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Mikroskopie : Schärfer, als das Licht erlaubt

  • -Aktualisiert am

Bild: MPI für biophysikalische Chemie

Optische Mikroskope können nie stark genug vergrößern, um molekulare Details sichtbar zu machen. Das galt fast 130 Jahre lang als ausgemacht. Doch dann gelang es einem deutschen Physiker, ein vermeintliches Naturgesetz auszutricksen.

          7 Min.

          Wir sehen nur Licht. Die Dinge der Welt offenbaren sich unseren Augen allein durch elektromagnetische Strahlen eines engen Wellenlängenbereiches von einigen hundert Nanometern, die sie aussenden oder reflektieren. Wollen wir etwas im Detail betrachten, hilft zunächst, nahe heranzugehen, um Lichtstrahlen aus unterschiedlichen Punkten des Gegenstandes noch getrennt wahrnehmen zu können. Doch damit ist bald Schluss, wie schon Kinder feststellen, wenn sie ein einzelnes feines Haar betrachten wollen oder eine dieser winzigen roten Milben auf einer Mauer. Selbst junge Adleraugen kommen da nicht weiter, jedenfalls nicht ohne eine Lupe oder, noch besser, ein Mikroskop.

          Unsere Augen bündeln die Lichtstrahlen zu einem Bild auf der Netzhaut, und als man lernte, den Verlauf der Lichtstrahlen mittels Linsen gezielt zu verändern, erschlossen sich damit neue Welten: im ganz Großen wie im Winzigkleinen. Nicht zufällig liegen die Anfänge des Mikroskops im selben Zeitalter wie die des Teleskops. Zwar hatte schon der italienische Arzt Girolamo Fracastoro (1478 bis 1553) darauf hingewiesen, dass zwei hintereinander angeordnete optische Linsen ein Objekt näher und vergrößert erscheinen lassen. Doch erst für den Anfang des 17. Jahrhunderts ist der Bau funktionierender Mikroskope historisch gesichert. Der niederländische Brillenmacher Hans Janssen und sein Sohn Zacharias führten 1608 auf der Frankfurter Messe ein Lichtmikroskop vor. 1609 präsentierte dann ein stolzer Galileo Galilei in Rom ebenfalls eines. Allerdings litten diese ersten Mikroskope unter fehlerhaften Linsen und waren aus heutiger Sicht kaum brauchbar. Erst dem Niederländer Antoni van Leeuwenhoek (1632 bis 1723) gelang mit einem radikal vereinfachten Mikroskop mit einer einzigen, allerdings bis dato unerreicht perfekt geschliffenen Linse der Durchbruch. Mit bis zu fast 300-facher Vergrößerung entdeckte er die ersten einzelligen Organismen und stieß damit das Tor zum Mikrokosmos auf.

          Eine radikale Idee

          Aber wie weit kommen wir damit? Nach Leeuwenhoek wurden die Mikroskope laufend verbessert, doch irgendwann mussten die Optiker dabei an eine unüberwindliche Grenze stoßen: Kein herkömmliches Lichtmikroskop kann seinen Gegenstand so weit vergrößert zeigen, dass dabei die Moleküle sichtbar werden, aus denen er besteht. Und das gilt selbst für die riesigen Biomoleküle im Inneren lebender Zellen. Obwohl es nicht an Versuchen fehlte, vermochte lange Zeit niemand diese Auflösungsgrenze der optischen Fernfeldmikroskopie, wie die praktikabelste Technik des Mikroskopierens mit sichtbarem Licht heißt, zu durchbrechen.

          Das gelang erst Stefan Hell - und zwar vor kaum mehr als zehn Jahren. Hell ist heute Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen und erhielt 2006 den deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten. Als er allerdings vor etwa zwanzig Jahren als frisch promovierter Physiker in Heidelberg versuchte, etablierte Wissenschaftler von seinen Ideen zu überzeugen, scheiterte er zunächst. "Das war einfach zu radikal", sagt er heute.

          Nur der Physikprofessor Christoph Cremer erkannte das Potential dieser Ideen und ermöglichte es Stefan Hell, sie wissenschaftlich zu publizieren. Cremer hatte selbst schon in den 1970er Jahren darüber nachgedacht, wie er die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops umgehen könnte. Trotzdem bekam Hell erst 1997 eine echte Chance, seine Ideen umzusetzen: die Leitung einer Nachwuchsforschungsgruppe am Göttinger Max-Planck-Institut.

          Wer Hells Schwierigkeiten verstehen will, muss sich in das 19. Jahrhundert zurückversetzen. 1873 begründete der Jenaer Physikprofessor Ernst Abbe erstmals wissenschaftlich, dass die Auflösung eines optischen Mikroskops nie über die halbe "Wellenlänge des blauen Lichts um ein Nennenswertes hinausgehen wird". Der Grund ist schlicht die Wellennatur des Lichts: An Details, die kleiner sind als seine Wellenlänge, wird es gebeugt, wie die Physiker sagen, es läuft gewissermaßen um die Ecke. Selbst das schärfste Lichtbündel verliert dadurch an Schärfe, und sein Querschnitt weitet sich zu einem sogenannten "Beugungsscheibchen". Damit aber verwischen die Bilder von Strukturen, die kleiner sind. Abbe hatte diese Erkenntnis mit Hilfe von Beugungsgittern gewonnen, Glasscheiben mit sehr fein eingeritzten Linien.

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