Роль телескопов и микроскопов в нашем понимании себя и Вселенной

Одна из основных целей моей лекции — сформировать у вас представление о том, насколько мы незначительны и насколько крохотна, а потому бесценна Земля в масштабах космоса. Мы невероятно малы. Но как же мы это поняли? Изначально весь инструментарий, доступный нам для исследований окружающего мира, сводился к использованию собственных глаз. Наши глаза — несомненно, великолепные оптические приборы. Отчасти потому, что они способны видеть в широком диапазоне: фокусное расстояние хрусталика может меняться, позволяя нам разглядывать как объекты вблизи нас, так и удаленные на значительные расстояния. Если произвести расчеты, станет понятно, что свойства глаза напрямую зависят от величины зрачка. Принимая во внимание диаметр последнего, мы можем различать объекты толщиной с волос, но в то же время возможности нашего зрения не позволяют нам увидеть диск Нептуна — для этого потребовалось бы в 50 раз более острое зрение.

Но как же тогда мы узнали о самых маленьких и самых больших объектах, о молекулах и галактиках — ведь размер нашего зрачка не позволяет нам рассмотреть их? Все дело в том, что человечество давно уже не полагается исключительно на собственные глаза: теперь мы производим инструменты со зрачками, намного большими, чем наши. Те из них, которые позволяют изучать мелкие объекты, мы называем микроскопами, а те, с помощью которых можно увидеть самые крупные и далекие — телескопами. Современные микроскопы используют систему из множества линз, чтобы достичь абсолютного предела видимости. Однако в случае с телескопами такого предела нет: чем больше наш инструмент — тем лучше и детальнее удается разглядеть с его помощью удаленные объекты. Но как же мы достигли таких успехов в строительстве оптических инструментов?

История оптики начинается еще в эпоху древности. Однако развитие инструментальной астрономии следует отсчитывать от того момента, когда ученые поняли, что использование двух линз оказывается эффективнее, чем одной. Как только первые изобретатели заметили это — произошел настоящий прорыв. Именно тогда простое увеличительное стекло превратилось в инструмент, который мы теперь называем телескопом. Одним из первых в Европе, кто успешно применил эту технику, стал Галилео Галилей (Galileo Galilei).

Телескопы Галилея были одними из лучших на тот момент. Как только он решил использовать свое изобретение для изучения ночного неба, последовала череда его великих открытий. Во-первых, Галилей установил, что Венера, как и Луна, имеет фазы, циклически сменяющие друг друга. Кроме того, он заметил, что форма Луны далека от идеальной сферы: на ее поверхности есть горы и кратеры. Посмотрев на Юпитер, ученый увидел четыре маленьких «звезды», движущихся вокруг гигантской планеты, и это стало очередным гвоздем, вбитым в гроб геоцентрической системы, которая ставила Землю в центр мироздания и доминировала в представлениях об устройстве Вселенной. Радикальные выводы Галилея, основанные на этих открытиях, привели к его конфликту с католической церковью, и остаток своих дней он провел под домашним арестом. Вот вам и прелести научного мировоззрения.

Я иногда называю микроскопию детищем астрономии, потому что открытия, совершаемые в последней, часто находят применение в первой спустя лет 50. Именно так случилось и с ее зарождением как науки. Титанами, с работ которых началось развитие дисциплины, стали Роберт Гук и Антони ван Левенгук (Robert Hooke, Anthonie van Leeuwenhoek). Гук был членом Лондонского королевского общества и работал на уникальном сложном микроскопе. Это совпало со временами распространения чумной блохи, и возможность рассмотреть эти организмы с большим увеличением помогла исследователям разобраться в происходящем. Книга ученого «Микрография», опубликованная в 1665 г., оказала большое влияние на общественность, нанесла Королевское общество на карту ведущих научных учреждений и дала основания широкой публике считать микробиологию важной и полезной наукой.

