Учёный роберт гук. Микроскопическая эра
Создание микроскопической техники стало необходимостью задолго до XVIII века, с которым связано появление гистологии - науки о строении, развитии и жизнедеятельности тканей. Основной целью гистологии (от греч. histos - «ткань») является наблюдение за эволюцией тканей, а также выяснение взаимодействия клеток одного и различных организмов. Первые представления о тканях формировались макроскопическим путем, то есть на основании изучения трупов. Бездоказательные теоретические обобщения не представляли особой ценности, хотя примитивная микроскопическая техника существовала уже в XVI веке. Действие прибора, собранного из увеличительных стекол, в 1590 году продемонстрировали голландские астрономы братья Ганс и Захарий Янсены. Оптическая труба Галилео Галилея имела 9-кратное увеличение и вначале предназначалась для изучения внутреннего строения предметов. После успешного показа в 1609 году ученый приспособил систему для наблюдения за небесными светилами.
Горизонтальная шкала графика зависит от размера капли, выраженной в длинах волн света. Его качественная теория становится еще ближе к истине, когда разность фаз между двумя лучами слегка смещается, что видно на диаграмме из работы Эйри. Когда капли больше, углы между дугами становятся меньше. Вот график падения 1 мм.
В реальных условиях мы наблюдаем все длины волн видимого света в одно и то же время, это приводит к перекрывающимся дугам: мы также добавили график для фиолетового на график для красного света. Луки будут размыты. Подобный эффект будет вызван изменением размера капель, в результате эти дополнительные дуги не всегда наблюдаются. Тогда у нас есть привлекательное доказательство того, что свет - это волна.
Современный термин «микроскоп» и первое применение прибора связаны с именем английского естествоиспытателя Роберта Гука (1635–1703 годы). Разносторонний ученый, экспериментатор, опередивший Ньютона в догадках о существовании всемирного тяготения, Гук усовершенствовал оптическую систему Галилея, создав микроскоп, увеличивавший в 30 раз. Имея степень магистра искусств Оксфордского университета, ученый изобрел воздушный насос, придумал пружинный привод механизма карманных часов и множество других полезных вещей.
Примечание: знаменитый радужный интеграл Эйри. Для больших размеров капель вам нужно использовать более реалистичные и менее элегантные аппроксимации. Поэтому результат для капли 1 мм имеет смысл. Станислав Лем однажды сказал: «Никто ничего не читает, и если он читает, он ничего не понимает, и если он понимает, он ничего не помнит». Этот феномен так же велик, как и мир, на самом деле различная информация напоминает элементы головоломки: без них невозможно сложить изображение, но их недостаточно одного, потому что вам все равно нужно их соответствующим образом скорректировать.
Микроскоп Гука
Активная изобретательская деятельность Гука определялась не только его энергичной натурой, но и являлась частью служебных обязанностей. Пожизненная должность куратора экспериментов Королевского общества, помимо престижа, требовала регулярной демонстрации новых экспериментов, а соответственно - значительных денежных затрат, причем при отсутствии жалованья. Несмотря на нехватку средств, сэр Роберт охотно выполнял свою работу, помогавшую исследованиям, а также создававшую репутацию полезного клиента у мастеров, изготавливавших инструменты.
Любой, кто чему-то научился, вероятно, заметил, что если мы сможем понять что-то хорошее, создадим логическую структуру из того, что мы узнали, тогда это трудно забыть об этом позже. Легко забыть фрагменты, которые никогда не вписываются в нас или не подходят свободно.
В Университете Геттингена, который является математическим центром Германии, сто лет назад люди говорили о «нострификации» идей или идей. Даже понятие «самостерилизации» было даже известно, когда кто-то придумал идею, которую он сам уже опубликовал. Осенью отмечено, что уравнения гравитационного поля должны быть разными, и начал лихорадочно работать над ними, тем более интенсивным, что в Геттингене Дэвида Гильберта взял ту же тему - так под угрозой Эйнштейна «нострификации» со стороны одного из величайших математиков того времени.
В 1664 году в Англии свирепствовала чума, но магистр не покинул Лондон, будучи увлечен научными экспериментами. В «Истории Королевского общества» сохранилась запись от 1665 года: «Гук… между прочими вещами показал первый действительный микроскоп и множество открытий, сделанных с его помощью, первую ирисовую диафрагму и целый ряд новых метеорологических приборов». Тогда же вышел в свет классический труд магистра Гука - книга под названием «Микрография, или Физиологическое описание мельчайших тел, исследованных с помощью увеличительных стекол». Сочинение представляло собой рассказ о результатах применения микроскопа в качестве исследовательского инструмента: в ней описано 57 «микроскопических» и 3 «телескопических» опыта. Кроме того, автор открыл клеточное строение тканей, ввел термин «клетка», исследовав ткани растений, насекомых и животных. Превосходные гравюры, сопровождавшие текст, представляли как научную, так и художественную ценность.
В конечном счете, Эйнштейн сначала записал правильные уравнения теории гравитации, можно сказать, что все закончилось успешно, потому что он приложил много усилий для построения этой теории, и это было его окончательное удовлетворение. Может быть, он не стал бы серьезно относиться к физике, которая его интересовала, но которую он мало знал, если бы не Наполеон. Великий император вернулся из ссылки на Эльбу и попытался восстановить империю, которая, как известно, закончилась битвой при Ватерлоо. Френель, как политический противник империи, потерял работу и имел много свободного времени, которое он провел в семейной деревне своей матери, Матье в регионе Кальвадос, под наблюдением полиции.
Ян Сваммердам
Одним из основоположников микроскопической анатомии считается нидерландский натуралист Ян Сваммердам (1637–1680 годы), написавший сочинения по анатомии насекомых с изображением их строения на различных стадиях развития. Итальянский медик и биолог Марчелло Мальпиги (1628–1694 годы) также внес посильный вклад в становление гистологии. Его заслуга состоит в открытии капиллярного кровообращения, в описании микроскопического строения некоторых видов тканей и органов растений, животных и человека. Именем Мальпиги названы почечные тельца и слой эпидермиса.
С помощью местного кузнеца он построил оптические устройства наблюдения, капля меда служила объективом. Он знал математику. но он не знал английского, он не получал много от него. Мы не будем спрашивать, сколько он взял от Янга, в любом случае он пошел намного дальше, чем английский натуралист, создавая математическую теорию света как волны и проверяя ее большими экспериментами. Несколько лет спустя он был принят в Парижскую академию наук.
Основой этой теории является принцип Гюйгенса: мы рассматриваем каждую точку волнового фронта как новый источник волн, распространяющихся во всех направлениях. В точке наблюдения, например, в какой-то момент на экране, колебания, исходящие от каждой точки волны, складываются. Легко описать, как это будет выглядеть, когда у нас есть только две волны, достигающие заданной точки. Затем мы наблюдаем сумму колебаний.
Самый мощный микроскоп своего времени в 1673 году создал нидерландский натуралист Антони ван Левенгук (1632–1723 годы). Прибор с 270-кратным увеличением позволял наблюдать и зарисовывать простейших, сперматозоиды, бактерии, эритроциты, а также их движение в капиллярах. Столь малые живые организмы, обнаруженные при значительном увеличении, были описаны в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695). Голландский изобретатель достиг совершенства в шлифовке оптических стекол, что позволило ему изготовить короткофокусные линзы с увеличением, невиданным до того времени. Устройство дополнялось удобными металлическими держателями, конструкции самого Левенгука. Ученый не пожелал остаться искателем-одиночкой, регулярно сообщая результаты своих экспериментов в Лондонское королевское общество. Известно, что в 1673–1723 годах он отправил 375 отчетов, но ни один из них не послужил основой теоретического обобщения и не привел к созданию отдельной дисциплины.
Также могут быть деструктивные помехи, в частном случае результат может быть равен нулю. На обоих рисунках синяя волна представляет собой сумму зеленого и красного цветов. Мы можем рассматривать оба рисунка либо как функцию времени в одном месте, либо как моментальные снимки волны в пространстве в определенный момент. Поскольку волна представляет собой вибрацию, которая сдвигается с определенной скоростью, пространственные зависимости могут быть переведены на временные и наоборот.
Рассмотрим сначала дифракцию на узкой длинной щели. Плоская волна идет слева, волна размытости позади трещины. Каким будет угловое размывание волны изгиба? Вы можете создать угол в радианах, которые безразмерны. Вероятно, наш угол будет приблизительно равен этому коэффициенту с точностью до некоторого чисто численного множителя. Это размытие в направлениях ограничивает разрешающую способность. Телескоп или глазная линза не меняют этот факт. Без дифракции объектив будет выглядеть так.
Микроскоп Левенгука
«Никто не сделал так много и настолько хорошо за такое короткое время», - отозвался современник молодого доктора Биша после его похорон. Автор высказывания напрасно обидел французских ученых, но Мари Франсуа Ксавье Биша (1771–1802 годы) за 32 года своей жизни действительно сделал очень многое.
Являясь основоположником патологической анатомии и гистологии, он изучал морфологию и физиологию человеческой ткани без применения микроскопа. Биша назвал более 20 видов тканей, подробно описав их в трудах «Трактат о мембранах и оболочках» (1800) и «Общая анатомия в приложении к физиологии и медицине» (1801). Создание клеточной теории строения организмов, выявившей равенство процессов, происходящих во всех многоклеточных организмах, стало одним из самых великих открытий в естествознании. С трудами Шлейдена и Шванна принято связывать начало микроскопического периода в развитии медико-биологических наук.
Если направления за объективом размыты, изображение в фокусе будет не прожектором, а будет пятном. Поэтому до сих пор мы оставляем объектив, потому что они не имеют отношения, но мы считаем, слот - Это явление состоит в том, что объектив является отверстие, а не, например, из которых сделан как Для того, чтобы вычислить волну, которая достигает определенной точки, может быть использован. Принцип Гюйгенса: каждая точка волнового фронта является источником сферических волн. Все эти волны должны быть добавлены друг к другу, что в случае широкого разрыва означает интеграцию, но мы обойдемся без него.
Мари Франсуа Ксавье Биша
Чешский естествоиспытатель Ян Эвангелист Пуркине (1787–1869 годы) одним из первых применил клеточную теорию непосредственно к медицине, разглядев нервные клетки в сером веществе головного мозга. В 1837 году ученый сделал еще более ошеломляющее открытие: описав клетки в головном и спинном мозге, он выделил в сером веществе коры мозжечка крупные клетки, а также смог объяснить ритмичную работу сердца наличием волокон проводящей системы этого органа. Клетки мозжечка и сердца в специализированных атласах называются именем Пуркине.
В проходе через трещину источниками волн являются все ее точки. Если точка наблюдения находится далеко, парциальные волны будут практически параллельны друг другу. В направлении, перпендикулярном волновому фронту падающей волны, все парциальные волны находятся так далеко, поэтому они будут добавлены конструктивно: максимум длины волны появится перед нашей апертурой. Если наша точка наблюдения будет немного в сторону, некоторые волны будут продолжаться, ближе ко второму, так что в результате формирования интерференционной волны с несколько меньшей амплитудой: Аппаратные волны несколько «дрейф», а не все вибрировать в той же фазе.
Ян Пуркине
Натуралист из Чехии является создателем классических работ по анатомии, физиологии зрительного восприятия, гистологии и эмбриологии. В 1839 году во Вроцлаве по его инициативе чешские медики объединились в Научное общество, и тогда же был учрежден первый в мире Физиологический институт. Пуркине принадлежит авторство некогда популярного термина «протоплазма» (от греч. plasma - «оформленное»), но в прошлом столетии это понятие утратило актуальность. Сотрудники вроцлавского физиологического института уже в середине XIX века пользовались микротомом - инструментом, предназначенным для получения тонких срезов с кусочков органов или тканей с целью последующей микроскопии. В настоящее время с помощью ультрамикротома биологи получают срезы толщиной до 1000 нм (1 нм = 10 - 9 м) для электронной микроскопии.
Для какого угла появится первый минимум интенсивности? Крайние элементарные волны с двух концов зазора теперь имеют разность расстояний, равную - длине волны. Эти экстремальные волны затем усилятся, но как насчет остальных? Мы можем разделить наше отверстие на половины и рассмотреть пары волн, как на картинке. Разница в расстоянии между ними точно, поэтому они будут мешать деструктивно, что приведет к нулевой интенсивности. Потому что для каждой волны из верхней половины щели мы можем найти вторую в нижней половине, которая уничтожит ее, поэтому мы получим нуль: минимальная интенсивность.
Однажды Галилей соорудил очень длинную подзорную трубу. Дело происходило днем. Закончив работу, он навел трубу на окно, чтобы на свету проверить чистоту линз. Прильнув к окуляру, Галилей оторопел: все поле зрения занимала какая-то серая искрящаяся масса. Труба немного покачнулась, и ученый увидел огромную голову с выпуклыми черными глазами по бокам. У чудовища было черное, с зеленым отливом туловище, шесть коленчатых ног… Да ведь это … муха! Отняв трубу от глаза, Галилей убедился: на подоконнике действительно сидела муха.
