Научный обозреватель Коди Кэссиди в издании Wired рассказывает о скромном нидерландском продавце тканей Антони ван Левенгуке, который изготовил самую мощную линзу своего времени и стал первым на свете человеком, увидевшим микроорганизмы. До сих пор не совсем понятно, как Левенгук добился такой точности обработки линз. Статья публикуется в переводе Naked Science.
Седьмого сентября 1674 года нидерландский суконщик Антони ван Левенгук, житель южного предместья Гааги, ворвался в широкие научные круги с посланием Лондонскому королевскому обществу, где подробно описал удивительное открытие. Исследуя водоросли из близлежащего озера при помощи самодельного микроскопа, он заметил в поле своего зрения существо «с зелеными блестящими чешуйками», которое, по его оценке, было в тысячу раз меньше клеща.
Через два года, 9 октября 1676-го, Левенгук выступил еще с одним необычным сообщением, которое современные микробиологи называют просто «Письмо 18». Он повсюду искал и обнаруживал то, что назвал «мелкими животными».
Левенгук находил их в чреве других существ, в своей пище, у себя во рту и во ртах других людей. У обладателя очень гнилых зубов он попросил образец зубного налета, поместил его под линзу и обнаружил «невообразимо большое число мелких животных», движущихся «так проворно, что все целое казалось живым». После одного беспокойного вечера, в котором Левенгук винил жирную говядину горячего копчения, он 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.
Таким образом Левенгук стал первым человеком, увидевшим микроорганизмы. Это было открытие первостепенной важности как для медицины, так и для нашего понимания жизни в целом.
Микроорганизмы — вторая по распространенности форма жизни на Земле. Два типа микробов, которые описал Левенгук, простейшие и бактерии, по некоторым оценкам, ответственны более чем за половину смертей всех когда-либо живших людей, но до наблюдений, проведенных голландцем, существование микроорганизмов лишь предполагалось и не было доказано. Конечно, Левенгук ничего не знал о той роли, которую играют «мелкие животные», однако именно его исследование заложило основы микробной теории, ставшей величайшим прорывом в истории медицины. Еще более удивительно, что это монументальное открытие совершил не какой-нибудь великий ученый XVII века, вроде Галилея или Исаака Ньютона, а малоизвестный, замкнутый, одержимый самоучка, своими руками изготовивший линзу в десять раз более мощную, чем все, что были сделаны до него. Это достижение останется непревзойденным еще полтора столетия.
И хотя в течение последних 350 лет ученые постепенно познавали секреты микромира, открытого Левенгуком, одна загадка оставалась неразгаданной: как он это сделал? Каким образом лавочник, работая только в свободное время, создал микроскопическую линзу, которая на порядок превосходила по мощности все предшествовавшие?
В подробных письмах Левенгук рассказывал почти обо всем, что видел в микроскоп, однако он старательно скрывал, как изготовил свой революционный прибор. Когда его спрашивали, он уклонялся от ответа или выражался очень туманно. Благодаря своим открытиям он настолько прославился, что сам король Англии просил показать мелких животных, а Петр Великий нарочно останавливался в Делфте, чтобы увидеть чудесные линзы, но голландец так и не раскрыл никому своих секретов.
Левенгук создал более 500 микроскопов, но только 11 сохранились до наших дней, и только один из них обладает 270-кратным увеличением, именно его Левенгук использовал, когда совершил свое величайшее открытие. Эта линза зажата между латунными пластинами, и чтобы определить способ ее изготовления, требуется разобрать микроскоп. Это было бы кощунством, равносильным соскабливанию красок с Моны Лизы, чтобы восстановить последовательность мазков кисти Леонардо.
Большинство современников Левенгука считали, что он изобрел новую технологию выдувания стекла. Клиффорд Добелл, в 1960 году опубликовавший блестящую биографию «Антони ван Левенгук и его мелкие животные», полагал, что голландец создавал свои лучшие линзы, просто шлифуя и полируя их тщательнее, чем другие мастера. Но в течение трех столетий никто не мог утверждать этого с уверенностью.
Тимен Коквийт заинтересовался секретами Левенгука в конце 2000-х, когда впервые увидел один из его микроскопов, впоследствии помещенный в подвал Университетского музея Утрехта. «Как эта игрушка помогает рассмотреть микромир?» — задумался Коквийт.
Коквийт — куратор Национального музея Бургаве в Лейдене (Нидерланды), где хранится коллекция ранних оптических инструментов, в том числе несколько микроскопов. Коквийт занимался в основном исследованиями истоков европейской революции в области оптических технологий, во время которой произошел резкий переход от простых луп к большим телескопам Галилея и Христиана Гюйгенса. (Эта революция была подготовлена, говорит Коквийт, успехами итальянцев в производстве сверхпрозрачного стекла.)
Через Zoom Коквийт показывает мне копию микроскопа Левенгука, и он действительно похож на игрушку, точнее на игрушечное ручное зеркало. Около трех дюймов в высоту, с тонкой ручкой, ведущей к прямоугольный латунной пластине. Линза находится под крохотным отверстием в центре пластины, а на тыльной стороне расположен штифт для удержания образцов, который соединен с набором винтов для регулировки фокуса.
Когда Коквийт впервые исследовал открытую часть увеличительного стекла, он решил, что такая гладкая поверхность могла быть создана только под действием тепла. Таким образом, как и многие современники Левенгука, он предполагал, что голландец изобрел новую технологию выдувания. Но, не имея возможности заглянуть внутрь, он мог лишь строить догадки.
Он надеялся, что окончательный ответ можно будет получить с помощью ядерного реактора.
В простейшем случае линза — не что иное, как изогнутый кусок прозрачного материала, обычно стекла. Когда свет проходит через такое стекло, он замедляется, его путь искривляется, то есть лучи преломляются. В зависимости от конструкции линза может преломлять свет по-разному, но линзы, которые использовал Левенгук, имели сферическую форму. Это двояковыпуклые линзы. Они направляют 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 вы поместите свой глаз в узкий конец воронки, через ваш зрачок пройдет огромное количество света.
Из этого вытекают два следствия. Во-первых, чем больше света попадет в глаз, тем больше деталей он может воспринять. Во-вторых, когда весь световой поток, попадающий на линзу, сужается до ширины зрачка, изображение занимает все поле зрения. Объект, который прежде проецировался на вашу сетчатку как незаметная точка, приобретает формат Imax.
Конечно, не все сферические линзы увеличивают одинаково. Большая линза с плавным изгибом лишь слегка преломляет проходящий через нее свет и делает изображение лишь немногим 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. Мельчайший производственный дефект — пузырь, потертость или царапина — может привести к чрезвычайно сильной 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. И поскольку стекло нередко встречается в природе, его способность увеличивать, вероятно, была открыта в разных регионах много раз на протяжении истории.
Однако эти линзы были не намного сильнее, чем типичные современные очки для чтения, пока в начале 1590-х годов нидерландский мастер Ханс Янссен не создал микроскоп с девятикратным увеличением. У Янссена появились последователи, даже Галилей модифицировал один из своих телескопов, превратив его в микроскоп, в котором, по словам очевидца, «мухи казались большими, как ягненок».
Микроскопы внедрились в общественное сознание всего за несколько лет до того, как Левенгук взглянул сквозь первую свою линзу: в 1665 году Роберт Гук опубликовал бестселлер «Микрография». В книгу вошли замечания, пояснения, иллюстрации и даже простые инструкции Гука, как самому сделать линзы. Держите стеклянный волосок над пламенем, пока не образуется шарик, «который будет висеть на конце нити», пишет Гук. Отломите эту бусину, и у вас получится сферическая лупа.
Но, несмотря на всю гениальность Галилея и Гука, ни один из них не смог сделать линзы, сравнимые по мощности с линзами Левенгука. «Левенгук, — говорит Коквийт, — использовал технологию, которая как-то не развивалась в 1660-х годах, и довел ее до наилучшего результата».
