ANTONJ VAN LEEUWENHOEK Oče mikrobiologije Valentina Stanić Ljubljana, junij 2014
VSEBINA KDO JE BIL ANTONJ VAN LEEUWENHOEK?...2 MAJHNE LEČE...4 ENOJNA LEČA (sfera)...4 LEEUWENHOEKOVE LEČE...4 BRUŠENJE...5 PIHANJE...5 VLEČENJE...6 MAJHNI MIKROSKOPI...7 SESTAVNI DELI...7 FOKUS...8 ILUMINACIJA...9 VZORCI IN ODKRITJA...10 REPLIKE VAN LEEUWENHOEKOVEGA MIKROSKOPA...12 ZANIMIVOSTI...13 VIRI...14 1
KDO JE BIL ANTONJ VAN LEEUWENHOEK? Antonj Philips van Leeuwenhoek je bil nizozemski trgovec in znanstvenik, rojen 24. oktobra 1632 v Delftu. Znan je po svojih odkritjih in izboljšavi mikroskopa, pa tudi zaradi svojega dela na področju mikrobiologije. Pri šestnajstih letih je postal vajenec v suknarski delavnici v Amsterdamu, kjer se je priučil svojega poklica. Leta 1654 se je vrnil v Delft, kjer je postal uspešen trgovec z draperijo ter odprl svojo trgovino. Ustvaril si je tudi ime v (občinski) politiki. Leta 1668 je obiskal London, kjer se je (verjetno) seznanil Slika 1: znanstvenikov portret s Hookeovo knjigo Micrographia. Čeprav je že prej izdeloval preproste povečevalne leče, ga je to delo spodbudilo k izdelovanju mikroskopov in opazovanju drobnih organizmov. Že med vodenjem svoje trgovine, se je Leeuwenhoek začel zanimati za izdelovanje leč, kasneje pa še za izdelovanje mikroskopov. Vse skupaj je izbrusil okoli 500 optičnih leč in izdelal (oz. imel) več kot 400 različnih mikroskopov, od katerih jih danes obstaja samo še 9. Van Leeuwenhoek je s svojimi mikroskopi opazoval različne vzorce. Bil prvi, ki je opazoval in opisal enocelične organizme, ki jih je poimenoval»animalcules«(majhne živali). Danes so te»majhne živali«znane kot mikroorganizmi. Bil je tudi prvi, ki je opazoval mišična vlakna, bakterijo, spermij in pretok krvi v kapilarah (bil je prvi, ki je ta opazovanja zabeležil). Antonj je svoja opazovanja opisoval v pismih, ki jih je pošiljal Kraljevi družbi (Royal Society je Londonska kraljeva družba za izboljšanje naravne vednosti). 2
Pisma je opremil tudi s skicami videnega. Skice je izdeloval najeti risar po njegovih opisih. Leta 1680 je bil izvoljen za člana Kraljeve družbe. Vse skupaj je poslal okoli 560 pisem. Do konca stoletja, je postal, na račun pisem,»slaven«. Obiskovali so ga vladarji in učenjaki, kot so Gottfried Wilhelm Leibniz, Viljem III. Oranski, Peter Veliki in drugi, ki so želeli videti njegove naprave. Vendar Leeuwenhoek ni želel nobenemu razkriti svojih tehnik izdelovanja leč in mikroskopov, ker se je bal, da bi ga ljudje pozabili, če bi se še drugi začeli ukvarjati z mikroskopijo. Zato je gostom pokazal le par manj kvalitetnih mikroskopov, da so ljudje mislili, da je izdelava zelo težavna. Leeuwenhoek je trpel za redko boleznijo nekontrolirani premiki prepone. Ta bolezen je sedaj znana kot Van Leeuwenhoekova bolezen. Tudi ko je umiral, je nadaljeval s pisanjem pisem Kraljevi družbi. Zadnja pisma vsebujejo natančne opise njegove bolezni. Umrl je 26. avgusta 1723 pri starosti 90 let v Delftu. Slika 2: van Leeuwenhoekov podpis 3
