Lichtmikroskope: Die Entdeckung des Mikrokosmos

Lichtmikroskope: Einblicke in den Mikrokosmos

Einblicke in den Mikrokosmos © misfire_asia/Shutterstock.com

Das Mikroskop zählt zu den bahnbrechenden Erfindungen der Menschheit, denn es erlaubt tiefe Einblicke in die Mikrostrukturen der Natur, die dem bloßen menschlichen Auge verborgen geblieben wären. Die Technologie beruht auf dem Phänomen der Lichtbrechung, welches bereits in der Antike anhand von Wassertropfen auf Pflanzenblättern bemerkt wurde; aufgrund ihrer gekrümmten Oberfläche lassen diese dahinter liegende Objekte etwas größer erscheinen. Basierend auf dieser Beobachtung erfanden italienische Mönche etwa im Jahr 1300 die ersten Linsen: Gekrümmte Glaskörper, die schließlich als erste Brillen Verwendung fanden.

Das Lichtmikroskop: Funktionsweise

Die ersten Mikroskope, die sich gezielt das Phänomen der Lichtbrechung durch Linsen zunutze machten, entstanden um das Jahr 1600 herum. Nachdem Zacharias Janssen 1609 auf der Frankfurter Messe ein sog. zusammengesetztes Mikroskop, das eine konvex gekrümmte Linse mit einer konkav gekrümmten Linse kombinierte, vorgestellt hatte, konstruierte auch der geniale Erfinder Galileo Galilei ein Lichtmikroskop nach diesem Funktionsprinzip. Wesentliche Faktoren für die erzielte Vergrößerung sind vor allem der Abstand der beiden Linsen, deren Reinheit und deren Krümmungsgrad.

Mit dem Lichtmikroskop von Robert Hooke konnten 1665 schon eine 50-fache Vergrößerung erzielt werden! Ein weiterer Meilenstein sind die Mikroskope von Antoni van Leeuwenhoek (1632 – 1723), welcher eine bis dato unerreichte Fertigkeit im Schleifen von Linsen erreichte. Van Leeuwenhoeks Lichtmikroskope verwendeten eine einzige, kleine und annährend kugelförmige Linse und konnten Bilder mit 270-facher Vergrößerung erzeugen. Die Vergrößerung durch eine Linse wächst mit ihrem Krümmungsgrad, sodass kugelförmige Linsen einen stärkeren Effekt haben.

Für den Lichtmikroskop-Aufbau gibt es zahlreiche verschiedene Herangehensweisen: Zu den wichtigsten Typen, die oftmals sehr spezielle Anwendungsbereiche haben, zählen das Durchlichtmikroskop, das Auflichtmikroskop und das Stereomikroskop. Allen gemein ist, dass die Vergrößerung auf der Lichtbrechung durch gewölbte Linsen beruht. 1873 beschrieb Ernst Abbe erstmals die sog. Auflösungsgrenze für Lichtmikroskope, welche auf die Wellenlänge des sichtbaren Lichts zurückgeht und bei etwa 200 Nanometern liegt (200 Millionstel Millimeter). Zwei Punkte, die näher beieinander liegen, können demnach nicht mehr mit einem Lichtmikroskop unterschieden werden. Die maximal erreichbare Vergrößerung durch Lichtmikroskopie wird in etwa durch den Faktor 1.500 beschrieben.

Bahnbrechende Entdeckungen mit dem Lichtmikroskop

Zu den wichtigsten Errungenschaften der Lichtmikroskopie gehört die Entdeckung des Zellkerns durch Robert Brown im Jahr 1830. Ebenso entdeckte dieser die nach ihm benannte Brownsche Molekularbewegung. Ohne Lichtmikroskop hätte Robert Koch nicht den Tuberkulosevirus entdeckt, wofür er 1873 mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Das Lichtmikroskop hat den Erkenntnishorizont der Menschheit auf eine neue Stufe gehoben.

Weiterentwickelte Lichtmikroskopie

Verschiedene moderne Verfahren der Lichtmikroskopie erlauben es aber dennoch, das Abbe-Limit zu überschreiten. Hierzu gehören vor allem die 3D-SIM-Mikroskopie, die 4 Pi-Mikroskopie und die STED-Mikroskopie. Vereinfacht gesagt erstellt erstere mehrere Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln, zweitere nutzt hierfür zwei gegenüberliegende Mikroskope. Ein STED-Mikroskop nutzt Laserstrahlen, um die zu vergrößernden Objekte zu scannen.

Das Elektronenmikroskop erlaubt sogar noch wesentlich höhere Auflösungen

Elektronen stellen Materiewellen (Quantenphysik) mit wesentlich kürzerer Wellenlänge als sichtbares Licht dar und können sogar zwei Punkte unterscheiden, die nur 0,1 Nanometer voneinander entfernt liegen.