La nascita del microscopio ottico

Allo stesso modo del telescopio, anche l’invenzione del primo microscopio è legata alla storia delle lenti ottiche. Le prime lenti, chiamate “pietre di lettura”, consentivano di ingrandire gli oggetti osservati fino a 6-10 volte e venivano generalmente utilizzate per l’ingrandimento del testo di un manoscritto o per osservare i dettagli minuti degli insetti.

Le pietre da lettura aprirono la strada all’osservazione di dettagli minuti del mondo naturale, come le caratteristiche di ali, zampe e testa degli insetti, ma erano strumenti per nulla economici e venivano realizzati con vetro dotato di scarsa trasparenza e lavorati con tecniche manuali che creavano imperfezioni nel materiale e deformazioni delle immagini prodotte.

Il microscopio di Zacharias Janssen

Per il primo microscopio vero e proprio bisogna aspettare gli anni ’90 del 1500, periodo in cui Zacharias Janssen (a cui il figlio attribuiva anche la paternità del telescopio) e suo padre Hans iniziarono a sperimentare la combinazione di diverse lenti emisferiche scoprendo, dopo qualche tentativo fallito, di poter ottenere ingrandimenti superiori a quelli consentiti da una singola lente da lettura.

Come per un telescopio, anche un microscopio composito è dotato di un obiettivo (la lente, o il sistema di lenti, più vicina all’oggetto da osservare) e un oculare (un sistema di lenti posto vicino all’occhio). L’obiettivo si occupa di raccogliere la luce e “inviarla” all’oculare, la cui funzione è quella di ingrandire ulteriormente l’immagine già ingrandita generata dall’obiettivo.

Questa combinazione consente di creare ingrandimenti regolabili e generalmente superiori a quelli ottenibili da una singola lente, anche se i primi microscopi compositi soffrivano di limitazioni ottiche dovute all’inesperienza dei loro creatori e alla tecnologia del vetro ancora troppo arretrata per realizzare lenti limpide e prive di imperfezioni.

Anche se i prototipi del microscopio di Janssen non sono sopravvissuti fino ad oggi, sappiamo dalla documentazione storica che uno dei primi esemplari (probabilmente costruito nel 1595 insieme al padre Hans) era costituito da 3 tubi del diametro di circa 5 centimetri e 2 lenti, otteneva ingrandimenti da 3x a 9x ma generava immagini poco nitide.

L’ingrandimento era regolabile tramite lo slittamenti dei tre tubi: quando lo strumento veniva esteso al massimo, raggiungeva i 45 centimetri di lunghezza e otteneva ingrandimenti di 9x.

Il microscopio di Cornelius Drebbel

Dopo aver lavorato alla costruzione dei suoi primi telescopi, Galileo Galilei realizzò nel 1610 che alcune configurazioni di due o più lenti consentivano di ingrandire oggetti vicini, ma fu solo nel 1624, dopo aver visto un microscopio in un’esibizione a Roma nel 1622, che costruì la sua versione migliorata del microscopio composito.

Il microscopio su cui Galileo basò il proprio modello fu lo strumento di Cornelius Drebbel, un inventore olandese a cui si attribuisce nel 1621 la costruzione del primo microscopio composito basato su lenti convesse.

Alcuni storici ritengono che fu Drebbel il primo artigiano a inventare il microscopio composito e che il primato di Janssen non sia fondato su basi solide. Durante una visita a Londra nel 1619, l’ambasciatore olandese Willem Boreel vide un microscopio ottico nel laboratorio di Drebbel e lo descrisse come uno strumento lungo circa mezzo metro, dal diametro di circa 5 centimetri e supportato da 3 delfini d’ottone.

Lo strumento che Drebbel creò nel 1621 e che Galileo osservò a Roma era un microscopio composto da due lenti convesse che consentivano di contenere la lunghezza dell’apparecchio e di ottenere un campo visivo più vasto rispetto alle lenti emisferiche.

Ben presto ci si rese conto che quando si accumulano lenti per ottenere ingrandimenti sempre maggiori ci si scontra con le leggi della fisica, specialmente quando si lavora con lenti di scarsa qualità: l’ immagine diventa sempre meno nitida, la luce raccolta dal microscopio diminuisce e il livello di dettaglio diventa velocemente inaccettabile.

I difetti dei primi microscopi

Alcuni dei primi utilizzatori del microscopio (come Robert Hooke) modificarono il loro strumento a 3 lenti rimuovendone una: la qualità delle lenti stesse e l’uso di una terza lente diminuivano così tanto la qualità dell’immagine da rendere l’apparecchio quasi inutilizzabile.

Nonostante i suoi difetti, il microscopio aprì gli occhi umani verso il mondo dell’infinitamente piccolo: nel 1625 Francesco Stelluti e Federico Cesi pubblicarono Apiarium, il primo resoconto delle loro osservazioni effettuate con un microscopio composito molto probabilmente basato su quello di Drebbel.

Nel 1655 invece Robert Hooke coniò la parola “cellula” nell’opera Micrographia, una collezione di disegni basati sulle sue osservazioni effettuate con un microscopio realizzato dal londinese Christopher White.

I microscopi di Stelluti/Cesi e Hooke, come tutti quelli prodotti nello stesso periodo, risentivano di problemi legati alla qualità delle lenti: le imperfezioni e l’opacità delle lenti realizzate all’epoca impedivano di ottenere immagini nitide e luminose.

Il microscopio di Antonie van Leeuwenhoek

I microscopi di Antonie van Leeuwenhoek (prodotti a partire dal 1674) potrebbero sembrare un passo indietro rispetto ad altri apparecchi della sua epoca: si basavano su lenti sferiche singole e non avevano un ingrandimento regolabile.

Ma la vera rivoluzione di van Leeuwenhoek fu la qualità delle sue lenti: dopo aver perfezionato i processi di produzione e lucidatura del vetro, riuscì a realizzare piccole lenti sferiche capaci di ingrandire fino a 275 volte e intelaiate su strutture d’argento o di rame.

Van Leeuwenhoek realizzò almeno 25 microscopi a lente singola, piccoli strumenti dotati di viti usate per regolare la messa a fuoco e la posizione del campione osservato. Per molti anni nessuno riuscì a replicare le tecniche di costruzione di van Leeuwenhoek, specialmente i miglioramenti che introdusse nei processi di lavorazione del vetro, ma l’artigiano olandese produsse oltre 500 lenti sferiche che distribuì in tutta Europa allo scopo di diffondere la sua invenzione senza rilasciare alcun segreto sul processo di lavorazione del vetro che aveva elaborato.

Il successo del microscopio di van Leeuwenhoek

La fitta corrispondenza di van Leeuwenhoek (circa 190 lettere) con la Royal Society è la testimonianza delle sue scoperte con il microscopio a lente singola:

• Cercò di stimare la quantità di microrganismi presenti in un’unità d’acqua;
• Descrisse accuratamente la struttura del cristallino;
• Osservò microrganismi ciliati nel 1674;
• Fu il primo ad osservare gli spermatozoi nel 1677;
• Descrisse la struttura delle fibre muscolari nel 1682;
• Descrisse batteri del genere Selenomonas, specie che normalmente vivono nel tratto intestinale degli animali, nel 1683.

La lente migliore prodotta da van Leeuwenhoek era una piccola sfera di vetro spessa circa 1,2 millimetri e dotata di una lunghezza focale di 1 millimetro. Consentiva di ingrandire oggetti 270 volte, ma alcuni storici sostengono che l’artigiano avesse creato lenti più potenti, capaci di ingrandimenti di 480x.

Per i successivi 200 anni il microscopio di van Leeuwenhoek fu il modello dominante in campo scientifico e non subì notevoli variazioni: con un mondo intero da osservare sotto una lente, lo strumento a lente singola si dimostrò sufficiente fino a quando i biologi non si domandarono se ci fosse qualcosa di ancora più piccolo di ciò che potevano osservare in quelle piccole sfere di vetro.

Nell’arco di due secoli i regni animale e vegetale iniziarono a svelarsi in tutto il loro fascino: Marcello Malpighi, uno dei padri della biologia, analizzò la struttura dei polmoni e dei capillari, Jan Swammerdam osservò e descrisse i globuli rossi e dimostrò il ciclo vitale degli insetti, mentre Robert Hooke realizzò una serie di disegni sugli insetti dal valore entomologico inestimabile.

Timeline of microscope technology
A complete Microscope History
The Microscope in the Dutch Republic