Contrast om door een ringetje te halen

'Verbazend zijn de beperkingen van de menselijke geest, die snel de ideeën van anderen overneemt, maar slechts heel traag nieuwe verbanden ziet.' Zo ongeveer vertelde Frederik (Frits) Zernike (1888-1966) in zijn Nobelprijslezing over de gedachtesprong die hij al rond 1930 maakte. Hij verdiende er op 11 december 1953 de Nobelprijs voor Natuurkunde mee - de gebruikelijke Nobellezing hield hij enkele dagen daarna.

De gedachtesprong van Zernike heeft alles te maken met feit dat licht zich verplaatst in regelmatige golven. Normaal licht bestaat uit een bundel lichtgolven waarvan de golftoppen gelijk oplopen. Als hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Groningse universiteit zocht Zernike naar een methode om fabricagefouten in de in optische instrumenten gebruikte spiegels aan het licht te brengen. Normaal zijn die met het blote oog niet te zien.

De kleinste imperfecties in het spiegeloppervlak, redeneerde Zernike, leiden ertoe dat de gereflecteerde lichtgolven enigszins uit de pas lopen met die gereflecteerd uit de zuivere delen van de spiegel. Een dergelijk zogeheten faseverschil leidt tot uitdoving van het gereflecteerde licht. Er was één probleem: dat verschil bleef in de praktijk te klein om te meten.

Dat lukte wel toen Zernike in het pad van het gereflecteerde licht een glasplaatje plaatste, waarvan het midden was uitgeslepen tot een diepte van precies een halve golflengte van het in de spiegelmeting gebruikte licht. Zernikes uitputtende wiskundige analyse van het meetprobleem hadden dat al voorspeld, maar het effect was verbluffend. De reflecties uit de zuivere delen van de spiegel en die uit de imperfecties liepen nu maximaal uit de pas. Dat leverde sterke helderheidverschillen op tussen het licht dat uit de oneffenheden werd gereflecteerd, en het licht uit de rest van de spiegel.

Zernike publiceerde over zijn principe van het fasecontrast in gezaghebbende tijdschriften. Maar de Nobelprijswaardige gedachtesprong volgde later, toen hij zich realiseerde dat fasecontrast ook bruikbaar was in een microscoop.

Microscopisten kampten al langer met het probleem dat op microscopische schaal bijna alle biologische materiaal doorzichtig is. Dat is heel lastig bij het waarnemen van de details van cellen en weefsels. Daarvoor waren wel kleuringtechnieken bedacht, maar helaas doodden de giftige kleurstoffen maar al te vaak de te bekijken cellen, en van natuurgetrouwe waarnemingen was al helemaal geen sprake.

Zernike bedacht dat lichtgolven die door een transparant biologisch preparaat lopen, enigszins zullen worden vertraagd ten opzichte van lichtgolven die niet worden gehinderd door het preparaat. Met Zernikes faseplaatje was dat kleine faseverschil zo goed te versterken dat het de microscopie uit haar impasse haalde.

Ineens schitterden onder fasecontrast de kleinste details van levende en ongekleurde biologische preparaten de waarnemer tegemoet - zoals goed is te zien op Zernikes vroegste fasecontrastbeelden uit 1932.

Het duurde even goed tot na de Tweede Wereldoorlog voordat microscopen op de markt kwamen die van Zernikes fasecontrastplaatjes waren voorzien. Hoewel Zernike in 1932 afreisde naar de vermaarde Zeiss fabriek van optische instrumenten in het Duitse Jena om zijn vinding te demonstreren, werd hij niet enthousiast ontvangen. De Zeiss-microscopen, vonden ze in Jena, waren al dusdanig geperfectioneerd dat verbeteringen onmogelijk waren.

Toch patenteerde Zernike zijn fasecontrast-methode - en naar achteraf bleek Zeiss heimelijk ook. Na de oorlog werden alle patenten uit het gecapituleerde Duitsland vervallen verklaard, waarop Zernike samen met de Utrechtse fabrikante van optische instrumenten Caroline Bleeker de fasecontrastmicroscoop verder ontwikkelde.

