Cand a aparut microscopul electronic?

Anii care au urmat celui de-al Doilea Razboi Mondial au reprezentat o adevarata explozie in ceea ce priveste dezvoltarea stiintelor biologice, a biologiei moleculare si a biofizicii. Aceste domenii au fost puternic influentate de inventarea si folosirea tehnologiilor moderne pentru vizualizarea elementelor, un rol esential avandu-l microscopul electronic. Un astfel de microscop a fost de un real ajutor, datorita puterii sale foarte mari de rezolutie, permitand analize care nu puteau fi facute cu ajutorul microscopului optic. In aceasta perioada incep sa apara domenii noi, ca microscopia crio-electronica,  centrata pe studiul proteinelor din interiorul unei celule, organizarea filamentelor de actina (o proteina cu un diametru de 5,4 nm), din citoschelet (o structura subcelulara), sau complexele moleculare, asa cum sunt,de exemplu, porii nucleari.

Mai devreme, in anii ’30 ai secolului trecut, directorul stiintific al institutului german “Siemens” (specializat in inalte tehnologii), Reinhold Rudenberg, isi dorea cercetarea virusului poliomielitei, care facea ravagii in epoca respectiva, si care ii afectase inclusiv un membru al familiei. Bazandu-se pe doua mari nume ale cercetarii acelor vremuri, Max Knoll si Ernst Ruska, cei de la Siemens incep cautarile pentru inventarea primului microscop electronic. Fratele lui Rudenberg, Helmut, asigura esantioanele care puteau fi studiate cu ajutorul unui asemenea microscop. Cand intreaga echipa a convenit asupra unei solutii viabile in privinta structurii microscopului, in anul 1933, primul instrument de acest fel incepe sa fie produs in serie, pentru comercializare.

Microscopul electronic functioneaza pe principiul ca lungimea de unda a electronului este semnificativ mai mica decat cea a luminii vizibile, multe obiecte foarte mici putand fi marite si observate. Electronii au viteza accelerata intr-un vacuum (vid), pana cand lungimea lor de unda devine foarte scurta. Fascicule de astfel de electroni in miscare sunt concentrate pe un specimen de analizat si sunt absorbite sau disparate de catre parti din celule, pentru a forma o imagine pe o suprafata fotografica, electro-senzitiva. Testarea limitelor microscopului electronic se face prin vizualizarea obiectelor care au dimensiunea unui atom, majoritatea acestor dispozitive avand capacitatea de a “vedea” pana la dimensiuni de 10 angstroms (o putere incredibila, care permite cercetatorilor sa faca distinctia intre molecule individuale si cele cu importanta biologica). Microscopul electronic poate mari elementele de analizat de pana la un milion de ori. Singurul dezavantaj al acestui dispozitiv este acela ca niciun specimen viu nu poate supravietui in vacuum mult timp, motiv pentru care, cu ajutorul sau, nu pot fi observate celulele in miscare, cu schimbarile lor caracteristice.

Microscopul optic versus microscopul electronic

Prin folosirea unui instrument de dimensiunea palmei sale, Anton van Leeuwenhoek, in secolul al XVII-lea, a reusit sa studieze miscarile organismeor unicelulare. Descendentii moderni ai microscopului optic, inventat de van Leeuwenhoek, sunt instrumente de mari dimensiuni, care pot ajunge pana la cativa metri inaltime si continua sa fie indispensabili in domeniul biologiei celulare, pentru ca, spre deosebire de microscopul electronic, cu ajutorul celui optic pot fi vizualizate si specimene vii. Provocarea majora a celor care se ocupa de fabricarea microscopului optic a fost, inca de la inceput, cresterea contrastului dintre celule si mediul inconjurator al acestora, pentru ca structurile celulare si miscarile lor sa fie observate mai usor. Pentru a realiza acest lucru, inventatorii au folosit dispozitive ingenioase – camere video, lumina polarizata, computere digitale, dar si alte tehnici, care au facut ca microscopul optic sa ramana mereu in atentia cercetatorilor.

Fizicianul de origine germana, Manfred von Ardenne, patenteaza, in anii ’30, primul microscop electronic de scanare (SEM – Scanning Electron Microscope), bazandu-se pe modelul microscopului lui Reinhold Rudenberg, dar folosind fascicule de particule pentru scanarea suprafetei de vizualizare. Aceasta modalitate a permis obtinerea unei imagini mai clare, chiar daca incomplete, a esantionului sub observatie.

Compania Siemens a fost atat de impresionata de munca lui Rudenberg si a echipei sale, incat patenteaza modelul acestora si fabrica primul astfel de microscop, in scopuri comerciale, in anul 1939. Un an mai devreme, Eli Burton, profesor la Univesitatea din Toronto, inventeaza primul model practic al microscopului electronic, chiar daca acesta nu a fost niciodata destinat producerii pe scara larga, ci a fost utilizat, cu precadere, in laboratoarele de cercetare biologica, pana in anul 1971. Cercetatorii foloseau acest instrument pentru studierea diviziunii celulelor canceroase, studii care au facut posibila tratarea (macar partiala) a unei asemenea boli. Alti cercetatori, din alte domenii, au folosit dispozitivul pentru studierea compozitiei otelului iradiat si a relatiei sale cu comportamentul combustibililor.

In anul 1986, lui Ernst Ruska ii este acordat (pe jumatate) Premiul Nobel pentru fizica, pentru contributiile sale aduse stiintei si, implicit, pentru inventarea microscopului electronic, cealalta jumatate fiind impartita intre Heinrich Rohrer si Gerd Binnig, pentru dezvoltarea, in anii ’60, a microscopului de scanare tunelara (Scanning Tunneling Microscope), un dispozitiv diferit de cel inventat de italianul Ardenne, care asigura imagini 3D ale obiectelor metalice, extrem de utile in studierea texturii suprafetelor.