По мнению научного обозревателя Коди Кэссиди, пишущего для Wired, нидерландский торговец тканями Антони ван Левенгук создал линзу, превосходящую по мощности все известные на тот момент, и стал первым, кто смог увидеть микроорганизмы. Как именно Левенгук достиг такой высокой степени точности при изготовлении линз, остается неясным до сегодняшнего дня. Статья была опубликована в переводе на русский язык на портале Naked Science.
7 сентября 1674 года нидерландский производитель сукна Антони ван Левенгук, проживавший в южном пригороде Гааги, привлек внимание научного сообщества, направив письмо в Лондонское королевское общество, в котором детально изложил свое необыкновенное открытие. В ходе изучения водорослей, собранных из расположенного неподалеку озера с использованием сконструированного им самим микроскопа, он обнаружил в поле зрения существо, характеризующееся «зелеными блестящими чешуйками». По его расчетам, размер этого существа был в тысячу раз меньше клеща.
9 октября 1676 года, спустя два года, Левенгук сделал еще одно примечательное заявление, известное современным микробиологам как «Письмо 18». Он тщательно исследовал образцы и находил то, что по его мнению были «мелкими животными».
Левенгук находил их внутри других организмов, в своей еде, во рту и во ртах других людей. У человека с сильно разрушенными зубами он запросил образец налета, рассмотрел его через линзу и обнаружил «огромное количество крошечных существ», двигавшихся «с поразительной скоростью, создавая впечатление живого целого». После одного беспокойного вечера, который Левенгук списал на жирную горячего копчения говядину, он изучил под увеличительным стеклом собственный кал и увидел в нем мелких животных, которые были «немного длиннее, чем широкие, а их плоское брюшко имело несколько маленьких ножек» — это точное описание того, что мы сейчас знаем как паразитическую лямблию.
Благодаря этому Левенгук первым из людей смог увидеть микроорганизмы. Это открытие имело огромное значение как для развития медицины, так и для расширения представлений о жизни.
Микроорганизмы занимают второе место по распространенности среди всех форм жизни на нашей планете. Считается, что два типа микробов, описанные Левенгуком – простейшие и бактерии, ответственны за более чем за половину смертей всех людей, когда-либо существовавших. До наблюдений, выполненных голландским ученым, о существовании микроорганизмов лишь высказывались предположения, которые не могли быть подтверждены. Естественно, Левенгук не осознавал той роли, которую играют эти «мелкие животные», однако именно его исследование послужило основой для развития микробной теории, ставшей одним из самых значительных достижений в истории медицины. Примечательно, что это выдающееся открытие было сделано не одним из выдающихся ученых XVII века, таких как Галилей или Исаак Ньютон, а малоизвестным, замкнутым и увлеченным самоучкой, который самостоятельно изготовил линзу, превосходящую по мощности все ранее созданные – в десять раз. Этот результат оставался непревзойденным на протяжении полутора столетий.
Несмотря на то, что за последние 350 лет ученые шаг за шагом раскрывали тайны микромира, открытого Левенгуком, один вопрос оставался без ответа: как ему это удалось? Как лавочник, занимавшийся этим лишь в свободные часы, смог изготовить микроскопическую линзу, характеристики которой значительно превосходили все предыдущие разработки?
В своих развернутых письмах Левенгук описывал практически все, что наблюдал под микроскопом, но тщательно скрывал способ создания своего новаторского инструмента. На вопросы о технологии производства он уходил от ответа или давал уклончивые объяснения. Благодаря своим открытиям он приобрел такую известность, что сам король Англии просил продемонстрировать мельчайших существ, а Петр Великий специально заезжал в Дельфт, чтобы увидеть необыкновенные линзы, однако голландец так и не поделился с кем-либо своими секретами.
Антон ван Левенгук изготовил более 500 микроскопов, однако до сегодняшнего дня дошли лишь 11 экземпляров. Из них только один обладает 270-кратным увеличением, и именно этот микроскоп Левенгук применял при совершении своего важнейшего открытия. Линза этого микроскопа закреплена между латунными пластинами, и для выяснения технологии ее производства необходимо разобрать устройство. Подобный акт был бы непростительным осквернением, сравнимым с удалением краски с картины «Мона Лиза», чтобы установить порядок нанесения мазков кистью Леонардо да Винчи.
Современники Левенгука в большинстве своем были уверены, что он разработал новую методику обработки стекла. Клиффорд Добелл, автор авторитетной биографии «Антони ван Левенгук и его мелкие животные», увидевшей свет в 1960 году, полагал, что голландец изготавливал свои выдающиеся линзы, уделяя больше внимания шлифовке и полировке по сравнению с другими стеклодувами. Однако на протяжении трех веков это утверждение оставалось недоказанным.
