Не просто подглядывайте, а вмешивайтесь

Философы склонны рассматривать микроскоп как черный ящик с источником света на одном конце и дыркой, в которую подглядывают, на другом конце. Как говорит Гровер Максвелл, существуют слабые и сильные микроскопы, являющиеся все более и более мощными приборами одного и того же типа. Это неправильно, как неверно и то, что микроскопы созданы для того, чтобы смотреть через них. На самом деле, философ, конечно же, не сможет видеть в микроскоп до тех пор, пока не научится пользоваться хотя бы несколькими микроскопами. Если его спросят о том, что он там видит, он может, как Джеймс Тербер, нарисовать свой собственный глаз или, как Густав Бергман, увидеть только "пятно света, которое ползет по полю зрения, как тень по стене". Конечно же, он не будет в состоянии отличить частицу пыли от слюнной железы фруктовой мухи, пока он не начнет препарировать фруктовую муху под микроскопом малого увеличения.
В этом первый урок: вы учитесь видеть в микроскоп действуя, а не просто смотря. Здесь есть параллель с "Новой теорией вu дения" Беркли (1710), согласно которой мы приобретаем трехмерное зрение только узнав, что значит двигаться в мире и действовать в нем. Тактильные ощущения скоррелированы с предполагаемым двумерным изображением на сетчатке, и в результате обучения этому соответствию возникает трехмерное зрение. Точно так же аквалангист учится видеть в новой среде океана, лишь обплывая вокруг предметов. Был ли Беркли прав относительно первичного вu дения или нет, новые способы вu дения, приобретенные уже после младенчества, включают обучение путем делания, а не просто смотрения. Убеждение в том, что некоторая часть клетки находится там, где она видится, по крайней мере усиливается, когда с использованием простых физических средств жидкость вводится именно в данную часть клетки. Я вижу, как крохотная стеклянная иголка, изготовленная человеческими руками под микроскопом, проникает через стенку клетки. Видно, как липид (жир) вытекает с конца иглы, когда мы мягко поворачиваем большую, совершенно макроскопическую рукоятку. Ну вот! Из-за своей неумелости я только что разорвал стенку клетки и должен взять новый образец. Насмешки Джона Дьюи над "зрительской (созерцательной) теорией знания" так же уместны в отношении зрительской теории микроскопов. Все это не означает, что микроскописты-практики свободны от философских проблем. Приведем еще одну цитату [В] из одного из самых подробных учебников для биологов, книги Э. М. Слейтера "Оптические методы в биологии":
[В] "Микроскопист может разглядывать знакомый предмет через слабый микроскоп и видеть несколько увеличенное изображение, которое 'такое же', как и предмет. Растущее увеличение может открыть детали предмета, которые невидимы невооруженному глазу. Естественно предположить, что эти детали 'такие же', как у исследуемого предмета. (На этой стадии необходимо установить то, что детали не появляются вследствие ущерба, нанесенного предмету при препарировании под микроскопом). Но что на самом деле подразумевается под утверждением, что 'изображение - такое же, как объект'?
Очевидно, что этот образ чисто оптический... 'Одинаковость' предмета и изображения на самом деле подразумевает то, что физические взаимодействия со световым лучом, которые делают объект видимым (или могут сделать его видимым, будучи достаточно большими), совпадают с теми, которые приводят к образованию изображения в микроскопе...
Тем не менее, предположим, что излучение, которое используется в микроскопе, - это ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи или электроны, или что микроскоп использует некий прибор, который преобразует разницу в фазе в изменения интенсивности. Тогда изображение, видимо, не может быть 'таким же', как предмет, даже в указанном выше ограниченном смысле! Глаз не способен ощущать ультрафиолетовое, рентгеновское или электронное излучение или уловить сдвиг фазы между световыми лучами...
Этот способ мышления открывает нам то, что изображение соответствует взаимодействию между предметом и излучением, создающим изображение" (стр. 261-263).