MAJHNE LEČE Stanić, V.: Antonj van Leeuwenhoek, oče mikrobiologije Če se vrnemo na začetek zgodovine izdelovanja majhnih leč, vidimo, da so jih najprej uporabljali za očala. Naj opomnim, da sta Alhazen (arabski znanstvenik) in Roger Bacon (angleški učenjak) stoletja pred prvimi očali opisala leče. Dva do trikratna povečava je za očala zadostovala. Za očali so razvili teleskop. V prvi polovici 17. stoletja je Galileo za izdelavo močnega teleskopa uporabil dve leči: konveksen objektiv in konkaven okular. Ker so bili planeti, zvezde in lune daleč stran, je bilo boljše, da sta leči večji. Velja tudi, večji kot je razmik med lečama, manjša je kromatična aberacija. Prvi mikroskopi (npr. Galileov, leta 1609) so bili v bistvu majhni teleskopi s konkavno lečo na eni in konveksno lečo na drugi strani cevi. Kmalu so ugotovili, da je mikroskop boljši z dvema konveksnima lečama. Povečava je bila dvajset do tridesetkratna, vendar sta se pogosto pojavljali kromatična in sferična aberacija. Slika 3: Galileov mikroskop, 1609 ENOJNA LEČA (sfera) Če vzamemo dve plano-konveksni leči in ju postavimo skupaj na njuni ravni strani, dobimo sfero. Pri tem velja, večji kot je lok (večji krivinski kot), večja je povečava. Leeuwenhoek in drugi so odkrili, da ima manjša leča večji krivinski radij in s tem tudi večjo povečavo. Mikroskop s sferno lečo, ima večjo povečavo, kot mikroskop z dvojno lečo. Najmočnejši van Leeuwenhoekov mikroskop ima kar 266-kratno povečavo. Vendar je bila izdelava majhnih leč zelo težavna. Težavna je celo njihova uporaba. LEEUWENHOEKOVE LEČE Leeuwenhoek je izdeloval leče za svoje mikroskope. Izdelal je toliko mikroskopov, da lahko sklepamo, da je za vsak vzorec, ki ga je opazoval, izdelal svoj mikroskop. V povprečju je izdelal skoraj en mikroskop na mesec v obdobju 50 let svojega raziskovanja. Manj močne leče, oz. leče z manjšo povečavo, so bile po navadi bolj učinkovite. 4
Veliko njegovih ročno zdelanih sferičnih leč je ohranjenih še danes. Večina jih je manjših od 3 mm. Najboljša (torej najmanjša) leča ima premer manjši kot 1,5 mm. Leče so bile izdelane iz standardnega beneškega stekla iz takratnega časa. Leče so imele veliko napak, ki bi lahko popačile njegova opazovanja. Pri izdelavi leč je Leeuwenhoek uporabljal tri metode: brušenje, pihanje in vlečenje. BRUŠENJE Brušenje je tradicionalen način izdelovanja majhnih leč. Leeuwenhoekova tehnika je temeljila na večstoletni tehniki brušenja leč za očala. Poteka tako, da se vzame model, ki je obložen z zelo tankim materialom in se po njem zbrusi košček stekla. Nato se steklo spolira. Leeuwenhoek je za izdelavo vijakov za leče (in mikroskope) uporabljal prožno stružnico. Stružnica na nožni pogon je nežno obrnila model okoli stekelca. Vse njegove ohranjene sferične leče, razen ene, so brušene. Slika 4: Brušenje leče PIHANJE Tudi ta tehnika izdelovanja leč je bila priljubljena v Leeuwenhoekovem času. Potekala je tako, da so kapljico vročega stekla oblikovali na koncu napihanega koščka stekla. Take leče so bikonveksne (ravne na eni strani in zakrivljene na drugi). Nobena od ohranjenih Leeuwenhoekovih leč ni bikonveksna, vendar je v pismih opisoval, kako je izdeloval leče s tehniko pihanja. Slika 5: prikaz tehnike pihanja 5
VLEČENJE V delu Michrographia (1665) je Hooke opisal tretjo metodo: kako iz steklenih nitk narediti lečo. Tehniko vlečenja je van Leeuwenhoek izvajal tako, da je vzel majhno stekleno palico in jo postavil v vroč plamen. S tem je uspel spraviti vroč del palice narazen v dve stekleni nitki. Nato je konec ene nitke ponovno vstavil v ogenj in s tem ustvaril majhno, kvalitetno stekleno kapljico - sfero. Te sfere so postale leče, ki jih je vstavil v mikroskop. Z najmanjšimi sferami je dosegel največjo povečavo. (Opomba: ker sfera visi na koncu nitke, lahko gravitacija povzroči rahlo ne sferično obliko kapljice. Vrtenje nitk pomaga, da je kapljica bolj sferične oblike.) Najboljša Leeuwenhoekova leča je bila izdelana iz stopljene kapljice. Ta metoda nam da sferične leče. V primerjavi s tehniko brušenja, s to metodo dobimo bolj gladke leče z manj prask. Slika 6: prikaz tehnike vlečenja 6
