Storia del microscopio, lo “sguardo” sull’invisibile arriva da molto lontano

Se oggi possiamo identificare così nel dettaglio i microrganismi patogeni – come l’ormai famoso coronavirus – lo dobbiamo in particolare a uno strumento che dal Seicento a oggi non ha mai smesso di evolversi e svelare nuovi mondi celati agli occhi. *Dal numero 176 del magazine

coronavirus microscopio

Certe volte le presentazioni non servono. Basta un colpo d’occhio per riconoscere all’istante il “nemico invisibile” che da settimane sta mandando in subbuglio buona parte del pianeta e in tilt l’Italia. L’immagine – quasi una fotografia – è quella diffusa dai Centers for disease control and prevention (Cdc) statunitensi a fine gennaio, ottenuta grazie a un potente microscopio elettronico che ha permesso di dare un volto molto dettagliato, al coronavirus. Quella che si vede è la morfologia ultrastrutturale, visibile solamente con i microscopi elettronici e ionici.

La storia dello strumento che ci ha offerto le chiavi del mondo invisibile dei microrganismi e dell’infinitamente piccolo, non ha una data di inizio ben precisa, ma ha origine secoli fa con l’avvento dei primi microscopi. Uno strumento che, come scrive Alessandro Becchi, docente di Filosofia e Scienze Umane nella scuola pubblica, nel suo libro “Arlecchino e il microscopio. Saggio sulla filosofia naturale di Leibniz” edito da Mimesis edizioni, “ha assunto un valore che va ben oltre la mera empiria, per configurarsi come un potenziamento della stessa ragione: le lenti di vetro, come osservava lo stesso Cartesio, non sono che un ausilio e una imitazione di quelle ‘lenti naturali’ tagliate da Dio stesso per i nostri occhi, i quali rappresentano il primo gradino di ogni teorizzazione”.

Gli ottici olandesi

Come racconta Michele Riva, professore di Storia della medicina presso la Scuola di Medicina e Chirurgia, Università degli Studi di Milano-Bicocca, chi sia il reale inventore del microscopio non è noto, come spesso accade. Si sa che l’oggetto nacque intorno al 1600 come strumento complementare al telescopio, scoperte che vengono entrambe attribuite a due ottici olandesi, padre e figlio, di nome Hans and Zacharias Janssen.

“Ma non ci sono prove – commenta Riva – e non si sa se siano i reali inventori dello strumento. Dietro c’è anche tanta mitologia e leggenda”. La prima data certa nella storia del microscopio è il 1614, come spiega ancora lo storico, quando per la prima volta questo nome compare in un resoconto dell’Accademia dei Lincei per mano di Giovanni Demisiani, un studioso greco che viveva a Roma e introduce il termine da μικρόν, mikrón “piccolo” e σκοπεῖν, skopéin “guardare” per definire lo strumento.

La cellula di Hooke

Nonostante i primi microscopi fossero piccoli, con capacità di ingrandimento simili alle attuali lenti impiegate per leggere caratteri di stampa o francobolli, e permettessero di vedere molti dettagli, furono usati subito dai naturalisti per studiare il regno vegetale e animale e dai medici per studiare i tessuti corporei.
Con una vivacità e un interesse molto più marcato nel primo filone di studi rispetto al secondo. Tanto che se proprio si volesse assegnare una data all’inizio della rivoluzione apportata dal microscopio questa probabilmente coinciderebbe con il 1665, anno in cui lo scienziato Robert Hooke per primo usa il nuovo strumento per analizzare la microstruttura della pianta, fino a individuare una piccola organizzazione ripetuta che chiama “piccola cella” o “cellula biologica”.

“Ma ci vorranno altri due secoli prima di capire che anche gli esseri umani e i mammiferi sono fatti di cellule” precisa Riva. Nel gennaio del 1666 Hooke pubblica il libro “Micrographia”, che contiene disegni e descrizioni fisiologiche di corpi minuti realizzati grazie all’uso delle lenti di ingrandimento. È il primo libro a illustrare insetti, piante, oggetti ecc. visti attraverso microscopi ed è la prima grande pubblicazione della Royal Society, che ispirerà un vasto interesse del pubblico per la nuova scienza della microscopia. Proprio questo documento secondo Becchi può rappresentare uno spartiacque nella scoperta dell’infinitamente piccolo, che avviene comunque con molta lentezza.

Microscopia e telescopia

“La microscopia fu complementare alla telescopia – scrive l’autore nel suo libro – ma mentre sul telescopio, l’infinitamente grande e la teoria di Galileo furono scritti fiumi di inchiostro, la rivoluzione analoga e speculare sull’infinitamente piccolo si instaurò solo mezzo secolo dopo”. Il microscopio infatti con un lungo processo avrebbe portato nel Settecento allo sviluppo di nuove scienze, come l’istologia e la microbiologia “che alla fine del Seicento, mancavano ancora completamente di un lessico specifico e di strumenti concettuali in grado di organizzare i dati empirici forniti dal nuovo strumento osservativo” riporta ancora Becchi.

Gli animalcula…

Un ruolo chiave nello sviluppo della microscopia lo ebbe anche e soprattutto Antoni Van Leeuwenhoek un commerciante e naturalista olandese, che utilizzò il microscopio per analizzare l’ordito dei tessuti che vendeva ma anche per studiare la natura. Fu uno dei maggiori fautori e utilizzatore del microscopio e sviluppò strumenti propri che avevano un ingrandimento fino a 300X, un enorme salto di potenza rispetto alla maggior parte dei dispositivi precedenti, i migliori dei quali permettevano un ingrandimento di dimensioni di 20-30X. Come conferma anche Alessandro Porro professore di Storia della medicina presso l’Università degli studi di Milano: “nel ‘600-700 si sviluppano anche microscopi ottici (che sfruttano quindi la luce), complessi come li conosciamo oggi, con regolazioni macro e micrometriche a vite, condensatore di luce, specchietto riflettente ecc. Insomma ci fu un’evoluzione tecnica dello strumento”.

Il dispositivo sviluppato da Leeuwenhoek gli permise di osservare e descrivere minutamente diverse classi di protozoi (ciliati, rotiferi, amebe, ecc.), i batteri, gli spermatozoi, i capillari, i vasi linfatici, i globuli rossi e molto altro ancora. “Osservando e analizzando l’acqua delle pozzanghere Leeuwenhoek riuscì a vedere piccoli animali che lui chiamò animalcula – racconta Riva – parassiti grossi, come i protozoi, che riconobbe ma non fu in grado di associare alle malattie. Capì però che esistevano questi piccoli animali che non erano visibili a occhio nudo”.

…E Leibniz

Nel 1677 Leeuwenhoek pubblica le sue osservazioni sui protozoi rinvenuti nell’acqua piovana e Gottfried W. Leibniz fa propria questa scoperta per confermare la sua teoria secondo cui esistono “infinite creature” nella più piccola parte di materia. “Leibniz è un critico dei cartesiani – precisa Becchi – per i quali la materia è qualcosa di esteso e inerte, inorganico mentre queste scoperte dell’infinitamente piccolo mostrano che c’è vita ovunque. Anche nelle ceneri. Leibniz usa le scoperte della microscopia per confermare la sua teoria per cui la creazione sarebbe un pullulare di vita sin nelle sue parti più piccole e per cui nell’universo non c’è niente di morto. È una forma di vitalismo che si inserisce anche in un discorso teologico per cui Dio non avrebbe lasciato niente di disorganizzato, ma avrebbe organizzato la materia sin nelle sue parti più piccole”.

Circolo sanguigno e globuli rossi

Negli stessi anni Leeuwenhoek scopre anche l’esistenza del globulo rosso, che si intreccia con le ricerche di un altro grande medico e intellettuale del ‘600, l’italiano Marcello Malpighi che utilizzò il microscopio per studiare l’anatomia dell’uomo. Nella seconda metà del ‘600 Malpighi scrive una serie di trattati sulla formazione e lo sviluppo del pulcino all’interno dell’uovo. Contemporaneamente compie importanti scoperte in ambito anatomico. Descrive strutture all’interno del corpo impossibili da vedere a occhio nudo e che ancora prendono il suo nome – come le piramidi del Malpighi del rene – e nel 1661 studiando i polmoni di una rana tramite l’utilizzo del microscopio dimostra l’esistenza della rete di capillari chiudendo così la teoria del 1628 di Wiliam Harvey sulla circolazione del sangue dinamica. “Proprio il globulo rosso scoperto da Leeuwenhoek analizzando il sangue fu la chiave – afferma Riva – perché era una struttura che poteva passare nei capillari”.

Il “secolo buio”

Se il Seicento fu un secolo vitale e ricco di scoperte, nel ‘700 il microscopio continua a crescere e svilupparsi ma viene usato per lo più in ambito scientifico. Lo studio medico invece decade soprattutto per “colpa” di Giovanni Battista Morgagni, padre dell’anatomia patologica, che per primo associò l’organo malato con una malattia. “Non utilizzò mai il microscopio nelle sue ricerche – dice Riva – perché lo considerava uno strumento che ingannava la vista e che non forniva informazioni così interessanti quanto vedere l’organo nella sua totalità”. Proprio nel 1700 però, Luca Tozzi, successore di Malpighi come medico di Papa Innocenzo XII, alla morte di quest’ultimo esegue l’autopsia e scopre un tumore, che per la prima volta viene osservato all’interno grazie proprio all’uso del microscopio.

La teoria cellulare e le colorazioni istologiche

Ci vorrà Marie François Xavier Bichat, medico francese, per riportare in voga il microscopio nel 1800. Nei suoi scritti del 1801 che aprono le porte all’anatomia patologica, sostiene che Morgagni avesse torto perché la malattia non risiede nell’organo in toto ma nel tessuto e rivaluta quindi il microscopio, utile per analizzarlo. Da qui nasceranno le teorie per cui la malattia si sviluppa in realtà a partire dalla cellula. Lo affermerà nella metà del’800 il biologo tedesco Theodor Schwann che grazie all’uso delle lenti di ingrandimento dello strumento osserverà che a essere malato non era né il tessuto come diceva Bichat, né l’organo come sosteneva Morgagni, ma la cellula.

Fa l’unico errore di non capire da dove originano le cellule malate. Pochi anni dopo Rudolf Ludwig Karl Virchow in Germania capisce sempre grazie al microscopio che le cellule derivano una dall’altra, così come quelle malate. “Fu una svolta per la medicina, ottenuta grazie all’uso del microscopio – precisa Riva – ma quello che sdoganerà completamente questo strumento, nella seconda metà dell’800, sarà l’utilizzo delle colorazioni istologiche. Senza di esse non avremmo ottenuto tutte le scoperte a seguire”.

Le industrie, soprattutto quelle tedesche, che fino ad anni prima producevano coloranti per i vestiti, scoprono infatti che possono essere usati anche per colorare i tessuti e le cellule e differenziarli al microscopio. Si scopre inoltre che possono colorare anche i famosi animalcula che Leeuwenhoek aveva descritto nel 1600.

I “cacciatori di microbi”

Da qui la strada per “entrare” nel mondo invisibile dei microorganismi fu breve. Il primo passo lo fece Agostino Bassi, biologo e naturalista italiano che studiando la malattia dei bachi da seta scoprì che era causata da un agente infettivo biologico, un fungo. Sempre grazie al microscopio formulò l’ipotesi del contagio vivo da essere vivente e che le malattie sono causate da esso. Grazie all’intuizione di Bassi inizierà una vera e propria caccia al contagio vivo per tutte le malattie e tramite i coloranti istologici e il microscopio, i grandi microbiologi della seconda metà dell’Ottocento chiamati appunto “cacciatori di microbi” scopriranno molti patogeni alla base delle malattie. Da Robert Koch che individuò il batterio della tubercolosi, a Louis Pasteur che scoprì il vibrione del colera per citarne uno, entrambi considerati fondatori della moderna microbiologia.

Anche dal punto di vista tecnico, nel XIX secolo e in particolare tra gli anni ’20 e ’30 il microscopio ottico evolve ancora, come afferma Porro: “Si ottengono lenti dalle caratteristiche particolari che consentono di correggere alcune aberrazioni ottiche, che inficiavano l’osservazione. Con gli strumenti precedenti i microscopisti osservavano e descrivevano ciò che vedevano, ma parti di queste strutture erano artefatti. Le nuove lenti consentono di correggere l’immagine che risulta più aderente alla realtà. Di conseguenza si raggiungono ingrandimenti maggiori e si vedono strutture più fini” aggiunge Porro.

Un microscopio da Nobel

Il XX secolo fu senza dubbio un momento di svolta nell’evoluzione dello strumento, perché negli anni ’30 vide la luce il microscopio elettronico, commercializzato poi nel 1939 come ricorda Porro. “A differenza del dispositivo ottico che sfrutta un fascio di luce, quello elettronico usa un fascio di elettroni che colpisce l’oggetto da osservare” spiega lo storico. “Il passaggio viene registrato e l’immagine ricostruita in base ad esso”.

L’avanzamento tecnologico permise di vedere sempre più in piccolo e si scoprì che a popolare il mondo invisibile dei microrganismi non erano solo i batteri, ma anche altri agenti di dimensioni ancora più ridotte, come i virus, non osservabili con il microscopio ottico. Il microscopio elettronico negli anni subì ancora e ulteriori avanzamenti e una tecnica in particolare è stata così rivoluzionaria da essere insignita del Premio Nobel per la Chimica nel 2017. Si tratta della microscopia elettronica criogenica a trasmissione (Cryo-Tem) che sfrutta la combinazione di una tecnica di preparazione dei tessuti con un microscopio elettronico molto potente e un software capace di leggere le immagini.

La scoperta di Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson, ha permesso di arrivare a vedere ogni singola struttura con una risoluzione di pochi miliardesimi di metro e di scandagliare atomo per atomo la materia per restituire agli scienziati la struttura tridimensionale di macromolecole biologiche come il Dna, l’Rna o le proteine. Ma soprattutto ha reso possibile osservare anche strutture fragili, che difficilmente avrebbero resistito all’impatto con gli elettroni. Nel 2017 fu proprio grazie al Cryo-Tem che gli scienziati ricostruirono per intero la struttura tridimensionale del virus Zika.

“Mondi dentro mondi all’infinito”

Se oggi possiamo vedere con precisone e dettaglio la struttura del covid-19 lo dobbiamo soprattutto alle evoluzioni che il microscopio ha subito negli anni, che hanno permesso di vedere e descrivere strutture sempre più fini e piccole, come i virus appunto, dalle dimensioni di qualche decina o centinaio di nanometri. O ancora in tempi più recenti i prioni, agenti infettivi proteici diversi dai microrganismi e ancora più piccoli, divenuti famosi a metà negli anni Novanta perché causa dell’encefalopatia spongiforme bovina, meglio nota come morbo della mucca pazza.

Il che potrebbe far supporre che l’infinitamente piccolo resti ancora da esplorare al pari dell’infinitamente grande. Mentre spostandosi nel campo filosofico, riprende in un certo senso la teoria di Leibniz per cui dovevano esistere “mondi dentro mondi all’infinito” reciprocamente proporzionali. Un’ipotesi quella del filosofo tedesco, che come riporta Becchi, rende il nostro mondo uno tra i tanti ragionevolmente ammissibili, ridimensionando così fortemente la pretesa di una nostra “centralità” nell’universo.