Угол, при котором этот минимум встречается, соответствует состоянию, видимому на чертеже. Для небольших углов вы можете изменить угол синуса. Интенсивность за слотом показана на графике. Первый минимум встречается для углов, соответствующих условию. Большая часть света появится как яркая центральная полоса, рядом с которой появятся менее яркие боковые полосы. Когда мы можем отличить две волны, идущие с левой стороны под разными углами? Предельная ситуация рассматривается ниже: основной максимум одной волны падает на минимум второго.
Что изменится, когда мы возьмем круглую дыру, а не зазор. Результат не выражается элементарными функциями, а функциями Бесселя. Картина не изменилась качественно. Конечно, он будет иметь осевую симметрию, теперь у нас будет центральное яркое пятно, окруженное кольцами. Угол к первому минимуму точно равен.
Так появился на свет микроскоп — состоящий из двух линз прибор для увеличения изображения маленьких предметов. Свое название — «микроскопиум» — он получил от члена «Академиа деи линчеи» («академии рысьеглазых»)
И. Фабера в 1625 г. Это было научное общество, которое, кроме прочего, одобряло и поддерживало применение оптических приборов в науке.
Теперь мы можем рассчитать разрешающую способность спутниковой съемки. Обозначим длину наименьшего объекта, который мы хотим выделить; пусть наш спутник будет циркулировать на высоте, тогда угол будет равен. Подставляя и беря длину волны желтого света, мкм, получаем.
Мы рассчитали более или менее предельное значение «пикселя» на спутниковом изображении. Реальные размеры пикселей современных гражданских спутников в несколько раз больше. Невозможно отличить лицо. Диаметр нашей линзы - проблема. Большие значения, чем несколько метров, безусловно, непрактичны. Вы можете использовать, например, две меньшие линзы, которые будут довольно далеко друг от друга, например, на расстоянии 10 м или намного больше, и объединить их изображения. Астрономы используют что-то подобное, поэтому, возможно, военные могут.
А сам Галилей в 1624 г. вставил в микроскоп более короткофокусные (более выпуклые) линзы, благодаря чему труба стала короче.
Следующая страница в истории микроскопа связана с именем Роберта Гука. Это был очень одаренный человек и талантливый ученый. Наиболее значимыми достижениями Гука являются следующие:
Изобретение спиральной пружины для регулировки хода часов; создание винтовых зубчатых колес;
Тем не менее, пока маловероятно использовать этот вид оборудования, чтобы сфотографировать нескольких знаменитостей, которые могут быть сфотографированы на расстоянии нескольких метров без каких-либо проблем. У него были языковые навыки: он свободно читал в возрасте двух лет, он изучал латынь как шестилетнего ребенка. Спустя несколько лет в школе он вернулся домой, чтобы учиться самостоятельно. Он изучал не только латинский и греческий, но также иврит, халдейский, сирийский, персидский и арабский языки.
Будучи подростком, он зарабатывал как преподаватель классического языка. Со временем к этому пришли и основные современные языки. Это не значит, что он был «гуманистом» в сегодняшнем смысле этого слова. В то же время он строит оптические устройства, работал на токарном станке и читал Исаака Ньютона англичанину.
Определение скорости вращения Марса и Юпитера вокруг своей оси; изобретение оптического телеграфа;
Создание прибора для определения пресности воды; создание термометра для измерения низких температур;
Установление постоянства температур таяния льда и кипения воды; открытие закона деформации упругих тел; предположение о волновой природе света и природе земного тяготения.
Он стал врачом, он учился в Эдинбурге, Геттингене и Кембридже. Эти последние исследования были необходимы для практики в Англии. Молодым также пришлось официально отказаться от своей исповеди, потому что условие приема в колледж в Кембридже было англиканской исповедью. В возрасте двадцати лет Янг прочитал работу Королевского общества о механизме размещения глаз, и на этой основе он был избран членом уважаемого тела. Речь идет о механизме создания резкой картины объектов на сетчатке в широком диапазоне расстояний: от некоторого минимума до бесконечности.
По окончании Оксфордского университета в 1657 г. Гук стал помощником Роберта Бойля. Это была отличная школа у одного из крупнейших ученых того времени. В 1663 г. Гук уже работал секретарем и демонстратором опытов Английского Королевского общества (академии наук). Когда там стало известно о микроскопе, Гуку поручили провести наблюдения на этом приборе. Имевшийся в его распоряжении микроскоп мастера Дреббеля являл собой полуметровую позолоченную трубу, расположенную строго вертикально. Работать приходилось в неудобной позе — изогнувшись дугой.
В камере для этой цели сделан объектив, некоторые думали, что что-то подобное происходит в глазу. Другие думали, что роговица меняет форму. Юнг выдвинул заявление о том, что форма изменяет линзу глаза, перемещаемую некоторыми мышцами. Он также описал дефект своего собственного зрения, позже известный как астигматизм. Вскоре после этого требования Юнга были допрошены, а дебаты об этом жилье усилились. Казалось бы, молодой человек, которого его коллеги в Кембридже назвали «Явлением-феноменом», преждевременно признан полноправным исследователем.
Прежде всего Гук сделал трубу — тубус — наклонной. Чтобы не зависеть от солнечных дней, которых в Англии бывает немного, он установил перед прибором масляную лампу оригинальной конструкции. Однако солнце светило все же гораздо ярче. Поэтому пришла мысль лучи света от лампы усилить, сконцентрировать. Так появилось очередное изобретение Гука — большой стеклянный шар, наполненный водой, а за ним специальная линза. Такая оптическая система в сотни раз усиливала яркость освещения.
Находчивый Гук легко справлялся с любыми трудностями, появлявшимися на его пути. Например, когда понадобилось сделать очень маленькую линзу идеально круглой формы, он опустил острие иглы в расплавленное стекло и затем быстро вынул ее — на кончике иголки сверкала капелька. Гук подшлифовал ее немного — и линза была готова. А когда возникла необходимость улучшить качество изображения в микроскопе, то Гук между двумя традиционными линзами — объективом и окуляром — вставил третью, коллектив, и изображение стало более четким, при этом увеличилось поле зрения.
Когда микроскоп был готов, Гук принялся за наблюдения. Их результаты он описал в своей книге «Микрография», изданной в 1665 г. За 300 лет она переиздавалась десятки раз. Помимо описаний, она содержала замечательные иллюстрации — гравюры самого Гука.
Особый интерес в ней представляет наблюдение № 17 — «О схематизме, или строении пробки и о клетках и порах некоторых других пустых тел». Гук так описывает срез обыкновенной пробки: «Вся она перфорированная и пористая, подобно сотам, но поры ее неправильной формы, и в этом отношении она напоминает соты… Далее, эти поры, или клетки, неглубоки, но состоят из множества ячеек, разделенных перегородками».
В этом наблюдении бросается в глаза слово «клетка». Так Гук назвал то, что и сейчас называется клетками, например, клетки растений. В те времена люди не имели об этом ни малейшего представления. Гук первым наблюдал их и дал название, оставшееся за ними навсегда. Это было открытие громадной важности.
Вскоре после Гука начал вести свои наблюдения голландец Антони ван Лсвенгук. Это была
интересная личность — он торговал тканями и зонтиками, но не получил никакого научного образования. Зато у него был пытливый ум, наблюдательность, настойчивость и добросовестность. Линзы, которые он сам шлифовал, увеличивали предмет в 200—300 раз, то есть в 60 раз лучше применявшихся тогда приборов. Все свои наблюдения он излагал в письмах, которые аккуратно посылал в Лондонское королевское общество. В одном из своих писем он сообщил об открытии мельчайших живых существ — анималькул, как Левенгук их назвал. Оказалось, что они присутствуют повсюду—в земле, растениях, теле животных. Это событие произвело революцию в науке — были открыты микроорганизмы.
В 1698 г. Антони ван Левенгук встретился с российским императором Петром I и продемонстрировал ему свой микроскоп и анималькул. Император был так заинтересован всем, что он увидел и что объяснил ему голландский ученый, что закупил для России микроскопы голландских мастеров. Их можно увидеть в Кунсткамере в Петербурге.
Левенгуку принадлежит еще одно важное открытие. Нагревая воду до кипения, он обратил внимание, что практически все анималькулы погибают. Значит, таким способом можно избавляться от болезнетворных микроорганизмов в воде, которую пьют люди.
Заканчивая разговор об оптических инструментах, необходимо упомянуть камеру-обскуру, изобретенную в 1420 г. итальянским инженером Дж. Фонтаной. Камера-обскура является простейшим оптическим приспособлением, позволяющим получать на экране изображения предметов. Это темный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед которым помещают рассматриваемый объект. Исходящие от него лучи света проходят через отверстие и создают на противоположной стене ящика (экране) перевернутое изображение объекта.
В 1558 г. итальянец Дж. Порта приспособил камеру-обскуру для исполнения рисунков. Ему же принадлежит идея применения камеры-обскуры для проецирования рисунков, помещенных у отверстия камеры и сильно освещаемых свечами или солнцем.