В конце 2000-х годов Тимен Коквийт проявил интерес к работам Левенгука, впервые увидев один из его микроскопов, который впоследствии был помещен в подвал Университетского музея Утрехта. Задумавшись, Коквийт спросил себя: «Как это устройство позволяет увидеть микромир.
Коквийт является куратором Национального музея Бургаве в Лейдене (Нидерланды), где находится собрание древних оптических приборов, включая несколько микроскопов. Его исследования посвящены в основном зарождению европейской революции в оптических технологиях, ознаменовавшей собой существенный скачок от примитивных увеличительных стекол к сложным телескопам, разработанным Галилео и Христианом Гюйгенсом. По мнению Коквейта, эта революция стала возможной благодаря достижениям итальянских мастеров в области изготовления высококачественного, прозрачного стекла.)
Через Zoom Коквийт демонстрирует мне реплику микроскопа Левенгука. Она выглядит скорее как игрушка или, точнее, как ручное зеркальце. Высота устройства составляет около трех дюймов, с изящной ручкой, ведущей к прямоугольной пластине из латуни. Линза расположена под небольшим отверстием в центре пластины, а на обратной стороне находится штифт для фиксации образцов, соединенный с набором винтов для регулировки фокусировки.
При первом изучении открытой части увеличительного стекла Коквийт пришел к выводу, что столь ровная поверхность могла образоваться лишь под воздействием высокой температуры. Следовательно, как и многие современники Левенгука, он считал, что голландец разработал некую новую технологию выдувания стекла. Однако, не имея возможности рассмотреть внутреннее устройство, он мог делать только предположения.
Он рассчитывал, что окончательный ответ станет доступен благодаря использованию ядерного реактора.
В самом простом виде линза представляет собой изогнутый фрагмент прозрачного вещества, как правило, стекла. При прохождении света через такое стекло он замедляется, его траектория изгибается, то есть лучи преломляются. В зависимости от конструкции линза может по-разному влиять на преломление света, однако линзы, которые использовал Левенгук, имели сферическую форму. Это двояковыпуклые линзы. Они собирают свет в одну точку – фокус. «По сути, такая линза действует как световая воронка», – отмечает Стив Рузин, куратор коллекции старинных микроскопов Голуба в Калифорнийском университете в Беркли. Если вы смотрите через узкую часть воронки, через зрачок проходит значительное количество света.
Из этого следуют два последствия. Прежде всего, чем больше света достигает глаза, тем больше деталей способен различить зрительный орган. Кроме того, при сужении всего светового потока, попадающего на линзу до ширины зрачка, изображение заполняет всё поле зрения. Объект, который прежде проецировался на сетчатку как незаметная точка, приобретает формат Imax.
Не все сферические линзы обладают одинаковыми свойствами. Большая линза с плавным изгибом лишь незначительно преломляет свет и увеличивает изображение. Маленькая линза с резким изгибом сильнее преломляет лучи, обеспечивая значительное увеличение картинки. В XVII веке сферические линзы средней мощности были размером с горошину. Лучшие объективы Левенгука были в шесть с лишним раз меньше. При таком диаметре их изготовление представляется крайне сложным. Даже мельчайший производственный дефект, такой как пузырь, потертость или царапина, может вызвать сильную аберрацию. Более крупные, менее мощные линзы гораздо менее требовательны. Их изготовление проще, и они встречаются среди артефактов древнейших цивилизаций. Самая ранняя известная линза ручной работы – это кусочек измельченного горного хрусталя с трехкратным увеличением, который археологи обнаружили в ассирийском дворце почти трехтысячелетней давности. Поскольку стекло нередко встречается в природе, его способность увеличивать, вероятно, открывалась в различных регионах многократно на протяжении истории.
Несмотря на это, такие линзы не отличались значительной мощностью по сравнению с обычными очками для чтения, пока в начале 1590-х годов нидерландский мастер Ханс Янссен не сконструировал микроскоп с увеличением в девять раз. У Янссена появились ученики, и даже Галилей усовершенствовал один из своих телескопов, преобразовав его в микроскоп, благодаря чему, как утверждал свидетель, «мухи представлялись размером с ягненка».
Микроскопы довольно быстро завоевали популярность, и это произошло всего за несколько лет до того, как Антон ван Левенгук впервые посмотрел через свою линзу: в 1665 году Роберт Гук выпустил книгу «Микрография», которая имела огромный успех. В издание вошли заметки, разъяснения, иллюстрации и даже несложные руководства от Гука, объясняющие, как изготовить линзы самостоятельно. «Держите стеклянную нить над огнем, чтобы сформировался шарик, который будет висеть на конце нити», – писал Гук. Отделите эту бусину, и у вас получится сферическая лупа.
Несмотря на выдающиеся таланты Галилея и Гука, ни одному из них не удалось создать линзы, сопоставимые по качеству с линзами Левенгука. Как отмечает Коквийт, Левенгук использовал технологию, которая не получила дальнейшего развития в 1660-х годах, и сумел максимально ее реализовать».
