Objektgeschichten: Mikroskopie seit 400 Jahren

Die Medizinsammlung Inselspital Bern betreut aktuell mehr als 150 Objekte aus dem Bereich Mikroskopie. Anhand der Berner Sammlung lässt sich die Geschichte der Mikroskopie nicht systematisch darstellen, aber zentrale Entwicklungen exemplarisch aufzeigen. Der Mikrobiologe und freiwillige Sammlungsmitarbeiter, Hans-Peter Bühler, schaut sich in diesem Beitrag die Mikroskope genauer an.

Die Grenzen des Sichtbaren

Wer hat noch nie von Louis Pasteur (1822-1895) gehört? Er gilt als Erfinder der Hitzebehandlung zum Haltbarmachen von flüssigen Lebensmitteln (Pasteurisation). Auf einem zeitgenössischen Bild sieht man den französischen Chemiker und Mitbegründer der medizinischen Mikrobiologie an seinem Mikroskop. Pasteur untersuchte damit verschiedene Gärprozesse. Er stellte fest, dass daran unterschiedliche Mikroorganismen beteiligt sind. Er konnte diese mittels eines einfachen Mikroskops beobachten und dokumentieren. Von blossem Auge wären ihm Bakterien und Pilze jedoch entgangen. Mit einem Hilfsmittel – dem Mikroskop – gewannen er und andere Forscher seiner Zeit jedoch bahnbrechende Erkenntnisse. Sie wiesen Zusammenhänge zwischen Kleinstlebewesen und Erkrankungen nach und legten damit den Grundstein für die Mikrobiologie.

Louis Pasteur präsentiert sich im Labor an seinem Mikroskop, nach einer Fotogravur von Louis E. Fournier (Wellcome Collection)

Die Nutzung eines Mikroskops war dazu unumgänglich: Denn bei guten Licht- und Kontrastverhältnissen können Menschen von blossem Auge Objekte lediglich bis zur Dicke eines menschlichen Haares (ca. 1/10 mm) wahrnehmen. Mit Hilfe von Lupen und Mikroskopen sind noch Vergrösserungen um das 1000-fache möglich. Irgendwann stossen dann auch Lichtmikroskope an ihre Grenzen: Mehr als eine Vergrösserung um das 1500-fache ist aufgrund der besonderen Eigenschaften des Lichts nicht möglich. Sind höhere Vergrösserungen notwendig, werden heute Elektronenmikroskope genutzt.

Die Geschichte der Mikroskopie reicht bis ins 17. Jahrhundert zurück und ist eng verbunden mit der Anwendung einer ganzen Palette technischer Entwicklungen: Einfache Beleuchtungseinrichtungen wie Öl- oder Kerzenflammen wurden abgelöst von Systemen zur optischen Führung von Sonnen- und Kunstlicht bis zu digital gesteuerten LED-Beleuchtungssystemen. Die Fortschritte bei der Glasbearbeitung führten zusammen mit verbesserten mathematischen Grundlagen der physikalischen Optik zu hochwertigen Linsensystemen. Verbesserungen bei der Metallbearbeitung erlaubten zunehmend hohe Genauigkeit bei der Positionierung von Linsen und Objekten. Aber auch die Entwicklung von Präparationstechniken und Färbemethoden erhöhte die Qualität der Beobachtungen. Selbstverständlich haben auch gesellschaftliche Kontexte mit ihrem wechselnden Interesse an wissenschaftlichen Fragestellungen zur Geschichte der Mikroskopie beigetragen.

Erste Mikroskope

Eines der ersten als Mikroskop bezeichneten Geräte, bestand im Wesentlichen aus einer Feinmechanik, mit der sich vor einer kleinen, fast runden Glaslinse eine Probe exakt positionieren und damit scharfstellen liess. Die Erfindung wird oft dem Holländer Antoni van Leeuwenhoek (1631 –1723) zugeschrieben. Solche einlinsigen Mikroskope wurden im 17. Jahrhundert in Holland gebaut und verbreiteten sich zunehmend, obwohl die Bedienung aus heutiger Sicht umständlich war – die Distanz vom Untersuchungsobjekt zum Auge betrug nämlich weniger als ein Zentimeter. Eigentlich handelte es sich bei diesen Mikroskopen um extreme Lupen, die Objekte um das 200-fache vergrössern konnten. In der Medizinsammlung befindet sich kein Original, aber immerhin eine detailgetreue Nachbildung.