Левенгук же был галантерейщиком — изначально он использовал сконструированные им микроскопы, чтобы разглядывать нити в тканях. Однако самым значительным его изобретением стал новый метод изготовления линз. Большинство производителей пользовались филигранной шлифовкой и полировкой, в то время как Левенгук брал стеклянную нить и разогревал ее на огне таким образом, что стекло плавилось и образовывало прозрачный шарик, служивший отменным увеличителем. С помощью таких линз ему удавалось рассмотреть отдельные клетки и бактерии. Вначале ученые из Королевского общества не поверили ему и прислали делегацию, чтобы официально удостовериться в беспрецедентной разрешающей способности его инструментов. После того, как сомнений в уникальности линз Левенгука не осталось, его даже нарекли одним из отцов-основателей микроскопии. Тем не менее, каким бы гениальным изобретателем он ни был, я все равно на него в обиде: секрет изготовления своих непревзойденных инструментов он так и не раскрыл, забрав его с собой в могилу. Прошло около 150 лет, пока технологии производства микроскопов развились настолько, что позволили создавать приборы сопоставимого качества.

Одновременно развитие телескопов также шло полным ходом. Первая проблема, с которой столкнулись производители, заключалась в том, что с помощью линз не удавалось сфокусировать в одну точку световые лучи всех цветов. Поначалу эту проблему удалось решить, увеличив фокусное расстояние. Некоторые изобретатели — такие, как Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens) — создали так называемые воздушные телескопы. В их конструкции одна линза (объектив) крепилась на флагштоке, а вторая была привязана к ней и находилась в руках наблюдателя, стоящего на земле. Расстояние между двумя линзами иногда оказывалось достаточно велико и могло в два раза превосходить размеры сцены, с которой я читаю эту лекцию. Считается, что именно с помощью такого приспособления Гюйгенс впервые наблюдал кольца Сатурна. Можете себе представить, насколько сложно было расположить и удерживать окулярную часть телескопа в положении, позволяющем рассмотреть интересующий объект. Однако это было поразительное изобретение: разрешение, получаемое в результате, всего на порядок уступало последующим модификациям, появившимся вплоть до 90-х годов XX века. В Париже Кассини (Giovanni Domenico Cassini) использовал аналогичное устройство, когда впервые рассмотрел промежуток в сатурнианских кольцах, впоследствии названный в его честь «щелью Кассини».

Новой технологией в развитии телескопов стало изобретение инструментов отражательного типа, использующих вогнутое зеркало для фокусировки света от удаленных объектов. Одним из самых знаменитых первых пользователей такой технологии был увлеченный астрономией композитор Вильям Гершель (William Herschel). Он занимался созданием телескопов-рефлекторов и часто проводил совместно со своей сестрой до 18 часов в день за ручной шлифовкой и полировкой зеркал для них, а по ночам наблюдал небесные тела с помощью своих инструментов. Единолично Гершель значительно раздвинул горизонты известной на тот момент Вселенной: он стал первым человеком со времен древности, открывшим новую планету, а также обнаружил около 2400 диффузных туманностей и наблюдал множество двойных звезд.

В начале XX века 100-дюймовый рефлектор Хукера на обсерватории Маунт Вилсон сменил предыдущее поколение 40-дюймовых телескопов. Он стал тем самым инструментом, с помощью которого Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) перевернул наше представление о масштабах Вселенной.

В те времена бытовало убеждение, что наша галактика Млечный Путь и есть вся Вселенная. О природе размытых спиральных туманностей, как их тогда называли, практически ничего не было известно. Однако астрономы придумали способ измерять расстояния в космосе с помощью звезд с переменной светимостью — цефеид. Используя данные о такой звезде, расположенной в Туманности Андромеды, Хаббл сделал свое невероятное открытие. Могу себе представить, насколько шокирующим оно тогда выглядело: выяснилось, что цефеида находится почти в двух миллионах световых лет от нас — намного дальше, чем любой объект в пределах Млечного Пути. Таким образом, Вселенная внезапно расширилась от одной галактики до бесчисленного множества. Сложно переоценить значимость этого открытия для развития астрономии и космологии.

Следующим инструментом, удерживавшим безраздельное лидерство на протяжении почти полувека, стал 200-дюймовый телескоп Хейла. Я помню, какое неизгладимое впечатление на меня в детстве произвели снимки, сделанные с его помощью. Я даже украшал ими стены своей комнаты, мечтая стать астронавтом. Именно тогда я влюбился в науку о небе.

По сравнению с астрономией микроскопия развивалась медленно и оформилась как отдельная отрасль науки только в конце XIX века. Первым, кто начал негодовать по поводу сложности технологии массового производства микроскопов, стал немецкий инженер Карл Фридрих Цейс (Carl Friedrich Zeiss). Он решил нанять на работу физика-оптика Эрнста Аббе (Ernst Abbe), читавшего лекции в близлежащем Йенском университете, чтобы выяснить, в чем заключается принципиальная проблема их изготовления. Аббе сформулировал теорию о том, сколько и каких по составу линз необходимо использовать, чтобы добиться наилучшей разрешающей способности инструмента. Совместно они соорудили микроскоп согласно вновь сформулированной теории… но результат оказался разочаровывающим. Выяснилось, что свойства стекла, применяемого в производстве, не позволяют обеспечить желаемый уровень точности. Тогда они привлекли к своему проекту выдающегося химика, специализировавшегося на свойствах материалов — Отто Шотта (Friedrich Otto Schott), который по заказу Цейса создал новый тип оптического стекла. Этот материал, наконец, сделал возможным массовое производство микроскопов высокого качества.

Кроме того, в процессе своего исследования Аббе обнаружил, что существует фундаментальный предел увеличения микроскопов. Сегодня это явление известно как «дифракционный предел Аббе», и, по сути, его наличие обусловлено длиной волны видимого света. После нововведений Цейса и Аббе оптические микроскопы стали движущей силой многих наук, в первую очередь биологии.

Итак, на определенном этапе в микроскопии мы достигли дифракционного предела, ограничивающего ее дальнейшее развитие, и пытались построить телескопы все большего размера, однако обнаружили, что увеличивать его бесконечно не получится. Несомненно, большой диаметр объектива позволял бы собирать больше света — однако его разрешающая способность ненамного превысила бы ту, которая была у незамысловатого устройства, имевшегося в распоряжении Гюйгенса. Причина этого — неоднородности и перемещения воздушных масс в земной атмосфере, в результате чего свет от далеких звезд невозможно идеально сфокусировать. Работа астрономов была бы намного легче, если бы атмосфера отсутствовала — но она есть, и это приводит к искажению траектории световых лучей, проходящих сквозь нее. Аналогично ведет себя и вода: камни на дне горной реки выглядят размытыми при взгляде на них сквозь бурный поток. Как следствие, мы получаем знакомое мерцание звезд, наблюдаемое нами также и невооруженным глазом. Именно поэтому лучшие наземные телескопы устанавливаются на высоких горах: отчасти для того, чтобы избежать светового загрязнения от ближайших населенных пунктов, но в основном — из-за стремления расположить инструмент над уровнем концентрации наибольшего количества атмосферных газов. Однако этого все равно недостаточно, чтобы видеть звезды так же четко, как из космоса. Так что же нам делать? К этому я вернусь немного позже.

Интересно, что с похожей проблемой столкнулась и микроскопия. Как уже говорилось, рассматривать объекты в микроскоп можно вплоть до предела Аббе — фундаментального ограничения, налагаемого длиной световой волны. Но когда мы пытаемся заглянуть внутрь образца, то обнаруживаем, что составляющие его материалы искажают свет аналогичным атмосфере образом. Изображение, опять-таки, становится размытым, и разрешающая способность не может достичь теоретического максимума. Получается, что в микроскоп удается увидеть отдельные клетки — но не их содержимое. Как же обойти эту проблему?

Выход из своего затруднительного положения астрономы нашли в использовании космических телескопов, работающих за пределами земной атмосферы — таких, как небезызвестный Hubble. Несмотря на то, что установленное на нем зеркало значительно меньше объективов лучших наземных инструментов, изображения, получаемые орбитальной обсерваторией, характеризуются намного лучшим разрешением, поскольку ей не приходится сталкиваться с атмосферным искажением световых лучей.

Тем не менее, внеатмосферные телескопы тоже имеют свои ограничения. Во-первых, мы пока не располагаем ракетами, способными доставить на орбиту цельное зеркало большого размера. Во-вторых, сами запуски космических обсерваторий обходятся невероятно дорого, и производить их только для научных целей нерентабельно.

Как бы там ни было, но, к счастью, у нас уже есть Hubble — непревзойденный инструмент. Однажды в 2003 г. ученые выбрали один из регионов неба, на котором в поле зрения обсерватории, как предполагалось, должно было попасть наименьшее возможное количество объектов. Затем Hubble наблюдал этот крошечный, предположительно пустой участок в течение почти 10 суток. Вопреки ожиданиям, на фотографии оказались запечатлены бесчисленные галактики различных размеров и форм. По мере того, как совершенствуется доступные нам телескопы, мы все глубже заглядываем в необъятную бездну космоса и наблюдаем удаленные объекты все четче. На данный момент мы уже рассмотрели около сотни миллиардов галактик, и можно предположить, что в каждой из них в среднем содержится по 100 млрд звезд.

Аналогичный трюк мы можем проделать и в микроскопии, используя специальные химические вещества, помогающие улучшить разрешение, сохранив при этом структуру наблюдаемого объекта. С помощью этой технологии, например, был получен впечатляющий снимок мышиного мозга, на котором можно отчетливо разглядеть мельчайшие дендритные шипики. Составное изображение охватывает объем, равный приблизительно одной миллиардной доле объема человеческого мозга.

В мозге взрослого человека насчитывается около 100 млрд нейронов — примерно столько же, сколько галактик в наблюдаемой части Вселенной. Каждый из нейронов имеет порядка 10 тыс. синапсов — отростков, связывающих их с другими клетками. Можно не сомневаться, что разработчики искусственного интеллекта столкнутся со значительными трудностями, пытаясь сымитировать такую конструкцию. Современное население Земли составляет более 7 млрд человек; несложно подсчитать, что суммарное число синапсов в мозгах всех людей планеты должно быть сопоставимо с количеством звезд во всей Вселенной.

Итак, на пути обеих наук возникли сложности: в случае с астрономией запуск космических телескопов — слишком дорогое удовольствие, а в микроскоп можно достаточно четко рассмотреть только мертвые ткани, пропитанные химикатами, в то время как наибольший интерес для биологов представляет функционирование живой материи. Решение этих проблем было найдено в технологии, получившей название «адаптивная оптика».

Когда астрономы обнаружили, что увеличение размера зеркала наземного телескопа не ведет к значительному улучшению разрешающей способности, они изобрели метод, который позволяет минимизировать помехи, обусловленные движением воздушных масс. Его суть заключается в том, что лазерный луч, направленный в стратосферу, служит для калибровки оборудования, создавая яркую «искусственную звезду», располагающуюся в непосредственной близости к тусклому объекту наблюдений. Свет, поступающий от нее, затем с помощью компьютерной программы преобразуется в корректирующие импульсы, позволяющие компенсировать мельчайшие возмущения в земной атмосфере. Таким образом, получаемое изображение оказывается отлично сфокусированным.

Именно эта технология использовалась для наблюдений поведения звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в самом центре Галактики. Судя по итоговым снимкам, можно сказать, что на определенных длинах волн инструменты с адаптивной оптикой позволяют получить даже более четкие изображения, чем космическая обсерватория Hubble.

Опять же, аналогичная техника нашла применение и в микроскопии. На исследуемый образец направляются одновременно два лазерных луча, а затем их свет используется для улучшения получаемых на выходе изображений. С помощью этого метода, например, были получены данные о работе митохондрий (органов клетки, ответственных за производство энергии), а также беспрецедентно четкие фотографии рыбьего мозга, демонстрирующие его структуру до глубины 250 мкм. Сравнивая их с изображениями, полученными ранее без использования адаптивной оптики, можно легко заметить, насколько разработка этой технологии способствовала развитию микробиологии, а перспективы ее применения в будущем сложно переоценить.

Несмотря на столь значительный прогресс, все равно остаются как чисто физические ограничения максимального размера телескопа, так и предел Аббе, препятствующий дальнейшему улучшению разрешения. Однако ученых не останавливают даже такие препятствия.

В астрономии отличным примером служат наблюдения за планетами далеких звезд. К сожалению, абсолютное большинство планетоподобных объектов вне нашей Солнечной системы слишком малы и тусклы, чтобы просто рассмотреть их в оптический телескоп. Один из способов их обнаружить заключается в наблюдении за поведением родительской звезды: гравитация экзопланеты, хоть и незначительно, но все-таки влияет на положение центрального светила, заставляя его по мере своего движения по орбите слегка смещаться вперед-назад. Соответственно, из-за эффекта Доплера свет от звезды становится немного более голубым, когда она движется в направлении Земли, и немного более красным, когда она удаляется. Таким образом, наблюдая подобные «колебания», можно прийти к выводу о существовании планеты на орбите вокруг такой звезды.

Еще один способ найти экзопланету — напрямую регистрировать небольшие падения блеска, вызванные ее прохождениями между центральным светилом и наблюдателем. Яркость звезды в это время немного снижается, и это уменьшение могут заметить такие инструменты, как, например, телескоп Kepler. В течение восьми лет он пристально наблюдает за многими сотнями тысяч звезд, и не напрасно: на его счету уже тысячи открытых экзопланет.

