Domácí mikroskop bez čoček
28. 4. 2010
Naše oči jsou neobyčejným zázrakem evoluce. Umožňují nám orientovat se v okolním prostředí. Existují však věci, které jsou tak malé, že je oči prostě nevidí. Pro takové případy máme mikroskopy, které zobrazí i ty nejmenší podrobnosti. Přidejte se k Michaelovi, abyste se dověděli více i mikroskopii, a mohli jste zkoumat náš svět!
Tereza: Od té doby, co jsem Michaelovi koupila mikroskop, tak jenom sedí a kouká do něj. Michaele!
Michael: Neruš.
Tereza: Tak si se mnou aspoň povídej.
Michael: Já pozoruju, sleduju a pracuju. Nemůžu.
Tereza: To by tak zajímalo, co je tam zajímavého.
Michael: No něco naprosto krásného. Tak se podívej sama. Vidíme a můžeme pozorovat především díky našemu zraku. Tento nejdůležitější lidský smysl nám poskytuje až osmdesát procent informací o okolním světě.
Tereza: Ale mě by zajímalo, jak vidíme.
Filip:Náš zrak je zaměřen především na vnímání kontrastu. Proto vidíme obrysy předmětů, vnímáme jejich vzdálenost a můžeme se tak orientovat v prostoru.
Tereza: Ale jak to všechno naše oko zachytí a zpracuje?
Michael: Stojíme uvnitř úžasné barevné kamery, které říkáme lidské oko.
Filip: Všechny základní prvky z něj převzali konstruktéři kamer.
Tereza: Světlo prochází dovnitř zornicí.
Michael: Je to otvor v duhovce. Její svaly se stahují podle množství dopadajícího světla.
Tereza: Teď je venku tma. Proto se zornice rozšíří, aby absorbovala co nejvíc světla.
Michael: Je to jako clona v naší kameře nebo fotoaparátu.
Tereza: Hned za zornicí před námi je čočka.
Michael: The lens has a diameter about ten millimeters and a maximum thickness of about four mm. To allow light to pass through inside easily, it is made from transparent crystaline protein fibres.
Čočka má průměr asi deset mm a je tlustá nejvýš asi čtyři mm. Aby jí světlo hladce prošlo dovnitř, je tvořena průhlednými bílkovinami – krystaliny.
Tereza: Stejně jako sklivec, který vyplňuje téměř celý vnitřek oka. Neměli bychom mít skafandr?
Michael: A to nejdůležitější je tady. Je to sítnice.
Filip: Dva až tři desetiny milimetru silná blanka z několika vrstev.
Michael: Ta obsahuje buňky citlivé na světlo.
Tereza: Čípky nám umožňují vnímat barvy, zatímco tyčinky jen úroveň osvětlení – tedy stupně šedi. Díky nim vidíme večer a za tmy. Ale jak to funguje?
Filip: Sto třicet miliónů našich tyčinek obsahuje rodopsin, barvivo, které se při dopadu světla rozkládá a vzniká přitom elektrický vzruch. Ten zrakové nervy vedou do zrakového centra, daleko na zadní straně v mozku.
16 47 Michael: In the night the rod cells in our eyes are able to adjust to very low levels of light – like the light coming from the stars in the night sky. The absolute lower limit of sensitivity is around 10-19 Joules.
Tyčinky se v noci dovedou přizpůsobit velice malému množství světla, třeba jen od noční hvězdné oblohy. Jejich absolutní práh citlivosti je 10-19 Joulů.
Odpovídá to energii jednoho jediného fotonu.
Tereza: Když je venku světlo, tedy ve dne nebo večer pod lampou, oko registruje obraz barevný, a to díky těmto sedmi miliónům čípků.
Michael: Our three types of cone cell are sensitive to three basic colours – red, green and blue. Together they are able to capture light from wavelength region from 400 nanometers to 760 nm.
Naše tři druhy čípků jsou citlivé na tři základní barvy – červenou, zelenou a modrou. Celkem tedy mohou zachytit světlo v rozsahu vlnových délek od 400 do 760 nanometrů.
