De ojos, lupas y microscopios

Nuestros sentidos son los que hacen posible que nos relacionemos con el entorno, que seamos capaces de recibir información de nuestro alrededor y actuar en consecuencia. Uno de estos sentidos es la vista, cuyo órgano encargado de detectar la luz es el ojo.

Ojo humano / Gorgeous Eyes flickr

La capacidad de resolución del ojo es limitada. Por ejemplo, el ojo humano solo es capaz de percibir objetos de un tamaño mayor a 0,1 mm (es decir 0,0001m o 1×10^-4 m).

Para que te des una idea de lo que estamos hablando, mira este video que es una representación esquemática de tamaños relativos de algunas cosas que pueden ser parte de tu vida cotidiana (aunque algunas no las veas).

Video que muestra una representación esquemática de tamaños relativos. Realizado con htwins.net 

Según lo que dijimos antes, claramente somos capaces de ver un balón, un pájaro, un huevo de gallina, un grano de café y una pipa (semillita de girasol). También percibimos, aunque con dificultad y sin detalles, una hormiga, un ácaro e incluso podemos detectar la presencia de organismos muy pequeños en agua estancada (porque el agua se pone turbia).

Si te fijas en el video, luego de pasar el límite de resolución (capacidad de un sistema óptico para diferenciar entre dos puntos o líneas muy próximos) de nuestro ojo, tendríamos que usar un microscopio. Con este dispositivo sí somos capaces de observar otras estructuras pequeñas, como los cromosomas o las bacterias.

A simple vista no podemos detectar a las bacterias, en todo caso, tendría que haber aproximadamente un millón de éstas, que ocupan el mismo volumen que la cabeza de un alfiler, para ser capaces de percibirlas.

Pasado el límite de resolución del microscopio óptico, tendríamos que utilizar otro tipo de dispositivos que detallamos más adelante en este artículo.

Ojos que nos ven, microscopios que lo resuelven

Resumiendo lo anterior, no somos capaces de percibir con nuestros ojos objetos tan pequeños menores a una décima del milímetro (0,1 mm o 1×10^-4 m).

No obstante y gracias al avance de la ciencia y la tecnología, actualmente contamos con instrumental especializado que nos permite observar organismos vivos o estructuras que son invisibles a simple vista. Es evidente la importancia de la existencia de este instrumental, sin estos instrumentos, los microscopios, seríamos incapaces de realizar avances dentro del área de medicina, por dar un ejemplo.

Ahora, ¿cómo era antes?

Anton Van Leeuwenhoek / Tomada de Royal Society

Uno de los impulsores de la microscopía fue Anton Van Leeuwenhoek, un fisiólogo holandés que construyó sus propios dispositivos. Sus instrumentos eran en realidad microscopios simples, pero sus lentes eran tan nítidas y estaban pulidas con tanta habilidad, que su poder de resolución superaba con mucho el de los microscopios compuestos utilizados por sus contemporáneos.

Aunque resultan un poco rústicos estos microscopios para nuestra vida actual, Van Leeuwenhoek fue uno de los primeros que consiguió estudiar la composición de la sangre y en observar y dibujar microorganismos, de hecho en 1676 observó por primera vez a “los animálculos microscópicos”, como los llamó él, que consistían en diversos microorganismos que hoy conocemos como bacterias, hongos y potistas.

Microscopio de Anton Van Leeuwenhoek / Tomado de Royal Society

No fue hasta el siglo XIX, cuando los microscopios fueron mejorados, que se generalizó su uso dentro de la comunidad especializada, permitiendo así el alcance de las estructuras de los tejidos y células, y sobre todo, las formas de vida microbrianas.

Lupas y microscopios ópticos

Este instrumental especializado que mencionamos antes, cuenta con lentes o un sistema de lentes los cuales aumentan varias veces la imagen del objeto observado, permitiendo así que nuestro ojo perciba el pequeño objeto.
Estos dispositivos ópticos pueden ser simples, como las lupas (figura de abajo a la izquierda) o compuestos como los estereomicroscopios o los microscopios clásicos (figura de abajo a la derecha).

Lupa (izq) y microscopio óptico (derecha) / tuchodi y Manuel M. V. – Flickr

¿Cómo funcionan? Los microscopios ópticos usan lentes de vidrio para enfocar los rayos de luz que pasan a través del objeto a observar, o bien, que rebotan en éste, amplificando la imagen.

Fotografía de alga verde tomada con un microscopio óptico y un aumento de 400x, es decir, aumentada 400 veces *.

Estos microscopios resuelven una amplia gama de imágenes, dependiendo de cómo se ilumine el espécimen (u objeto observado) y de si se le ha teñido o no. El poder de resolución de los microscopios ópticos, es decir, la estructura más pequeña que puede verse de forma nítida, es de aproximadamente 1 micrómetro (una millonésima de metro o 1×10^-6 m). Pequeño, ¿no? ¿Qué podrías observar utilizando un microscopio clásico? Tejidos, células, microorganismos como protistas, hongos unicelulares y casi todas las bacterias.

Microscopía electrónica

Ahora, ¿qué pasa si queremos ver en detalle una mitocondria u otra estructura subcelular? Tendríamos que recurrir a los microscopios electrónicos, los cuales utilizan haces de electrones en vez de luz, que se enfocan por medio de campos magnéticos y no de lentes. Algunos tipos de microscopios electrónicos permiten observar estructuras de unos cuantos nanómetros (mil millonésimas de metro o 1×10^-9 m)

Microfotografías de granos de polen tomadas con TEM (izquierda) y SEM (derecha). La barra blanca representa 1 micrómetro.
Tomada de plospathogens.org

Esto se debe a que en la microscopía óptica existe un límite de resolución, igual que nos pasa a nosotros con el ojo, y no es posible hacer observaciones de objetos más pequeños que 0,2 µm (micrómetros). Por ejemplo, nuestros glóbulos rojos tienen dimensiones del orden de los 7 µm y podemos verlos con un microscopio óptico pero los virus (0,1 µm), las proteínas, y cualquier molécula son más pequeños y con el microscopio óptico es imposible verlos.

Los microscopios electrónicos de transmisión (TEM del inglés transmission electron microscopes) hacen pasar electrones a través de un espécimen delgado y pueden revelar los detalles de la estructura celular interna, incluidos las organelas y las membranas plasmáticas.

Los microscopios electrónicos de barrido (SEM del inglés scanning electron microscopes) rebotan electrones en especímenes que se han recubierto con metales y ofrecen imágenes tridimensionales. Estos SEM permiten observar los detalles superficiales de estructuras cuyo tamaño varía desde insectos enteros hasta células e incluso organelos o compartimentos subcelulares.

Otro tipo de microscopio que permite ver dimensiones nanométricas es el de fuerza atómica (AFM del inglés atomic force microscope). El mismo permite registrar continuamente la topografía de una muestra y ha sido esencial para el desarrollo de la nonotecnología.

Microscopía Confocal

Comparación entre una microfotografía de fluorescencia tomada con un microscopio óptico (Izq) vs microscopio confocal (der) de un grano de polen. Tomado de olympusconfocal.com.

Uno de los últimos avances es el microscopio confocal, que si bien el principio de este tipo de microscopía fue patentado en 1957, los primeros microscopios basados en esta técnica demostraron su baliza recién en el 1968. Es básicamente un microscopio óptico que incluye como fuente de luz un láser y un sistema electrónico que ayuda a la captación de imágenes. Se utiliza para observar secciones finísimas dentro de una espesa muestra fluorescente y luego digitaliza y reconstruye la imagen de alta resolución a tres dimensiones.

Nanoscopía, premio Nobel de Química 2014

Si bien el mundo nanométrico pudo ser observado gracias a los microscopios electrónicos, los mismos no eran útiles para las muestras biológicas vivas o con agua, porque requieren trabajar en vacío y no se puede poner la muestra en soluciones líquidas, por ejemplo.

Durante mucho tiempo se pensó que la microscopía óptica presentaba un límite infranqueable (la mitad de la longitud de onda de la luz) a partir del cual no se podría conseguir más resolución, pero los galardonados con el Nobel de Química 2014 demostraron que este límite puede superarse con la ayuda de moléculas fluorescentes.

Los investigadores estadounidenses Eric Betzig y William E. Moerner, junto al alemán Stefan W. Hell, han sido premiados por el “desarrollo de la microscopía fluorescente de superresolución”. Su invento rompió las barreras de la microscopia óptica para que los científicos pudieran adentrarse en el nanomundo de las moléculas.

¿En qué consiste? A diferencia de los microscopios tradicionales, permite estudiar “moléculas individuales dentro de células vivas”, algo imposible de lograr con las técnicas de los microscopios existentes hasta el momento.

Pese a las limitaciones de nuestro sentido de la vista, la humanidad ha desarrollado tecnología, basada en los conocimientos generados por la comunidad científica, haciendo posible la exploración y acceso al estudio de seres vivos o estructuras que a simple vista parece que no existen. Una vez más, la ciencia aplicada logra avances excepcionales.

* El aumento de un microscopio (Aumento total) es el número de veces que el diámetro de un objeto es aumentado y se representa como “número X” . Es el resultado de la multiplicación entre el aumento del objetivo y el ocular del microscopio y puede ser 40X, 100X, 400X, 1000X… 

Bibliografía consultada:

Brock Biología de los Microorganismos. 10ª edición. Madigan, M. T., Martinko, J. M., y Parker, Prentice-Hall. Madrid, 2003.

Biología “La vida en la tierra”, 6ta ed. T. Audesirk, G. Audesirk & B. Byers.

Royal Society