Mäletan siiani varases lapsepõlves loetud Iko Marani seiklusjuttu „Lauri ja Kaie kummaline matk“, kus vembumehest näärivana saatis kaks last mikroskoopia maailma ja need seiklused panid ka mind oma mikroskoopi ihalema. Mikroskoobi ma peatselt ka sain, alul lasteka, hiljem juba tõsise Biolami – kuni 900x suurendusega riistapuu. Ning pikka aega olin ma kindel, et minust peab mikrobioloog saama. Noh, läksin muule alale, kuid soojad suhted on mul mikromaailmaga siiani ja üks mikroskoopki konutab riiulis.
Iidsetest luupidest mikroskoobini
Pisikeste asjade suurendamise võimalus ulatub iidsetesse aegadesse – esimesed läätsi meenutavad leiud pärinevad juba 4000 aasta tagusest ajast. Kuid kulus veel pea paar tuhat aastat, enne kui klaasi tootmine ja optika kui teadus arenesid nii kaugele, et XIII sajandil hakati valmistama nägemist parandavaid läätsesid, luupe ja prille.
Algsed mikroskoobi eellased olid lihtsad üht läätse sisaldavad riistapuud. XVI sajandi lõpp ja XVII sajandi algus tõid kaasa optikateaduse suure arengu ning umbes sel ajal loodi esimene liitmikroskoop, mis koosnes vaadeldava objekti poolsest objektiivist ning silmapoolsest okulaarist.
Üheks esimeseks teadaolevaks teerajajaks mikroskoopia vallas oli hollandlane Zacharias Jans(s)en koos oma isa Hans Jans(s)eniga. Teada on, et aastal 1590 olevat nad valmis saanud mikroskoobi, mis oli ligi kolmveerand meetrit pikk ja ühe- või kahetollise läbimõõduga. Middleburgi (linn, kus nad elasid ja töötasid) muuseumis on hoiul teine nendele omistatav mikroskoop, mis koosneb kolmest üksteise sisse libisevast torust nagu filmidest tuttav pikksilm, ning see võimaldas üheksakordset suurendust. Mikroskoobil ei olnud püsikinnitust, temaga vaadeldi teda käes hoides.
Varajaste mikroskoopide ehitajate hulgas nimetatakse veel ka hollandlast (eelnimetatute naaber ja suur konkurent) Hans Lippersheyd (sai teleskoobi patendi 1608) ning nende Londonis elavat peretuttavast kaasmaalast Cornelis Drebbelit, kes ehitas oma mikroskoobi aastal 1619. On allikaid, mis väidavad, et Drebbeli mikroskoop oli hoopis Janssenite ehitatud esimene variant, mis sattus kuidagi Drebbeli kätte.
Teema vastu tundis huvi ka üheks teleskoobi isaks loetav itaallane Galileo Galilei. Peale Drebbeli mikroskoobi demonstratsiooni Roomas 1624. aastal ehitas Galilei oma täiuslikuma versiooni, mida ta esitles aastal 1625 Accademia dei Linceis. Galilei kutsus oma lapsukest „occhiolinoks“ (väike silm). Giovanni Faber aga nimetas Galilei riistapuu mikroskoobiks (vana-kreeka keeles μικρός – mikros ehk väike ja σκοπεῖν, skopeîn – nägema/vaatama) ning seda nime kannab seade ja tema järeltulijad tänini.
Mikroskoop avas paljudele teadusharudele uued uksed. Esimene teadaolev traktaat tema kasutamisest organismide uurimisel – „L’occhio della mosca“ („Kärbse silm“) avaldati Giambattista Odierna poolt aastal 1644. Paarkümmend aastat hiljem (1660–1670) ilmus riburada uurimusi elusorganismide mikroskoopilistest uuringutest. Näiteks kaasaegse histoloogia (teadus kudedest) isaks loetava Marcello Malpighi tööd või Robert Hooke’i „Micrographia“, mis oli laialt levinud tänu tema muljetavaldavatele illustratsioonidele, jpt.
