Mikroskopische Skala

Die mikroskopische Skala (vom altgriechischen μικρός ( mikrós ) „ klein “ und σκοπέω ( skopéō ) „ betrachten“, „untersuchen“, „inspizieren “ ) bezeichnet die Größenordnung von Objekten und Ereignissen, die kleiner sind als jene, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind und für deren klare Betrachtung eine Linse oder ein Mikroskop erforderlich ist. ^{[ 1 ]} In der Physik wird die mikroskopische Skala mitunter als die Zwischenstufe zwischen der makroskopischen und der quantenmechanischen Skala betrachtet . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Mikroskopische Einheiten und Messungen dienen der Klassifizierung und Beschreibung sehr kleiner Objekte. Eine gebräuchliche mikroskopische Längeneinheit ist das Mikrometer (auch Mikron genannt ) (Symbol: μm), das einem Millionstel Meter entspricht .

Obwohl zusammengesetzte Mikroskope bereits in den 1590er Jahren entwickelt wurden, wurde die Bedeutung der mikroskopischen Skala erst im 17. Jahrhundert wirklich erkannt, als Marcello Malphigi und Antonie van Leeuwenhoek Froschlungen und Mikroorganismen mikroskopisch untersuchten. Mit der Etablierung der Mikrobiologie nahm die Bedeutung wissenschaftlicher Beobachtungen auf mikroskopischer Ebene zu. ^{[ 4 ]}

Robert Hookes 1665 veröffentlichtes Buch „Micrographia“ beschreibt seine mikroskopischen Beobachtungen, darunter an fossilen Insekten, Schwämmen und Pflanzen, die durch die Entwicklung des zusammengesetzten Mikroskops ermöglicht wurden. Während seiner Studien an Kork entdeckte er Pflanzenzellen und prägte den Begriff „ Zelle “. ^{[ 5 ]}

Vor der Verwendung des Präfixes Mikro- wurden ursprünglich andere Begriffe in das internationale metrische System von 1795 aufgenommen, wie zum Beispiel Centi- , das einen Faktor von 10 ⁻² darstellte , und Milli- , das einen Faktor von 10 ⁻³ darstellte . ^{[ 6 ]}

Im Laufe der Zeit wuchs die Bedeutung von Messungen im mikroskopischen Bereich, und 1844 entwickelte der Uhrenfabrikant Antoine LeCoultre ein Instrument namens Millionometer. Mit diesem Instrument konnten Objekte bis auf den nächsten Mikrometer genau vermessen werden. ^{[ 6 ]}

Das Komitee der British Association for the Advancement of Science integrierte 1873 das Präfix Mikro- in das neu gegründete CGS-System. ^{[ 6 ]}

Das Präfix Mikro- wurde schließlich 1960 in das offizielle SI-System aufgenommen, um Messungen zu kennzeichnen, die auf einer noch kleineren Ebene durchgeführt wurden und einen Faktor von 10 ⁻⁶ bezeichnen . ^{[ 6 ]}

Konventionsgemäß umfasst die mikroskopische Skala auch Objektklassen, die meist zu klein sind, um gesehen zu werden, von denen aber einige Vertreter groß genug sind, um mit bloßem Auge beobachtet zu werden. Zu diesen Gruppen gehören die Cladocera , planktonische Grünalgen, von denen Volvox leicht zu beobachten ist, und die Protozoen, von denen Stentor ohne Hilfsmittel gut sichtbar ist. Die submikroskopische Skala umfasst analog dazu Objekte, die zu klein sind, um mit einem optischen Mikroskop gesehen zu werden . ^{[ 2 ]}

In der Thermodynamik und der statistischen Mechanik bezeichnet die mikroskopische Skala diejenige, auf der wir den genauen Zustand eines thermodynamischen Systems nicht messen oder direkt beobachten – solche detaillierten Zustände eines Systems werden als Mikrozustände bezeichnet. Stattdessen messen wir thermodynamische Variablen auf einer makroskopischen Skala , d. h. im Makrozustand .

Da die mikroskopische Skala alle Objekte umfasst, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, aber unter einem Mikroskop erkennbar, kann das Spektrum der Objekte, die in diese Skala fallen, bis hin zu einem Atom reichen, das unter einem Transmissionselektronenmikroskop sichtbar ist . ^{[ 8 ]} Mikroskoptypen werden häufig anhand ihres Mechanismus und ihrer Anwendung unterschieden und können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden. ^{[ 9 ]}

Bei optischen Mikroskopen bestimmt das verwendete Objektiv , wie klein ein Objekt dargestellt werden kann. Unterschiedliche Objektive beeinflussen das Auflösungsvermögen des Mikroskops und damit die kürzeste Entfernung, bis zu der zwei Objekte durch das jeweilige Objektiv unterschieden werden können. Das Auflösungsvermögen variiert individuell ^{[ 9 ]} , die Leistungsfähigkeit der Objektive lässt sich jedoch quantifizieren ^{[ 11 ] .}