Detailgetreue Nachbildung des Leeuwenhoekschen Mikroskops (Institut für Medizingeschichte, Inv.-Nr. 2081)

Mit Hilfe solcher einfacher Mikroskope erkannten und beschrieben Leeuwenhoek und seine Zeitgenossen zahlreiche Dinge, die zuvor nicht sichtbar gewesen waren. Sie deuteten diese teilweise als Kleinstlebewesen, konnten jedoch ihre Bedeutung – etwa für die Entstehung von Krankheiten – noch nicht erkennen. Leeuwenhoek trug ausserdem zur Lösung eines alten medizinischen Problems bei: Er wies, vorerst bei Kaulquappen, den peripheren Blutkreislauf in den feinen Kapillaren nach und erklärte damit die Verbindung des arteriellen mit dem venösen Blutkreislauf. Leeuwenhoeks vielleicht spektakulärste wissenschaftliche Leistung war aber die Entdeckung von Spermatozoen bei zahlreichen Tieren und beim Menschen. Er schrieb dazu: «Der Mensch kommt nicht vom Ei, sondern von einem Tierchen, das sich im männlichen Samen findet.» Er nahm an, dass der ganze Mensch auf eine Weise schon im Spermatozoon vorhanden sei, und er verbrachte Tage mit dem Versuch, die Umrisse des ‚kleinen Menschen‘ oder ‚Homunculus ' mikroskopisch zu entdecken.

Leeuwenhoek war nicht der Einzige, der im 17. Jahrhundert an den neuartigen Instrumenten tüftelte. In Italien konstruierte der Optiker und Astronom Giuseppe Campani nicht nur Teleskope, sondern auch Mikroskope. Beinahe gleichzeitig wie Leeuwenhoek präsentierte der englische Gelehrte Robert Hooke ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes Mikroskop mit einer Auflichtbeleuchtung und publizierte mit seinem Buche «Mikrographia» auch eine erste Abhandlung, die sich ausführlich der neuen Technologie widmete.

Einfaches Mikroskop mit Kombinationslinsenhalter (Institut für Medizingeschichte, Inv.-Nr. 2041a)

Das Nürnberger Mikroskop

Die frühen Instrumente verursachten aufgrund der schlechten Optik aber oft Fehlbeobachtungen und –beurteilungen. Deshalb waren sie bei den Naturforschern umstritten und es gab Debatten über Vor- und Nachteile der neuen Instrumente. Mikroskope dienten anfangs eher als Attraktion zur Belustigung in erlesenen Zirkeln. Damit gewannen sie aber zunehmend an Popularität, insbesondere das «Nürnberger Mikroskop». Die Bezeichnung «Nürnberger Mikroskop» bezieht sich auf eine Gruppe von Mikroskopen mit unterschiedlichen stilistischen Charakteristika aus der Gegend des heutigen Süddeutschlands. Nürnberg war bekannt für seine Jahrhunderte alte Tradition für Feinmechanik. Das Nürnberger Modell basiert auf dem populären Design von Edmund Culepper zu Beginn des 18. Jahrhunderts. Die Struktur umfasst einen doppelten Dreifüsser, einen sogenannten «Tripod». Eine kreisförmige Basis aus gedrechseltem Holz ist in der Mitte mit einem verstellbaren Spiegel bestückt. Von der Basis abgehend sind drei aus Holz gedrechselte Säulen, die in ein weiteres Stück gedrechseltes rundes Holz münden. Die runde Öffnung dient als Halterung für die erwähnten Untersuchungsobjekte und weiter als Halterung für den Tubus aus Karton. Der Linsentubus wird innerhalb des Zylinders auf und ab bewegt. Die einfachen und günstigen Nürnberg-Mikroskope aus leichtem Material wie Holz und Karton standen sowohl hinsichtlich des mechanischen als auch optischen Niveaus kaum in Konkurrenz zu den wissenschaftlich nutzbaren und teuren Messinginstrumenten ihrer Zeit.

Nürnberger Mikroskop (Medizinsammlung Inselspital Bern, Inv.-Nr. 15899)

Das Mikroskop nimmt Form an

Mitte des 18. Jahrhunderts erhielt das Stativ des Mikroskops schon beinahe die Form, die wir heute noch kennen: Am nächsten zum Auge befindet sich das Okular. Durch dessen Sammellinse kann man das vergrösserte Bild beobachten. Das Okular ist durch den Tubus mit dem Objektiv verbunden. Darunter wird die Probe auf dem sogenannten Objekttisch platziert und durch eine Lichtquelle beleuchtet. Zudem kamen nun Mikroskope auf, die – über einen Objektivrevolver – mit mehreren Objektiven ausgestattet waren. Diese Neuerung brachte den Vorteil, dass dadurch mehrere Vergrösserungsstufen einstellbar sind, ohne ein zusätzliches Mikroskop benutzen zu müssen.




Monotubus des Herstellers Zeiss in Jena, 1880 (Sammlung IMG, Inv.-Nr. 2017)

Probleme und Lösungen

Ein zentrales Problem der Mikroskopie wurde Ende des 18. Jahrhunderts gelöst. Durch den Einsatz geeigneter Glasqualitäten für die Herstellung der Sammellinsen konnten grobe Farbverzerrungen (chromatische Aberration) beseitigt werden. Weiterhin hinderlich waren jedoch Bildunschärfen, sogenannte sphärische Aberration. Erst im letzten Drittel des 19. Jahrhunderts wurde die Herstellung der Mikroskope auf eine wissenschaftliche Basis gestellt. Der Physiker Ernst Abbé berechnete das maximal erreichbare Auflösungsvermögen und produzierte mit dem Universitätsmechaniker Carl Zeiss leistungsfähige Mikroskope. Damit konnte das Instrument zu einem unverzichtbaren Instrument für wissenschaftliche Arbeiten werden.

Der Aufschwung der Mikroskopie schlägt sich auch in der Berner Sammlung nieder. Die Medizinsammlung besitzt mehr als 60 sogenannter Monotubi aus der Zeit um 1900, wobei die meisten aus der Produktion der führenden Mikroskophersteller Zeiss in Jena oder Leitz in Wetzlar stammen.

Kontrast

Doch nicht allein die verbesserte Optik trug zu der zunehmenden Bedeutung der Mikroskopie für die Wissenschaft im Allgemeinen und die Medizin im Besonderen bei. Ein Bündel von Techniken und Praktiken eröffnete neue Möglichkeiten: Ohne verbesserte Auflösung, neue Färbetechniken oder die Mikrofotografie wäre die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung der Medizin im 19. Jahrhundert nicht möglich gewesen. 

Wer von «Schwarz auf Weiss» spricht, meint oft ein schriftliches Dokument. Die Druckerschwärze soll sich vom weissen Papier abheben und dazu in deutlichem Kontrast stehen. Das menschliche Sehvermögen ist auf gute Kontraste angewiesen. Sehr kleine Objekte können wesentlich besser beobachtet werden, wenn sie sich zum Beispiel mittels geeigneter Methoden kontrastreich darstellen lassen. Deshalb war es unabdinglich, dass sich für mikroskopische Untersuchungen eine Vielzahl von Färbe- und anderer kontrastgebender Methoden etablierten.

Über Jahrzehnte arbeiteten Forscher an geeigneten Methoden, um einen möglichst guten Kontrast zu erzielen. Sie experimentierten unter anderem mit Lösungen oder Färbetechniken. Eine (bis heute) häufig angewandte Färbemethode ist die sogenannte Gram-Färbung. Dazu wird das meist medizinische Probenmaterial mit physiologischer Kochsalzlösung verdünnt und als sogenannter Ausstrich auf einem Objektträger hitzefixiert. Danach wird der Objektträger nacheinander mit Kristallviolettlösung, jodhaltiger Lugol-Lösung, Alkohol und Safraninlösung behandelt. Diese Färbemethode ermöglicht es, Bakterien in zwei grosse Gruppen einzuteilen, die sich im Aufbau ihrer Zellwände unterscheiden: grampositive und gramnegative Bakterien.




Blau angefärbte grampositive und rot angefärbte gramnegative Bakterien im Ausstrich (Wikimedia Commons)

Für gewisse Fragestellungen reicht es nicht aus – salopp gesagt – einfach ein Objekt unter das Mikroskop zu legen. Für Fachgebiete wie etwa die Histologie (Gewebelehre) ist die Anfertigung von Dünnschnitten eine Grundvoraussetzung. Nur so können Gewebemerkmale untersucht werden. Dazu ist der Einsatz eines weiteren Instruments notwendig: Ein Mikrotom dient zur Herstellung äusserst dünner mikroskopischer Präparate, beispielsweise von biologischen Geweben, die später im Durchlicht betrachtet werden. Typische Einsatzgebiete sind vor allem weiche Materialien und Werkstoffe, wie beispielsweise aus der Medizin und Biologie (Histotechnik), sowie die Analytik von Kunststoffen. Biologisches Material wird normalerweise vor dem Schneiden durch Fixierung gehärtet und dann durch «Einbettung», das heißt Einschluss mit einer flüssigen Substanz (z.B. Paraffin, Kunstharz), die später aushärtet, schneidbar gemacht.

 


Kleines Schlittenmikrotom von G. Miehe Hildesheim mit vertikaler Mikrometerschraube für die Herstellung von 2.5µm dicken Dünnschnitten (Sammlung IMG, Inv.-Nr. 3723)

Beleuchtung

Zentral für die Mikroskopie ist eine geeignete Lichtquelle, denn ohne Licht sieht das menschliche Auge nichts. Tageslicht oder künstliche Beleuchtung bieten da Hilfe. Das ist beim Mikroskopieren nicht anders. Objekte können dabei sowohl im Auflicht als auch in dünnen Schnitten im Durchlicht betrachtet werden. Erst Sonnenlicht, später künstliche Lichtquellen wie Flammen oder Lampen finden ihre Anwendung. Zur gezielten Lichtführung kommen Plan- oder Hohlspiegel sowie Linsensysteme zur Anwendung. Diese Linsensysteme sind meistens in einer Hohlröhre (Tubus) verpackt. Ein solcher Tubus erlaubt die Zentrierung der Linsen und vermeidet den Einfluss von störendem Fremdlicht und Staubpartikeln. Je nach der kontrastgebenden Beleuchtung werden spezifische Beleuchtungstechniken angewandt und die entsprechenden Mikroskope bezeichnet. Unter einem Hellfeldmikroskop wird das weitverbreitete übliche Lichtmikroskop verstanden. Daneben existieren Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Polarisationsmikroskope, aber auch zahlreiche weitere Arten von Mikroskopen mit zunehmender Komplexität, wie zum Beispiel Fluoreszenzmikroskope. Damit werden vom zu untersuchenden Objekt speziell gefärbte Strukturen (Fluoreszenzfärbung) erst nach Bestrahlung mit Licht entsprechender Wellenlänge sichtbar.




Modernes Stereomikroskop mit komplexer Beleuchtungseinrichtung: Wild Stereomikroskop M20, montiert auf Wild Durchlichtbasis III mit Sockel und Quecksilberdampflampe sowie Halogenlampe HBO-200 mit dazugehörigem Wild Netzgerät M Tr 14 und Wild Netzgerät M Tr 22 (Medizinsammlung Inselspital Bern, Inv.-Nr. 15806)

Dokumentation

Ohne geeignete Dokumentation sind mikroskopische Befunde nur halb so viel wert. Bereits die ersten Forscher, die mit Mikroskopen arbeiteten, haben deshalb ihre Beobachtungen schriftlich oder mittels Handzeichnungen aus dem Gedächtnis festgehalten. Um diese Art der Dokumentation zu erleichtern, wurden Mikroskope mit speziellen Hilfseinrichtungen ausgestattet.

An einem Forschungsmikroskop aus der Zeit um 1900, das sich in der Medizinsammlung befindet, ist beispielsweise ein Zeichenapparat befestigt. Sobald ein Objekt präzis eingestellt ist, wird das Okular entfernt. Danach wird ein Prisma eingeklappt, mit dem das Bild mittels eines Spiegels auf ein Zeichenblatt projiziert werden kann.

Forschungsmikroskop mit Zeichenapparat, um 1900 (Institut für Medizingeschichte, Inv.-Nr. 2031a)

Live-Präsentationen und das grossflächige Abzeichnen von Präparaten ermöglichte etwa der Leitz Prado 500 Projektor mit 500 Watt/240 Volt Lampe und Mikroskopbefestigung. Er eignet sich für ein horizontales Präparat. Mittels einer Spiegelvorrichtung wird das mikroskopische Bild so abgelenkt, das es auf eine Leinwand projiziert werden kann. Damit ist eine Betrachtung in grösserem Publikumskreis möglich. Die Projektion kann auch als Vorlage zum Herstellen einer Lehrtafel verwendet werden. Die Maschine wird mit einem Lüfter gekühlt, der für verschiedene Spannungen konfiguriert werden kann.




Leitz Prado 500 Projektor mit Mikroskopbefestigung (Medizinsammlung Inselspital Bern, Inv.-Nr. 15850)

Heute gehört die Übertragung mikroskopischer Bilder auf einen Monitor und eine Übersetzung ins digitale Medium zum Standard. Ein Laboratoriums- und Forschungsmikroskop der Sammlung ist unten mit einer elektrischen Beleuchtungseinrichtung ausgerüstet. Oberhalb befindet sich ein präzise einstellbarer Kreuztisch, worauf der Objektträger mit der Probe platziert wird. Ein Objektivrevolver mit 5 Objektiven erlaubt verschiedene Vergrösserungsstufen bis gegen 1200-fach. Ein Binokular ist für die eigentliche Beobachtung vorgesehen. Oberhalb ist ein Aufsatz für die Kamera eingerichtet. Zur Dokumentation kann eine Film- oder Digitalkamera verwendet werden. Eine Übertragung auf einen Monitor ist damit auch möglich.




Stereomikroskop Leitz Dialux 20 EB für Durchlicht mit Kameraaufsatz und Kamera Leica MPS 60. (Medizinsammlung Inselspital Bern, Inv.-Nr. 15857)

Ergonomie

Mikroskopieren ist anstrengend. Schon früh legten die Konstrukteure deshalb grossen Wert auf eine erleichterte Bedienung. Eine Kippvorrichtung erlaubte beispielsweise die Arbeit sitzend auszuführen. Dazu mussten aber geeignete Klemmen entwickelt werden, um die Objektgläser mit den Präparaten auf dem sogenannten Kreuztisch zu fixieren. Diese können mit feintriebigen Schraubvorrichtungen in allen drei Dimensionen bewegt werden. Damit ist eine präzise Positionierung der Objekte möglich. Ein modernes Mikroskop ist zudem meist mit zwei Okularen (Binokular) versehen, damit mit beiden Augen ermüdungsfrei beobachtet werden kann.

Olympus Instruktionsmikroskop Model ECBi mit Binokulartubus (Medizinsammlung Inselspital Bern, Inv.-Nr. 15890)

Einen Schritt weiter ist man heute an der Universität Bern. Bei Routineaufgaben (bis zu 700 Gewebeproben pro Tag) mikroskopieren die Forscher:innen nicht mehr wie ihre Vorgänger:innen stehend oder sitzend, sondern in einem ergonomisch gepolsterten Liegesessel. Bedient wird der sogenannten Pathojet mittels modernster Joysticktechnologie und die Beurteilung erfolgt auf einem grossen Bildschirm.

Dr. phil. nat. Hans-Peter Bühler, freiwilliger Mitarbeiter Medizinsammlung Inselspital Bern

Auswahlbibliographie

Jannsen, Stefan und Oberli, Kaspar: Die Mikroskopsammlung des Medizinhistorischen Instituts der Universität Bern: Katalog und Würdigung, Inauguraldissertation an der Universität Bern. Bern 2004.

Ratcliff, Marc J.: The Quest for the Invisible: Microscopy in the Enlightenment. Burlington 2009.

Nowak, Hans Peter: Geschichte des Mikroskops. Zürich 1984.

Rebohm, Simon: Frühe Mikroskopie: Beobachtung als Forschungspraxis. Berlin 2017. Online: <https://doi.org/10.34663/9783945561140-00>.

uniFOKUS Juni 2023: Ein Cockpit für die Gewebemedizin, Ori Schipper / Fotografie: Dres Hubacher, Universität Bern 2023.