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Meilenstein Mikroskopie

Fundamentales Verständnis für tiefe Einblicke in den Mikrokosmos

| Autor / Redakteur: Dr. Ilka Ottleben* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Wo alles begann – Die Optische Werkstätte im Jena des 19. Jahrhunderts.
Abb. 1: Wo alles begann – Die Optische Werkstätte im Jena des 19. Jahrhunderts. (Bild: Zeiss)

Woraus besteht der Mensch, seine Organe, sein Blut? Wie funktioniert Leben? Die Beantwortung vieler fundamentaler Fragen der Menschheit wäre ohne die Mikroskopie nicht denkbar. Eine Technik, die revolutioniert wurde, als man sie erstmals auf ein wissenschaftliches Fundament stellte.

Jena in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Die Stadt an der Saale, der Goethe einst respektvoll den Beinamen „Stapelstadt des Wissens“ gab, war zu jener Zeit zumindest in wirtschaftlicher Hinsicht dominiert durch ihre Universität und kleinere Handwerksbetriebe, die zum Teil von Aufträgen mit wissenschaftlichem Bezug lebten. Weit über die Stadtgrenzen von Jena hinaus war dies indes eine Zeit des Aufbruchs in Naturwissenschaften und Medizin: Forscher begannen den fundamentalen Aufbau lebender Organismen zu verstehen, die Bedeutung des Begriffs „Zelle“ formte sich mehr und mehr.

In diesem Umfeld eröffnete der 30-jährige Carl Zeiss (1816 – 1888) am 17. November 1846 in der Jenaer Neugasse 7 eine Werkstatt für Feinmechanik und Optik – Grundstein und Wiege einer bis heute über 170 Jahre andauernden Unternehmensgeschichte.

Den Mikrokosmos erforschen – wie alles begann

Die Anfänge der Mikroskopie reichen bis in die Mitte des 17. Jahrhunderts zurück und ihre lange Geschichte zeigt, dass es in der Natur des Menschen zu liegen scheint, das für das menschliche Auge unauflösbar Kleine – den Mikrokosmos – sichtbar machen zu wollen. Doch erst die zunehmende Bedeutung und Fortschritte in der naturwissenschaftlichen Forschung und Medizin zu Beginn des 19. Jahrhunderts machten aus einem Apparat, der ehemals eher der Belustigung diente, ein äußerst wichtiges wissenschaftliches Instrument. Und so wandte sich Carl Zeiss im Jahr 1847 auf Rat seines akademischen Lehrers Matthias Jacob Schleiden (1804 – 1881), Botaniker und Mitbegründer der Zelltheorie, dem Bau einfacher aber präziser Mikroskope zu. Durch seine Sorgfalt machte er sich schnell einen Namen, Bedarf und Nachfrage bestätigten seinen Entschluss. Doch nur mit zusammengesetzten Mikroskopen ließen sich auch höhere Vergrößerungen erreichen. Wollte Zeiss seiner Konkurrenz nicht unterliegen, musste auch er zusammengesetzte Mikroskope bauen – 1857 wird das Stativ I zum ersten technischen Meilenstein des noch jungen Unternehmens.

Mikroskop-Objektive wurden zu jener Zeit typischerweise durch die Kombination achromatischer Linsen sehr mühsam durch „Pröbeln“, das heißt durch Ausprobieren unterschiedlicher Linsenkombinationen, experimentell entwickelt. Ein Umstand, der einer stabilen Fertigung und besseren optischen Eigenschaften entgegen stand. Die Notwendigkeit erkannt zu haben, die Konstruktion mikroskopischer Optik auf ein solides wissenschaftliches Fundament zu stellen, ist eine der fundamentalen Leistungen von Carl Zeiss. Seine Entscheidung, bei der Entwicklung von Instrumenten eng mit der Wissenschaft zusammenzuarbeiten, hatte Meilenstein-Charakter und gehört bis heute zu den Grundmaximen des Unternehmens. Sie führte zu einer engen und fruchtbaren Zusammenarbeit mit dem Physiker Ernst Carl Abbe (1840 – 1905), bis dahin Privatdozent an der Universität Jena. Ihn holte Zeiss 1866 zunächst als wissenschaftlichen Mitarbeiter, ab 1876 dann als stillen Teilhaber ins Unter­nehmen.

Frühe Wegbegleiter – Abbe und Schott

Bei Zeiss wandte Abbe sich Ende der 1860er Jahre der Berechnung optischer Systeme zu. Die Ergebnisse waren bahnbrechend und führten zum grundlegenden Verständnis mikroskopischer Bildtheorien. Das Abbesche Auflösungslimit besagt, dass die Wellennatur des Lichtes der Erkennbarkeit feiner Strukturen, die kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichtes sind, natürliche Grenzen setzt. Er fand im Verlauf seiner Untersuchungen die Formel für die (Abbesche) Sinusbedingung als Kriterium für eine scharfe Abbildung in der Umgebung der optischen Achse und prägte den Begriff der numerischen Apertur (N.A.). Auf ihn geht letztlich die Erkenntnis zurück, dass unter optimalen Bedingungen, bei Verwendung von violettem Licht und einer numerischen Apertur von 1,4 im Lichtmikroskop theoretisch ein Auflösungsvermögen von etwa 0,2 µm erreicht werden kann.

Ab 1872 wurden bei Zeiss Mikroskope nun auf Basis wissenschaftlicher Berechnungen gefertigt – mit wesentlich besseren optischen Eigenschaften. 1877 folgte das erste homogene Öl-Immersionsobjektiv. Es legte die Grundlage für die heute in fast allen Laboren angewendete Ölimmersion und führte neben anderen Vorteilen zu deutlich verbesserten Auflösungen.

Ernst Abbe war inzwischen in der Lage, Mikroskop-Objektive so zu berechnen, dass einige wichtige Abbildungsfehler umgangen werden konnten. Nun limitierte die Qualität optischer Gläser die konsequente Nutzung seiner Erkenntnisse. Hier erwies sich der Umstand als hilfreich, dass der junge Chemiker Otto Schott (1851 – 1935) zu jener Zeit eine neue Glassorte erschmolzen hatte, die für optische Zwecke geeignet schien. Gemeinsam richtete man 1882 ein glastechnisches Laboratorium in Jena ein. Seine folgenden Arbeiten erlaubten die Herstellung eines Glases mit homogenen, exakt bestimmbaren, optischen Eigenschaften. Der Grundstein für die 1886 erstmals vermarkteten Mikroskop-Objektive eines völlig neuen Typs – die Apochromate – war gelegt.

Webgereiter für die Forschung

Das grundlegende Verständnis optischer Theorien verschaffte nicht nur Zeiss als Unternehmen einen deutlichen Technologievorsprung vor seinen Wettbewerbern, sondern ermöglichte auch bahnbrechende Arbeiten in Naturwissenschaften und Medizin. Robert Koch entdeckte in den 1880er Jahren die Erreger von Tuberkulose und Cholera, wofür er 1905 den Nobelpreis für Medizin erhielt. In einem Brief an Carl Zeiss schrieb er 1904 dazu: „Verdanke ich doch einen großen Teil der Erfolge, welche mir für die Wissenschaft zu erringen vergönnt war, ihren ausgezeichneten Mikroskopen.“ Bereits im folgenden Jahr 1906 erhielt Santiago Ramón Y Cajal, spanischer Neurowissenschaftler und Histologe, gemeinsam mit Camillo Golgi den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für seine fundamentalen Arbeiten zu Aufbau und Feinstruktur des Nervensystems. Auch Cajal hatte u.a. ein Mikroskop von Zeiss verwendet. Bis heute haben über 30 Nobelpreisträger für ihre Forschungen unter anderem auf Zeiss-Technologie vertraut.

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