Antonie van Leeuwenhoek
Üheks oluliseks nimeks mikroskoopia vallas on sageli mikrobioloogia isaks tituleeritud hollandlasest iseõppur Antonie Philips van Leeuwenhoek, keda tihti nimetatakse ekslikult ka mikroskoobi leiutajaks. Ta avastas oma täiustatud mikroskoobi abil mikroorganismid, keda ta nimetas Animalcule ja keda me praegu tunneme kui infusoore, ainurakseid organisme. Leeuwenhoek avastas punased verelibled, kapillaarveresooned, spermatosoidid, bakterid jpm. Ise ta raamatuid ei kirjutanud ning tema tööd on teada kirjavahetusest Royal Societyiga, kes ta avastused publitseeris. Algselt sooja vastuvõtu leidnud avastused tõid peale ainuraksete olendite avastamist kaasa suure skeptitsismi laine Leeuwenhoeki suhtes – käis ju see kõik vastu toonastele kristlikele arusaamadele. Kuid peale seda, kui tema uurimisi saadeti vaatlema kaks kohalikku Delfti linnas elavat Royal Society korrespondentliiget ning kui ka need luterlike vaadetega teadlased kinnitasid ta avastusi, lahenes olukord ja probleem kirikuisadega. Leeuwenhoek võeti Royal Society täisliikmeks 1680. aastal. Ise ta kordagi teadusühingus kohal ei käinud, kuid ta tuntus oli sedavõrd suur, et teda külastasid paljud toonased prominendid nagu tsaar Peeter I, William III (Oranje William), Gottfried Wilhelm Leibniz jpt. Oma elu lõpuks aastal 1723 oli Leeuwenhoek saatnud Kuninglikule Ühingule üle 560 uurimuskirja ja valmistanud vähemalt 25 mikroskoopi, millest tänini on säilinud vaid 9 (parima suurendusega 275x). Kuid lähtudes ta uurimustest oletatakse, et parimatega nendest võis ta ulatuda kuni 500x suurenduseni. Oma läätsede valmistamise saladuse viis ta endaga hauda kaasa ja temaväärseid läätsi suudeti taasluua alles eelmise sajandi 50ndatel aastatel.
Robert Hooke
Teine suurnimi mikroskoopia vallas on inglise loodusteadlane ja arhitekt Robert Hooke, kes oli tuntud ka Londoni 1666. aasta suure tulekahju järgsete taastustööde peamise geodeedina. Sellega pani ta aluse oma uurimistöödeks vajalikule varandusele. Teda on kutsutud ka inglise Leonardoks. Kõigi muude valdkondade kõrval ilmutas ta suurt huvi mikroskoopia vastu. 1663. aastal alustas ta regulaarseid ettekandeid Royal Societys ning võttis need kokku 1665. aastal ilmunud teoses Micrographia. Seal organismide ülesehitust kirjeldades võttis ta esimesena kasutusele nimetuse rakk (cell), analoogia põhjal mesilaste kärjerakkudega. Tema uurimustes kasutatud naha ja kullaga ehitud Christopher White’i poolt valmistatud mikroskoop on siiani säilinud ja seda eksponeeritakse Marylandi Tervise ja Meditsiini Rahvuslikus Muuseumis. Huvitaval kombel uuris ta selles traktaadis ka põlemisprotsesse ja hingamist, oletades, et need kasutavad mingit õhus leiduvat komponenti. Mitmed teadlased arvavad, et oleks ta jätkanud sellealaseid uuringuid, oleks just temast saanud hapniku avastaja.
Üheks toonaseks probleemiks mikroskoopide (ja ka teleskoopide) juures oli kromaatiline hälve. Kuna erineva lainepikkusega valguse murdumisnäitajad on klaasis erinevad, siis tekivad värvimoonutused. See probleem leidis lahenduse alles 70 aastat hiljem, kui inglise amatööroptik Chester Moore Hall leidis katse-eksituse meetodil võimaluse korrigeerida kromaatilist hälvet, kombineerides kroonklaasi vilguklaasiga, ning aasta hiljem ehitas Benjamin Martin värvikorrigeeritud mikroskoobi.
