Historia de la Microscopia Óptica

El término «microscopio» proviene de dos voces griegas: micros (pequeño) y skopein (examinar, ver). Este vocablo fue empleado por vez primera por Johann Giovanni Faber (1570-1640), miembro de L’Accademia Nazionale dei Lincei (Roma) y médico al servicio del papa Urbano VII. Otros autores indican que la acuñación de ese término se debe a Atanasio Kircher (1601-1680), en su libro Ars Magna Lucis et Umbrae, en el que realiza una clasificación de los microscopios de su tiempo.

Ilustración de una linterna para ampliar imágenes enArs Magna Lucis et Umbrae (Amsterdam : Janossius, 1671) , de Kircher.Por cortesía del propietario de la copia impresa y digital: Universitaetsbibliothek Freiburg i. Br. / Signatur: T 979,a
(https://www.ub.uni-freiburg.de/ausstellung/2og/laterna/index.html)

Sin el desarrollo de este, en apariencia, sencillo instrumento, el descubrimiento y estudio de los millones de pequeñas estructuras tanto vivas como inertes que nos rodean, habría sido imposible. La estructura anatómica del ojo humano tiene una magnificación y resolución muy limitada, permitiendo, por ejemplo, distinguir únicamente separaciones entre objetos mayores a 0.1 mm.

Dichas limitaciones han preocupado al hombre desde hace muchos siglos. Así, desde tiempo inmemorial, el hombre sabe que los espejos curvos y las esferas de cristal llenos de agua aumentan el tamaño de las imágenes. Estudios históricos han probado que, mucho antes de que se formularan las leyes básicas de la óptica, los chinos ya dominaban el arte de tallar lentes y usaban anteojos fabricados con materiales como el cuarzo. Confucio, 500 años a.C., menciona en sus escritos haber aliviado la visión a un zapatero con el empleo de “gafas”. Pese a la constatación de que, en esta época y anteriores, en China se fabricaban lentes, no se tiene prueba alguna de que conocieran las leyes de la refracción mas que de forma empírica.

Más tarde, Euclides (325- aprox. 265 a.C.) publica su obra Optica, en la cual define las leyes de la reflexión de la luz, y establece que ésta viaja según líneas rectas. En el siglo II d.C., Claudio Ptolomeo, ampliamente conocido por sus estudios de astronomía, publicó cinco libros sobre óptica, aunque solamente uno de ellos se ha conservado hasta la actualidad. Estos estudios se centraron en el color, la reflexión, y la refracción en espejos de diferentes formas.

Página de Optica, de Euclides.

No obstante, el primer tratado serio sobre las propiedades de las lentes se debe a Ibn al-Haytham (945-1040 d. C.), realizado en Basora (Iraq). Estudió la refracción de la luz en las lentes, superando las leyes planteadas con anterioridad, e investigó la reflexión en espejos esféricos y parabólicos, aunque sin considerar sus posibles aplicaciones prácticas. Fue el primero en explicar que la visión es un fenómeno que se produce al llegar la luz a los ojos, y no porque éstos emitan rayos.

Anatomia del ojo de acuerdo con Al-Haytham.
Cortesía de Museum Victoria (https://www.museum.vic.gov.au)

En cuanto a la fabricación de los anteojos se refiere, parece que los primeros fuero fabricados por el italiano Salvino D’Armato en el año 1285 d. C. La inscripción lapidaria en su tumba de Florencia así lo indica:

« Aquí yace Salvino D’Armato de Amati de Florencia. Inventor de los anteojos. Dios le perdone sus pecados. A. D. 1317 »

Pese a los datos anteriormente mencionados, y como históricamente ocurre en multitud de ocasiones, cuando se trata de atribuirse la autoría de un hallazgo, hoy en día se conoce que D’Armato no fue el inventor de los anteojos. Es más, ni siquiera fue el primer fabricante.

Supuesto busto de Salvino d’Armato en Florencia. Se colocó en el siglo XVIII, para posteriormente (1923) ser retirado por apócrifo.

Se afirma que Roger Bacon, en 1276, los describió y recomendó para los ancianos de vista débil, cosa harto difícil si, supuestamente, en esa época los anteojos todavía no existían. Algunos historiadores puntualizan que Bacon sólo se refirió a que las esferas de cristal podían servir para poder leer; es decir, únicamente sugirió la fabricación de las gafas.

Busto de Roger Bacon en Oxford, su ciudad natal.

“Gafas” del siglo XIII. Consistían en cristales de roca tallados en forma convexa.

La óptica siguió desarrollándose a lo largo de los siglos, hasta que en 1521, el jesuita Franciscus Maurolycus termina Theoremata De Lumine Et Umbra Ad Perspectivam, tratado en el que explica cómo construir un microscopio.

La paternidad del microscopio ha sido muy discutida y disputada. Además, dada la cercanía en los fundamentos en que se basan el telescopio y el microscopio, la discusión sobre el origen del telescopio también se extiende a este último instrumento. Los italianos, por ejemplo, atribuyen la invención del telescopio a su compatriota, el famoso Galileo Galilei (1564-1642). Este eminente físico y matemático, fundador del método experimental y de la ciencia mecánica, en el año 1609 (historiadores hay que señalan el 1634) combinó lentes en un tubo de plomo, aplicando este nuevo aparato al estudio de la astronomía. Pese a esto, Galileo no parece ser el inventor del telescopio (este término no comenzó a usarse hasta 1611). Se sabe que el holandés Hans Lippershey (1608) construyó un telescopio, e informó de su trabajo a Galileo. Se piensa que este último construyó su telescopio mejorando el diseño original de Lippershey. Lo que sí está claro es que este holandés es la primera persona en describir por escrito el telescopio. En cuanto al microscopio se refiere, lo único generalmente aceptado es que el primer microscopio compuesto fue desarrollado por los también holandeses Hans (padre) y Zacarias (hijo) Janssen.

Patente de Hans Lippershey (2 de octubre de 1608) para registrar su invento, el telescopio.

Para poner aún más de manifiesto el enorme vínculo existente entre el desarrollo del microscopio y del telescopio, y aumentar aún más el grado de desconcierto sobre la autoría en la fabricación del primer telescopio, baste indicar que el microscopio compuesto de los Janssen está datado en 1590. Por tanto, 19 años antes de que Lippershey construyese su telescopio, que muchos historiadores afirman, lo hizo basándose en el microscopio de los Janssen.

A mediados del siglo XVII, el microscopio alcanzó el desarrollo suficiente como para poder ser empleado como herramienta de investigación. Uno de los microscopistas que destacó en esa época, y que está considerado uno de los mejores de todos los tiempos, fue Marcelo Malpighi. Se le considera el padre de la anatomía microscópica en animales y plantas.

De Viscerum Structura Exercitatio Anatomica, de Marcelo Malpighi. Gracias a este trabajo, la sangre dejó de considerarse una mezcla de humores y de “alimentos cocidos”.

Otro investigador destacado de esa época fue Robert Hooke. Hooke trabajó en multitud de disciplinas científicas y artísticas. Es a menudo considerado el fundador de la Meteorología, entre otras cosas por haber propuesto establecer como cero grados Centígrados el punto de fusión del agua. Fue un pionero en Geología, en especial en el estudio de fósiles y cristales. Además, era un experto en terremotos, en combustión, y desarrolló una teoría sobre el comportamiento elástico de los materiales que todavía hoy lleva su nombre. Para llevar a cabo sus estudios, diseñó y perfeccionó un gran número de instrumentos científicos. Entre ellos se incluyen compresores, barómetros, molinos de viento, campanas de buceo, niveles y balanzas. En 1665 publica Micrographia, un conjunto de observaciones realizadas empleando un microscopio. En este libro detalla que el corcho está formado por una serie de pequeñas celdillas rectangulares en las que se encuentra aire, y que llamó células, siendo el padre de este término. También presenta los avances por él realizados en el desarrollo de la microscopía, como el empleo de un tubo para el ajuste fino, su ingenioso sistema de iluminación o el desarrollo del micrómetro, para realizar movimientos precisos de la muestra. Además, indicó que la imagen de los organismos acuáticos mejora notablemente si el objetivo del microscopio se coloca tocando la superficie del líquido, descubriendo así el principio fundamental de los actuales objetivos de inmersión.

Diversas imágenes características del trabajo de Hooke: a) Portada de Micrographia b) Imagen de una pulga. Una de sus dibujos más famosos. c). “Células” en una porción de corcho.

Por otra parte, es de destacar el microscopista holandés Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Sin tener ningún tipo de preparación científica (no tenía estudios universitarios) puede considerarse el fundador de la bacteriología. Estudiando raspaduras de sus dientes observó unos animalitos que denominó animalcules, más conocidos en la actualidad como bacterias. También descubrió las células de la sangre y fue el primero en observar el esperma. Pudo realizar todo esto gracias a su habilidad para construir microscopios. Pulía lentes de diámetros inferiores al milímetro con una perfección tal que asombraban en su época. Las pequeñas distancias focales con las que trabajaba le permitían alcanzar hasta los 300 aumentos. Se calcula que, durante su vida construyó unos 250 microscopios, negándose siempre a revelar su secreto para tallar lentes. A su muerte, algunos de sus aparatos fueron cedidos a la Royal Society of London.

Dos de los microscopios de Leeuwenhoek. Su longitud es inferior a 15 cm.

Como curiosidad histórica, el también científico y profundamente religioso holandés Jan Swammerdam (1637-1680), al observar con un microscopio la estructura de los seres vivos, quedó tan impresionado que durante un tiempo abandonó la ciencia y destruyó parte de sus anotaciones. Consideraba un delito el tratar de revelar detalles que Dios había querido ocultar al ojo humano.

Paralelamente, durante este siglo XVII, numerosos científicos realizan importantes aportaciones al estudio y desarrollo de la óptica. Entre ellos destacan:

Johannes Kepler. Estudió los fenómenos ópticos y la formación de imágenes en el ojo, estableciendo que la intensidad de la luz en un punto es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente.
Willebrord Snell. Descubre la ley de la refracción, indicando que los materiales tienen diferentes índices de refracción en función de su composición.

Bonaventura Cavalieri. Descubre la relación que existe entre la curvatura de una lente y su distancia focal.

Isaac Newton. Encuentra que la luz blanca está formada por diferentes colores que son refractados en diferentes ángulos por un prisma.

Christian Huygens. Sugirió una teoría para explicar la naturaleza ondulatoria de la luz, en contraposición a la teoría corpuscular de Newton. Estableció que todo punto de un frente de ondas actúa como una fuente que produce nuevas ondas. Esto es conocido como el Principio de Huygens

Ya en el siglo XVIII merecen destacarse las contribuciones de Johannes Nathaniel Lieberkuhn y Benjamín Martin. El primero de ellos inventó un reflector que permitía incrementar la cantidad de luz que llegaba a la muestra. Este sistema permitió mejorar notablemente la observación de muestras opacas. Aún hoy en día, algunos fabricantes permiten incluir como opción este sistema en algunos de sus microscopios. Por su parte, B. Martin construyó microscopios muy versátiles, siendo el primero, sobre el año 1774, en incorporarles las lentes acromáticas desarrolladas para los telescopios.

Giovanni Battista Amici, a mediados del siglo XIX, desarrolla un microscopio con lentes inmersas en aceite, lo cual permite minimizar las aberraciones ópticas. Además es considerado el inventor de las lentes acromáticas para microscopios.

El objetivo de inmersión resolvió parcialmente los problemas de resolución y magnificación de los microscopios ópticos. Ernest Abbe, años más tarde, perfeccionó el principio de Amici y expresó que la resolución de un objetivo depende de su apertura angular, del índice de refracción del medio entre el objetivo y la muestra, y de la longitud de onda del medio de iluminación. Junto con su maestro, el igualmente conocido Carl Zeiss, desarrolló los objetivos apocromáticos. Estos eliminan las aberraciones cromáticas y esféricas, siendo los objetivos con las prestaciones más altas jamás construidos. Con ellos se alcanza el límite de magnificación y resolución que permite el uso de luz visible como fuente de iluminación.

Uno de los primeros refractómetros de Abbe, construido en 1893 (izq.). La inclusión de lentes acromáticas de Carl Zeiss permitió desarrollar equipos más avanzados, como el mostrado en la imagen de la derecha, datado en 1906.

Otro innovador y muy reconocido empresario fue Edwin H. Land. Dedicó su vida al estudio de la luz polarizada, de la fotografía y de la visión en color el ser humano. En 1932 anunció el desarrollo de un nuevo tipo de polarizador, que denominó Polaroid, y que más tarde se convertiría en el nombre de su compañía más famosa. El bajo coste de este polarizador, y su facilidad para darle forma y para ser cortado han hecho de este filtro el más ampliamente usado, y no sólo en microscopía.

Imagen de Land con su polarizador. Entre otras muchas aplicaciones, su instalación en los faros de los coches disminuyó notablemente el número de atropellos.

No obstante, y pese a la gran importancia de este invento, Edwin H. Land es más conocido a nivel general por ser el creador de la fotografía instantánea. Este invento fue inspirado por su hija de tres años, que en unas vacaciones en 1943 le preguntó por qué no podía ver las fotos que estaban haciendo en ese momento.

Portada de la revista LIFE del 27-10-1972. Dr. Edwin Land con su reciente invención (la cámara instantánea). Fotografía de Co Rentmeester

Por último, merece ser destacada la constribución de Georges Nomarski, que en 1952 ideó y patentó el sistema de contraste interferencial, que aún lleva su nombre.

Teniendo en cuenta esta breve descripción de la historia de la microscopía óptica, no parece acertado hablar del inventor del microscopio, puesto que este aparato ha sido el resultado de una lenta y gradual evolución a la que han contribuido numerosísimas personas.