Автор продолжает, заявляя, что все упомянутые ею методы, а также и другие методы, "могут порождать 'истинные' изображения, которые в некотором смысле 'подобны' предмету". Она также замечает, что с помощью таких методов как авторадиография, "'изображение' предмета получается... исключительно с точки зрения расположения радиоактивных атомов. 'Изображение' такого типа настолько детализировано, что, вообще говоря, не поддается интерпретации без помощи дополнительного изображения от фотомикрографа, на который оно обычно накладывается".
Микроскопист сказал бы, что мы видим через микроскоп, только когда физическое взаимодействие предмета и светового луча "идентичны" в случае образа в микроскопе и в глазу. Сопоставьте с моей цитатой [А], относящейся к более раннему поколению работ, в которой говорится, что, поскольку обычный световой микроскоп работает на основе дифракции, то даже он устроен не так, как обычное зрение, но совершенно своеобразен. Могут ли микроскописты [А] и [В], не соглашающиеся относительно простейшего светового микроскопа, занимать правильную философскую позицию относительно "зрения"? Пугливое употребление кавычек в которые взяты слова "изображение" и "истинный" делают [B] еще более двусмысленным. В микроскопии нужно быть особенно осторожным со словом "изображение". Иногда оно означает нечто, на что можно указать, форму, брошенную на экран, микрограф или что-либо еще. Но в других случаях это означает то, что находится на входе самого глаза. Слияние происходит в геометрической оптике, где выстраивается система с предметом, находящимся в одном фокусе, и изображением, находящимся в другой фокальной плоскости, где "образ" показывает, чтo вы увидите, если ваш глаз будет находиться там. Я все-таки сопротивляюсь одному умозаключению, которое может быть выведено из цитаты [В]. Может показаться, что любое утверждение о том, что видно с помощью микроскопа, заряжено теорией - теорией оптики или теорией какого-нибудь излучения. Я не согласен с этим. Для того, чтобы сделать микроскоп, необходима теория, но для того, чтобы им пользоваться, теория не нужна. Теория может помочь понять, почему предметы, рассматриваемые через интеренференционно-контрастные микроскопы, имеют асимметричное окаймление, но можно научиться не замечать такой эффект вполне эмпирически. Вряд ли современный биолог знает оптику в такой мере, чтобы удовлетворить физика. Практика, под которой я вообще имею в виду делание, а не смотрение, дает возможность различать видимые артефакты препарирования или применения инструментов и реальные структуры, видимые через микроскоп. Эта практическая способность порождает уверенность. Она может потребовать некоторого понимания биологии, хотя бывают и первоклассные лаборанты, которые даже не знают биологии. В любом случае, физика просто не имеет никакого отношения к чувству микроскопической реальности. Наблюдения и манипуляции редко несут вообще какой-либо заряд физической теории, и все что в них находится, совершенно не зависимо от клеток или изучаемых кристаллов.

Плохие микроскопы

Мне встречалось мнение о том, что с момента изобретения микроскопа Левенгуком люди продолжали делать все лучшие и лучшие варианты одного и того же типа микроскопов. Я хотел бы скорректировать эту мысль.
Левенгук, хотя и не был первым микроскопистом, был техническим гением. В его микроскопах была единственная линза, и он делал линзу для каждого предмета, который он собирался исследовать. Предмет насаживали на булавку на подходящем расстоянии от линзы. Мы не знаем, как ему удавалось делать столь прекрасные рисунки своих предметов. Наиболее представительное собрание его линз-предметных пар находилось в Лондонском Королевском Обществе, которое потеряло всю коллекцию столетие спусти при обстоятельствах, которые вежливо названы подозрительными. Но даже к тому времени клей, которым его предметы держались на булавках, потерял свою силу, и предметы отвалились. Почти наверняка Левенгук получил свои прекрасные результаты скорее благодаря секретам освещения, нежели способу изготовления линз. Создается впечатление, что он никогда не учил людей своим приемам. Возможно, Левенгук изобрел освещение темного поля, а не микроскоп. Эта догадка должна послужить одной из первых в длинной череде возможных напоминаний о том, что множество важнейших достижений в микроскопии не имеют ничего общего с оптикой. Понадобились микротомы для того, чтобы делать более тонкие срезы, анилиновые красители, чистые источники света, а на более скромных уровнях - винтовой микрометр для подстраивания фокуса, фиксаторы и центрифуги.
