میکروسکوپ رهگشای جهانی نو

از لحاظ تئوری، میکروسکوپ‌های الکترونی می‌توانند تصویر جسمی را هزار میلیون بار بزرگتر از خود جسم نشان دهند.

سال ۱۴۹۲ فرا می رسد. زیباترین قصه ی تاریخ جان می گیرد. مهیج ترین رویای بشریت به تحقق می پیوندد. کلمب ایتالیایی پس از مدت ها مسافرت و تحمل انواع مرارت ها و مشقت ها، تلاش ها و فعالیت ها بر همه ی نومیدی ها پیروز می‌شود و به دنیای جدید راه می یابد.
دنیایی نو، پر نعمت و پر تحرک در پیش روی مردم جهان گسترده می‌شود. شادی ها اوج می‌گیرد و هیئت ‌های مختلف از کشورهای گوناگون بدان دیار رهسپار می‌شوند، نام کلمب عالم گیر می‌شود و کشف او آغازگر تحولی بزرگ در مقوله های مختلف علمی، اقتصادی، جغرافیایی و نظامی به شمار می‌رود. امروزه هر نوآموز دبستانی و دانش آموز دبیرستانی از کلمب و کار او چیزی می داند و بر کشف فوق العاده اش ارج می نهد.

حدود دویست سال پس از کشف کلمب، کشف دیگری به وقوع پیوست و دنیایی نو در پهنه ی دید بشریت قرار گرفت. دنیایی که از لحاظ عظمت، فعالیت و تعداد، صدها و هزارها بار بزرگ تر و مهم تر از دنیای شناخته شده ی از قبل بود. دنیایی که اگر زنجیره های پر صلابت و پر ارزشش از هم بگسلند در زمانی نه چندان طولانی زنجیره های حیات جهان خاکی از هم گسسته خواهد شد و دنیای پر تلاطم و پر تحرک ما به جهانی خاموش و آرام مبدل خواهد گشت. دیگر نه از صدای در هم رفتن شاخ و برگ درختان اثری و نه از آوای زیبای مرغان خوش الحان و بهاری طنینی بر جای خواهد ماند. انقراض حیات ما یا دست کم محو تنوع حیاتی -اگر در کوتاه مدت بیانی مبالغه آمیز باشد- در دراز مدت تقریباً امری اجتناب ناپذیر است:

برگ ها و شاخه های درختان می ریزند اما جز در حدود عملکرد عواملی چون اکسیژن و گرما تجزیه نمی‌شوند. انبوه اجساد مردگانِ جانوری و تنه ها و شاخه های گیاهی بر روی خاک باقی می مانند و یا در کف دریا ته نشین می شوند بدون اینکه تجزیه ای موثر و متحول در آن ها صورت گیرد. جانوران کوچک دریایی، اولین قربانیان این حادثه ی هولناک یعنی متلاشی شدن زنجیره‌ های دنیای کشف شده ی قرن هفدهم می باشند، پس از آن جانوران بزرگ و بزرگتر…
سرانجامِ حیات گیاهی نیز چندان خوش تر از این نخواهد بود. زیرا همه ی مراحل اوتریفیکاسیون، آمونیفیکاسیون و نیتریفیکاسیون که ادامه ی حیات گیاهان وابسته به آن هاست، عملاً از میان خواهند رفت. نیترات ها که ماده ی اصلی قابل جذب ریشه ی گیاهی است رو به کاهش می گذارند و ضربه ی این کمبود مستقیماً متوجه حیات گیاهی خواهد بود. جانوران در قالب موجودات زنده ی فرمی-جرم قرار خواهند گرفت و در این رهگذر بزرگترین ضربه بر پیکر نشخوارکنندگانی چون گاو وارد خواهد آمد، همه ی این جانوران که از برکت وجود همسفره گان خود محروم شده‌اند، راه نیستی و انقراض را در پیش خواهند گرفت.
ظرف فقط چند روز، نسل همه این گونه جانوران از روی زمین برچیده خواهد شد! بسیاری از سیستم های همیاری و همسفرگی و انگلی، اسمی بی مسما خواهند شد.
بیماری های عفونی از میان جامعه ی انسانی رخت بر خواهند بست ولی خود جامعه ی انسانی نیز سرنوشتی جز محو و تباهی نخواهد داشت. بشریت بر گذشته، گذشته ای نه چندان دور و از این که دیگر موجبات بیماری های هولناک عفونی وجود ندارند غبطه می خورد و آه از نهادش زبانه می کشد. او از فقدان تب های شدید و پر سوز عفونی، مسمومیت ها و عفونت های غذایی، فساد و گندیدگی مواد خوراکی و لاشه های متعفن تهوع‌آور جانوری حسرت می‌خورد و به یاد آن روز و روزگار آه می کشد و اشک می ریزد (او طالب بازگشت جوش ها و دمل ها، کورک ها و کفگیرک ها، وبا و طاعون است اما همه این امتیازها و شاید هم همه ی این نعمت ها که زمانی با تمام قوا تیشه به ریشه ی آنها می‌زد، از دست رفته اند). دریغ! که دیگر باز نمی‌گردند!