Он не пошёл по следам Гука и Галилея, использовавших в микроскопах несколько последовательно расположенных линз. Хотя такая конструкция и получила широкое распространение в современных приборах, для достижения значительного увеличения без заметных искажений необходима исключительная точность изготовления. До тех пор, пока эта задача не была успешно решена в начале XIX века, микроскопы с одним объективом, аналогичные микроскопу Левенгука, могли демонстрировать более высокое качество изображения.
Гук понимал, что его конструкция имеет этот недостаток, но продолжал использовать несколько объективов, во многом из-за удобства. Объективы с малым фокусным расстоянием требуют расположить глаз очень близко к ним, что затрудняет моргание. Гук отмечал, что считает однолинзовые микроскопы «оскорбительными для глаза». Рузин рассказывал автору, что использование одного из сохранившихся устройств Левенгука «ужасно неудобно».
Микроскоп, созданный Левенгуком, вероятно, не отличался удобством использования, но тем не менее стал выдающимся достижением – и его ценность заключается не только в высококачественных линзах. Благодаря портативности устройства образец можно было подсвечивать, располагая его на пути солнечного света или пламени, в то время как настольные микроскопы современников могли освещаться только сверху. Верхнее освещение подходит для непрозрачных объектов, например, жала пчелы, но не подходит для воды и подобных веществ, в которых можно увидеть микроорганизмы. Для рассмотрения жидкостей Левенгук наполнял их небольшой стеклянной капсулой, прикреплял ее к игле микроскопа и подносил прибор к свету.
Антон ван Левенгук был пятым ребенком в семье мастера по изготовлению корзин, и появился на свет в Делфте – портовом городе в Южной Голландии, который славится живописными каналами, гончарным промыслом и пивоварением. В возрасте шестнадцати лет он отправился в Амстердам для обучения торговле галантерейными изделиями, а спустя шесть лет вернулся домой, где женился на дочери местного пивовара и приобрел лавку тканей.
К тридцати лет он уже был успешным бизнесменом, однако столкнулся с личной утратой. За 12 лет брака с женой Барбарой у них родилось пятеро детей, четверо из которых умерли в младенчестве, а вскоре ушла и сама Барбара. О первых годах его жизни в Делфте известно немного, но ясно, что, помимо управления лавкой, он зарабатывал случайными подработками, в частности, занимал должность главного сторожа в городском суде. Работа городским землемером объясняет истоки научного потенциала Левенгука, что свидетельствует о его знаниях геометрии.
Примерно в возрасте тридцати пяти лет он проявил интерес к линзам. Что послужило причиной этого увлечения, остается неизвестным, поскольку он никогда не описывал это в своих записях. Существует предположение, что он начал использовать увеличительные стекла для контроля качества своих тканей. Возможно, он также был вдохновлен широкой популярностью микроскопов, вызванной публикацией «Микрографии» Гука. Хотя Левенгук не упоминал эту книгу в своих письмах, очевидно, что он был знаком с ее содержанием: некоторые его эксперименты настолько точно повторяют опыты Гука, что это сложно объяснить простым совпадением. Но вне зависимости от того, что побудило Левенгука к изучению микроскопии, к 1668 году он посвятил себя этому занятию с большой целеустремленностью. В том же году, во время поездки по Англии, он увидел белые скалы Дувра и решил изучить их меловые склоны с помощью своего микроскопа: «Я обнаружил, что мел состоит из очень маленьких прозрачных частиц; и эти прозрачные частицы, расположенные одна над другой, по-видимому, являются причиной его белизны».
К 1673 году, несмотря на полную неизвестность, он уже изготавливал самые мощные линзы в мире. Если бы не делфтский врач Ренье де Граф, Левенгук, возможно, никогда бы не получил широкой известности, а открытие микроорганизмов осталось бы просто удовлетворением его личного интереса.
Де Граф получил широкую известность благодаря своим исследованиям, в которых он применял красители для выявления функций различных органов. В 1673 году он представил Левенгука Королевскому обществу, сопровождая это пояснительной запиской, в которой назвал его «чрезвычайно изобретательным человеком… создавшим микроскопы, превосходящие все, что мы видели ранее». После этого Левенгук описал строение тела вши в своей характерной манере, отличающейся высокой точностью, но при этом несколько хаотичной. Как отмечает один из биографов, этот стиль отличался «определенным деловым формализмом при почти полном отсутствии логической связи». В течение последующего года Левенгук направил Королевскому обществу еще пять писем, содержащих интересные, но не столь значимые наблюдения за глобулами в молоке и структурой ногтей. Затем, 7 сентября 1674 года, он отправил сообщение, в котором сообщил о поразительном открытии: в обычной капле воды, взятой из пруда, он обнаружил существ, размеры которых в тысячу раз меньше, чем у любого известного животного.
