Научный обозреватель Коди Кэссиди из издания Wired пишет о нидерландском продавце тканей Антони ван Левенгуке, который создал самую мощную на тот момент линзу и стал первым человеком, увидевшим микроорганизмы. До сих пор точно не известно, как Левенгук добился такой точности обработки линз. Статья опубликована в переводе Naked Science.
7 сентября 1674 года нидерландский суконщик Антони ван Левенгук из южного предместья Гааги сообщил Лондонскому королевскому обществу о своем удивительном открытии. Изучая водоросли из ближайшего озера с помощью самодельного микроскопа, в поле зрения ему попало существо «с зелеными блестящими чешуйками», размер которого, по его предположениям, был в тысячу раз меньше размера клеща.
9 октября 1676 года Левенгук сообщил о новых наблюдениях. В своих исследованиях он находил крошечных организмов, которые назвал «мелкими животными».
Левенгук находил их в теле других существ, в своей пище, у себя во рту и во ртах других людей. У обладателя гнилых зубов попросил образец зубного налета, поместил его под линзу и обнаружил «невообразимо большое число мелких животных», движущихся «так проворно, что все целое казалось живым». После беспокойного вечера, в котором Левенгук винил жирную говядину горячего копчения, исследовал под увеличительным стеклом собственный стул и увидел в нем мелких животных, которые были «немного больше в длину, чем в ширину, а их живот, имеющий плоскую форму, имел несколько маленьких лапок» — это четкое описание того, что мы теперь знаем как паразитическую лямблию.
Открыв микроорганизмов, Левенгук совершил первостепенное открытие, имеющее огромное значение как для медицины, так и для общего понимания жизни.
Микроорганизмы — вторая по распространенности форма жизни на Земле. Два типа микробов, простейшие и бактерии, описанные Левенгуком, по некоторым оценкам, ответственны за более чем половину смертей всех когда-либо живших людей. До наблюдений голландца существование микроорганизмов лишь предполагалось и не было доказано. Левенгук ничего не знал о роли «мелких животных», но его исследование заложило основы микробной теории, ставшей величайшим прорывом в истории медицины. Удивительно, что это монументальное открытие совершил не какой-нибудь великий ученый XVII века, а малоизвестный, замкнутый одержимый самоучка, своими руками изготовивший линзу в десять раз более мощную, чем все, что было сделано до него. Это достижение останется непревзойденным еще полтора столетия.
Более 350 лет ученые изучают тайны микромира, открытого Левенгуком, но остаётся одна загадка: как ему это удалось? Мастер лавки, работая только в свободное время, создал микроскопическую линзу, превосходящую по мощности все предыдущие.
Левенгук описывал свои микроскопические наблюдения в деталях, но скрывал процесс изготовления прибора. Отвечая на вопросы о нём, Левенгук либо уклонялся от ответа, либо давал расплывчатые объяснения. Благодаря открытиям он стал столь знаменит, что английский король просил показать ему микроскопических животных, а Петр Первый специально останавливался в Делфте, чтобы увидеть его линзы, однако голландец никому не раскрывал своих секретов.
Левенгук изготовил более пятисот микроскопов, но до наших дней сохранилось лишь одиннадцать, и только один из них обладает двадцати семикратным увеличением. Именно этот микроскоп Левенгук использовал при совершении своего величайшего открытия. Линза зажата между латунными пластинами, и для определения способа ее изготовления потребуется разобрать микроскоп. Это было бы равносильно соскабливанию красок с «Мony Лизы», чтобы восстановить последовательность мазков кисти Леонардо.
Большинство современников Левенгука думали, что он изобрел новый способ изготовления стеклянных изделий. Клиффорд Добелл, написавший в 1960 году биографию «Антони ван Левенгук и его мелкие животные», считал, что голландец создавал лучшие линзы, просто шлифуя и полируя их более тщательно, чем другие мастера. Однако на протяжении трёх столетий никто не мог утверждать это точно.
В конце двадцатых годов Тимен Коквийт заинтересовался работами Левенгука после знакомства с его микроскопом, который хранился в подвале Университетского музея Утрехта. «Как эта призма помогает постичь мир мельчайших?» — задал себе вопрос Коквийт.
Коквийт руководит Национальным музеем Бургаве в Лейдене, где выставлены ранние оптические инструменты, в том числе несколько микроскопов.
Его исследования посвящены истокам европейской революции в области оптики, во время которой произошел переход от простых луп к большим телескопам Галилея и Христиана Гюйгенса. По мнению Коквийта, этой революцией предшествовали успехи итальянцев в производстве сверхпрозрачного стекла.
В Zoom Коквийт демонстрирует мне копию микроскопа Левенгука. Оно действительно напоминает игрушку, точнее, игрушечное ручное зеркало. Высота его около трех дюймов, с тонкой ручкой, ведущей к прямоугольной латунной пластине. Линза расположена под крохотным отверстием в центре пластины, а на тыльной стороне установлен штифт для удержания образцов, который связан с набором винтов для регулировки фокуса.
Коквийт, изучая открытую часть увеличительного стекла, посчитал, что столь гладкая поверхность могла возникнуть только из-за действия тепла. Подобно многим современникам Левенгука, он предположил, что голландцу удалось изобрести новую технологию выдувания. Однако, не имея возможности взглянуть внутрь, ему оставалось лишь догадываться.
Он рассчитывал на получение окончательного ответа с помощью ядерного реактора.
В простейшем случае линза представляет собой изогнутый участок прозрачного материала, обычно стекла. Свет, проходящий сквозь такое стекло, замедляется и его путь искривляется — лучи преломляются. В зависимости от конструкции линзы могут преломлять свет по-разному, но линзы, которые использовал Левенгук, имели сферическую форму. Это двояковыпуклые линзы, направляющие свет в одну точку — фокус. «По сути, такая линза служит световой воронкой», — говорит Стив Рузин, куратор коллекции старинных микроскопов Голуба в Калифорнийском университете в Беркли. Если поместить глаз в узкий конец воронки, через зрачок пройдет большое количество света.
Два следствия вытекают из этого. Во-первых, чем больше света попадает в глаз, тем больше деталей воспринимает зрение. Во-вторых, когда весь световой поток, падающий на линзу, сужается до ширины зрачка, изображение занимает всё поле зрения. Объект, который прежде проецировался на сетчатку как незаметная точка, приобретает формат Imax.
Не все сферические линзы увеличивают одинаково. Большая линза с плавным изгибом лишь слегка преломляет свет и делает изображение немного крупнее. Маленькая линза с резким изгибом сильнее преломляет лучи, значительно увеличивая картинку. В XVII веке сферические линзы средней мощности имели размер горошин. Лучшие объективы Левенгука были в шесть с лишним раз меньше. При таком диаметре их изготовление становится исключительно сложным. Самый мелкий производственный дефект — пузырь, потертость или царапина — может привести к аберрации. Большие, не столь мощные линзы гораздо менее капризны. Их делать просто, и их находят среди артефактов древнейших цивилизаций. Самая ранняя известная линза ручной работы — кусочек измельченного горного хрусталя с трехкратным увеличением, который археологи обнаружили в ассирийском дворце почти трехтысячелетней давности. Поскольку стекло нередко встречается в природе, способность увеличивать, вероятно, была открыта в разных регионах много раз на протяжении истории.
Эти линзы были ненамного мощнее обычных очков для чтения. Только к началу 1590-х годов нидерландский мастер Ханс Янссен создал микроскоп с девятикратным увеличением. У Янссена появились ученики, а Галилей даже модифицировал свой телескоп, превратив его в микроскоп, где, по свидетельству очевидца, «мухи казались размером с ягненка».
В 1665 году Роберт Гук издал бестселлер «Микрография», содержащий замечания, пояснения, иллюстрации и инструкции по изготовлению линз. Гук писал: «Держите стеклянный волосок над пламенем, пока не образуется шарик, который будет висеть на конце нити». Отломите эту бусину, и у вас получится сферическая лупа.
Несмотря на гениальность Галилея и Гука, ни один из них не смог создать линзы, равные по мощности линзам Левенгука. «Левенгук,» — утверждает Коквийт, — «использовал технологию, которая к 1660-м годам не прогрессировала, но достиг наилучших результатов».