چه روزگار خوشی بود آن زمان، که بیمارستان ها به جای پذیرا شدن بیماران قلبی، بیماران حصبه ای و شبه حصبه‌ای را می پذیرفتند. به راستی یادت بخیر بیماری سل و کزاز! چه پر برکت و دوست داشتنی بودی! همه ی این ها که ظاهراً آدمکش و جلاد بودند به حقیقت روزنه های حیات بخش جامعه ی بشریت و جوامع جانوری و گیاهی هستند!

این ماشین پرتحرک و نامرئی، این انگیزاننده ی حیات نباتی و حیوانی، این برقرار دارنده ی توازن زندگی جهانی، این ارتباط دهنده ی زنجیره و شبکه‌های غذائی و این مایه و نشأت حیات زمینی چیست؟ چه کسی یا چه کسانی به وجود آن پی بردند و آن را به زمینیان معرفی کردند. آری این همان دنیای نو و پرتحرکی است که دویست سال پس از کشف کلمب کشف شد: یعنی دنیای میکروارگانیسم ها یا خردسازوارگان.

از میکروسکوپ های ساده لیوونهوکی تا میکروسکوپ های پیچیده الکترونی

در این امر هیچ گونه شکی نیست که  آنتونی فان لیوونهوک اولین فردی است که به دیدن باکتری‌ها، نماینده ی واقعی میکروارگانیسم‌ها دست یافت و مرز های نوین اعجاب انگیزترین آفریده ها را به روی جامعه ی بشریت گشود. انتساب عنوان اولین مخترع میکروسکوپ و اولین مکتشف دنیای تازه و پر وسعت میکروارگانیسم ها به لیونهووک با دید میکروبیولوژیکی، عنوانی است که به حق و به جا و منطقی به وی اعطا شده است.

بزرگنمایی میکروسکوپ های ساده لیونهووک که با نهایت دقت و ظرافت ساخته شده بودند، به ۳۰۰ مرتبه می‌رسید. این بزرگنمایی در آن زمان واقعاً اعجاب انگیز بود و از این اعجاب انگیزتر، مشاهده ی اجسام خردی چون باکتری ها با این درجه از بزرگنمایی است. در ساختمان میکروسکوپ های لیونهووک فقط یک عدسی وجود داشت و از آنچه که امروزه به عنوان عدسی چشمی و عدسی شیئ ای از آن یاد می‌شود بی‌بهره بود. به دلیل مهارت و استادی که در ساخت این عدسی ها با فاصله ی کانونی کم به کار برده شده بود، درشت نمایی مفیدِ زیادی برای آنها حاصل می شد.

همه میکروسکوپ هایی که امروزه به بازار علم و تحقیقات یا کسب و تجارت وارد می‌شوند مرکب بوده و از دو سیستم عدسی چشمی و شیئ ای برخوردارند. در این نوشته بر آن نیستیم که اجزای میکروسکوپ مرکب یک چشمی یا دو چشمی را بیان داریم زیرا خواننده با مراجعه به همه ی کتاب های معمول از جمله کتاب های دبیرستانی به آنها دسترسی خواهد یافت. آنچه که ما درصدد بیان و روشن ساختن آن هستیم، نکات فنی و حساس ساختمانی میکروسکوپ ها است که به نحوی خلاصه و ساده بدان مبادرت می ورزیم.

امتیاز های میکروسکوپ های دوچشمی مرکب بر میکروسکوپ های یک چشمی مرکب

کار با میکروسکوپ های یک چشمی برای کسانی که سر و کار زیادی با کارهای آزمایشگاهی دارند خسته کننده بود و برای ایشان استفاده از میکروسکوپ های دو چشمی اولویت دارد.

نور در این میکروسکوپ ها پس از عبور از عدسی شیئ ای به وسیله ی یک صفحه ی تقسیم کننده به دو جزء تقسیم می شود. طرز قرار گرفتن طوری است که نیمی از پرتوها در مسیر عمودی و نیمی در مسیر افقی قرار می‌گیرند. هر یک از این دو دسته پرتو به وسیله ی یک منشور به یکی از چشمی ها هدایت می‌شود. یکی از لوله های چشمی ثابت و دیگری متحرک است تا فاصله ی افقی عدسی های چشمی با فاصله ی دو چشم مشاهده کننده تطبیق نماید. اندازه ی زاویه ی تنه و در نتیجه لوله‌ های عدسی چشمی طوری تنظیم شده است که راحتی مشاهده کننده را تأمین کرده و خستگی حاصل از لوله های قائم عملاً منتفی می گردد. امتیاز دیگر زاویه دار بودن بدنه ی دوچشمی ها آن است که درشت نمایی را تا ۵٫۱ برابر افزایش می دهند.