Секретарь Королевского общества, Генри Ольденбург, ответил Левенгуку, проявив явную сдержанность: «Описанные вами явления и некоторые другие, схожие с ними, настолько нетипичны, что нам желательно, чтобы автор поделился своими методами наблюдения, чтобы и другие могли убедиться в достоверности подобных открытий». Левенгук оперативно ответил, предоставив подтверждения от нескольких местных чиновников, которые осматривали его микроскоп, но отказался раскрывать детали своих методов. «Я никому не сообщаю о способе, которым наблюдаю за мельчайшими существами и крошечными угрями, и о том, как можно одновременно рассмотреть множество мелких животных. Эти сведения остаются конфиденциальными», – написал он. Даже когда сам Гук, выучивший голландский язык для прямого общения с Левенгуком, спросил о том, как тот проводил свои наблюдения, непреклонный ученый отказался отвечать, по причине, как впоследствии отметил Гук, «известной лишь ему».
Через три года, после нескольких безуспешных попыток других ученых, Гуку сумел достаточно точно повторить эксперимент Левенгука, чтобы подтвердить его наблюдения перед членами Королевского общества. Это принесло известность суконщику, однако, несмотря на настойчивые вопросы, он сохранил свои открытия и унес их с собой в могилу.
В 2018 году Коквийт и его коллеги приняли решение изучить их, не разбирая 350-летний микроскоп Левенгука. В этом им помог ядерный реактор.
Нейтронная томография – это технология сканирования, основанная на использовании нейтронов, возникающих в процессе взаимодействия атомов. Нейтронный поток способен проникать вглубь металлических объектов, однако его интенсивность снижается при контакте с легкими веществами, такими как стекло. Зарегистрированные датчиками нейтроны, расположенными за исследуемым объектом, формируют изображение его внутренней структуры. С помощью этого метода ранее было установлено наличие динозавра внутри другого динозавра, а также обнаружены остатки льда в марсианских метеоритах.
На недавно установленном в Делфте, родном городе Левенгука, нейтронном томографе, Коквийт провел исследование линз знаменитого голландца. Сначала он разместил перед нейтронным сканером точную копию микроскопа Левенгука, чтобы удостовериться в том, что бесценный научный артефакт не подвергнется радиоактивному облучению на протяжении последующего тысячелетия. Когда же он просканировал несколько микроскопов, созданных голландским изобретателем, выяснилось, что их стекла обладают закругленными краями и чечевичной структурой. «Именно так выглядят шлифованные линзы, как правило», — отмечает Коквийт.
При изучении самой мощной линзы стало известно, что Левенгук применил иную технологию. Стекло обладало почти безупречной сферической формой и было идеально гладким, лишенным острого края, который всегда возникает при использовании стандартных шлифовальных кругов. Особенно заметно, что на линзе сохранились микроскопические фрагменты сломанного стержня, который был спрятан под медными пластинами.
Образование такой особенности – прямое следствие технологии изготовления линзы, основанной на плавке стеклянной нити. На ее завершении формируется небольшое утолщение, которое впоследствии отделяют. Иными словами, для создания микроскопа наилучшего качества Левенгук применил несложную методику, описанную Гуком в книге, оказавшей на него влияние. Коквийт полагает, что именно поэтому Левенгук проявлял осторожность, когда его расспрашивали о его технологиях; он не желал приписывать заслуги Гуку.
Сообщение, опубликованное в прошлом году в журнале Science Advances, содержит информацию от Коквийта о том, что Левенгук применял распространенную технологию того времени, и дополняет наши представления о микроскопии XVII века. Оно указывает на то, что, несмотря на гениальность Левенгука, необходимую для создания компактного и мощного микроскопа, его ключевым прозрением было то, что с его помощью можно было увидеть нечто принципиально новое.
Современному читателю это кажется простым и само собой разумеющимся. Разве найдется ученый, который не захочет рассмотреть объект своего исследования во всех деталях? Однако до Левенгука большинство микроскопистов использовали линзы лишь для уточнения информации о видимом мире, то есть о том, что они и так могли наблюдать без специальных приспособлений. Их изображения, например, пчелиных жал и муравьиных лапок, остаются похожими на уже знакомые читателю образы. Использование мощных линз, подобных тем, что были у Левенгука, привело бы к тому, что их изображения стали бы совершенно неузнаваемыми.
Левенгук не предполагал, что его наблюдения приведут к обнаружению микроскопических организмов, напоминающих внеземные формы жизни. Однако его увлеченность побудила его выйти за пределы привычного мира и открыть огромный мир микроорганизмов, которые окружают нас и находятся внутри нас.
Степан Задорожный участвовал в подготовке данного текста. Публикуется в сокращенном виде. Источник: журнал Wired.