In den 1660er Jahren entwickelte Antonie van Leeuwenhoek ein einfaches Mikroskop mit einer einzelnen sphärischen Linse, die zwischen zwei dünnen Messingplatten montiert war. Je nach Qualität der Linse waren Vergrößerungen zwischen 70x und 250x möglich. Das zu untersuchende Präparat wurde auf einer Spitze eines feinen Gewindestabs befestigt. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Zusammengesetzte Lichtmikroskope besitzen ein Objektiv mit kurzer Brennweite, das ein reelles Bild erzeugt , welches mithilfe eines Okulars mit längerer Brennweite betrachtet wird. Das Verhältnis der Brennweiten von Objektiv und Okular ergibt bei Standard-Tubuslänge die ungefähre Vergrößerung des Systems. Aufgrund ihrer Bauweise bieten zusammengesetzte Mikroskope im Vergleich zu einfachen Mikroskopen ein verbessertes Auflösungsvermögen und einen höheren Kontrast ^{[ 11 ]} und eignen sich zur Beobachtung von Struktur, Form und Beweglichkeit von Zellen und Organismen ^{[ 14 ]} , die bis zu einer Größe von 0,1 Mikrometern klein sein können ^{[ 15 ] .}

Obwohl Elektronenmikroskope ebenfalls zu den zusammengesetzten Mikroskopen zählen, unterscheidet sich ihr Prinzip der Beleuchtung von Objekten mittels Elektronenstrahlen deutlich von dem zusammengesetzter Lichtmikroskope. Dadurch erreichen sie ein wesentlich höheres Auflösungsvermögen und eine etwa 10.000-fach höhere Vergrößerung als Lichtmikroskope. [ ^{14 ] Mit} ihnen lassen sich Objekte wie Atome betrachten , die nur 0,001 Mikrometer klein sind. ^{[ 1 ]}

Bei forensischen Untersuchungen können Spuren von Tatorten wie Blut, Fingerabdrücke und Fasern unter Mikroskopen eingehend untersucht werden, bis hin zur Altersbestimmung einer Spur. Zusammen mit anderen Proben können biologische Spuren genutzt werden, um Personen, die sich an einem Ort aufhielten, bis hin zu den in ihrem Blut gefundenen Zellen genau zu identifizieren. ^{[ 16 ]}

Zur Bestimmung des Geldwertes von Edelsteinen benötigen verschiedene gemmologische Berufsgruppen die systematische Untersuchung der mikroskopischen physikalischen und optischen Eigenschaften der Edelsteine. ^{[ 17 ]} Dies kann den Einsatz von Stereomikroskopen zur Bewertung dieser Eigenschaften und letztendlich zur Bestimmung des Wertes jedes einzelnen Schmuckstücks oder Edelsteins beinhalten. ^{[ 18 ]} Ein ähnliches Verfahren kann bei der Bewertung von Gold und anderen Metallen angewendet werden. ^{[ 17 ]}

Bei der Beurteilung von Straßenbaumaterialien ist die mikroskopische Zusammensetzung der Infrastruktur entscheidend für die Bestimmung der Lebensdauer und Sicherheit der Straße sowie der unterschiedlichen Anforderungen an verschiedenen Standorten. Da chemische Eigenschaften wie Wasserdurchlässigkeit, strukturelle Stabilität und Hitzebeständigkeit die Leistungsfähigkeit verschiedener in Fahrbahnmischungen verwendeter Materialien beeinflussen, werden sie beim Straßenbau entsprechend dem Verkehrsaufkommen, den Witterungsbedingungen, der Materialversorgung und dem Budget des jeweiligen Gebiets berücksichtigt. ^{[ 19 ]}

In der Medizin können Diagnosen mithilfe der mikroskopischen Untersuchung von Patientenbiopsien, beispielsweise von Krebszellen, gestellt werden . Pathologie- und Zytologieberichte enthalten eine mikroskopische Beschreibung, die auf Analysen mittels Mikroskopie, histochemischer Färbungen oder Durchflusszytometrie basiert . Mit diesen Methoden lassen sich die Struktur des erkrankten Gewebes und der Schweregrad der Erkrankung bestimmen. Durch die Identifizierung mikroskopischer Krankheitszeichen ist eine Früherkennung möglich. ^{[ 21 ]}

Obwohl die mikroskopische Skala in der Wissenschaft viele Rollen und Zwecke erfüllt, gibt es zahlreiche mikroskopisch beobachtete biochemische Muster, die wesentlich zum Verständnis beigetragen haben, wie das menschliche Leben auf mikroskopische Strukturen angewiesen ist, um zu funktionieren und zu leben.