Optiline mikroskoop
Vanimaks ja siiani kõige laialdasemaks mikroskoobi liigiks on optiline ehk valgusmikroskoop. Tänapäeval on nad kõik liitmikroskoobid, koosnedes uuritava eseme poolsest objektiivist ning silma või salvestava seadme (filmilint, ekraan vm) poolsest okulaarist. Sellise mikroskoobi suurenduse saame me nende kahe detaili suurenduse korrutisest – nt 10x okulaariga ja 50x objektiiviga mikroskoobi suurendus on 500x. Tüüpilised tavalised optilised mikroskoobid omavad lahutusvõimet (suurendust) kuni 1250x, mis lubab vaadelda kuni 250 nm suuruseid objekte.
Suurim optiline mikroskoop maailmas (Burch reflector) valmistati aastal 1947 ja see kaalus 200 kg. Väikseim tänapäevane mikroskoop, Briti optiku Horace Dalli poolt aastal 1950 loodud isend, kaalus aga vaid 24 g. Teoreetiliselt võiks valgusmikroskoopidega minna kuni lahutuseni 1500–2000x. Edasi seab piirid ette juba valguse lainepikkus, kuid viimasel ajal on leiutatud mitmeid võimalusi sellest n-ö mööda hiilida. Üks esimesi lahendusi oli kasutada madalaima lainepikkusega ultraviolettkiirgust. See on inimsilmale nähtamatu ja väga kahjulik kiirgus, nii saab seda kujutist kuvada vaid ultravioletitundlikule ekraanile ja tänapäeval sealt soovi korral ka arvutiekraanile. Esimene UV-mikroskoop ehitati juba möödunud sajandi varastel 20ndatel Saksa teadlaste August Köhleri ja Moritz von Rohri poolt. Kuid kuna tavaline klaas on UV-kiirgusele läbipaistmatu, tuli kasutada spetsiaalset kvartsoptikat. Hiljem leidsid kvartsläätsed laia kasutust fluorestsentsmikroskoopias, kuna ultraviolett on üks tuntumaid ergastavaid kiirgusi.
Üks olulisi samme optilises mikroskoopias oli fluorestsentsmikroskoopide kasutuselevõtt eelmise sajandi teisel poolel. Esimese patendi selles vallas sai Marvin Minsky aastal 1957. Aastal 1978 lõid vennad Thomas ja Christoph Cremer konfokaalse skaneeriva lasermikroskoobi. Fluorestsentsmikroskoopias kasutatakse erinevaid kindla lainepikkuse toimel helenduma hakkavaid (fluorestseeruvaid) komponente, mida liidestatakse uuritavatesse objektidesse (nt valgud, DNA jne) või kantakse uuritavate objektide pinnale õhukese kirmena. Lisaks tavalisele optilise mikroskoobi konstruktsioonile on siin lisaks eriline ergastavat kiirgust väljastav (monokromaatiline) valgusallikas, ergastusfilter, poolläbilaskev peegel ja emissioonifilter. Viimane on vajalik ergastusvalguse eemaldamiseks, nii et näha jääb vaid helenduvatelt objektidelt kiirguv valgus. Sellised mikroskoobid ja nende jaoks uurimisobjektide ettevalmistus on keerukas ja kallis, nii et laiatarbesse nad jõudnud ei ole.
Elektronmikroskoop
Järgmine suur samm optilistest mikroskoopidest edasi oli elektronmikroskoopide kasutuselevõtt. Eespool sai mainitud kiirguse lainepikkust kui suurendust limiteerivat parameetrit. Nagu me füüsikast teame, võib elektron omada ka laineomadusi ning kuna elektronide „lainepikkus“ võib olla 100 000 korda väiksem nähtava valguse omast, ulatuvad siin suurendused kuni 10 000 000x-ni.