Хотя первые микроскопы вызвали большое волнение в обществе, показывая миры внутри миров, важно отметить, что после составного микроскопа Гука технология не претерпела заметного улучшения. После возбуждения, связанного с начальными наблюдениями, не последовало новое знание. Микроскоп стал игрушкой английских леди и джентльменов. Игрушка состояла из микроскопа и коробки с препарированными объектами растительного и животного мира. Заметим, что коробка с такими препаратами могла стоить больше, чем покупка самого микроскопа. Нельзя было просто поместить каплю воды из пруда на кусок стекла и смотреть на нее под микроскопом. Почти всем, за исключением самых серьезных экспертов, было необходимо уже подготовленное предметное стекло с препаратом, чтобы увидеть хоть что-нибудь. Конечно, учитывая оптические аберрации, вызывает восхищение тот факт, что кто-либо когда-либо вообще что-то видел через составной микроскоп, хотя на самом деле, как и всегда в экспериментальной науке, по настоящему умелый лаборант может делать чудеса и на очень плохом оборудовании.
В простейшей световой микроскопии насчитывается около восьми основных типов аберраций. Две важнейших из них - это сферическая и хроматическая аберрации. Первая является результатом того факта, что линза шлифуется движениями, направленными случайным образом. Как можно показать, это дает сферическую поверхность. Для луча, проходящего под некоторым малым углом к оптической оси линзы, фокусное расстояние будет не то же самое, что для луча, который идет ближе к оси. Для углов i, таких, что sin i сильно отличается от i, мы не получим общего фокуса световых лучей, и точка на предмете будет видна через микроскоп как смазанное пятно. Это хорошо понимал Гюйгенс, который также хорошо знал, как это исправить в принципе, но реальное изготовление комбинации вогнутых и выпуклых линз, позволявшее избежать сферической аберрации, произошло не сразу.
Хроматические аберрации вызывались различиями в длинах волн разных цветов. Красный и синий свет, излучаемый одной и той же точкой предмета, сфокусируются в разных точках. Резкий красный образ накладывается на синее пятно или наоборот. Хотя богатые люди имели обыкновение держать дома микроскоп для развлечения, не удивительно, что серьезная наука не имела с ним дела. Ксавье Биша многими считается основателем гистологии, науки о живых тканях. Еще в 1800 году он не допускал микроскопы в свою лабораторию. В своем введении в "Общую анатомию" он писал: "Когда люди проводят наблюдение в условиях недостаточной видимости, каждый видит по-своему в соответствии со своими чувствами. Следовательно, мы должны руководствоваться непосредственными наблюдениями", а не размытыми изображениями, предоставляемыми даже лучшими микроскопами.