Он выбрал иной путь, чем Гук и Галилей, которые применяли несколько последовательно расположенных линз в микроскопе. Такая конструкция популярна в современных устройствах, но для увеличения без искажений требуется исключительная точность подгонки линз.
Гук понимал слабость такого построения, но всё же продолжал использовать несколько объективов, частично из-за простоты их применения. Большой линзы обладают малым фокусным расстоянием, поэтому при наблюдении через одну линзу приходится располагать глаз очень близко к ней, что мешает моргать. Гук писал, что считает однолинзовые микроскопы «оскорбительными для глаза». Рузин признавался автору этих строк, что в одном из сохранившихся устройств Левенгука смотреть «ужасно неудобно».
Микроскоп Левенгука, возможно, был неудобен в использовании, но всё равно стал замечательным достижением, а его достоинство не только в сверхмощных линзах. Поскольку устройство было портативным, образец можно было подсветить, держа его против солнечного света или огня, тогда как настольные микроскопы современников могли освещаться только сверху. Освещение сверху подходит для непрозрачных объектов, например, жала пчелы, но не для воды или других подобных субстанций, где видны микроорганизмы. Чтобы рассмотреть жидкости, Левенгук наполнял ими небольшую стеклянную капсулу, приклеивал её к игле микроскопа и подносил прибор к свету.
Левенгук, пятый сын корзинщика, родился в Делфте — портовом городке Южной Голландии, славившемся живописными каналами, гончарным производством и пивом. В шестнадцать лет отправился учиться на продавца галантерейных товаров в Амстердам, через шесть лет вернулся домой, женился на дочери местного пивовара и открыл магазин тканей.
К тридцати годам он стал успешным предпринимателем, но пережил личную трагедию. Из пяти детей, родившихся у него и его жены Барбары за двенадцать лет брака, четверо умерли в младенчестве; затем скончалась Барбара. О первом десятилетии его жизни в Делфте сохранилось не так много подробностей, но известно, что помимо управления магазином он перебивался случайными заработками, в том числе работал главным сторожем в местном суде. Работа городским землемером проясняет истоки научного потенциала Левенгука, это доказывает, что ему были знакомы геометрические знания.
Примерно в 35 лет Левенгук увлекся линзами. Что именно его к этому подтолкнуло, неизвестно. О своих побуждениях он никогда не писал. Предполагают, что он начал использовать увеличительные стекла для проверки качества своих тканей. Или же проникся всеобщим интересом к микроскопам после публикации «Микрографии» Гука. Левенгук в своих письмах не упоминает эту книгу, но ясно, что читал её: некоторые его эксперименты слишком точно повторяют опыты Гука, чтобы это было совпадением. Как бы то ни было, к 1668 году Левенгук занялся микроскопией с необычайным усердием. Путешествуя по Англии, он увидел белые скалы Дувра и счел необходимым рассмотреть их меловые склоны под своим объективом: «Я заметил, что мел состоит из очень мелких прозрачных частиц; и эти прозрачные частицы, лежащие одна на другой, и есть, как мне кажется, причина того, что мел белый».
К 1673 году, будучи никому неизвестным, Левенгук изготавливал самые мощные в мире линзы. Открытие микроорганизмов могло бы остаться лишь удовлетворением личного любопытства, если бы не делфтский врач Ренье де Граф.
Де Граф прославился опытами по определению функций органов с помощью красителей. В 1673 году он представил Левенгука Королевскому обществу со вступительной запиской, где назвал его «очень изобретательным человеком… сконструировавшим микроскопы, которые превосходят всё ранее виденное». После этого Левенгук описал строение тела вши в своём характерном точном, но сумбурном стиле, который, по словам одного биографа, «отличался определенным деловым формализмом при почти полном отсутствии связности». В течение следующего года Левенгук направил Королевскому обществу ещё пять писем с интересными, но не очень важными наблюдениями о глобулах в молоке и структуре ногтей. Затем, 7 сентября 1674 года, он отправил послание, сообщающее о потрясающем открытии: в обычной капле воды из пруда он увидел блестящих существ, в тысячу раз меньших, чем любое известное животное.