Esimese elektronmikroskoobi prototüübi konstrueerisid 1931. aastal Saksa füüsik Ernst Ruska ning elektriinsener Max Knoll. Esimeseks elektronmikroskoobi tüübiks sai transmissioonelektronmikroskoop (TEM), millest esimese tööstusliku isendi ehitas Siemens-Shuckert aastal 1939. Vaatlust abistavaks kiirguseks on kõrgepingelise elektronkahuri poolt tekitatud elektronide kimp, mida analoogiliselt optiliste mikroskoopidega juhitakse läätsede süsteemi poolt. Ainult et siin on tegemist elektrostaatiliste ja elektromagnetiliste läätsedega. Elektronkiirekimpu tekitav elektronkahur on tavaliselt volframkatoodiga ja elektrone kiirendatakse umbes 100 000 elektronvoldise pingega. Vaadeldavale näidisele on aga väga kõrged nõudmised. Kuna ained hajutavad elektronkimpu, siis peab vaadeldav materjal olema ülimalt õhuke – paksusega 50–100 nm –, et elektronkimp teda läbiks. Ning et materjali eristada, rikastatakse ta raskemetalliga (nt osmium), mis võimaldab eristada aine struktuurseid osiseid (rakutuumad, ribosoomid jne). Nii on võimalik 0,1 nm tasemega lahutusel saada detailseid vaateid viirustest (20–300 nm) ja DNAst (2 nm).
Teiseks peamiseks elektronmikroskoobi liigiks on skaneeriv elektronmikroskoop (SEM), mille prototüüp loodi Max Knolli poolt aastal 1935. Esimese tööstusliku skaneeriva elektronmikroskoobi tootis 1965. aastal Cambridge Scientific Instrument Company. Erinevalt eelmisest ei läbista SEMi puhul elektronkiir materjali ja lubab saada (ka 3D) ülevaadet materjali pinnast. Seega puudub ka vajadus valmistada üliõhukesi lõike ja vajatakse vaid pinna katmist mingi raskemetalliga (osmium, plii jt).
Kõige viimaseks lahenduseks mikroskoopias on skaneeriv teravikmikroskoop (scanning probe microscopy, SPM), kus proovi kolmedimensiooniline pinnakujutis saadakse teravatipulise mehaanilise sondi abil. SPM perekonnale pani aluse skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutamine 1981. aastal. Gerd Binnini ja Heinrich Rohrer said sellesuunalise töö eest 1986. aastal Nobeli auhinna füüsikas. Skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutamine viis kiirelt ka mitme teise teravikmikroskoobi, nt aatomjõu mikroskoobi väljatöötamiseni. Tänapäeval kuulub sinna rühma terve hulk tehnikaid, nendest kõige olulisemad on aatomjõumikroskoopia (AFM), skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM) ja optiline lähivälja mikroskoopia (SONM).
Optiline lähivälja mikroskoopia
Siin kasutatakse efekti, et kui viia detektor uuritavale objektile lähemale kui lainepikkus, on võimalik pinda vaadelda kõrge ruumilise, spektraalse ja ajalise lahutusega. Proovi ja teraviku vaheline kaugus on 0,1–10 nm. Selle meetodiga on kujutise lahutus piiratud detektori ava mõõtmetega, mitte peale langeva valguse lainepikkusega. Eksperimentaalselt on näidatud 20-nanomeetrilise külgsuunalise ja kahe- kuni viienanomeetrilise vertikaalse lahutuse võimalikkust. Kuna skaneerivaks elemendiks on kas valgusavaga või kiirgav LED-teravik, kutsutakse neid ka teravikmikroskoopideks. Sama meetodit on hakatud kasutama ka fluorestsentsmikroskoopias. Selline süsteem nõuab aga ülimalt täpset häälestust ja on vägagi kallis.
Ideid ja arendusi mikroskoopia vallas jagub. Nii uuritakse ülimalt lühilaineliste röntgenkiirte kasutumist, edusamme on tehtud skaneerivate akustiliste mikroskoopidega. Mida aeg edasi, seda rohkem me teame meid ümbritsevast maailmast.
Kellel on soovi ise mikromaailma avastama minna või ehk anda oma lapsele põnevat taganttõuget teaduseradadele minna, leiavad ka meil nii tava- kui netipoodidest mitut sorti mikroskoope, alustades 40 eurost kuni mitmete sadade eurodeni välja.