MAJHNI MIKROSKOPI Van Leeuwenhoekova odkritja so bila dobra, kot je bilo dobro njegovo orodje mikroskop z enojno lečo (sfero). Njegov mikroskop ni bil dostopen v trgovini, ampak ga je moral sam oblikovati in izdelati, vključno z vijaki in zakovicami. Njegovi mikroskopi so imeli okvir iz srebra ali bakra, v katerem je bila majhna, ročno izdelana leča. Vsak mikroskop je bil edinstven produkt. Pri izdelavi mikroskopa, se ni naslanjal na dizajn majhnega teleskopa od Galilea in Hookea, ampak je uporabil svoje geodetsko in obrtniško znanje. Kot geodet je poznal uporabnost manj močnega teleskopa za opazovanje oddaljenih predmetov, kot trgovec z blagom pa je poznal uporabnost manj močnega povečevalnega stekla za štetje nitk. Izdeloval je res majhne mikroskope (v primerjavi z današnjimi); njegov največji mikroskop je v dolžino meril približno pet centimetrov. Ni bilo potrebe po cevi, ki bi spreminjala pozicije številnih leč, saj je njegov mikroskop fokusiral s premikanjem vzorca. SESTAVNI DELI Leča (lens) Dve plošči (plates) Zakovice (rivets) Nosilec (bracket) Bucika (pin) z vrtljivo ročico Vijaki (screws) Slika 7: sestavni deli van Leeuwenhoekovega mikroskopa 7
Van Leeuwenhoek je namestil lečo med dve plošči, ki sta bili veliki kot dlan. Najdaljša ohranjena plošča je dolga 47 mm. Plošči sta bili zakovani skupaj in imeli ujemajoče luknje. Za ploščama se je nahajala bucika, na katero je bil pritrjen vzorec, ki je bil tako čisto blizu leče. Mikroskop je imel tudi vijake, ki so omogočali premikanje bucike skupaj z vzorcem: z enim je spreminjal fokus, z ostalima dvema pa je nadzoroval lego in oddaljenost vzorca od leče. Te dele ni moč zamenjati, ker so vsi ročno izdelani. Leeuwenhoek je za sestavne dele uporabljal medenino, baker, srebro, včasih tudi zlato. Kovina je bila mehka, zato so se vijaki po uporabi obrabili. To je eden izmed razlogov, zakaj je Leeuwenhoek izdelal toliko povečevalnih stekelc in mikroskopov. Bucika je bila primerna za suhe ali narezane vzorce, ne pa za tekočine, zato je Antonie zaprl tekočine v tanko stekleno cevko, ki pa je morala biti pripeta naravnost za lečo. Slika 8: van Leeuwenhoekov mikroskop Po razvoju tega dizajna, se ga je držal nadaljnjih 50 let in se posvečal izboljševanju leč. FOKUS Pri večini mikroskopov in teleskopov vzorec stoji pri miru, mi pa približujemo ali oddaljujemo lečo. Pri takih mikroskopih lahko opazujemo samo suh, raven, nepremičen vzorec; hkrati ne moremo videti zadnje strani vzorca, na da bi ga obrnili. Leeuwenhoek pa je pogosto opazoval tridimenzionalne objekte, ki so se premikali ali rotirali okoli osi, zato se mu je zdelo smiselno, da je leča pri miru, vzorec se pa premika. Manjša je leča, večja je povečava in hkrati tudi krajša goriščna razdalja (goriščna razdalja je razdalja med lečo in točko, kjer je objekt v popolnem fokusu). Goriščna razdalja sferične leče je malo večja kot njen radij, vendar veliko manjša od njenega premera. Pri Leeuwenhoekovih najmočnejših lečah je moral biti vzorec 9 mm stran od leče (za najčistejšo sliko). 8
ILUMINACIJA Van Leeuwenhoek je vedel, da mora rešiti problem osvetljevanja vzorca. Zato je za različne tipe vzorca uporabil drugačno osvetljevanje. Prozoren vzorec: Če je bil vzorec prozoren, je uporabil»prepustno«svetlobo več svetlobe od zadaj in večja odprtinica za opazovanje. Neprozoren, moten vzorec: Če je bil vzorec neprozoren, moten, je uporabil odbito svetlobo več svetlobe od strani in večja reža za opazovanje. Da je neprozoren vzorec osvetlil s strani, je (verjetno) spoliral bakreno ploščico na območju okoli leče. Lahko da je tudi postavil majhno zrcalce na bakreno ploščico, da je odbijalo svetlobo nazaj na vzorec. Za mikroskope je uporabil tudi srebro, ker je zloščeno srebro bolje odbijalo svetlobo nazaj na vzorec. Naredil je tudi nekaj zlatih mikroskopov, vendar se njihova izdelava ni splačala, ker zlato ni odbijalo svetlobo nič boljše kot baker. Nerazločen vzorec: take vzorce je opazoval tako, da je povečal kontrast med vzorcem in temnim ozadjem. Skozi desetletja uporabe instrumenta je Leeuwenhoek našel metode za kompenzacijo prosojnosti in majhnega optičnega kontrasta njegovih vzorcev. Osvetljevanje vzorca s strani, medtem ko je instrument usmerjen proti temnemu ozadju, ustvari dober efekt razsvetlitve temnega polja (dark field illumination effect). Za lažjo predstavo: prah v sobi, ki v sončni svetlobi pleše po zraku, je viden, ko ga opazujemo s strani, v ozadju pa se nahaja nekaj temnejšega. Kar pa se tiče aberacije, je van Leeuwenhoek naredil mikroskop tako, da ni imel večjih težav s sferično aberacijo reža za opazovanje je bila manjša kot leča. Ker je bilo oko tako blizu leče, so bile meje kromatične aberacije (barvna napaka) na robu vidnega polja (očesa). Slika 9: replika van Leeuwenhoekovega mikroskopa 9
VZORCI IN ODKRITJA Stanić, V.: Antonj van Leeuwenhoek, oče mikrobiologije Van Leeuwenhoek je proučeval različne vzorce od živih tkiv, bakterij do rastlin. S svojo metodo opazovanja je imel na področju mikroskopov in njihove uporabe veliko prednost pred drugimi znanstveniki. Vse kar je raziskoval je skrbno zapisal in rezultate delil tudi z drugimi, npr. z angleško Kraljevo družbo. S takim načinom dela, se je zapisal v zgodovino kot eden izmed prvih in najpomembnejših raziskovalcev na mikroskopskem področju. Bil je tudi eden izmed prvih na svetu, ki je raziskal celico. Van Leeuwenhoek je imel ogromno zbirko mikroskopskih skic in vzorcev, na katero je bil zelo ponosen. Organizirana je bila glede na vrsto skic: Žita in njihova semena (ječmenovo seme in njegova korenina, pšenica, rž, oves, fižolovo in grahovo seme) Semena sadja (semena od hruške, jabolka, delček ožilja hruškovega drevesa) Kokos (kokosov oreh, kokosova lupina, lupina kokosovega drevesa) Svinjski možgani (ožilje in vlakna svinjskim možganov) Tetive in kite (tetive in kite od miši, čebele, vola, bolhe, ovce, ostrige; noge od mušice, muhe in čebele) Razmnoževanje ovc (ovnovi testisi in sperma, ovčja maternica) Ribe (mišica od polenovke, krapova luska) Živalske dlake, koža in meso (dlake od miši, medveda, človeka, srne; koža in maščoba na koži s človeške roke in nosa; meso in krvne žile od čebele, muhe in mravlje; kitovo meso, meso od krave, kokoši in miši) Krave (kravje meso, živec in hrbtenjača) Soli (soli v korenini vinske trte) Opomba: seznam ni točno tak, kot ga je imel van Leeuwenhoek, ampak je moderniziran in malce preurejen Leeuwenhoekova glavna odkritja so: Protisi (eno ali večcelični organizmi, ki niso živali, rastline ali glive) leta 1674 Bakterija (npr. large Selenomonads, ki se nahajajo v človeških ustih) leta 1676 Celična vakuola Spermij leta 1677 Vzorec mišičnih vlaken leta 1682 10