Никто особенно не пытался создать ахроматические микроскопы, потому что Ньютон писал об их физической невозможности. Такие микроскопы стали возможны с появлением особого кремниевого стекла, флинтгласса, имеющего показатель преломления больший, чем у обыкновенного стекла. Пара линз с различными индексами преломления могут устранить аберрацию для данной пары красных и синих лучей, и хотя это решение не совершенно на всем спектре, результат может быть улучшен с помощью тройной линзы. Первый человек, которому пришла в голову правильная мысль, был настолько скрытен, что послал заказы на линзы из разного стекла разным подрядчикам. Эти подрядчики заключили субподряды с одним и тем же ремесленником, который затем сделал проницательное предположение о том, что линзы предназначены для одного и того же прибора. Так, в 1758 году идею украли. Дело о правах на патент, которое слушалось в суде, было решено в пользу укравшего, Джона Долланда. Высший Суд постановил: "Патента достоин не тот, кто занес изобретение в свои тайные записи, а тот, кто сделал его достоянием публики". Но достояние публики от этого не очень изменилось. Вплоть до 1860-х годов шли серьезные споры о том, были ли капли, видимые через микроскоп, артефактами инструментов или подлинными продуктами живой материи. (На самом деле, это были артефакты). Но все же микроскопы стали лучше, а средства микроскопии развивались довольно быстро. Если рисовать график развития, то первый подъем придется где-то на 1660 год, затем очень медленный подъем вплоть до 1870-х годов, тут снова скачок; следующий большой скачок, который продолжается и сейчас, начался около 1945 года. Историк науки мог бы нарисовать такой график с большой точностью, используя в качестве масштаба пределы разрешающей способности приборов, дошедших от прошлых времен. Производя субъективную оценку великого применения микроскопа, мы могли бы нарисовать сходный график, отличающийся лишь тем, что контраст 1870/1660 годов был бы больше. До 1860 года с помощью микроскопа было обнаружено мало подлинно интересных фактов. Волна новой микроскопии была вызвана частично благодаря работам Аббе, но непосредственной причиной прогресса стала доступность анилиновых красителей. Живая материя в основном прозрачна. Новые анилиновые красители дали возможность увидеть микробы и многое другое.

Аббе и дифракция

Как мы "обычно" видим? В основном, мы видим отраженный свет. Но если использовать увеличительное стекло, чтобы посмотреть на предмет, освещаемый сзади, то мы "видим" передаваемый или поглощаемый свет. Таким образом, у нас может быть следующая мысль: увидеть что-либо сквозь микроскоп - это увидеть пятна темного и светлого, соответственно пропорциям пропускаемого или поглощаемого света. Мы видим изменения в амплитуде световых лучей. Я думаю, что даже Гюйгенс знал, что эта концепция может быть неверна, но лишь в 1873 году Аббе объяснил, как работает микроскоп.
Эрнст Аббе являл собой прекраснейший пример пути из нищеты к богатству. Сын рабочего прядильной фабрики, он выучил математику и получил финансовую поддержку на обучение в гимназии. Он преподавал математику, физику и астрономию. Его работа по оптике привела его на небольшую фирму Карла Цейса в Йене. Когда Цейс умер, Аббе стал хозяином фирмы и посвятил свою жизнь филантропическим занятиям. Бесчисленные математические и практические изобретения Аббе превратили фирму Карла Цейса в одну из самых известных оптических фирм. Здесь я упомяну лишь одно изобретение.
Аббе занимался проблемой разрешающей способности оптических приборов. Увеличение бессмысленно, если оно "увеличивает" две разные точки в одно большое пятно. Необходимо разрешить две точки в два различных образа. Это можно сделать с помощью дифракции. Самый известный пример дифракции - это факт, относящийся к тому, что тени предметов с острыми краями расплывчаты. Это следствие волновой природы света. Когда свет проходит через две узкие щели, некоторая часть луча идет прямо, некоторая часть отклоняется на некий угол от основного луча, а некоторая часть луча отклоняется на больший угол: это лучи дифракции первого, второго и третьего порядков.
Аббе взялся за задачу разрешить (то есть зрительно различить) параллельные линии на диатомее (крохотной океанической водоросли, которая миллиардами поглощается китами). Эти линии очень близки, равномерно удалены друг от друга и имеют одинаковую ширину. Вскоре он получил возможность использовать еще более регулярные дифракционные решетки. Его работа представляет интересный пример того, как применяется чистая наука: Аббе разработал теорию для чистого случая рассматривания диатомеи или дифракционной решетки и сделал из этого вывод, что эти случаи представляют бесконечное разнообразие физики, связанной с вu дением гетерогенного объекта в микроскопе.