Bleeker legde de intensieve samenwerking - en Zernikes uiteindelijke Nobelprijs - geen windeieren. Zij opende een moderne fabriek voor optische apparatuur in Zeist, waar ook fasecontrast-microscopen werden gemaakt, en haar bedrijf groeide uit tot een bekende naam in de optica.

Dat de Rijksuniversiteit Groningen trots is op haar enige Nobelprijslaureaat tot nu toe, blijkt al uit de vernoeming van het universiteitscomplex aan de rand van de stad Groningen naar Zernike.

Dinsdag was er in Groningen een uitgebreide viering van de vijftigste verjaardag van Zernikes Nobelprijs, met hooggeleerde symposia en ook publiekslezingen. De bezoekers konden met Groningse stadsbussen voorzien van Zernikes portret naar het Zernikecomplex afreizen.

De gepensioneerde hts-leraar Marten Fentener van Vlissingen (77), studentassistent onder Zernike tussen 1952 en 1954, was er dinsdag ook. Hij vertelt over Zernikes bescheidenheid temidden van alle ophef over de toekenning van de Nobelprijs.

'Zernike kwam pas dagen na de bekendmaking van zijn prijs op het lab.' Een sober feestje volgde, waarbij - omdat sterke drank in overheidgebouwen verboden was - rumbonen werden geserveerd.

Zernike kwam sowieso weinig op het lab, weet van Vlissingen: 'Hij leek wat mensenschuw, en hield niet van oppervlakkige conversatie.' Wanneer hij wél kwam, verdween Zernike onmiddellijk naar het laboratorium in de kelder van het natuurkundegebouw. 'Dan waren wel binnen een paar uur allerlei struikelblokken in het onderzoek weggewerkt. Ook stond hij zelf achter de draaibank om onderdelen van proefopstellingen te maken.' Bijzonder, in een tijd waarin tussen professoren en technici meestal een grote kloof gaapte.

Hoe belangrijk Zernikes fasecontrast-microscoop is geweest voor de biologie en geneeskunde - en nog steeds is, blijkt uit een kleine rondgang langs Nederlandse wetenschappers. De Delftse hoogleraar Microbiologie Gijs Kuenen werkte in 1964 in een splinternieuw laboratorium, voorzien van de allerlaatste modellen fasecontrast-microscopen. 'Er ging een heel nieuwe wereld open. Voor het eerst waren waarnemingen mogelijk aan soms verbazingwekkend beweeglijke bacteriesoorten.'

De fasecontrast-microscoop werd onmisbaar bij het werken met de bacteriecultures die microbiologen voor hun onderzoek haast routinematig kweken. 'Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om te weten welke bacteriën in de culture groeien, en dat is onder de fasecontrastmicroscoop vaak al te zien zonder allerlei omslachtige bepalingen.'

Kuenen: 'Zernikes microscoop staat voor een mijlpaal in de ontwikkeling van mijn vakgebied.'

Ron Hoebe van het centrum voor microscopisch onderzoek in het Amsterdamse Academische Medisch Centrum (AMC), haalt één van de medische toepassingen van de fasecontrast-microscoop aan. 'Wij gebruiken het meestal voor de controle van celkweken die nodig zijn voor het lopende wetenschappelijke onderzoek.' Ook klinisch embryologe Elena Martini (Erasmus Medisch Centrum Rotterdam) gebruikt fasecontrast-microscopie wanneer zij celkernen (en het DNA daarin) haalt uit ivf-embryos die in aanmerking komen voor pre-implantatie genetische diagnostiek.

Celbiologe Ody Sibon speurt aan het Academisch Ziekenhuis Groningen naar fouten in de celdeling (mitose), die mogelijk een rol spelen bij kanker. Sibon: 'Het proces van mitose werd voor het eerst zichtbaar onder fasecontrast, en het speelde een cruciale rol bij de ontdekking waar mijn onderzoek op voortbouwt, namelijk dat cellen met beschadigd DNA toch de mitose ingaan - met desastreuze gevolgen.'