در میکروسکوپ های مدرن، فقط به کمک یک دکمه می‌توان میکروسکوپی یک چشمی را به صورت دو چشمی درآورد و بر عکس در حالت یک چشمی کارهای عکس برداری انجام می شوند.

میکروسکوپ دو چشمی مجهز به دوربین عکاسی – میکروسکوپ مدرن شاگرد و معلم

هدف از بکار بردن میکروسکوپ در علم میکروبیولوژی مشاهده ی میکروارگانیسم ها یا اشیائی است که با چشم معمولی دیده نمی شوند. افزایشی که میکروسکوپ در اندازه یک جسم خرد (از دید مشاهده کننده) به وجود می آورد، بزرگنمایی نامیده می شود. عملاً این امکان وجود دارد که با وسایلی خاص، بزرگنمایی تا صدها هزار مرتبه را برای یک جسم فراهم ساخت ولی چنین بزرگنمایی برای تحقیق ساختمان آن جسم بی فایده بوده و بزرگنمائی بی‌حاصل نامیده می شود.

آنچه که در صنعت میکروسکوپ ها حائز کمال اهمیت است و آنچه که در علم و تحقیقات بدان نیازمندیم، بزرگنمایی مفید است که بستگی به طول موج نور مورد استفاده (در میکروسکوپ های نوری) دارد. چون طول موج نور محدود است پس بزرگنمایی میکروسکوپ های نوری نیز محدود بوده و هر چند که در بهبود سیستم‌های عدسی آن به جد بکوشند، بزرگنمایی از مرز مشخص خود بالاتر نخواهد رفت. سال‌ها است که رقم حدود ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ مرتبه بزرگنمایی برای میکروسکوپ های نوری متعارف، ثابت مانده است. کوشش های پرارج سازندگان در بهبود دادن وضع میکروسکوپ های نوری متعارف نه از باب حصول بزرگنمایی بیشتر بلکه از جهت کسب امتیازات دیگر که ما به بعضی از آنها اشارتی خواهیم داشت هنوز هم ادامه دارد.

سخن از اسطرلاب جهان خُرد و یا عالم میکروس بود. سخن از رنج پژوهشگران پهنه ی میکروبیولوژی و نظاره گران ذرات مادون عرصه ی رؤیت و مشاهده ی مستقیم بود. سخن از میکروسکوپ، ابزارِ به افسون درآورنده ی میکروارگانیسم ها و یا خردسازوارگان بود. ما از رهگذر شرح مختصر این وسیله ی سحرانگیز و جادوگر به خُردجهانی اشاره داشتیم که بر کران تا کران سایه افکنده و کوه و دشت و دمن و دریا و هوا و خشکی را عرصه ی فعالیت های بیوشیمیایی خود ساخته است. دانستیم که بزرگنمایی چند جسم کوچک و شیشه ای و حساس با نام عدسی و در زیر لوای یک عدسی چشمی و یک عدسی شیئ ای چه پرده ها که بالا نمی زند و چه رازها که بر بلا نمی سازد!

هر وقت سخن از عدسی می‌رود، در خواننده ی صاحب ذوق همه ی قوانین و مطالب مربوط به عدسی ها (تا آنجا که خوانده است و مطالعه کرده است) تداعی می شود: عدسی های دو کوژ، دو کاو، تخت کوژ، تخت کاو…
او آن ها را به آرامی و با دقت و در عین حال با هیجان و حرارت در صفحه خاطرات خود خطور می‌دهد و از این رهگذر انبساط خاطر می یابد. چه بسا که عدسیِ چشم خودش نیز در نظرش مجسم شود و قرار گرفتن تصویر این همه زیبایی ها و طراوت ها را بر صفحه ی حساس شبکیه و از طریق همین عدسی به خاطر بیاورد و بر این همه ریزه کاری ها و شگفتی ها مات و مبهوت بماند.
و این بار از پروانه ی بی آواز و سوخته بال و نه از مرغ سحر گاهی و پر قیل و قال الهام بگیرد و خاموش به گوشه ای بنشیند تا از مسیر خاموشی به حقایق مواج و طغیان زده ای که بر کرانه ی تغییرپذیر معرفت انسانی دائماً کوبیده می شوند و راه خود را به فراخنای ضمیر انعطاف پذیر دانشمندان و محققان باز می‌کنند دست یابد و دامنه ی تفحص ها و تجسس ها را هر چه بیشتر بر پهن دمن اعجاب ها و شگفتی های آفرینش بگستراند، هرچند که در نهایت از میلیاردها یکی و از بسیارها اندکی نداند.
هر زمان که بشر به غوغاهای بی امان ذرات درون یک قطره آب، به حرکات مداوم کُند و سریع جانداران ریز و ظاهراً بی مقدار به سیر پیوسته و همیشه در جریان آکل و ما کول، به بناها و سیستم های بسیار پیچیده انکلوزیون های سلولی نگاهی داشته باشد، به اندیشه‌ های بزرگانی که راه گشای این همه صحنه ها، فیلم ها، تئاترها، جولانگاه ها، مسابقه ها و عرصه‌ ها بوده‌اند درود می فرستد و به کسانی که هنوز هم در پی هموارتر کردن راه این مشاهدات هستند آفرین می گوید و در برابر عظمت ها و خلاقیت های علمی آنان سر تعظیم فرود می آورد.

