Микроскопический масштаб (от древнегреческого μικρός ( mikrós ) «маленький» и σκοπέω ( skopéō ) «смотреть (на); исследовать, осматривать») — масштаб объектов и событий, меньших тех, которые можно легко увидеть невооруженным глазом , для чёткого их рассматривания требуется линза или микроскоп . [1] В физике микроскопический масштаб иногда рассматривается как шкала между макроскопическим масштабом и квантовым масштабом . [2] [3] Микроскопические единицы и измерения используются для классификации и описания очень маленьких объектов. Одной из распространённых единиц микроскопической шкалы длины является микрометр (также называемый микроном ) (символ: мкм), который составляет одну миллионную часть метра .
Хотя составные микроскопы были впервые разработаны в 1590-х годах, значимость микроскопического масштаба была по-настоящему установлена только в 1600-х годах, когда Марчелло Мальфиги и Антони ван Левенгук микроскопически наблюдали легкие лягушки и микроорганизмы. По мере развития микробиологии значимость проведения научных наблюдений на микроскопическом уровне возросла. [4]
Опубликованная в 1665 году книга Роберта Гука Micrographia подробно описывает его микроскопические наблюдения, включая ископаемые останки насекомых, губок и растений, что стало возможным благодаря его разработке составного микроскопа. Во время изучения пробки он открыл растительные клетки и ввел термин « клетка ». [5]
До использования префикса микро- в Международную метрическую систему в 1795 году были первоначально включены другие термины, такие как санти- , который представлял собой множитель 10^-2, и милли- , который представлял собой множитель 10^-3. [6]
Со временем важность измерений, проводимых в микроскопическом масштабе, возросла, и в 1844 году владелец часовой компании Антуан Лекультр разработал инструмент, названный миллионометром. Этот инструмент обладал способностью точно измерять объекты с точностью до микрометра. [6]
Комитет Британской ассоциации содействия развитию науки включил микропрефикс в недавно созданную систему CGS в 1873 году. [6]
Префикс микро- был окончательно добавлен к официальной системе СИ в 1960 году, подтверждая измерения, которые были сделаны на еще меньшем уровне, обозначая коэффициент 10^-6. [6]
По соглашению, микроскопический масштаб также включает классы объектов, которые чаще всего слишком малы, чтобы их увидеть, но некоторые из которых достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать глазом. Такие группы включают Cladocera , планктонные зеленые водоросли , из которых Volvox легко заметен, и простейших, из которых stentor можно легко увидеть без помощи. Субмикроскопический масштаб также включает объекты, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью оптического микроскопа . [2]
В термодинамике и статистической механике микроскопический масштаб — это масштаб, в котором мы не измеряем или не наблюдаем напрямую точное состояние термодинамической системы — такие подробные состояния системы называются микросостояниями. Вместо этого мы измеряем термодинамические переменные в макроскопическом масштабе , т.е. макросостоянии . [ требуется цитата ]
Поскольку микроскопический масштаб охватывает любой объект, который нельзя увидеть невооруженным глазом, но который можно увидеть под микроскопом, диапазон объектов, которые попадают под этот масштаб, может быть таким же малым, как атом, видимый под просвечивающим электронным микроскопом . [8] Типы микроскопов часто различаются по их механизму и применению и могут быть разделены на две общие категории. [9]
Среди световых микроскопов, используемая линза объектива определяет, насколько мал объект, который можно увидеть. Эти изменяющиеся линзы объектива могут изменить разрешающую способность микроскопа, которая определяет наименьшее расстояние, на котором кто-то может различить два отдельных объекта через эту линзу микроскопа. Важно отметить, что разрешение между двумя объектами варьируется от человека к человеку, [9] но сила линз объектива может быть количественно определена. [11]
В 1660-х годах Антони ван Левенгук изобрел простой микроскоп, в котором использовалась одна сферическая линза, установленная между двумя тонкими латунными пластинами. В зависимости от качества линзы можно было получить увеличение от 70x до 250x. Образец для исследования устанавливался на точку на тонком стержне с резьбой. [12] [13]
Составные световые микроскопы имеют объектив с коротким фокусным расстоянием, который создает реальное изображение , которое исследуется с помощью окуляра с большим фокусным расстоянием. Соотношение фокусного расстояния объектива и окуляра, при установке в стандартную длину тубуса, дает приблизительное увеличение системы. Благодаря своей конструкции составные микроскопы обладают улучшенной разрешающей способностью и контрастностью по сравнению с простыми микроскопами [11] и могут использоваться для просмотра структуры, формы и подвижности клетки и ее организмов [14] , которые могут быть размером до 0,1 микрометра. [15]
Хотя электронные микроскопы по-прежнему являются формой составных микроскопов, механизм использования ими электронных лучей для освещения объектов существенно отличается от механизма составных световых микроскопов, что позволяет им иметь гораздо более высокую разрешающую способность и увеличение примерно в 10 000 раз больше, чем у световых микроскопов. [14] Их можно использовать для просмотра таких объектов, как атомы , размер которых составляет всего 0,001 микрометра. [1]
В ходе судебно-медицинской экспертизы следы с мест преступления, такие как кровь, отпечатки пальцев и волокна, можно тщательно исследовать под микроскопом, вплоть до определения возраста следа. Наряду с другими образцами, биологические следы можно использовать для точной идентификации лиц, присутствующих на месте, вплоть до клеток, обнаруженных в их крови. [16]