Он отказался идти по пути Гука и Галилея, которые использовали в микроскопе несколько линз, расположенных последовательно. Такая конструкция широко применяется в современных устройствах, но чтобы добиться эффекта увеличения без значительных искажений требуется исключительная точность подгонки. Пока эта проблема не была решена в начале XIX века, микроскопы с одной линзой, подобные микроскопу Левенгука, могли быть гораздо более качественными.
Гук отдавал себе отчет в таком недостатке своей конструкции, однако продолжал применять несколько объективов, отчасти из-за удобства их использования. Мощные линзы имеют малое фокусное расстояние, поэтому при наблюдении через одну линзу приходится располагать глаз очень близко к ней, так что становится трудно моргать. Гук писал, что считает однолинзовые микроскопы «оскорбительными для глаза». Рузин признавался автору этих строк, что в одно из сохранившихся устройств Левенгука смотреть «ужасно неудобно».
Микроскоп Левенгука, возможно, было неудобно использовать, но все равно он оказался блестящим достижением — и этот блеск относится не только к его сверхмощным линзам. Поскольку устройство было портативным, можно было подсветить образец, держа его против солнечного света или огня, тогда как настольные микроскопы современников могли освещаться только сверху. Освещение сверху подходит для непрозрачных объектов, таких как жало пчелы, но только не для воды или других подобных субстанций, где можно увидеть микроорганизмы. Чтобы рассмотреть жидкости, Левенгук наполнял ими небольшую стеклянную капсулу, приклеивал ее к игле микроскопа и подносил прибор к свету.
Левенгук был пятым сыном в семье корзинщика, родился он в Делфте — портовом городке в Южной Голландии, известном живописными каналами, гончарным производством и пивом. В 16 лет уехал учиться на продавца галантерейных товаров в Амстердам, через шесть лет вернулся домой, женился на дочери местного пивовара и купил магазин тканей.
К 30 годам он стал успешным предпринимателем, но пережил личную трагедию. Из пятерых детей, которые родились у него и его жены Барбары за 12 лет брака, четверо умерли в младенчестве; вскоре умерла Барбара. Сохранилось не так много подробностей о первом десятилетии его жизни в Делфте, 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 он был знаком с геометрией.
В возрасте примерно 35 лет он увлекся линзами. Что его к этому подтолкнуло, неизвестно. Он никогда об этом не писал. Предполагают, что он начал использовать увеличительные стекла для проверки качества своих тканей. Или, может быть, проникся всеобщим интересом к микроскопам после публикации «Микрографии» Гука. Ни в одном из своих писем Левенгук не упоминает об этой книге, но ясно, что он читал ее: некоторые его эксперименты слишком точно повторяют опыты Гука, чтобы это было совпадением. Но независимо от того, как Левенгук увлекся микроскопией, к 1668 году он занялся ею с необычайным усердием. Путешествуя в том же году 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, оставаясь никому неизвестным, он уже производил самые мощные в мире линзы. Возможно, Левенгук так и не получил бы признания, а открытие микроорганизмов послужило бы лишь удовлетворению личного любопытство этого человека, если бы не делфтский врач Ренье де Граф.
Де Граф стал известен благодаря своим опытам по использованию красителей с целью определения функций различных органов. В 1673 году он представил Левенгука Королевскому обществу с пояснительный запиской, в которой назвал его «очень изобретательным человеком… сконструировавшим микроскопы, которые намного превосходят всё, что мы до сих пор видели». После этого Левенгук описал строение тела вши в присущем ему точном, но сумбурном стиле, который, как отмечает один биограф, «отличался определенным деловым формализмом при почти полном отсутствии связности». В течение следующего года Левенгук написал в Королевское общество еще пять писем с интересными, но не особенно важными наблюдениями о глобулах в молоке и структуре ногтей. Затем, 7 сентября 1674 года, он отправил послание, в котором сообщил о потрясающем открытии: в обычной капле воды, взятой из пруда, он увидел блестящих существ, в тысячу раз меньших, чем любое известное животное.