Но как же обстоят дела с обходом фундаментальных ограничений в микроскопии? Что же именно представляет собой пресловутый предел Аббе? Сквозь обычный микроскоп, например, молекула белка предстает перед нами в виде размытого пятнышка. На мой взгляд, это огромная проблема, ведь одна из главных задач науки — дать объяснение тому, как произошло превращение неживой материи в живые организмы. Как вышло, что простые молекулы смогли начать самостоятельно собираться в сложные структуры, способные вести жизнедеятельность, передвигаться и воспроизводить себя? К ответу на эти сокровенные вопросы можно приблизиться, лишь сумев улучшить разрешающую способность наших микроскопов до молекулярного уровня.

Именно над решением этой проблемы я и работал совместно с коллегами. Мы обнаружили особый вид молекулы, которая могла бы быть использована во флуоресцентной микроскопии. Ее важное отличие от уже известных флуоресцентных молекул в том, что она не светится постоянно: ее можно «включить» или «выключить» по желанию в зависимости от того, каким лазером ее облучают. Мы поняли, что, включая и выключая по нескольку молекул за один раз, мы получим возможность расположить световые пятна на достаточно большом расстоянии друг от друга, что позволило бы точнее определить их положение. В таком случае пятна не будут сливаться, и постепенно станет видна структура изучаемого объекта с намного лучшим разрешением. Мы назвали этот метод фотоактивируемой локализационной микроскопией — PALM (photoactivated localization microscopy).

Когда эта идея впервые посетила нас, она показалась нам настолько простой, что было просто удивительно, почему никто не додумался до этого раньше. Каждый день напряжение росло — ведь кто-то другой мог опередить нас с этим открытием. Мы решили не откладывать работу и совместно с товарищем за собственные деньги соорудили микроскоп по новой технологии. Обычно такие вещи делаются в гараже, но мы работали в гостиной моего друга — он был холостяком, и против нашего предприятия никто не возражал. Через несколько месяцев мы получили первые результаты своего труда, и они нас не разочаровали: разрешение, достигнутое с помощью нашего метода, заметно превосходило доступное обычным микроскопам. Он позволял легко превысить предел Аббе в десять раз. А через несколько лет это открытие принесло мне Нобелевскую премию.

С использованием разработанной нами методики были впервые составлены изображения аминокислот, живых клеток в процессе деления и процессов, вызванных патогенными мутациями. Для изучения природы многих заболеваний возможность исследований на молекулярном уровне является критически важной.

Напоследок хотелось бы отметить принципиальную разницу между астрономией и микроскопией: в отличие от предметов интереса последней, большинство астрономических объектов можно считать статическими. А вот для жизни во всех ее проявлениях характерно движение. Таким образом, единственная возможность приблизиться к разгадке ее тайн заключена в изучении живой материи во всех четырех измерениях пространства-времени с как можно более высоким разрешением. Пару лет назад мы разработали микроскоп, позволяющий производить именно такие наблюдения. Этот инструмент использует тонкие полоски света для быстрого поэтапного сканирования срезов клетки, что позволяет увидеть ее в динамике во всех измерениях, не причиняя ей при этом никакого вреда.

Несомненно, получить Нобелевскую премию было огромной честью для меня, но намного важнее то чувство, которое, наверное, испытывал Галилей: на что бы ни посмотрели мои коллеги с использованием нового микроскопа — всюду их взору предстают невиданные ранее, невероятные картины.

Думаю, будущее микроскопии заключается в объединении технологий адаптивной оптики с методом, о котором я только что рассказал, для изучения как процессов в каждой отдельной клетке, так и на уровне всего организма в целом. В астрономии грядут не менее значимые события: в частности, запланированные на ближайшее десятилетие запуск космического телескопа James Webb и ввод в эксплуатацию Европейского чрезвычайно большого телескопа E-ELT значительно расширят наши знания о Вселенной.

«Наследник» обсерватории Hubble получит огромное составное 6-метровое зеркало, а новое поколение наземных инструментов будет использовать усовершенствованную технологию адаптивной оптики, позволяющую калибровать их одновременно для целого участка неба. Оглядываясь на 400 лет назад, мы видим, какой тернистый и сложный путь прошла наука, и как многого мы достигли. Однако я уверен: все наши современные достижения вскоре окажутся в тени открытий, ожидающих нас в недалеком будущем.