Когда свет проходит чрез дифракционную решетку, большая часть его подвергается дифракции. Она испускается от решетки под углами дифракций первого, второго и третьего порядков, где величины углов дифракции частично зависят от расстояний между линиями решетки. Аббе понял, что для того, чтобы увидеть щели на решетке, необходимо собрать не только основной прошедший свет, но и, по-крайней мере, дифракционные лучи первого порядка. То, что мы видим, на самом деле лучше всего представляется как Фурье-синтез прошедших и рассеянных лучей. Таким образом, согласно Аббе, образ предмета производится интерференцией лучей света, излучаемых основным источником и вторичными образами источников света, являющихся результами дифракции.
У этого факта есть очень много практических приложений. Очевидно, что можно собрать большее количество рассеяных лучей с помощью более широкого отверстия на диафрагме объектива, но при этом больше будет и сферическая аберрация. Вместо этого можно изменить среду между предметом и линзой. В среде более плотной, чем воздух, как в случае с масляно-иммерсионным микроскопом, при данном размере диафрагмы можно получить большее количество дифракционных лучей и тем самым увеличить разрешение микроскопа.
Хотя первые микроскопы Аббе-Цейса были хорошими, теориям этих микроскопов не давали хода много лет, особенно в Англии и Америке, которые целое столетие царили на рынке микроскопов. Даже в 1910 году самые лучшие английские микроскопы, созданные на основе чисто эмпирического опыта и использующие воровским образом некоторые идеи Аббе, имели разрешение, сравнимое или даже лучшее, чем у цейсовских. Такая ситуация не совсем необычна. Хотя парусные корабли всегда были частью материальной культуры, самые большие усовершенствования в их конструкции были сделаны между 1870 и 1900 годами - в то время, когда пароход сделал их устаревшими. Именно на это время приходится пик ремесленнической изобретательности. Также и с микроскопами, но, конечно же, дорогие нетеоретические английские ремесленнические микроскопы были обречены, как и парусные суда.
Однако в достижениях Аббе людей заставляло сомневаться не только коммерческое или национальное соперничество. Выше я заметил, что цитата [А] используется в книге "Микроскопы" Гейга. В девятом издании этого учебника, авторы, ссылаясь на альтернативную теорию, говорят, что микроскопическое вu дение "то же самое, что и вu дение с помощью невооруженного глаза, телескопа, и фотокамеры. Это первичное вu дение, которое признается многими в наши дни". В 11 издании (1916 г.) соответствующее место приобрело следующий вид: "Были проведены очень убедительные эксперименты, доказывающие точность гипотезы Аббе, но как указывается многими, обычное использование микроскопа никогда не включает условия, реализованные в этих экспериментах". Это прекрасный пример того, что Лакатош называет регрессивной исследовательской программой. Это место в основном остается тем же даже в 17 издании (1941 г.). Таким образом, учение Аббе, которое, согласно [А] утверждало, что "невозможно никакого сопоставления микроскопического и макроскопического видения", встречало глубоко укорененное неприятие.
Если придерживаться (как в случае более современного взгляда [В]) того мнения, что видимое нами - в основном дело особой обработки информации в глазу, то все остальное скорее оказывается в области оптической иллюзии или, в лучшем случае, некоторого соответствия изображения рассматриваемому объекту. В соответствии с этим описанием, системы Левенгука и Гука позволяют нам видеть. После Аббе даже обычный световой микроскоп является, в основном, Фурье-синтезатором дифракций первого или даже второго порядков. Таким образом, чтобы считать, что вы видите с помощью хорошего микроскопа, вы должны видоизменить ваше представление о видении. Прежде чем сделать вывод по данному вопросу, нам лучше исследовать некоторые более поздние приборы.

Изобилие микроскопов

Перейдем теперь к послевоенному периоду. Большая часть идей была известна еще в годы между мировыми войнами, но не продвинулась дальше прототипов до второй мировой войны. Одно из изобретений намного старше, но некоторое время оно не имело правильного использования.
Первая практическая проблема для цитолога - это то, что большая часть живой ткани не видна из-за своей прозрачности. Чтобы что-либо увидеть, нужно окрасить объект. Большинство анилиновых красителей - страшные яды, так что видимое вами - обычно совершенно мертвая клетка, которая скорее всего претерпела структурные искажения и демонстрирует структуры, являющиеся артефактами препарирования. Тем не менее, оказывается, что живые ткани отличаются по своим поляризационным свойствам. Поместим в наш микроскоп поляризатор и анализатор. Поляризатор будет передавать к предмету только поляризационный свет с определенными свойствами. В простейшем случае, поместим анализатор под прямым углом к поляризатору, так что он будет передавать только поляризованный свет, противоположный свету поляризатора. Результатом будет полнейшая темнота. Предположим теперь, что сам предмет создает поляризацию, тогда он может изменять плоскость поляризации падающего света, так что видимый образ может порождаться анализатором. Таким способом, можно наблюдать прозрачные волокна полосатой мышцы без подкрашивания, основываясь лишь на определенных свойствах света, который мы обычно "видим".
Теория дифракции Аббе, дополненная поляризационным микроскопом, приводит к некоторой концептуальной революции. Мы не нуждаемся в "обычной" физике зрения для того, чтобы воспринимать структуры в живой ткани. На самом деле, мы редко ее используем. Даже в обычном случае мы скорее синтезируем рассеянные дифракцией лучи, чем видим предмет с помощью "обычной" зрительной физики. Поляризационный микроскоп напоминает нам, что у света существуют множество свойств помимо преломления, поглощения и дифракции. Мы можем использовать любое свойство света, взаимодействующего с предметом, для того, чтобы исследовать структуру предмета. На самом деле, можно использовать любое свойство любого волнового явления.
Даже если мы ограничимся световым микроскопом, нас ждет большое количество работы. Ультрафиолетовый микроскоп удваивает разрешающую силу, хотя его важнейшее преимущество связано с ультрафиолетовым поглощением, типичным для многих биологически важных веществ. Во флюоресцентной микроскопии падающее освещение исключается, и можно наблюдать лишь вторично излучаемый свет разной длины волны, использующий фосфоресценцию или флюоресценцию. Эта гистологическая техника незаменима для некоторых живых тканей. Однако более интересным, чем использование необычных режимов передачи или испускания света, представляются игры, в которые мы играем с самим светом: фазовый контрастный микроскоп Цернике и интерференционный микроскоп Номарского.
Прозрачный предмет однороден по отношению к поглощению света. Он может обладать невидимыми различиями в показателе преломления. Фазовый контрастный микроскоп преобразует эти отличия в видимые отличия интенсивности образа предмета. В обычном микроскопе образ синтезируется из рассеянных волн D и прямых волн U. В фазовом контрастном микроскопе волны U и D разделены гениальным, хотя и очень простым с точки зрения физики, способом. После этого одна или другая волна подвергается фазовой задержке, вследствие чего в фокальной плоскости возникают контрасты, соответствующие различию показателей преломления в предмете.
Интерференционный контрастный микроскоп наверное легче всего понять. Источник света просто разделен пополам посеребренным зеркалом, так что половина света проходит через предмет, а другая половина остается в качестве неизменной опорной волны, которая будет участвовать в восстановлении изображения на выходе. Таким образом, изменения в оптическом пути, создаваемые различиями в показателях преломления, вызывают интерференционные эффекты в опорном луче.
Интерференционный микроскоп создает иллюзорное окаймление предмета, но необыкновенно ценен, поскольку представляет количественное определение показателя преломления в предмете. Естественно, что если у нас есть под рукой подобные приборы, то могут быть сооружены его бесчисленные вариации, такие как поляризующие интерференционные микроскопы; микроскопы, основанные на интерференции множественного луча; интерференции, модулированной по фазе и так далее.