بگذارید از این مقولات پایان‌ناپذیر که اندیشه را به نوعی بن بست و بلاتکلیفی می‌کشاند بگذریم و معرف انواع دیگر میکروسکوپ ها با بیانی ساده باشیم.

میکروسکوپ های امروزی

توان تفکیک میکروسکوپ نوری با طول موج نور به کار رفته ارتباط مستقیم دارد. آیا نمی توان به جای پرتوهای نور مرئی از امواج نامرئی نور، آنجا که در ورای رنگ بنفش است استفاده برد؟ اگر طول موج کمتر شود، توان تفکیک افزایش می‌یابد. طول موج نور فرابنفش خیلی کمتر از طول موج امواج مرئی و مثلاً نور سبز است. این واقعیت طبیعی، جهان میکروسکوپ را به سوی میکروسکوپ فرابنفش و متعاقب میکروسکوپ فلوئورسانس رهنمون داشت. کار با میکروسکوپ فرابنفش توان تفکیک را به دو برابر میکروسکوپ های نوری معمولی می رساند.

میکروسکوپ های فاز کنتراست، زمینه ی تاریک، انترفرانس و استریو هر یک در مسیری گره‌گشا هستند. مثلاً مشاهده ی حرکات زیبای مژه‌های یک ارگانیسم به وسیله ی میکروسکوپ فاز کنتراست امکان پذیر است.
در این میکروسکوپ ها سازمان شیئ ای و کندانسوری تغییر می‌یابد و با تعبیه ی صفحات شیاردار و دیافراگم های حلقوی، تضاد نوری قابل ملاحظه‌ای به وجود می آید که مشاهده ی اشیا و اجسام شفاف و مثلاً یک ارگانیسم زنده را به خوبی امکان‌پذیر می‌سازد.

پیشرفت فوق العاده مهم و قابل توجهی که در قرن بیستم نصیب علم گردیده است اختراع میکروسکوپ الکترونی است که مشاهده ی موجودات بسیار بسیار خرد را فارغ از امواج نوری امکان پذیر ساخته است. بوش با بیان این مطلب که میدان های مغناطیسی متقارن محوری می تواند الکترون ها را به کانون درآورند و چنین میدانی عدسی نامیده می شود.
سرآغاز رویداد تحول انگیز اختراع میکروسکوپ الکترونی به دست نول و روسکا است. در وسیله ای که این دو مخترع تیزهوش اختراع کردند، طرح کلی میکروسکوپ های نوری به کار گرفته شد. یعنی الکترون ها مانند امواج نوری از شیء مورد مطالعه عبور می کردند. همین ویژگی موجب شد که این گونه میکروسکوپ ها، میکروسکوپ الکترونی عبوری نامیده شدند. هرچند اساس میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری که هم امروز به وسیله ی سازندگان اروپایی، آمریکایی و ژاپنی ساخته می شوند همانند طرح‌های اولیه است، ولی توان تفکیک آن ها به ۰/۲ نانومتر، یعنی ۲ آنگستروم می‌رسد.

میکروسکوپ الکترونی روبشی پدیده نوظهورتر دنیای اندیشه ها، اختراعات و ابتکارات است. در حقیقت چنین میکروسکوپ هایی فقط از سال ۱۹۶۵ به این طرف وارد بازارهای فروش شده‌اند. مراکز عمده ای در اروپا، آمریکا و ژاپن به ساختن این میکروسکوپ ها مبادرت کرده‌اند ولی میزان تقاضا به حدی است که تصور نمی‌رود به این زودی ها عرضه ی این وسیله جوابگوی تقاضاهای فزاینده ی مؤسسات مختلف باشد. نمونه ی مورد مطالعه با لایه ی نازکی از یک فلز سنگین پوشیده می شود و در معرض تقطیع پرتو الکترونی، همانند آنچه که در سیستم تلویزیونی روی می‌دهد، قرار می گیرد که در نتیجه توپولوژی جسم قابل مشاهده می گردد.