruda, koji se nalazi na rijeci Tigar u današnjem Iraku. Sočivo je napravljeno prije 2700 godina i zapravo se radi o komadu gorskog kristala. Oko same upotrebe ne možemo biti sigurni jer je moglo biti korišćeno kao lupa ili staklo za paljenje vatre. Evolucija sočiva je išla poprilično sporo pa se tek oko 1000. godine nove ere pojavljuje kamen za čitanje. Taj kamen je bio u obliku sfere koja se držala iznad teksta i olakšavala bi čitanje. Zlatno doba islama je dalo arapskog (ili persijskog) matematičara, astronama i fizičara Ibn al-Haitama koji je živio takođe na teritoriji današnjeg Iraka i on 1021. godine piše svoju “Knjigu o optici“ koja potpuno transformiše dotadašnji način razumijevanja svjetlosti i daje opis anatomije ljudskog oka, model gledanja te prve zakone refleksije svjetlosti.

Grčki mislioci poput Platona i Euklide su tvrdili da neki objekat vidimo tako što ih izbacujemo svjetlošću iz naših očiju. Umjesto toga, al-Haitam je objasnio da mi vidimo tako što svjetlost ulazi u naše oči spolja ili se odbija od objekata ili direktno od svijetlih tijela poput svijeće ili Sunca.

Italijanski i holandski izumitelji

Krajem trinaestog vijeka Salvino D'Armate, italijanski trgovac i pronalazač je osmislio prve naočare kao pomoć ljudima sa slabijim vidom. I onda, ono što možemo nazvati prvim mikroskopom su dizajnirali holandski optičar Zaharias Jansen i njegov sin Hans. Oni su upotrebom dva dvojno konveksna sočiva, postavljena na određenu daljinu otkrili da dolazi do povećanja lika. Kombinovali su ta dva sočiva u unutrašnjosti jedne cijevi te tako napravili prvi mikroskop (gr. micros = sitan, mali; scopein = gledam).

Ipak, sama riječ mikroskop nije korišćena još nekoliko decenija, a prvi put je mikroskop korišćen za “pravu nauku” 1661. godine kada je italijanski biolog Marčelo Malpigi otkrio kapilare u osušenim plućima žabe. Holanđanin Antoni Van Levenhuk (sedamnaesti vijek je već holandsko zlatno doba trgovine, nauke i umjetnosti) počeo je da koristi ovu napravu za otkrivanje novih stvari, a ne samo za uvećanje već poznatih. Holandski mikrobiolog je pravio svoja sočiva i postigao uvećanje od čak 300 puta, što je bio ogroman napredak u odnosu na dotadašnje uređaje koji su imali povećanje od 20 do 30 puta. Njegova velika radoznalost je dovela do velikih otkrića. Zaslužan je za otkrivanje bakterija, protista, nematoda i spermatozoida, između ostalog. Naredna dva vijeka se dešava postepeni napredak mikroskopa kao uređaja i postaje neizostavna oprema svake laboratorije.

Optičke mikroskope zamjenjuju naprednije tehnologije

Veliki korak se dešava 1931. godine kada Ernst Ruska i Maks Knol dizajniraju i prave prvi transmisioni elektronski mikroskop (TEM). Elektronski mikroskop zavisi od elektrona, a ne od svjetlosti. Savremeni TE mikroskopi mogu da vizuelizuju objekte male koliko prečnik atoma. Ovakav tip mikroskopa dizajniran od strane ova dva njemačka naučnika je već mogao dati povećanje od 500.000 puta. Dvadeseti vijek je dalje donio eksponencijalni napredak u ovoj oblasti. Ređali su se redom skenirajući elektronski mikroskop, pa zatim uređaj koji kombinuje više rendgenskih slika da bi stvorio prikaze poprečnog presjeka kao i trodimenzionalne slike unutrašnjih organa i struktura.

Osamdesetih godina prošlog vijeka se pojavljuje skenirajući tunelski mikroskop, koji vidi mjerenjem interakcija između atoma a ne kako je to rađeno do tada uz pomoć svjetlosti ili elektrona. Za ovaj pronalazak 1986. švajcarski par naučnika Gerd Binig i Hajnrih Roher dobijaju i Nobelovu nagradu za fiziku. Tehnologija koja stoji iza ovog pronalaska je naizgled jednostavna ali genijalna: vrlo tanka metalna igla koja je ujedno i provodnik struje se pomjera što bliže objektu koji se posmatra. Kada je vrh blizu površine (nanometar ili manje), u vakuumu između vrha i površine dolazi do tuneliranja elektrona. Kako se vrh pomiče duž površine, zbog površinskih nepravilnosti i nehomogenosti na niovou atoma, udaljenost i električna struja između vrha i površine se mijenjaju, a promjena jačine struje može se tumačiti kao slika površine. 

Ipak, danas su najmoćniji elektronski mikroskopi koji su došli do nevjerovatnih uvećanja od 10 miliona puta. Kao što već pomenusmo, umjesto izvora svjetlosti koriste se elektroni sa talasnim dužinama koje su 100.000 puta kraće od vidljive svjetlosti. Međutim i elektronski mikroskopi su došli do tehničkih limita. Dalje povećanje rezolucije bi zahtijevalo povećanje energije elektronskog snopa, a to bi već bilo razarajuće za uzorke, naročito one koji su biološke prirode. No, tamo gdje staje hardver nastavlja softver. Tehnički limiti uslovili su pojavu računarske obrade mikroskopskih podataka i ova praksa se naziva ptihografija. Ptihografski mikroskop ispaljuje milijarde elektrona u sekundi na ciljani materijal iz više uglova. Istraživači zatim posmatraju kako materijal raspršuje elektrone - ponekad elektroni prolaze čisto, drugi put se sudaraju sa atomima i odbijaju se unutar materijala prije nego što odu. Na osnovu niza obrazaca koje generišu elektroni dok udaraju u detektor, napredni algoritmi mogu da utvrde lokaciju atoma u materijalu i njihove oblike, stvarajući tako sliku materijala uz očuvanje njegovog prvobitnog stanja. Koristeći ovu mikroskopsku metodu, profesor Dejvid Miler i njegov istraživački tim Univerziteta Kornel su tokom prošle godine snimili sliku atoma u najvećoj rezoluciji do sada, sa impresivnim uvećanjem od 100 miliona puta. Time su i nadmašili sopstveni Ginisov svjetski rekord iz 2018. godine, kada su takođe postigli najveću rezoluciju mikroskopa.

Kako se računarski čipovi bazirani na silicijumu sve više približavaju atomskoj skali, mogućnost da se vidi šta se dešava na atomskom nivou je od suštinskog značaja za razvoj elektronskih uređaja sledeće generacije. Ovo bi moglo u velikoj mjeri ubrzati traženje alternativnih materijala koji bi zamijenili silicijum.

Izazovi više nisu povećanje rezolucije

Napredak je ogroman i u drugim aspektima mikroskopskih posmatranja. Za posmatranje živih ćelija kroz mikroskop, uzorak se obično postavlja na staklo. Zatim treba da leži mirno da bi ćelije bile vidljive. Nedostatak ove prakse je što ovo ograničava ponašanje ćelija i proizvodi samo dvodimenzionalne slike. Ovim problemom se bavi norveški tim istraživača koji su razvili “mikroskop sledeće generacije“. Nova tehnologija može da slika mnogo veće uzorke nego ranije, dok žive i borave u prirodnom okruženju.

Tehnologija obezbjeđuje 3D slike gdje istraživači mogu da proučavaju i najsitnije detalje iz nekoliko uglova, jasno i vidljivo, razvrstane u više slojeva i svi slojevi su u fokusu. 3D mikroskopi već postoje, ali je glavni problem bio što rade sporo i ne daju zadovoljavajuće rezultate. Najčešći radi tako što snima piksel za pikselom u seriji, koji se potom sklapa u 3D sliku. Ovo zahteva veliko vrijeme i često ne može da podnese više od 1-5 snimanja u minuti. Nije baš praktično ako se objekat snimanja kreće. Sa tehnologijom koju su patentirali Norvežani može da se upravlja sa oko 100 punih kadrova u sekundi i tvrde da se taj broj može povećavati. Ovakav mikroskop rešava još jedan problem koji je ranije bio prisutan - jaka svjetlost nije baš prijateljski nastrojena prema ćelijama. Pošto je ovaj mikroskop veoma brz, izlagaće ćelije mnogo kraćem osvjetljenju u odnosu na standardne mikroskope.

Kako se granice pomjeraju, izazovi čuvanja uzoraka neoštećenim su sve veći. Recimo, jedna od metoda podrazumijeva da se žive ćelije hlade brzinom od 200.000 stepeni Celzijusa u sekundi sve do -196 C, da bi se omogućilo čuvanje ćelijskih biomolekula u njihovom prirodnom rasporedu prije izlaganja zracima mikroskopa. Još jedan od problema usled velikog napretka mikroskopa poslednjih decenija je ogromna količina podataka koja se dobija snimanjem bioloških procesa.

To je do skoro bila velika prepreka za analize, međutim, tehnološki hit koji se sve više pominje u poslednje vrijeme, vještačka inteligencija (AI) itekako može da pomogne u analizi. AI koja simulira ove procese daje mogućnost praćenja kretanja ćelija kroz vrijeme i prostor. Dobijanje kvalitetne i funkcionalne slike objekta koji se posmatra zahtijeva ručno podešavanje niza softverskih i hardverskih parametara. To su poprilično komplikovani zahtjevi a tu je i otežavajuća okolnost što se nekada parametri moraju mijenjati dok je samo snimanje u toku. Recimo, ako se ispituje objekat koji raste u momentu snimanja ili jednostavno mijenja poziciju ispod sočiva. Podešavanje ovakvih parametara u hodu radi AI generisani softver jer takvi zahtjevi uveliko prevazilaze ljudske sposobnosti.

Gdje su limiti?

Iako je prvo sočivo otkriveno najvjerovatnije slučajno, hiljade godina „namjernog“ rada i razvoja donijelo nam je napredak od sprave koja služi za uvećanje slova prilikom čitanja do mikroskopa koji može da vidi jedan jedini atom. 

Na kraju, postavlja se pitanje, dobro, kako mi to „vidimo“ atom? Činjenica je da zapravo ne možemo da vidimo atom na način na koji smo navikli da „vidimo“ stvari, osnosno ne možemo ga vidjeti našim očima koje registruju svjetlost. Atom je jednostavno toliko mali da bi odbio vidljive svjetlosne talase, što znači da se neće pojaviti čak ni pod najmoćnijim mikroskopima za fokusiranje svjetlosti. Zbog toga su elektronski mikroskopi preuzeli posao onamo gdje su fizički limiti ljudskog vida, a opet, granice elektronskih mikroskopa pomjeraju softveri i vještačka inteligencija koji mikroskopima daju, do skoro, neviđenu moć obrade snimljenih podataka. Granice tih novih tehnologijija se još ne naziru.