Микроскопический масштаб (от древнегреческого μικρός ( микрос ) «маленький» и σκοπέω ( скопео ) «смотреть (на); рассматривать, осматривать») — это масштаб объектов и событий, меньших, чем те, которые можно легко увидеть невооруженным глазом . глаза , требующие линзы или микроскопа , чтобы ясно их увидеть. [1] В физике микроскопический масштаб иногда рассматривается как масштаб между макроскопическим и квантовым масштабами . [2] [3] Микроскопические единицы и измерения используются для классификации и описания очень маленьких объектов. Одной из распространенных микроскопических единиц измерения длины является микрометр (также называемый микроном ) (обозначение: мкм), который равен одной миллионной метра .
Хотя сложные микроскопы были впервые разработаны в 1590-х годах, значение микроскопического масштаба было по-настоящему установлено только в 1600-х годах, когда Марчелло Мальфиги и Антони ван Левенгук наблюдали под микроскопом легкие и микроорганизмы лягушки. С развитием микробиологии возросло значение научных наблюдений на микроскопическом уровне. [4]
Опубликованная в 1665 году книга Роберта Гука «Микрография» подробно описывает его микроскопические наблюдения, в том числе за ископаемыми насекомыми, губками и растениями, что стало возможным благодаря разработке им сложного микроскопа. Во время изучения пробки он открыл растительные клетки и ввёл термин « клетка ». [5]
До использования префикса микро- в Международную метрическую систему в 1795 году первоначально были включены другие термины, такие как санти- , который представлял собой коэффициент 10^-2, и милли- , который представлял собой коэффициент 10^-3. . [6]
Со временем важность измерений, проводимых в микроскопическом масштабе, возросла, и в 1844 году владелец часовой компании Антуан ЛеКультр разработал прибор под названием «Миллионометр». Этот инструмент позволял 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 наконец добавлен к официальной системе СИ в 1960 году, признавая 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 можно было увидеть, но некоторые из них достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом. К таким группам относятся Cladocera , планктонные зеленые водоросли , из которых легко наблюдать вольвокс , и простейшие, стентор которых можно легко увидеть без посторонней помощи. Субмикроскопический масштаб также включает в себя объекты, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп . [2]
В термодинамике и статистической механике микроскопический масштаб — это масштаб, в котором мы не измеряем и не наблюдаем непосредственно точное состояние термодинамической системы — такие подробные состояния системы называются микросостояниями. Вместо этого мы измеряем термодинамические переменные в макроскопическом масштабе , т.е. в макросостоянии . [ нужна цитата ]
Поскольку микроскопическая шкала охватывает любой объект, который нельзя увидеть невооруженным глазом, но видимый под микроскопом, диапазон объектов, подпадающих под эту шкалу, может быть таким же маленьким, как атом, видимый под просвечивающим электронным микроскопом . [8] Типы микроскопов часто различаются по механизму и применению и могут быть разделены на две общие категории. [9]
В световых микроскопах используемый объектив определяет, насколько малый объект можно увидеть. Эти различные линзы объектива могут изменять разрешающую способность микроскопа, которая определяет кратчайшее расстояние, на котором человек может различить два отдельных объекта через линзу микроскопа. Важно отметить, что разрешение между двумя объектами варьируется от человека к человеку, [9] но силу линз объектива можно определить количественно. [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 возможно увеличение от 70x до 250x. Исследуемый образец устанавливался на острие стержня с тонкой резьбой. [12] [13]
Микроскопы со сложным светом имеют объектив с коротким фокусным расстоянием, который создает реальное изображение , которое исследуется с помощью окуляра с более длинным фокусным расстоянием. Соотношение фокусных расстояний объектива и окуляра при установке в тубус стандартной длины дает приблизительное увеличение системы. Благодаря своей конструкции сложные микроскопы обладают улучшенной разрешающей способностью и контрастностью по сравнению с простыми микроскопами [11] и могут использоваться для наблюдения за структурой, формой и подвижностью клетки и ее организмов, [14] которые могут иметь размеры всего лишь 0,1 микрометра. [15]
Хотя электронные микроскопы по-прежнему представляют собой разновидность сложного микроскопа, механизм использования ими электронных лучей для освещения объектов существенно отличается от 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-медицинских расследований следы с места преступления, такие как кровь, отпечатки пальцев и волокна, могут быть тщательно изучены под микроскопом, вплоть до определения возраста следов. Наряду с другими образцами биологические следы могут использоваться для точной идентификации людей, присутствующих в определенном 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 ценность каждого отдельного драгоценного камня или драгоценного камня. [18] Аналогично это можно сделать и 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 в разных местах. Поскольку химические свойства, такие как водопроницаемость, структурная стабильность и термостойкость , влияют на характеристики различных материалов, используемых в дорожных смесях, они учитываются при строительстве дорог в зависимости от интенсивности движения, погоды, поставок и бюджета в этой области. [19]
В медицине диагноз можно поставить с помощью микроскопического наблюдения за биоптатами пациента , например, раковыми клетками. Отчеты о патологии и цитологии включают микроскопическое описание, которое состоит из анализов, выполненных с использованием микроскопов, гистохимических окрасок или проточной цитометрии . Эти методы позволяют определить структуру пораженной ткани и тяжесть заболевания, а раннее выявление возможно благодаря выявлению микроскопических признаков заболевания. [21]
Хотя использование микроскопических масштабов имеет множество ролей и целей в научной области, существует множество биохимических закономерностей, наблюдаемых под микроскопом, которые внесли значительный вклад в понимание того, как человеческая жизнь зависит от микроскопических структур, чтобы функционировать и жить. [ нужна 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]
Также было обнаружено , что генетические манипуляции с митохондриями , регулирующими энергию , с помощью микроскопических принципов продлевают продолжительность жизни организма, решая возрастные проблемы у людей, такие как болезни Паркинсона , Альцгеймера и рассеянный склероз . За счет увеличения количества энергетических продуктов, вырабатываемых митохондриями, увеличивается продолжительность жизни ее клетки, а значит, и организма. [23]
Микроскопический анализ пространственного распределения точек центромер гетерохроматина ДНК подчеркивает роль центромерных участков хромосом в ядрах, находящихся в интерфазной части митоза клеток . Такие микроскопические наблюдения позволяют предположить, что неслучайное распределение и точная структура центромер во время митоза являются жизненно важными факторами успешного функционирования и роста клеток, даже в раковых клетках. [24]
Энтропию и беспорядок во Вселенной можно наблюдать в микроскопическом масштабе, со ссылкой на второй и третий законы термодинамики . В некоторых случаях это может включать в себя расчет изменения энтропии внутри контейнера с расширяющимися молекулами газа и связь его с изменением энтропии окружающей среды и Вселенной. [26]
Экологи следят за состоянием экосистемы с течением времени, выявляя микроскопические особенности окружающей среды. Сюда входят температура и толерантность к CO 2 таких микроорганизмов, как инфузории, а также их взаимодействие с другими простейшими. Кроме того, в пробах воды этой экосистемы можно наблюдать микроскопические факторы, такие как движение и подвижность. [27]
Отрасли геологии изучают строение Земли на микроскопическом уровне. Физические характеристики горных пород фиксируются, а в петрографии особое внимание уделяется изучению микроскопических деталей горных пород. Подобно сканирующим электронным микроскопам, электронные микрозонды можно использовать в петрологии для наблюдения за условиями, в которых образуются горные породы, что может указать на происхождение 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 движения грунтовых вод. [28]
Благодаря микроскопическим технологиям произошли как достижения в области микроскопических технологий, так и открытия в других областях знаний. [30]
В сочетании с флуоресцентной меткой молекулярные детали отдельных амилоидных белков можно изучать с помощью новых методов световой микроскопии и их связи с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. [31]
Другие улучшения в световой микроскопии включают возможность рассматривать субволновые наноразмерные объекты. [32] Наномасштабные изображения с помощью атомно-силовой микроскопии также были улучшены, чтобы обеспечить более точное наблюдение небольших количеств сложных объектов, таких как клеточные мембраны . [33]
Последовательные микроскопические закономерности, обнаруженные в химических системах, подтверждают идеи устойчивости некоторых веществ к энтропийной среде. Это исследование используется для информирования о производстве солнечного топлива и совершенствовании возобновляемых источников энергии. [35]
С помощью микромеханики также был разработан микроскопический музыкальный инструмент под названием «Микроний» , состоящий из пружин толщиной с человеческий волос, выщипываемых микроскопическими приводами расчески. Это очень минимальное движение, которое производит слышимый шум для человеческого уха, чего ранее не было при предыдущих попытках с помощью микроскопических инструментов. [36]
Мы будем называть систему « микроскопической » (т. е. « маленькомасштабной »), если она имеет примерно атомные размеры или меньше (скажем, порядка 10 Å или меньше).
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )