Konstruiert euer eigenes Mikroskop: Auf den Spuren von Robert Hooke

Wie das Teleskop wurde das Mikroskop durch die Errungenschaften einer seiner ersten Anwender berühmt. Wenn wir an die Geschichte des Teleskops denken, denken wir an Galileo Galilei (1564-1642) und seine bahnbrechenden Beobachtungen des Mondes und der Planeten. In vergleichbarer Weise war der Wissenschaftler Robert Hooke (1635-1703) einer der ersten, der die Möglichkeiten des Mikroskops erkannt und genutzt hat. In seinem Buch Micrographia, veröffentlicht im Jahre 1665, überraschte Hook seine Leser mit einer phantastischen Welt, in der Alltagsobjekte wie Nadeln und Haare, Ameisen und Spinnen, durch Vergrößerung verwandelt wurden.

Schon in sehr jungen Jahren, beschäftige sich der wissbegierige Robert Hooke mit den unterschiedlichsten Themen (man nannte ihn daher auch „Leonardo von England“). 1662 wurde er von Englands kürzlich gegründeter Akademie der Wissenschaften, der „Royal Society“, eingestellt, um mit Hilfe seines Mikroskops Forschungen anzustellen. Drei Jahre später veröffentlichte er die Ergebnisse dieser und vieler weiterer Arbeiten in Micrographia.

Dieses umfangreiche Buch ist prall gefüllt mit Beschreibungen, von allem was Hooke unter dem Mikroskop sah. Er betonte, sein Ziel sei es, mit „aufrichtiger Hand und gewissenhaftem Auge zu untersuchen und die Dinge festzuhalten, wie sie erscheinen.“ Zusätzlich zu den Beschreibungen fertigte Hooke erstaunlich detaillierte Zeichnungen der beobachteten Objekte an. Seine lebendig anmutenden Darstellungen von Insekten lassen sie, wie er selbst anmerkte, aussehen, „als wären sie Löwen oder Elefanten mit dem nackten Auge betrachtet“. Das Buch wurde ein großer Erfolg und wird noch immer als ein Meisterwerk der wissenschaftlichen Literatur angesehen.

Micrographia inspirierte mich zu meinem Klassenraum-Projekt, das zwei Ziele verfolgte: 1. ein Mikroskop nach dem Vorbild der frühen Modelle mit preiswerten, leicht zu beschaffenden und zeitgemäßen Materialien zu bauen, das Schüler im Unterricht verwenden können und 2. den Schülern zu ermöglichen, mit Robert Hookes Untersuchungen als Ausgangspunkt selbst die mikroskopische Welt zu entdecken. Es sollen eigene Beobachtungen durchgeführt und in Form von Zeichnungen und Beschreibungen festgehalten werden.

Das Mikroskop, das ich mit meinen Schülern gebaut habe, ist eine modifizierte Version eines Mikroskops, das von Wissenschaftlern des Museo Galileo in Florenz, Italien^w1, beschrieben wurde. In der Konstruktion ähnelt es den von Hooke und anderen Wissenschaftlern des späten 16. und frühen 17. Jahrhunderts verwendeten Modellen und besteht im Wesentlichen aus den gleichen Elementen: zwei Linsen (Objektiv und Okular), ein Mikroskoptubus und eine Blende, um optische Störungen zu minimieren. Zu den zeitgemäßen Materialien, die wir verwendet haben, gehörten unter anderem Plastiklinsen aus Einwegkameras.

Das fertige Mikroskop ermöglicht eine ungefähre Vergrößerung um den Faktor 20 – ausreichend, um die Wunder der mikroskopischen Welt, wie Hooke sie sah, zu enthüllen. 

Das Mikroskop ist langlebig und transportabel und wenn die Materialien erst einmal zusammengesucht, zurechtgeschnitten und verklebt wurden, kann es schnell zusammengesetzt werden, (siehe Online-Video^w2). Mit nur geringem Wartungsaufwand wie Linsenreinigung und Batteriewechsel für die Beleuchtung kann es wiederholt für mikroskopische Untersuchungen und/oder Beobachtungen verwendet werden. Außerdem kann es leicht im Klassenraum oder im Labor verstaut werden, da es nur wenig Platz einnimmt.

Materialien

• 2 Linsen mit einer Brennweite von 35 mm, beide aus einer Einwegkamera entnommen.Stellen Sie sicher, dass das Blitzlicht entladen ist und entfernen Sie die Batterie, bevor Sie die Kamera öffnen. Verwenden Sie elektrisch isolierte Werkzeuge (wie Schraubendreher und Zangen). Eventuell brauchen die Schüler Hilfe beim Ausbau der Linsen aus der Kamera.
• 2 Unterlegscheiben mit einem Außendurchmesser von 2 cm und einem Lochdurchmesser von ungefähr 1 cm Durchmesser.
• 1 schwarzer Karton oder eine schwarze Gummischeibe mit einem Außendurchmesser geringfügig kleiner als die Unterlegscheibe (ungefähr 1,2 bis 1,5 cm) und einem kleinen Loch von ungefähr 2 bis 3 mm im Durchmesser.
  Das ist die Blende: Sie stellt sicher, dass die Lichtstrahlen am Rand der Linse ausgeblendet werden, da dies zu Verzerrungen des Bildes führen könnte.
• 4 Kunststoffrohre, um den Mikroskopkörper und das Stativ mit den folgenden Maßen zu konstruieren:
  
  • Rohr für den Mikroskopkörper: 16,5 cm lang mit Ø18 (1,8 cm Außendurchmesser und 1,6 cm Innendurchmesser)
  • Hauptrohr für das Stativ: ungefähr 17 cm lang mit Ø23 (2,3 cm Außendurchmesser und 2,0 cm Innendurchmesser)
  • Zwei kleine Stützrohre für das Stativ: jedes ungefähr 10 cm lang mit Ø16 (1,6 cm Außendurchmesser)

  Es handelt sich dabei um Kunststoffrohre für Elektroinstallationen im Haushalt, erhältlich in Baumärkten und/oder Elektrofachgeschäften.

• 1 fester Untergrund aus starkem Karton, Holz oder ähnlichem, ungefähr 10 x 10 cm
• 2 feste Gummibänder (für eine stabilere Konstruktion, verwenden Sie bitte 1 festes Gummiband und 1 Kunststoffkabelbinder)
• 1 Stück lichtundurchlässiges Papier, ungefähr 15 x 5 cm
• 1 schwarze Kunststoff-Filmdose oder ähnliches. Alternativ kann auch ein Kunststoffverbinder für ein Ø18-Rohr verwendet werden.
• Ein Leselicht, bevorzugt mit einer Klammer zur Befestigung an der Mikroskopbasis
• Blutack^® (verformbarer zähflüssiger Kunststoff zur vorübergehenden Fixierung)
• Heißklebepistole mit heißem Silikon und Sekundenkleber
• Scheren
• Cutter
• Bügelsäge
• Lineal
• Kugelschreiber oder Bleistift

Arbeitsablauf

1. Nehmen Sie das Rohr, das den Mikroskopkörper bilden wird (Ø18). Rollen Sie das lichtundurchlässige Papier der Länge nach auf und setzen Sie es in das Rohr hinein, sodass es dieses von innen auskleidet.
   

   
   
   

2. Verbinden Sie jede Linse mit einer Unterlegscheibe durch Blutack oder kleben Sie sie vorsichtig mit Sekundenkleber zusammen. Legen Sie einen Ring aus Blutack um die Ränder der Linsen und der Unterlegscheiben.
3. Platzieren Sie eine Linse-Scheibe-Kombination an einem Ende des Rohres, mit der Scheibe nach außen. Verwenden Sie Blutack, um die Position zu stabilisieren. Dann fixieren Sie die zweite Linse-Scheibe-Kombination am anderen Ende des Rohres in gleicher Art und Weise.
   

   
   
   

4. Platzieren Sie den schwarzen Karton oder die Gummischeibe auf die Unterlegscheibe an einem Ende des Rohres und fixieren Sie sie mit Blutack. Dies bildet das Mikroskop-Objektiv.

5. Bauen Sie nun das Mikroskop-Okular: Schneiden sie in den Boden der Filmdose ein Loch, gerade groß genug, das der Mikroskopkörper hinein passt (wenn sie ein Rohrverbindungsstück verwenden, siehe Materialliste, ist dieser Schritt nicht notwendig). Schieben Sie das Rohr (das Ende ohne schwarze Scheibe) ein kurzes Stück in die Filmdose hinein und fixieren Sie dies wenn notwendig mit Klebstoff.
    

6. Anschließend konstruieren Sie das Stativ für den Mikroskopkörper. Befestigen Sie die zwei kleineren Rohre mit Hilfe der Heißklebepistole und heißem Silikon am Hauptrohr (dem längsten verbleibenden Rohr), sodass alle drei Rohre der Länge nach aneinander liegen. An einem Ende sollen alle drei Rohre gemeinsam abschließen, das längste ragt somit am anderen Ende heraus.
   

   
   
   

7. Befestigen Sie nun mit Hilfe der Heißklebepistole das freie Ende des längsten Rohres an einer der schmalen Seiten des Untergrundes. Halten Sie das Rohr in senkrechter Position bis der heiße Klebstoff ausgekühlt ist.
    
   

   
   
   

   
   
   

8. Vervollständigen Sie das Mikroskop, indem Sie den Mikroskopkörper am Stativ befestigen. Streifen Sie das Gummiband um die drei Stativrohre, eins am oberen und das andere am unteren Ende. (Anstelle des unteren Gummibandes können Sie auch ein Plastikkabelbinder verwenden.) Schieben Sie anschließend den Mikroskopkörper unter die Bänder, mit dem Okular nach oben. Stellen Sie sicher, dass die Bänder stramm genug sind, um den Körper in Position zu halten. Er sollte allerdings trotzdem nach oben und unten verschiebbar sein.
9. Justieren Sie die Position so, dass sich das Objektivende einige Zentimeter über dem Untergrund befindet. Das Mikroskop ist nun fertig!
10. Um ein Objekt unter dem Mikroskop anzuschauen, legen Sie es auf den Untergrund unter das Objektiv. Fokussieren Sie durch Hoch- und Runtergleiten des Mikroskopkörpers, bis Sie das Objekt scharf sehen. (Wenn Sie die Version mit dem Kabelbinder verwenden, fokussieren Sie durch vorsichtiges Drehen des Mikroskopkörper und gleichzeitigem Hoch- und Runterschieben^w3.)
    Eine zusätzliche helle Lichtquelle, z.B. eine Schreibtischlampe oder eine kleine Taschenlampe, die das Objekt beleuchtet, ermöglicht eine bessere Bildqualität.
     

    
    
    

Mit einer kompakten Digitalkamera können Sie sogar Fotos von Ihrem vergrößerten Objekt machen. Halten Sie die Kamera ohne zu Wackeln gegen das Okular, und Sie werden über die Schärfe der Bilder erstaunt sein, die Sie so produzieren können.

Verbesserung der Bildqualität

Um schärfere Bilder mit weniger Verzerrungen zu erhalten, kann man eine Version mit einer zusätzlichen Linse (einer Feldlinse) zwischen Okular und Objektiv bauen. Dazu ist es notwendig, dass Sie für die Konstruktion des Okulars ein Rohrverbindungsstück anstelle der Filmdose verwenden, da der Durchmesser der Filmdose zu groß ist, um die Linse zu halten. Alles was Sie nun tun müssen, ist eine weitere Linse-Scheibe-Kombination am oberen Ende des Verbindungsstücks hinzuzufügen: Dies ist nun das neue Okular. Das Okular des Ausgangsmodells (siehe oben) wird nun die Feldlinse des Drei-Linsen-Modells.

Ablauf im Klassenraum

Die Idee ist, mit 10- bis 14-jährigen Schülern das Mikroskop in der gleichen Art und Weise zu verwenden wie Robert Hooke, indem eine authentische Forschungssituation nachgestellt wird. Die Schüler beobachten mit Hilfe des Mikroskops ein Objekt und erstellen eine detaillierte Skizze sowie eine verbale Beschreibung. Anschließend diskutiert die Klasse die Ergebnisse.

1. Bereiten Sie einige Kopien von Buchseiten aus Micrographia vor, einschließlich Hookes Skizzen von Objekten, die denen der Schüler ähnlich sind (siehe Liste unten), sowie eine vereinfachte Version der Textbeschreibungen für jeden Fall^w4.
2. Sammeln Sie eine Auswahl geeigneter Objekte, die unter dem Mikroskop betrachtet werden können. Sie könnten folgendes anbieten:
   
   • einen gedruckten und einen hand-geschriebenen Punkt
   • die Spitze einer Nadel
   • ein Stück Stoff
   • Sand-, Zucker- und Salzkörner
   • Pflanzensamen und andere Teile von Pflanzen
   • kleine Insekten (z.B. Ameisen) oder andere Arthropoden (z.B. Isopoden – Asseln), narkotisiert durch 15-minütiges Einlegen in eine Alkohollösung (20-30%, z.B. eine antiseptische Lösung)

   
   
   

3. Dann werden die Mikroskope gebaut. (Die Schüler haben bei uns paarweise zusammengearbeitet.) Stellen Sie sicher, dass genügend Licht zum Beobachten vorhanden ist (z.B. durch eine Leselampe oder eine Taschenlampe).
4. Beginnen Sie die Stunde mit einer kurzen Beschreibung von Robert Hooke und seinem Leben. (Nach meiner Erfahrung hilft dies, die Neugier der Schüler auf die Arbeit zu wecken.) Eine Serie von Gemälden der Künstlerin Rita Greer, die das Leben von Robert Hooke seit seiner Kindheit dargestellt hat, ist eine nützliche Quelle^w5.
5. Teilen Sie die Schüler in Zweiergruppen ein. Sie sollten mit Bleistiften und Papier für die Zeichnungen und für Notizen ausgestattet sein, sowie zur Orientierung eine Zeichnung und eine Beschreibung aus der Micrographia zur Verfügung haben. Jeder Schüler sollte einmal mit dem Mikroskop gearbeitet haben: beobachten, skizzieren und anschließend beschreiben.
   Als Teil unseres Projektes, habe ich ein Set von sieben Arbeitsblättern für jeden Objekttyp entwickelt. Diese können kostenlos in Englisch oder Griechisch heruntergeladen werden^w6.
6. Die Schüler sollten ihre Beobachtungen, Beschreibungen und Skizzen paarweise und/oder in Vierergruppen diskutieren, bevor sie sie vor der gesamten Klasse präsentieren.

Meine Schüler waren sehr begeistert von dem Projekt und haben sich sehr viel Mühe gegeben „wissenschaftlich“ zu arbeiten, genau wie Hooke. Sogar diejenigen, sie sich beklagt haben, sie könnten nicht zeichnen, haben sich sehr angestrengt und haben versucht, die Objekte verbal zu beschreiben^w7. Das gesamte Projekt hat meine Schüler ermutigt, selbst „Wissenschaft zu machen“, indem sie diese im laufenden Prozess entmystifiziert haben: Sie haben ein Instrument benutzt, das sie mit einfachen Mitteln selbst geschaffen haben.

Danksagung

Dieses Projekt ist Teil der Forschungsarbeit der griechischen Gruppe des Projektes “Geschichte und Philosophie der Wissenschaft und Wissenschaftslehre“ (HIPST)^w8, gegründet unter dem 7. Rahmenprogramm, Wissenschaft in der Gesellschaft-2007-2.2.1.2 – Lehrmethoden.

Der Autor dankt der Koordinatorin der griechischen Gruppe des HIPST-Projektes, Fanny Seroglou (Professorin an der Aristoteles-Universität Thessaloniki) für ihre Unterstützung bei diesem Projekt.