Секретарь Королевского общества Генри Ольденбург ответил Левенгуку с понятной сдержанностью: «Это и некоторые далее описанные явления кажутся настолько необычными, что желательно автору познакомить нас со своими методами наблюдения, чтобы и другие могли подтвердить истинность подобных явлений». Левенгук быстро ответил, представив свидетельские показания нескольких местных сановников, которые смотрели в его микроскоп, однако отказался раскрыть секреты своих методов. «Мой метод наблюдения за мельчайшими животными и крошечными угрями я 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, как тот проводил свои наблюдения, упрямый ученый отказался отвечать по причине, как позже писал Гук, «известной только ему одному».
Три года спустя, после ряда неудачных попыток других исследователей, Гуку удалось наконец достаточно точно воспроизвести эксперимент Левенгука, чтобы подтвердить его наблюдения на собрании Королевского общества. Это прославило суконщика, но, несмотря на неоднократные расспросы, он так и унес свои секреты в могилу.
В 2018 году Коквийт и его команда решили раскрыть их, не разбирая 350-летний микроскоп Левенгука. Помог в этом ядерный реактор.
Нейтронная томография — это метод сканирования с помощью нейтронов, которые генерируются при столкновении атомов. Пучок нейтронов проникает вглубь металлов, но ослабляется самыми легкими материалами, в том числе стеклом. Датчики, расположенные за объектом, регистрируют нейтроны и создают изображение внутренней структуры предмета. В свое время при помощи такого сканирования был обнаружен динозавр в брюхе другого динозавра и остатки льда в марсианских метеоритах.
На ядерном реакторе в Делфте, родном городе Левенгука, недавно был установлен нейтронный томограф, и Коквийт использовал его для исследования линз знаменитого голландца. Сперва он поместил перед нейтронным сканером точную копию микроскопа Левенгука — чтобы убедиться, что бесценный научный артефакт не станет радиоактивным на следующую тысячу лет. Когда затем он просканировал несколько не самых мощных микроскопов голландского изобретателя, оказалось, что их стекла имеют твердые края и чечевичную форму. «Именно так обычно и выглядят шлифованные линзы», — говорит Коквийт.
Но при исследовании самой мощной линзы выяснилось, что в этом случае Левенгук использовал совсем другую технологию. Стекло имело почти идеальную сферическую форму и было совершенно гладким, без острого края, который неизбежно создается традиционным шлифовальным кругом. Еще более показательно, что линза сохранила мелкие остатки сломанного стержня, скрытого под медными пластинами.
Это очевидное следствие изготовления линзы путем плавления стеклянной нити. На ее конце образуется бусинка, которую затем отламывают. Другими словами, чтобы сделать свой лучший микроскоп, Левенгук воспользовался простым рецептом Гука из вдохновившей его книги. Коквийт считает, что именно поэтому Левенгук был так осмотрителен, когда его спрашивали о методах; он не хотел делиться славой с Гуком.
Опубликованное в прошлом году в журнале Science Advances сообщение Коквийта о том, что Левенгук использовал широко известную технологию, дополняет наши знания о микроскопии XVII века. И свидетельствует, что при всей гениальности Левенгука, которая потребовалась ему для создания крошечного сверхмощного микроскопа, величайшее его предвидение заключалось скорее в том, что с помощью этого прибора можно было разглядеть нечто принципиально новое.
Современному читателю это кажется понятным и совершенно очевидным. Какой ученый отказался бы увидеть объект своего исследования во всех подробностях? Между тем до Левенгука большинство микроскопистов использовали линзы, только чтобы получить более точные сведения о видимом мире, то есть о том, что они и так могли увидеть невооруженным глазом. Их зарисовки пчелиных жал и муравьиных лапок сохраняют сходство с уже знакомыми читателю образами. Если бы они использовали мощные линзы Левенгука, их картинки никто бы не узнал.
Левенгук не подозревал, что обнаружит крохотных существ, похожих на инопланетян, но его одержимость вынудила его покинуть видимое пространство и открыть новый огромный мир микроорганизмов, живущих у нас под носом и внутри нас.
В подготовке текста принимал участие Степан Задорожный. Отрывок публикуется с сокращениями. Источник: журнал Wired.