Когда определяется денежная стоимость драгоценных камней, различные профессии в геммологии требуют систематического наблюдения за микроскопическими физическими и оптическими свойствами драгоценных камней. [17] Это может включать использование стереомикроскопов для оценки этих качеств, чтобы в конечном итоге определить стоимость каждого отдельного драгоценного камня или драгоценности. [18] Это можно сделать аналогичным образом при оценке золота и других металлов. [17]
При оценке дорожных материалов микроскопический состав инфраструктуры имеет решающее значение для определения долговечности и безопасности дороги, а также различных требований различных мест. Поскольку химические свойства, такие как водопроницаемость, структурная устойчивость и термостойкость, влияют на производительность различных материалов, используемых в смесях для дорожного покрытия, они принимаются во внимание при строительстве дорог в соответствии с трафиком, погодой, поставками и бюджетом в этой области. [19]
В медицине диагнозы могут быть поставлены с помощью микроскопического наблюдения за биопсией пациента , например, раковыми клетками. Патологические и цитологические отчеты включают микроскопическое описание, которое состоит из анализов, выполненных с использованием микроскопов, гистохимических красителей или проточной цитометрии . Эти методы могут определить структуру пораженной ткани и тяжесть заболевания, а раннее обнаружение возможно посредством идентификации микроскопических признаков заболевания. [21]
Хотя использование микроскопического масштаба имеет много ролей и целей в научной сфере, существует множество биохимических закономерностей, наблюдаемых микроскопически, которые внесли значительный вклад в понимание того, как человеческая жизнь зависит от микроскопических структур для функционирования и существования. [ необходима цитата ]
Антони ван Левенгук не только внес вклад в изобретение микроскопа, его также называют «отцом микробиологии». Это связано с его значительным вкладом в первоначальное наблюдение и документирование одноклеточных организмов, таких как бактерии и сперматозоиды, а также микроскопических тканей человека, таких как мышечные волокна и капилляры. [22]
Генетическая манипуляция регулирующими энергию митохондриями по микроскопическим принципам также, как было обнаружено, увеличивает продолжительность жизни организма, решая проблемы, связанные со старением у людей, такие как болезнь Паркинсона , болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз . За счет увеличения количества энергетических продуктов, производимых митохондриями, продолжительность жизни ее клетки, а следовательно, и организма, увеличивается. [23]
Микроскопический анализ пространственного распределения точек в пределах гетерохроматиновых центромер ДНК подчеркивает роль центромерных областей хромосом в ядрах, проходящих интерфазную часть митоза клетки . Такие микроскопические наблюдения предполагают, что неслучайное распределение и точная структура центромер во время митоза являются жизненно важным фактором успешного функционирования и роста клеток, даже в раковых клетках. [24]
Энтропию и беспорядок Вселенной можно наблюдать в микроскопическом масштабе, ссылаясь на второй и третий законы термодинамики . В некоторых случаях это может включать расчет изменения энтропии внутри контейнера расширяющихся молекул газа и соотнесение его с изменением энтропии его окружения и Вселенной. [ 26]
Экологи отслеживают состояние экосистемы с течением времени, выявляя микроскопические особенности в окружающей среде. Это включает в себя температуру и толерантность к CO2 микроорганизмов , таких как инфузории, и их взаимодействие с другими простейшими. Кроме того, микроскопические факторы, такие как движение и подвижность, можно наблюдать в образцах воды этой экосистемы. [27]
Разделы геологии включают изучение структуры Земли на микроскопическом уровне. Физические характеристики горных пород регистрируются, и в петрографии особое внимание уделяется изучению микроскопических деталей горных пород. Подобно сканирующим электронным микроскопам, электронные микрозонды могут использоваться в петрологии для наблюдения за условиями, которые позволяют формировать горные породы, что может дать информацию о происхождении этих образцов. В структурной геологии петрографические микроскопы позволяют изучать микроструктуры горных пород, чтобы определить, как геологические особенности, такие как тектонические плиты, влияют на вероятность землетрясений и движение грунтовых вод. [28]
В результате использования микроскопических технологий произошли как успехи в микроскопической технологии, так и открытия в других областях знаний. [30]
В сочетании с флуоресцентной маркировкой молекулярные детали отдельных амилоидных белков могут быть изучены с помощью новых методов световой микроскопии, а также их связь с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. [31]
Другие усовершенствования в световой микроскопии включают возможность просмотра субволновых, наноразмерных объектов. [32] Наномасштабная визуализация с помощью атомно-силовой микроскопии также была улучшена, что позволяет более точно наблюдать небольшие количества сложных объектов, таких как клеточные мембраны . [33]
Когерентные микроскопические модели, обнаруженные в химических системах, поддерживают идеи устойчивости определенных веществ к энтропийным средам. Это исследование используется для информирования о производстве солнечного топлива и улучшения возобновляемой энергии. [35]
Микроскопический музыкальный инструмент под названием Micronium также был разработан с помощью микромеханики , состоящей из пружин толщиной с человеческий волос, которые выщипываются микроскопическими гребенчатыми приводами. Это очень минимальное движение, которое производит слышимый шум для человеческого уха, чего ранее не удавалось сделать с помощью прошлых попыток с микроскопическими инструментами. [36]
Мы будем называть систему « микроскопической » (т. е. « мелкомасштабной »), если она имеет приблизительно атомные размеры или меньше (скажем, порядка 10 Å или меньше).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )