د. خالد الزهراني فيزياء – جامعة الملك سعود

كثيرًا ما دفع الفضول الإنسان إلى محاولة اكتشاف العالم من حوله مستخدمًا كل الوسائل المتاحة له. إذ إنَّ رغبة الإنسان في المعرفة تجعله يحاول أن يتجاوز حدود المحسوس من خلال ابتكاره وصنعه لأدوات تمكنه من ذلك. لقد كان ولا زال العالم ذو الأبعاد الهندسية الصغيرة -التي لا يمكن للبشرية إدراكها باستخدام العين المجردة- هدفًا لرغبة الإنسان في الاستكشاف، ومجالًا خصبًا لخياله ونظرياته، التي غالبًا ما افتقدت إلى الدقة. وهذه الرغبة الشديدة للإنسان في سبر أغوار العالم الذي يقع بعيدًا عن إدراكه بسبب صغره، قادته إلى ابتكار المجهر (Microscope) الذي تطوَّر فيما بعد، وأخذ أشكالًا متعددة.

لقد ارتبط تطوُّر المجاهر ارتباطًا وثيقًا بكثير من مجالات العلوم، وخصوصًا العلوم الحيوية. ويتمحور دور المجهر حول ثلاث نقاط: 

1. تضخيم الأشياء الصغيرة بحيث تصبح أكبر مما هي عليه.
2. الدقة: وهي المقدرة على تمييز الأشياء الصغيرة جدًّا، التي يجاور بعضها بعضًا.
3. التباين: وهو المقدرة على رؤية المناطق المختلفة من العينة نفسها، كاختلاف اللون.

إنَّ محاولات البشرية لصنع أداة تمكنها من رؤية الأشياء الصغيرة بدأت بالعدسات المكبرة، التي كانت في البداية تصنع من الكوارتز، وهذا جعل التعامل معها أمرًا صعبًا جدًّا، وكذلك صناعتها، وهذا ما حدَّ كثيرًا من استخدامها، لكنَّ هذا الأمر تغيَّر منذ القرن الثالث عشر الميلادي بدخول الزجاج في صناعتها.

دخلت العدسات في صناعة المجاهر الضوئية (Optical Microscopes) في نهاية القرن السادس عشر الميلادي، وكان جيوفاني فابر هو أول من أطلق تعبير ((مجهر)) في عام 5261. ويشير مصطلح المجهرية الضوئية إلى استخدام الضوء في تكبير الأشياء الصغيرة لتصبح مرئيةً للعين المجردة. وكان أول مجهر ضوئي تم صنعه بدائيًّا في تركيبه متواضعًا في قدراته، وقد تمثّل أول ظهور لما يمكن أن ندعوه مجهرًا ضوئيًّا في المجهر الضوئي البسيط (في الغالب يتكون من عدسة واحدة)، ثم تبعه المجهر المركب الذي يحتوي على مجموعة من العدسات، وله قدرة على التكبير أعلى من المجهر البسيط. ويُنسب الفضل في تصنيع المجهر المركب إلى صانعي عدسات هولنديين، وهما: زاكرياس يانسن وابنه هانس. 

بدأ الاستخدام الفعلي للمجهر الضوئي في الدراسات العلمية على يد الهولندي أنطوني فان ليفينهوك في منتصف القرن السابع عشر الميلادي، إذ استخدم مجهرًا بسيطًا من صنعه في مراقبة كثير من الكائنات الدقيقة بعد أن أجرى عليه كثيرًا من التحسينات ليصل بقدرته على التضخيم إلى 270 مرة. وقد وصف ليفينهوك كريات الدم الحمراء، كما شاهد من خلال مجهره بعض الخلايا (بدون تفاصيلها الدقيقة)، لكن مساهمته الأكثر أهمية كانت في وصفه كائنات مجهرية، مثل البكتيريا. 

استخدم الفيزيائي الإنجليزي روبرت هوك مجهرًا مركبًا من عدستين ولمبة زيتية كمصدر ضوء، لوصف بعض الكائنات الحية الدقيقة، ونشر ملاحظاته في كتابه ((الفحص المجهري))، وكان أول من وضع مصطلح ((الخلية)). أدرك هوك أنَّ المجهر البسيط أفضل من المجهر المركب، وعزا ذلك إلى الزيغ اللوني (Chromatic aberration) الذي يتسبب في تشويه الصورة نتيجةً لعدم قدرة العدسة على تركيز ألوان شعاع الضوء المختلف والمار من خلالها في نقاط واحدة. وبالرغم من القدرة العالية للمجهر المركب على التضخيم مقارنةً بالمجهر البسيط، فإنَّ الزيغ اللوني حدَّ كثيرًا من استخدامه في ذلك الوقت، ودفع عددًا من الباحثين إلى تجنُّب استخدامه. 

كان على البشرية أن تنتظر إلى القرن التاسع عشر لحل مشكلة الزيغ اللوني الذي يصاحب استخدام المجهر المركب. وكانت بوادر الحلول على يد الفيزيائي البريطاني جوزيف جاكسون ليستر الذي تمكّن من حل هذه الإشكالية من خلال صنع مجهر مركب يحتوي على عدد من العدسات، مصنوعة من نوعيين مختلفين من الزجاج: زجاج الصوان (Flint glass)، والزجاج التاجي (Crown glass)، ويبعد بعضها عن بعض مسافات محددة بحيث تعدل إحداهما مشكلة الانكسار الناتجة عن الأخرى. لقد وفَّرت طريقة ليستر صورًا دقيقة جدًّا بدون تشويه الزيغ اللوني بعد التحسينات التي أدخلها ليستر، وكان هذا المجال موعودًا بتطور آخر قدَّمه العالم الإيطالي جيوفاني باتيستا أميتشي، الذي حسَّن من دقة المجهر، وخفَّف من تأثير الزيغ اللوني بوضع العدسة الشيئية للمجهر (العدسة الأقرب للعينة) في الزيت، ثم تطورت المجاهر الضوئية كثيرًا في نهاية القرن التاسع عشر كثيرًا، وظهرت شركات مهتمة بهذه الصناعة، وعلى رأسها الشركة الألمانية ((زيس)) التي تعدُّ من عمالقة هذه الصناعة إلى اليوم. 

عجل دخول رؤوس الأموال في هذه الصناعة كثيرًا بتطوير المجاهر، وحسَّن دقتها، مع ظهور التعاون بين العلماء وأصحاب رؤوس الأموال (كالذي حدث في أواخر القرن التاسع عشر بين الفيزيائي الألماني إرنست كارل آبي، وكارل زيس مؤسس شركة زيس). لكنَّ هذا التطور كان له حدود في مقدرة المجاهر الضوئية. وفي عام 1873، وضع إرنست آبي قاعدة رياضية تحكم دقة المجاهر الضوئية بناءً على الطول الموجي ومواصفات العدسات المستخدمة، إذ إنه، وتحت ظروف مثالية، فإنَّ أفضل دقة للمجاهر الضوئية لن تتجاوز تقريبًا 200 نانومتر (سماكة شعرة رأس الإنسان تقريبًا 100,000 نانومتر)، وهذا ما يجعل رؤية كثير من التركيبات الدقيقة، مثل بعض مكونات الخلايا، بالمجهر الضوئي شبه مستحيلة. وتُقاس الخلايا بالميكروميتر (1000 نانومتر) لذلك فمن الممكن رؤيتها بالمجهر الضوئي، لكنَّ الفيروسات تُقاس بالنانومتر (فيروس التهاب الكبد الوبائي مثلاً يبلغ مقاسه من 20 إلى 40 نانومترًا) فمن غير الممكن رؤيته. 

وقد دعت الحاجة العلمية إلى ظهور مجاهر ضوئية تعتمد طرائق مختلفة في تصوير العينات، ومن المشاكل التي يعاني منها المجهر الضوئي هو ضعف التباين (عدم القدرة على تمييز أجزاء العينة المختلفة، بسبب لونها على سبيل المثال). ولحل هذه المشكلة تم اقتراح ربط الظاهرة الفلورية مع المجهر الضوئي لصنع ما يطلق عليه المجهر الفلوري (Fluorescence Microscope). ويستخدم المجهر الفلوري على الأغلب في التطبيقات الحيوية ولا يختلف عن المجهر الضوئي إلا بوجود الظاهرة الفلورية (المواد التي تملك الخاصية الفلورية، إذ يصدر عنها ضوء بتردد أقل (طول موجي أعلى) من الضوء المستخدم في إثارتها)، ووجود بعض المرشحات من أجل اختيار لون (طول موجي) واحد أو أكثر لإضاءة العينة المستهدفة، كما تعمل أيضًا على ترشيح بعض الألوان المنبعثة من العينة لزيادة التباين اللوني. وقد لاحظ فريدريك هيرشل الظاهرة الفلورية في عام 1845، حيث وجد أنه عند تعريض محلول الكينين لضوء فوق بنفسجي فإنَّ هذا المحلول يبعث ضوءًا لونه أزرق. كما لاحظ الفيزيائي الأيرلندي جورج ستوكس أيضًا في عام 1852 أنَّ الفلوريت البحري يصدر عنه ضوء أحمر عندما يُضاء بأشعة فوق بنفسجية. وقد طوَّر الفيزيائيان الألمانيان أوتو هومستيد وهاينيرك لمين أول مجهر فلوري لتصوير عينات تمتلك مواد فلورية، مثل بعض أنواع البكتيريا، ما بين عامي 1911 و1913. ومن ثَمَّ طوّرت بعض المواد الفلورية التي يمكن أن ترتبط بأجزاء معينة من المادة المراد تصويرها (لا تملك مواد فلورية ذاتية) بالمجهر الفلوري لتمييزها عن الأجزاء المتبقية. 

كان لابد من إيجاد طريقة لا تعتمد على الضوء في التصوير، لتجاوز حدود الدقة التي تفرضها طبيعة المجاهر الضوئية. وقد ظهر فرع جديد من الفيزياء في بداية القرن العشرين أُطلق عليه اسم ((فيزياء الكم))، أو ((ميكانيكا الكم)). وكانت إحدى أهم نتائج هذا الفرع الجديد من الفيزياء هي: الطبيعة المزدوجة لبعض الجسيمات، مثل الإلكترونات، ونعني بالطبيعة المزدوجة أنَّ الإلكترون يملك خواص موجيَّة، إضافةً إلى كونه جسيمًا. ويعود الفضل في ذلك إلى الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي الذي أثبت في عام 1924 الطبيعة الموجيَّة للجسيمات ما دون الذرية، مثل الإلكترونات، ولذلك فإنَّ شعاع من الإلكترونات يمكن أن يتصرف كموجة بطول موجي أقصر بكثير من الضوء؛ أي أنَّ الإلكترونات قد تكون بديلًا للضوء في صناعة المجاهر. ومن أبرز العقبات التي كانت تقف في وجه ظهور هذا النوع من المجاهر العدسات، إذ إنَّ العدسات الزجاجية المعروفة لا يمكن أن تُستخدم في تركيز شعاع الإلكترونات كما تفعل مع الضوء. تطورٌ مهم في هذا الاتجاه في عام 1926، إذ توصَّل الفيزيائي الألماني هانس بوش إلى أنَّ استخدام المجال الكهربائي أو المغناطيسي بالنسبة إلى شعاع من الإلكترونات يعمل عمل العدسات في الضوء. وهذه الاكتشافات مهدت لظهور المجهر الإلكتروني في عشرينيات القرن العشرين، الذي لم تكن مقدرته على التكبير في البداية تتجاوز المجهر الضوئي، ولكنه شهد فيما بعد كثيرًا من التطوير، وهذا ما حسَّن دقته وقدرته على التكبير لتصبح ملايين المرات مقارنةً بألف مرة للمجهر الضوئي.

 كانت صناعة المجاهر في ثمانينات القرن العشرين موعودةً بثورة جديدة من خلال إدخال مفهوم مجهرية المسبار الماسح (Scanning Probe Microscopy) وقد بدأت مجهرية المسبار الماسح عام 1981 بالمجهر النفقي المساح (“Scanning Tunneling Microscope “STM) بواسطة الفيزيائي الألماني جيرد بينغ، والفيزيائي السويسري هينريك رورا (اللذين حصلا على جائزة نوبل عام 1986 على جهودهما في هذا المجال، بالاشتراك مع أرنست روسكا، وماكس كنول مكتشفي المجهر الإلكتروني). يستخدم مجهر (STM) مسبارًا مصنوعًا من مادة موصلة كهربائيًّا مدببة الرأس تشبه الإبرة لتصوير العينات. ويتم إحضار المسبار لمسافة قريبة جدًّا من العينة، ومن ثم يتم تحريكه على سطح العينة، أو تُحرَّك العينة تحت المسبار بدقة تصل إلى أقل من نانومتر واحد، وبشكل ترددي لتغطية كامل السطح باستخدام مواد كهروانضغاطية (مواد تولّد جهدًا ميكانيكيًّا عند تطبيق جهد كهربائي عليها والعكس)، وهي مرتبطة بنظام تغذية راجعة لحماية المسبار من الاصطدام بسطح العينة. يُطبق على المسبار والعينة جهد كهربائي، وهذا ما يسمح لتيار من الإلكترونات بالقفز من العينة إلى المسبار. ويمكن تفسير تيار الإلكترونات الذي نشأ بين المسبار والعينة من خلال تأثير النفق الكمومي (إحدى نتائج فيزياء الكم، ومنه تم تسمية هذا المجهر). وتعتمد شدة تيار الإلكترونات الواصل للمسبار من العينة على المسافة الفاصلة بينهما، وهذا يسمح بتشكيل صورة لسطح العينة بقدرة تكبير تصل إلى المقاس الذري، لكنَّ أهم عيوب هذا المجهر أنَّ العينة لابد أن تكون موصلة للتيار الكهربائي، وهذا يحد كثيرًا من استخدامه، وخصوصًا لدى تصوير العينات الحيوية.

ابتكر جيرد بينغ (أحد مكتشفي المجهر النفقي الماسح) مجهر القوة الذري (“Atomic Force Microscope “AFM) لحل الإشكالية المرتبطة بنوعية العينات التي يمكن تصويرها بالمجهر النفقي الماسح، الذي مكَّن من تصوير جميع أنواع العينات، حتى الحية منها، بدقة تضاهي دقة المجهر الإلكتروني. ويمكن الفرق بين المجهر النفقي الماسح ومجهر القوة الذري في مسبار (AFM)؛ وهو لوح (يشبه لوح الغوص) ذو مرونة عالية، مصنوع من السيليكون نترايد، وهو مغطى بطبقة رقيقة من الذهب، ويسمى هذا اللوح ((دعامة)) (Cantilever)، ويرتبط في نهايته برأس مدبب (قطر نهاية الرأس من 2 إلى 5 نانومتر)، مصنوع من مواد صلبة، وتتفاعل الذرات الموجودة في نهاية الرأس المتصل بنهاية الدعامة مع الذرات الموجودة على سطح العينة، ويولد من هذا التفاعل قوة تجاذب أو تنافر، وتعتمد شدتها على المسافة الفاصلة بين نهاية الرأس والعينة. ويؤدي هذا التفاعل إلى انحناء الدعامة الذي يتغيّر بتغيّر شدة هذه القوة. ويتم تتبع الانحناء من خلال شعاع الليزر المركز على ظهر الدعامة الذي يحوَّل إلى إشارة كهربائية باستخدام كاشف ضوئي، وهذا ما يسمح بتشكيل صورة لسطح العينة، كما أنَّ نظام التغذية الراجعة يحمي المسبار من الاصطدام بالسطح. وقد تمكن الباحثون باستخدام مجهر (AFM) من تصوير كل أنواع العينات بدقة عالية سواءً في بعدين أم ثلاثة أبعاد (مما مكن من رؤية العينة بشكل مجسم). 

تطور مجهر (AFM) كثيرًا، وأصبح قادرًا على تصوير العينات الحيوية تحت ظروفها الطبيعية بدون أي معالجات ويمكن أن تغيِّر خواصها. كما أصبح من الممكن رؤية التباين في سطح العينة بسبب اختلاف خواصها الميكانيكية؛ وإذا كان سطح العينة يحتوي على مناطق صلبة أو رخوة فإنَّ ذلك سيصبح واضحًا في صور مجهر (AFM). وقد شهد مجهر (AFM)خلال العشر سنوات الماضية قفزةً مهمة، إذ أصبح باستطاعته أخذ مقاطع فيديو للعينات، وليس مجرد صور ثابتة، وهذا ما سهَّل على الباحثين مراقبة سلوك العينات. ومن الممكن أن يحمل المستقبل تطورات أكثر تشويقًا في هذا المجال، وخصوصًا مع دخول تقنيات النانو.

علماء أعلام أسهموا في تطوير المجاهر

• جيوفاني فابر هو أول من أطلق تعبير ((مجهر)) في عام 1625.
• زاكرياس يانسن وابنه هانس هولنديان صنعا المجهر المركب.
• الهولندي أنطوني فان ليفينهوك هولندي بدأ على يده الاستخدام الفعلي للمجهر الضوئي في الدراسات العلمية في منتصف القرن السابع عشر الميلادي.
• الفيزيائي الإنجليزي روبرت هوك استخدم مجهرًا مركبًا من عدستين، ولمبة زيتية مصدرًا لضوء، لوصف بعض الكائنات الحية الدقيقة، ونشر ملاحظاته في كتابه ((الفحص المجهري)).
• جوزيف جاكسون ليستر فيزيائي بريطاني أوجد الحلّ للزيغ اللوني.
• جيوفاني باتيستا أميتشي حسّن من دقة المجهر، وخفف من تأثير الزيغ اللوني بوضع العدسة الشيئية للمجهر(العدسة الاقرب للعينة) في الزيت.
• إرنست كارل آبي وكارل زيس (مؤسس شركة زيس) عجّلا كثيرًا بتطوير المجاهر وحسن دقتها.
• وضع إرنست آبي في عام 1873 قاعدة رياضيّة تحكم دقة المجاهر الضوئيّة؛ بناءً على الطول الموجي ومواصفات العدسات المستخدمة.
• لاحظ فريدريك هيرشل في عام 1845 الظاهرة الفلورية، فوجد أنه عند تعريض محلول الكينين لضوء فوق بنفسجي، فإنَّ هذا المحلول يبعث ضوء لونه أزرق.
• لاحظ جورج ستوكس فيزيائي إيرلندي في عام 1852 أن الفلوريت البحري يصدر عنه ضوء أحمر عندما يضاء بضوء فوق بنفسجي.
• طور أوتو هومستيد وهاينيرك لمين، وهما فيزيائيان ألمانيان ما بين عام 1911 و1913 أول مجهر فلوري لتصوير عيّنات تمتلك مواد فلورية، مثل بعض أنواع البكتيريا.
• لويس دي برولي فيزيائي فرنسي أثبت في عام 1924 الطبيعة الموجيّة للجسيمات ما دون الذريّة، مثل: الإلكترونات.
• هانس بوش فيزيائي ألماني توصّل في عام 1926 إلى أن استخدام المجال الكهربائي أو المغناطيسي بالنسبة إلى شعاع من الإلكترونات يعمل عمل العدسات في الضوء.
• هذه الاكتشافات في عشرينيات القرن العشرين مهدت لظهور المجهر الإلكتروني، الذي في البداية لم تكن مقدرته على التكبير تتجاوز المجهر الضوئي، لكنه شهد فيما بعد الكثير من التطوير مما حسن من دقته وقدرته على التكبير لتصبح ملايين المرات مقارنة بألف مرة للمجهر الضوئي.
• أرنست روسكا والمهندس ماكس كنول تمكّنا من تصنيع أول مجهر، وحصلا في عام 1986 على جائزة نوبل على هذا الاكتشاف.
• مانفريد فون آردن فيزيائي ألماني تمكّن من تصنيع أول مجهر الكتروني ماسح يستخدم شعاعًا مركزًا من الإلكترونات في نقطة صغيرة جداً لمسح كامل العينة، وبذلك تتكوّن الصورة. جيرد بينغ فيزيائي ألماني وهينريك روهرر فيزيائي سويسري أدخلا في ثمانينات القرن العشرين مفهوم مجهريّة المسبار الماسح، وحصلا على جائزة نوبل عام 1986 بالتشارك مع أرنست روسكا وماكس كنول.
• ابتكر جيرد بينغ (أحد مكتشفي المجهر النفقي الماسح) مجهر القوة الذري؛ الذي مكّن من تصوير جميع أنواع العيّنات حتى الحيّة منها بدقة تضاهي دقة المجهر الإلكتروني.