Tereza: Stejně jako naše webová kamera.
Michael: Ale všichni živočichové nevidí stejně barevně jako my, lidé.
Tereza: Správně. Například psi jsou barvoslepí. Nejlépe vidí červenou nebo žlutou barvu.
Filip: Takže náš Falko nás vidí asi nějak takhle. Podobně by nás viděl i kůň. Ten nevidí zelenou.
Tereza:Zajímavé. A já si myslela, že vyhledávají pastvu podle krásné zelené trávy.
Michael: Většina savců má jen dvoubarevné vidění. Zatímco ryby a ptáci vidí obvykle čtyřbarevně. Takže takhle tě vidí třeba kanárek nebo támhle rybičky z akvária …
Michael: And whilst we see from blue to red, some snakes can see ultraviolet and even infrared – that’s heat.
A zatímco my vidíme od modré po červenou, někteří hadi vidí i v ultrafialové a dokonce v infračervené – to je teplo.
Filip: Nejvíc čípků je nahromaděno ve žluté skvrně – to je místo nejostřejšího vidění. Právě zde naše oko rozliší největší detaily. Rozezná dva sousední body, které jsou od sebe vzdáleny jedinou úhlovou minutu. Obraz těchto bodů na sítnici má pouhých pět mikrometrů.
Tereza: Ale na pozorování malých předmětů kolem nás je to pořád málo. A proto lidé vymysleli mikroskop.
Michael: And the first microscope was made in 1590 by the Dutchman Zacharias Jansen.
První mikroskop sestrojil už roku 1590 Holanďan Zachariáš Jansen.
Filip: Nepatrné objekty se touto novinkou v optice pozorovaly pomocí paprsků světla. Jak vlastně optický mikroskop pracuje?
Tereza: Jeho základem jsou čočky, které tvoří objektiv a okulár.
Filip: Pozorovaný předmět se umístí velice blízko pod objektiv. Vzniká skutečný, zvětšený a zároveň převrácený obraz předmětu.
Tereza: Ten pozorujeme okulárem – podobně jako lupou. Tak se obraz dále zvětší.
Filip: Nejdokonalejší moderní optické mikroskopy zvětšují téměř dva tisíckrát. Jejich zvětšení však už dosáhlo své hranice. Ta je dána vlnovou délkou světla, pomocí něhož pozorujeme.
Tereza: Pokud chceme pozorovat ještě menší předměty, musíme sáhnout po jiných prostředcích zobrazení, které mají mnohem kratší vlnovou délku – například po elektronech.
Filip: Současné špičkové elektronové mikroskopy, mezi které patří i výrobky z České republiky, zvětšují až miliónkrát. Pomocí nich můžeme pozorovat dokonce samotné atomy.
Tereza: Ale ani to už není konečná hranice lidské zvědavosti a poznání. Fyzikové chtějí odhalit nejmenší částice hmoty, z nichž jsou složeny samotné atomy.
Filip: K tomu vybudovali v podzemí nedaleko Ženevy největší vědecké zařízení světa – obří urychlovač LHC. Čím většího zvětšení chceme dosáhnout, tím mohutnějších přístrojů k tomu tedy potřebujeme. Urychlovače nám pomohou odhalit podstatu hmoty i celého vesmíru.
Michael: A to byl fascinující svět mikroskopů.
Tereza: Ale já bych taky chtěla takový malý domácí svůj mikroskop. Něco vyrob.
Michael: Není problém. Hned jdu na to.
Tereza: Pozor, pozor. Ale bez čočky. S čočkou to umí kde kdo.
Michael: Bez čočky? Teď chceš ani moc. Počkej, já to snad zvládnu. A k tomu potřebuju jen takovou webovou kameru.
Michael: Tereza’s challenge is a microscope without a lens. So the first thing I have to do is to remove the lens from this web camera.
Terezinou výzvou je mikroskop bez čočky. Napřed tedy musím z této webové kamery odstranit čočku.
Michael: That’s the bit I want and this bit – the lens – I’m going to give Tereza for safe keeping.
Tento kousek chci. A tenhle, čočku – věnuji Tereze, aby ji bezpečně uschovala.
Michael: Je to mikroskop pro Terezu, takže chci, aby to vypadalo hezky. Takže celé zařízení dáme do této krabičky.
Tereza: Budeme vrtat otvor pro kameru, otvor pro vypínač a otvor, kterým následně vyvedeme ven drát. Michaele, pojď.
Filip:Vrtání do plastové krabice vyžaduje dostatek citu. Ale jde to.
Michael: The third hole is for this switch. So it has to be slightly bigger bit.
Třetí otvor je pro vypínač. Na něj potřebujeme trošku větší vrták.
Tereza: I větší třetí otvor se nám podařilo bez potíží vyvrtat.
Filip: Následuje delikátní operace. Malou destičku z webové kamery s ještě menším čipem CCD musíme připevnit zevnitř k otvůrku uprostřed dna plastové krabičky.
Tereza: Čip musíme umístit co nejpřesněji. Právě on totiž bude naším nástrojem k pozorování mikrosvěta.
Filip: Podařilo se.
Filip: A teď – podobně jako v experimentu z předešlého PORTu – trocha praktické elektrotechniky. Pomocí izolovaných kovových vodičů musíme propojit jednotlivé součástky do jednoduchého elektrického obvodu.
Tereza: Tenkým drátkem jsme postupně propojili vypínač, nepatrný odpor – správně rezistor – s hodnotou přibližně 300 Ohmů, jasně svítící světelnou diodu, která vyžadovala napětí tři Volty, s malou devítivoltovou baterií.
Filip: Kontrola kvality naší práce: v pořádku. Svítí.
Tereza: Pro všechny zájemce ještě jednou uspořádání obvodu: kromě vypínače potřebujete třísetohmový odpor, devítivoltovou baterii a LEDku – světelnou diodu.
Filip: Všechny součástí obvodu kromě LEDky teď umístíme do krabičky.
Michael: Je tam všechno.
Tereza: A opět kontrola funkce.
Tereza: Vše v pořádku. Pokračujeme.
Filip: Součástí domácího mikroskopu je také kratší plastová trubka. Na jejím konci umístíme naši světelnou diodu. Trubku přilepíme sekundovým lepidlem ke krabičce s naší mikroskopovou kamerou.
Tereza: K upevnění LEDky stačí obyčejné plechové víčko od male zavařovačky.
Filip: Zdroj světla pro náš mikroskop je téměř hotov. Už jen drobný detail. Abychom omezili rušivé odrazy světla z poměrně jasné LEDky, umístíme do osvětlovací trubky kruhovou papírovou clonku.
Tereza: Světlo z LEDky bude ke snímacímu čipu CCD dole v krabičce procházet malým otvorem.
Michael: Tak, Terezo, je to hotové a připravené. Tvůj vlastní mikroskop bez čočky. Je to propojeno k počítači. Vše je připraveno. Stačí vybrat předmět tvého pozorování.
Tereza: Tak se podíváme, co to umí. Já tady mám jednu mrtvou mouchu.
Filip: K umísťování pozorovaných objektů je vhodná delší pinzeta. Přesto trefit se na malou plošku se snímacím čipem CCD chce trochu cviku.
Tereza: Ano, i při pozorování pomocí domácího mikroskopu zažijete nečekaná překvapení.
Filip: Třeba neobvyklé pohledy na hmyzí křidélka.
Filip: Anebo detaily tak prozaické látky jako je obyčejná kuchyňská sůl.
Tereza: Jak vidíte, s trochou vědeckých znalostí si sestrojíte vlastní domácí mikroskop bez čočky. Voila, Michaele, pomocí něhož se můžete do miniaturního světa dívat ve velkém.
Michael: Od té doby, co jsem ukázal Tereze mikroskop, se do něj pořád kouká. Terezo!
Tereza: Neruš!
Michael: Alespoň si se mnou povídej.
Tereza: Koukám, pozoruju. Podívat si budu někdy jindy.
Michael: A mám to.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough