Scară microscopică

Scara microscopică (din greaca veche μικρός (mikrós) „mic” și σκοπέω (skopéō) „a privi (la; examina, inspectează”) este scara obiectelor și evenimentelor mai mici decât cele care pot fi văzute cu ușurință cu ochii liberi, necesitând o lentilă sau un microscop pentru a le vedea clar. În fizică, scara microscopică este uneori privită ca scara dintre scara macroscopică și scara cuantică. Unitățile și măsurătorile microscopice sunt folosite pentru a clasifica și descrie obiecte foarte mici. O unitate obișnuită de scară de lungime microscopică este micrometrul (numit și micron) (simbol: μm), care este o milioneme dintr-un metru.

Istorie

În timp ce microscoapele compuse au fost dezvoltate pentru prima dată în anii 1590, semnificația scării microscopice a fost stabilită cu adevărat abia în anii 1600, când Marcello Malphigi și Antonie van Leeuwenhoek au observat microscopic plămânii și microorganismele de broaște. Pe măsură ce microbiologia a fost stabilită, importanța efectuării de observații științifice la nivel microscopic a crescut.

Publicată în 1665, cartea lui Robert Hooke Micrographia detaliază observațiile sale microscopice, inclusiv fosile de insecte, bureți și plante, ceea ce a fost posibil prin dezvoltarea sa a microscopului compus. În timpul studiilor sale despre plută, el a descoperit celulele vegetale și a inventat termenul de „celulă”.

Înainte de utilizarea micro-prefixului, alți termeni au fost încorporați inițial în sistemul metric internațional în 1795, cum ar fi centi- care reprezenta un factor de 10^-2 și milli-, care reprezenta un factor de 10^-3. 

De-a lungul timpului, importanța măsurătorilor efectuate la scară microscopică a crescut, iar un instrument numit Millionometru a fost dezvoltat de proprietarul companiei de ceasuri Antoine LeCoultre în 1844. Acest instrument avea capacitatea de a măsura cu precizie obiectele la cel mai apropiat micrometru.

Comitetul British Association for Advancement of Science a încorporat micro-prefixul în noul sistem CGS înființat în 1873.

Prefixul "micro" a fost adăugat în cele din urmă la Sistemul Oficial al Unităților (SI) în 1960, recunoscând măsurătorile care au fost făcute la un nivel și mai mic, indicând un factor de 10^-6.

Biologie

Prin convenție, scara microscopică include și clase de obiecte care sunt cel mai frecvent prea mici pentru a fi văzute, dar dintre care unii membri sunt suficient de mari pentru a fi observate cu ochiul. Astfel de grupuri includ Cladocera, alge verzi planctonice ale căror Volvox este ușor de observat și protozoarele cărora stentor poate fi văzut cu ușurință fără ajutor. Scara submicroscopică include în mod similar obiectele care sunt prea mici pentru a fi văzute cu un microscop optic.

Termodinamică

În termodinamică și mecanică statistică, scara microscopică este scara la care nu măsurăm sau nu observăm direct starea precisă a unui sistem termodinamic - astfel de stări detaliate ale unui sistem sunt numite microstări. În schimb, măsurăm variabilele termodinamice la scară macroscopică, adică macrostarea.

Niveluri ale scării microscopice

Deoarece scara microscopică acoperă orice obiect care nu poate fi văzut cu ochiul liber, dar este vizibil la microscop, gama de obiecte care se încadrează sub această scară poate fi la fel de mică ca un atom, vizibile sub un microscop electronic cu transmisie. Tipurile de microscoape se disting adesea prin mecanismul și aplicarea lor și pot fi împărțite în două categorii generale.

Microscoape cu lumină

Printre microscoapele optice, obiectivul utilizat dictează cât de mic poate fi văzut un obiect. Aceste lentile obiective variate pot modifica puterea de rezoluție a microscopului, care determină cea mai scurtă distanță pe care cineva este capabil să distingă două obiecte separate prin acea lentilă a microscopului. Este important de menționat că rezoluția dintre două obiecte variază de la individ la individ, dar puterea lentilelor obiectiv poate fi cuantificată.

Cel mai elementar microscop folosit de Antonie van Leeuwenhoek în anii 1660, Microscopul simplu, folosește o lentilă singulară. Prin urmare, utilizatorul este limitat la mărirea permisă de obiectiv. Ca atare, este de obicei folosit pentru a vizualiza elemente necomplexe, cum ar fi hărți.

Microscoapele cu lumină compusă au o serie de variații, inclusiv microscopul Bright-Field, Dark-Field, Phase-Field și Fluorescent. Fiecare tip funcționează pentru scopuri diferite, dar toate sunt capabile să aibă o gamă de lentile obiective, între 4x și 1000x de mărire. Datorită mecanismelor lor, ele au, de asemenea, o putere de rezoluție și un contrast îmbunătățite în comparație cu microscoapele simple și pot fi utilizate pentru a vizualiza structura, forma și motilitatea unei celule și a organismelor sale, care pot fi la fel de mici. ca 0,1 micrometri.

Microscoape electronice

În timp ce microscoapele electronice sunt încă o formă de microscop compus, utilizarea fasciculelor de electroni pentru iluminarea obiectelor variază semnificativ în mecanism de la microscoapele cu lumină compusă, permițându-le să aibă o putere de rezoluție mult mai mare și o mărire de aproximativ 10.000 de ori mai mare decât microscoapele cu lumină. Acestea pot fi folosite pentru a vizualiza obiecte, cum ar fi atomii, care sunt la fel de mici ca 0,001 micrometri.

Nisip de de pe insula Warraber Strâmtoarea Torres, sub microscop cu lumină. Forma și textura fiecărui bob individual sunt vizibile prin microscop.

Semnele de impact și caracteristicile de pe acest singur grăunte de nisip pot fi văzute clar printr-un microscop electronic.

Utilizări

Criminalistică

În timpul investigațiilor criminalistice, probele de la scenele crimei, cum ar fi sângele, amprentele digitale și fibrele pot fi examinate îndeaproape la microscoape, chiar și în măsura în care se determină vârsta unei urme. Alături de alte specimene, urmele biologice pot fi folosite pentru a identifica cu precizie indivizii prezenți într-o locație, până la celulele găsite în sângele lor.

Gemologie

Când se determină valoarea monetară a pietrelor prețioase, diverse profesii din gemologie necesită observarea sistematică a proprietăților fizice și optice microscopice ale pietrelor prețioase. Acest lucru poate implica utilizarea de microscoape stereo pentru a evalua aceste calități, pentru a determina eventual valoarea fiecărei bijuterii sau pietre prețioase individuale. Acest lucru se poate face în mod similar în evaluările aurului și altor metale.

Infrastructură

Atunci când se evaluează materialele rutiere, compoziția microscopică a infrastructurii este vitală pentru a determina longevitatea și siguranța drumului, precum și cerințele diferite ale diferitelor locații. Deoarece proprietățile chimice precum permeabilitatea la apă, stabilitatea structurală și rezistența la căldură afectează performanța diferitelor materiale utilizate în amestecurile de pavaj, ele sunt luate în considerare la construirea drumurilor în funcție de trafic, vreme, aprovizionare și buget din zona respectivă.

Medicină

În medicină, diagnosticele pot fi făcute cu ajutorul observării microscopice a biopsiilor pacientului, cum ar fi celulele canceroase. Rapoartele de patologie și citologie includ o descriere microscopică, care constă în analize efectuate cu microscoape, colorări histochimice sau citometrie în flux. Aceste metode pot determina structura țesutului bolnav și severitatea bolii, iar detectarea precoce este posibilă prin identificarea indicațiilor microscopice ale bolii.

Scară microscopică în laborator

În timp ce utilizarea scării microscopice are multe roluri și scopuri în domeniul științific, există multe modele biochimice observate microscopic care au contribuit în mod semnificativ la înțelegerea modului în care viața umană se bazează pe structurile microscopice pentru a funcționa și a trăi.

Experimente

Antonie van Leeuwenhoek nu a contribuit doar la inventarea microscopului, ci este denumit și „părintele microbiologiei”. Acest lucru se datorează contribuțiilor sale semnificative în observarea și documentarea inițială a organismelor unicelulare, cum ar fi bacteriile și spermatozoizii, și țesutul uman microscopic, cum ar fi fibrele musculare și capilarele.

Celulele umane

Manipularea genetică a mitocondriilor de reglare a energiei, conform principiilor microscopice, s-a dovedit, de asemenea, că prelungește durata de viață a organismului, abordând problemele asociate cu vârsta la oameni, cum ar fi Parkinson, Alzheimer și scleroza multiplă. Prin creșterea cantității de produse energetice produse de mitocondrii, durata de viață a celulei sale și, prin urmare, a organismului, crește.

ADN

Analiza microscopică a distribuției spațiale a punctelor în centromerii ADN heterocromatin evidențiază rolul regiunilor centromerice ale cromozomilor în nucleele care suferă partea de interfază a mitozei celulare. Astfel de observații microscopice sugerează că distribuția non-aleatorie și structura precisă a centromerilor în timpul mitozei este o contribuție vitală la funcționarea și creșterea de succes a celulelor, chiar și în celulele canceroase.

Chimie și fizică

Entropia și dezordinea universului pot fi observate la scară microscopică, cu referire la a doua și a treia lege a termodinamicii. În unele cazuri, aceasta poate implica calcularea modificării entropiei într-un container de molecule de gaz în expansiune și relaționarea acesteia cu modificarea entropiei mediului său și a universului.

Geologie

Ramurile geologiei implică studiul structurii Pământului la nivel microscopic. Caracteristicile fizice ale rocilor sunt înregistrate, iar în petrografie se pune un accent special pe examinarea detaliilor microscopice ale rocilor. Similar cu microscoapele electronice cu scanare, microsondele electronice pot fi folosite în petrolologie pentru a observa starea care permite formarea rocilor, care poate informa originea acestor probe. În geologia structurală, microscoapele petrografice permit studiul microstructurilor rocilor, pentru a determina modul în care caracteristicile geologice, cum ar fi plăcile tectonice, afectează probabilitatea cutremurelor și a mișcării apelor subterane.

Cercetări curente

Au existat atât progrese în tehnologia microscopică, cât și descoperiri în alte domenii ale cunoașterii ca rezultat al tehnologiei microscopice.

Alzheimer și boala Parkinson

Împreună cu etichetarea fluorescentă, detaliile moleculare din proteinele amiloide singulare pot fi studiate prin noi tehnici de microscopie luminoasă și relația lor cu boala Alzheimer și boala Parkinson.

Microscopia forței atomice

Alte îmbunătățiri ale microscopiei luminoase includ capacitatea de a vizualiza obiecte de dimensiuni nanometrice sub lungime de undă. Imagistica la scară nanometrică prin microscopia cu forță atomică a fost de asemenea îmbunătățită pentru a permite o observare mai precisă a unor cantități mici de obiecte complexe, cum ar fi membranele celulare.

Energie regenerabilă

Modelele microscopice coerente descoperite în sistemele chimice susțin ideile privind rezistența anumitor substanțe împotriva mediilor entropice. Această cercetare este utilizată pentru a informa producția de combustibili solari și îmbunătățirea energiei regenerabile.

Instrument microscopic - Micronium

Un instrument microscopic numit Micronium a fost, de asemenea, dezvoltat prin micromecanică, constând din arcuri cu grosimea părului uman smuls de piepteni microscopici. Aceasta este o mișcare foarte minimă care produce un zgomot audibil pentru urechea umană, ceea ce nu a fost făcut anterior prin încercări anterioare cu instrumente microscopice.

O vedere microscopică cu mărire redusă a angiopatiei amiloide cerebrale, cu placă senilă colorată maro vizibilă în cortexul cerebral, caracteristică bolii Alzheimer.

O vedere microscopică cu mărire foarte mare a exact aceeași diapozitivă, mărind pete maro cauzate de beta-amiloid în plăcile senile, contribuind la simptomele bolii Alzheimer.