Antonie van Leeuwenhoek leistete nicht nur einen Beitrag zur Erfindung des Mikroskops, sondern gilt auch als „Vater der Mikrobiologie“. Dies ist auf seine bedeutenden Beiträge zur ersten Beobachtung und Dokumentation einzelliger Organismen wie Bakterien und Spermien sowie mikroskopischer menschlicher Gewebe wie Muskelfasern und Kapillaren zurückzuführen. ^{[ 22 ]}

Die genetische Manipulation der energieregulierenden Mitochondrien nach mikroskopischen Prinzipien verlängert nachweislich die Lebensspanne von Organismen und kann altersbedingte Erkrankungen wie Parkinson , Alzheimer und Multiple Sklerose beim Menschen behandeln . Durch die Steigerung der von den Mitochondrien produzierten Energiemenge verlängert sich die Lebensdauer der Zelle und somit des gesamten Organismus. ^{[ 23 ]}

Die mikroskopische Analyse der räumlichen Verteilung von Punkten innerhalb der Zentromere des DNA- Heterochromatins unterstreicht die Rolle der zentromerischen Regionen von Chromosomen in Zellkernen, die sich in der Interphase der Mitose befinden . Solche mikroskopischen Beobachtungen legen nahe, dass die nicht zufällige Verteilung und die präzise Struktur der Zentromere während der Mitose wesentlich zu einer erfolgreichen Zellfunktion und zum Zellwachstum beitragen, selbst in Krebszellen. ^{[ 24 ]}

Die Entropie und Unordnung des Universums lassen sich auf mikroskopischer Ebene unter Bezugnahme auf den zweiten und dritten Hauptsatz der Thermodynamik beobachten . In manchen Fällen kann dies die Berechnung der Entropieänderung innerhalb eines Behälters mit expandierenden Gasmolekülen und deren Beziehung zur Entropieänderung der Umgebung und des Universums beinhalten. ^{[ 26 ]}

Ökologen überwachen den Zustand eines Ökosystems im Laufe der Zeit, indem sie mikroskopische Merkmale in der Umwelt identifizieren. Dazu gehören die Temperatur- und CO₂- _Toleranz von Mikroorganismen wie Ciliaten und deren Wechselwirkungen mit anderen Protozoen. Zusätzlich können mikroskopische Faktoren wie Bewegung und Motilität in Wasserproben dieses Ökosystems beobachtet werden. ^{[ 27 ]}

Teilgebiete der Geologie befassen sich mit der Erforschung der Erdstruktur auf mikroskopischer Ebene. Dabei werden physikalische Eigenschaften von Gesteinen erfasst, wobei die Petrographie einen besonderen Fokus auf die Untersuchung mikroskopischer Details von Gesteinen legt. Ähnlich wie Rasterelektronenmikroskope können Elektronenmikrosonden in der Petrologie eingesetzt werden , um die Bedingungen der Gesteinsbildung zu beobachten und so Aufschluss über die Herkunft der Proben zu geben. In der Strukturgeologie ermöglichen petrographische Mikroskope die Untersuchung von Gesteinsmikrostrukturen, um zu bestimmen, wie geologische Merkmale wie tektonische Platten die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben und Grundwasserbewegungen beeinflussen. ^{[ 28 ]}

Es gab sowohl Fortschritte in der Mikroskopietechnologie als auch Entdeckungen in anderen Wissensgebieten als Folge der Mikroskopietechnologie. ^{[ 30 ]}

In Verbindung mit der Fluoreszenzmarkierung können molekulare Details einzelner Amyloidproteine ​​mithilfe neuer Lichtmikroskopietechniken untersucht und deren Zusammenhang mit der Alzheimer- und der Parkinson-Krankheit erforscht werden. ^{[ 31 ]}

Zu den weiteren Verbesserungen in der Lichtmikroskopie gehört die Möglichkeit, Objekte im Subwellenlängenbereich und im Nanometerbereich darzustellen. ^{[ 32 ]} Auch die Nanometer-Bildgebung mittels Rasterkraftmikroskopie wurde verbessert, um eine präzisere Beobachtung kleiner Mengen komplexer Objekte, wie beispielsweise Zellmembranen , zu ermöglichen . ^{[ 33 ]}

Kohärente mikroskopische Muster, die in chemischen Systemen entdeckt wurden, stützen die Annahme, dass bestimmte Substanzen gegenüber entropischen Umgebungen beständig sind. Diese Forschung wird genutzt, um die Produktion von Solartreibstoffen und die Verbesserung erneuerbarer Energien voranzutreiben. ^{[ 35 ]}

Mithilfe der Mikromechanik wurde außerdem ein mikroskopisches Musikinstrument namens Micronium entwickelt . Es besteht aus Federn von der Dicke eines menschlichen Haares, die von mikroskopischen Kammantrieben gezupft werden. Diese minimale Bewegung erzeugt ein für das menschliche Ohr hörbares Geräusch, was mit früheren Versuchen mit mikroskopischen Instrumenten nicht gelang. ^{[ 36 ]}

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• Van Leeuwenhoeks mikroskopische Entdeckung des mikrobiellen Lebens (Mikroorganismen)