Секретарь Королевского общества Генри Ольденбург ответил Левенгуку: «Данные и последующие явления кажутся настолько необычными, что автору желательно познакомить нас своими методами наблюдения, чтобы другие могли подтвердить истинность подобных явлений». Левенгук быстро ответил, представив свидетельские показания нескольких местных сановников, которые смотрели в его микроскоп, но отказался раскрывать секреты своих методов. «Мой метод наблюдения за мельчайшими животными и крошечными угрями никому не передаю; как увидеть много мелких животных одновременно — тоже. Эти сведения я оставляю при себе», — написал он. Даже когда сам Гук, который выучился говорить по-голландски, чтобы общаться с Левенгуком напрямую, спросил о методах наблюдения, упрямый ученый отказался отвечать по причине, как позже писал Гук, «известной только ему одному».
Через три года после неудачных попыток других исследователей Гуку удалось воспроизвести эксперимент Левенгука с достаточной точностью для подтверждения его наблюдений на собрании Королевского общества.
В 2018 году Коквийт и его команда решили изучить без разбора 350-летнего микроскопа Левенгука, при помощи ядерного реактора.
Нейтронная томография – это метод сканирования, использующий нейтроны, образующиеся при столкновении атомов. Пучок нейтронов проникает вглубь металлов, но ослабляется самыми легкими материалами, включая стекло. Датчики, установленные за объектом, регистрируют нейтроны и формируют изображение внутренней структуры предмета. С помощью такого сканирования в свое время обнаружили динозавра в брюхе другого динозавра и остатки льда в марсианских метеоритах.
В Делфте, городе рождения Левенгука, на ядерном реакторе установили нейтронный томограф. Коквийт применил его для изучения линз знаменитого голландца. Сначала он поместил перед сканером точную копию микроскопа Левенгука — чтобы убедиться в отсутствии радиоактивности артефакта на тысячу лет вперёд. Затем, просканировав несколько не самых мощных микроскопов изобретателя, выяснилось, что их стекла имеют твердые края и чечевичную форму. «Это типичный вид шлифованных линз», — говорит Коквийт.
Изучение самой мощной линзы показало, что Левенгук применил иной способ изготовления. Стекло имело почти совершенную сферическую форму и была абсолютно гладкой без резкого края, свойственного традиционному шлифованию кругом. Более красноречиво свидетельство этому — остатки поломанного стержня, скрытого под медными пластинами.
Это следствие изготовления линзы путем плавления стеклянной нити. На её конце образуется бусинка, которую отламывают. Чтобы сделать лучший микроскоп, Левенгук использовал простой рецепт Гука из книги, которая его вдохновила. Коквийт считает, что именно поэтому Левенгук был так осмотрителен, когда его спрашивали о методах; он не хотел делиться славой с Гуком.
Сообщение Коквийта, опубликованное журналом Science Advances годом ранее, о том, что Левенгук применял распространённую технологию, расширяет наше понимание микроскопии XVII века. Оно говорит о том, что при всей гениальности Левенгука, понадобившейся ему для создания малого сверхмощного микроскопа, его величайшее прозрение заключалось в возможности увидеть с помощью него принципиально новое.
Современный читатель считает это понятным и очевидным. Какой ученый откажется увидеть объект своего исследования во всех подробностях? До Левенгука большинство микроскопистов применяли линзы лишь для получения более точных сведений о видимом мире, то есть о том, что можно было увидеть невооруженным глазом. Их зарисовки пчелиных жал и муравьиных лапок сохраняют сходство с уже знакомыми образами. Если бы использовали мощные линзы Левенгука, их картинки было бы невозможно узнать.
Левенгук не знал, что найдет крошечных существ, напоминающих инопланетян, но его увлечение заставило его выйти за рамки видимого мира и открыть огромный мир микроорганизмов, обитающих рядом с нами и внутри нас.
В подготовке текста участвовал Степан Задорожный. Текст представлен в сокращенном виде. Источник: журнал Wired.