13/01/04
マイクロテクノロジーの発展により、科学者はミクロの世界をより容易に観察できるようになりました。しかし、通常の顕微鏡では細胞の外観はどれも同じで、区別が困難です。そのため、科学者たちは様々な方法を考案してきました。遺伝子工学技術を用いた細胞の形質転換、染料を用いた細胞染色などです。そしてついに、顕微鏡で見ると、細胞はもはや単調なものではなく、美しい光景へと変化しました。
好むと好まざるとにかかわらず、物体を目の前にした時、目は常に同じ方法で情報を集めます。網膜細胞が光子を捉え、その情報は脳に送られ、脳はそれを画像に縮小します。物体が小さすぎると、光子の反射も小さくなり、人間の目にはその構造を捉えることができません。このような場合、顕微鏡技術を用いて観察する必要があります。本論文で紹介する画像は、重要な学術的価値を持つだけでなく、より強い芸術的美しさも備えています。これらの画像は、生物学研究における最先端の光学顕微鏡技術を体現しています。
現在、光学顕微鏡は前例のない変化の真っ只中にあります。科学者たちは、新たな蛍光マーカーや遺伝子工学技術を用いて組織サンプルを改変し、顕微鏡で観察する組織サンプルを多彩に彩り、「発見」への扉を開きました。これは研究者たちが着手した新たな技術です。この技術によって、マウスの脳神経はそれぞれ異なる色彩を示し、識別しやすくなりました。これにより、複雑な神経ネットワークの中で特定の軸索を追跡分析し、完全な神経ネットワークのマッピングを描くことも可能になりました。従来の画像化技術では、この作業を完了することは不可能でした。
顕微鏡の精度も向上しました。特定のタンパク質に印をつけ、顕微鏡でその組織線上の活動を観察できます。細胞分裂や分化の過程を細部まで観察し、すべてを一目で把握できます。研究者は明るい光の中で素早く捉え、細胞や組織内の瞬間的な出来事を捉え、微弱な光の中で細胞内の微細な生命活動を観察できます。マイクロテクノロジーの発展により、画像取得の速度と解像度の矛盾は解消されるでしょう。
現在、いくつかの顕微鏡技術は、最も微細な生物学的構造さえも観察することができ（そして、大量の観察データで処理して観察する）、これらの技術の幅広い応用は、私たちが生命の本質を理解するための強固な基礎を築いてきました。
複雑な脳：カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）のトーマス・ディアリンク（Thomas Deerinck）は、二光子顕微鏡（2-photon microscopy）を用いて、わずか400μmの厚さのマウス小脳組織サンプルから微細な微細構造を観察（上図）。緑はプルキンエ細胞（プルキンエニューロン）、赤はアストロサイト（グリア細胞）、青は核である。ハーバード大学のジャン・リベット（Jean Rivet）は、共焦点顕微鏡（microscopy confocal）を用いて、遺伝子組み換えマウスの脳幹組織切片（340μm）を作製した。遺伝子組み換えの結果、マウスの各ニューロンは異なる色を呈する（下図参照）。ニューロンに異なる色（すなわち「Brainbow（脳の虹）」）を与えることで、科学者は複雑な神経ネットワークにおける単一の軸索の方向を観察できるようになる。
マウス内耳の組織構造
内耳の構造は空間が狭く、分離が容易ではないため、観察が非常に困難です。ノースカロライナ大学ウィルミントン校のソニア・ピオット（Sonja pyott）は、マウスの内耳有毛細胞（左上）を捉えました。これらの細胞は、音波を電気パルス信号に変換する機械的機能を持っています。写真では、有毛細胞は緑色で、有毛細胞の細胞は赤と青で、核は（共焦点顕微鏡法）で示されています。ワシントン大学のグレン・マクドナルド（MacDonald Glen）も同様の染色法を用いて、マウスの内耳の組織構造を（共焦点顕微鏡法）捉えています。
ショウジョウバエの筋繊維
筋細胞は強靭な筋組織を構成します。上の画像は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のトーマス・ディアリンク（Thomas Deerinck）が撮影したマウスの舌筋の断面です。次の画像は、ドイツのミュンスター大学のヘルマン・エーベルリ（Aberle Hermann）が撮影したショウジョウバエの手です。遺伝的変異のため、ショウジョウバエの筋線維は無秩序に見えます（共焦点顕微鏡）。
ヤギの骨4回
鰭とヤギの骨：脊椎動物の体の緻密な組織構造を示す2枚の写真。イスラエル、ラマト・ガンのサミュエル・シルバーマンは、魚の鰭の骨を100倍に拡大し、その上に斑点模様の秋模様を浮かび上がらせた（光ファイバー照明技術を使用）。骨形成の変化、骨密度と骨ミネラル含有量の増加度を観察するため、フロリダ州タンパ市モフェットがんセンターのマーク・ロイド（Mark Lloyd）とノエル・クラーク（Noel Clark）は、ヤギの骨を4倍に拡大した（図参照、ヒロノ顕微鏡写真）。
ヤギの骨4回
鰭とヤギの骨：脊椎動物の体の緻密な組織構造を示す2枚の写真。イスラエル、ラマト・ガンのサミュエル・シルバーマンは、魚の鰭の骨を100倍に拡大し、その上にまだら模様の秋模様を浮かび上がらせた（光ファイバー照明技術を使用）。骨密度と骨ミネラル含有量の増加に伴う骨形成の変化を観察するため、フロリダ州タンパ市モフェットがんセンターのマーク・ロイド（Mark Lloyd）とノエル・クラーク（Noel Clark）は、ヤギの骨を4倍に拡大した（図参照、ヒロノ顕微鏡写真）。染色体（青）の周りには微小管が形成されている。
こちらはコロンビア大学のヤン・シュモランザ（Sch-moranzer Jan）氏によるもので、血清飢餓処理を受けた細胞の細胞膜と微小管（緑）の構造を示しています。グラフから、線維芽細胞の微小管が異常な挙動を示していることがわかります。微小管の直径は約20nmで、通常、細胞膜に隙間があると微小管はその隙間に凝集しますが、今回はそうではありませんでした。間期細胞において、デューク・ユー・セルダール・トゥル（U. serdar Tulu）の138μm幅の視野では、染色体（青）の周囲に微小管（黄、下）が形成されている様子が捉えられています。
これらの写真を見ると、有名な物理学者リチャード・ファインマン（リチャード・ファインマン）の「物語の面白さ」を思い出さずにはいられません。ファインマンの友人は、科学者は花の美しさを深く理解していて、芸術家はそうではないと考えていました。しかし、美しい花は時折開き、やがて面白くないものになってしまうのです。ファインマンは友人の見解に同意できず、こう言った。「彼は本当に少しおかしいと思う。まず、彼と私、そして私が見ているものとの違いは何だろう？ たとえ彼と同じ美的訓練を受けていないとしても、花の美しさを鑑賞することはできると思う……細胞の動きを想像してみてほしい。その複雑な構造は美しさではないだろうか？ 花の美しさはマクロな形だけではない。ミクロの世界にも、その内部構造は同様に魅力的だ。花は摂理の産物であり、昆虫と闘う。それ自体が非常に興味深いことだ。昆虫も色を区別できるかもしれないという観点からすれば。美しい花を見るために、私はある疑問を解明したい。下等動物も花の美しさを鑑賞する方法を知っているのだろうか？ なぜ彼らは味覚を持っているのだろうか？ これらの興味深い疑問は、科学的知識が花をより神秘的で、より刺激的で、より畏敬の念を抱かせるものにするだけだということを証明している。」