Slika 10: skica kravje hrbtenjače Figura 1: vzdolžen prerez hrbtenjačnega živca Figura 2: prerez hrbtenjače, ki prikazuje 5 snopov živcev ter maščobo, ki jih obdaja Figura 3: prerez hrbtenjačnega živca Figura 4: prerez hrbtenjačnega živca, ki prikazuje votlo luknjo v centru Figura 5: prerez hrbtenjačnega živca, ki prikazuje delno zaprto votlo luknjo Slika 11: skica dlak od: 1 miši 2 miši (najdebelejša dlaka) 3 miši (najtanjša dlaka) 4 zahodnoindijskega medveda 5 človeka 6 srne Slika 12: skica ovčje tetive in kite od ostrige Figura 1: ovčja tetiva Figura 2: ovčja tetiva z vijačno spiralo Figura 3: kita od ostrige, ki odpira in zapira njeno lupino 11
Slika 13: skica kokosovega oreha in kokosove lupine Figura 1: prerez kokosovega oreha Figura 2: prerez kokosovega oreha Figura 3: prerez, ki prikazuje notranjost trde lupine REPLIKE VAN LEEUWENHOEKOVEGA MIKROSKOPA Veliko ljudi se navdušuje nad van Leeuwenhoekovimi mikroskopi in jih skušajo poustvariti. Seveda svoj model malce preuredijo, in uporabijo drugačne materiale, sodobne sestavne dele itd. Nekaj jih je svoje izdelke in tudi sam postopek izdelave objavilo na spletu. Na spletnem naslovu: http://www.funsci.com/fun3_en/antoni/vlen.htm je gospod Giorgio Carboni opisal celoten postopek izdelave van Leeuwenhoekovega mikroskopa vključno z izdelavo leče uporabil je metodo vlečenja. Slika 14: set slik doma izdelanega van Leeuwenhoekovega mikroskopa 12
ZANIMIVOSTI o Črkovanje van Leeuwenhoekovega imena ima veliko različic. Krščeni je bil kot Thonis, ampak se je vedno podpisoval kot Antonj. Do leta 1683 je podpisoval pisma kot Antonj Leeuwenhoeck. Nato je nekaj časa eksperimentiral z različnimi variantami svojega imena in se po letu 1685 podpisoval z najbolj prepoznavno različico svojega priimka: Leeuwenhoek. o Leta 1687 je poročal o svoji raziskavi kavnega zrna. Zrno je popražil, ga razrezal na tanke rezine in videl njegovo spužvasto notranjost. Seme je tudi stisnil in pojavilo se je olje. Kavo je celo dvakrat zavrel z deževnico in jo verjetno tudi popil. o Podobno kot Robert Boyle in Nicolaas Hartsoeker se je van Leeuwenhoek zanimal za posušeno košeniljko (je žuželka iz katere izhaja škrlatna barva karmin za barvanje). Poskušal je ugotoviti če barva prihaja iz samega insekta. o Leeuwenhoek je bil pripadnik kalvinistov. Velikokrat je izrazil spoštovanje do čudes, ki jih je Bog ustvaril in naredil tako izjemna in majhna bitja. Verjel je, da so bila njegova osupljiva odkritja le dokaz Božje stvaritve. o Leeuwenhoekovo odkritje, da se majhni organizmi razmnožujejo podobno kot veliki, je izzivalo takratno prepričanje, splošno razširjeno med znanstveno skupnost sedemnajstega stoletja, da so majhni organizmi ustvarjeni spontano. 13
VIRI http://en.wikipedia.org/wiki/antonie_van_leeuwenhoek http://tolearn.net/riccistreet/avl/lenses.htm http://lensonleeuwenhoek.net/ http://www.funsci.com/fun3_en/antoni/vlen.htm http://www.history.org/foundation/journal/autumn06/images/eyes48tr_flat- SHAD.jpg http://www.history-of-the-microscope.org/images/galileo-microscope-sml1.jpg 14