Das Mikroskop: Keime sichtbar machen

Leeuwenhoek: eine Linse, eine neue Welt

Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723) gilt als Begründer der Mikrobiologie. Mit selbst gebauten Mikroskopen entdeckte er im 17. Jahrhundert winzige Lebewesen, die er „animalcules“ nannte – Tierchen. Seine Instrumente hatten keine Röhre und keine Linsenreihe, sondern nur eine einzige Linse zwischen zwei Metallplatten. Davor saß die Probe auf einer Nadel.

Wie gut diese Linsen waren, zeigt eine Untersuchung des Rijksmuseum Boerhaave in Leiden und der Technischen Universität Delft aus dem Jahr 2021. Das Leidener Mikroskop vergrößert 118-fach und trägt eine geschliffene, linsenförmige Linse. Das stärkste erhaltene Exemplar, heute im Universitätsmuseum Utrecht, vergrößert 266-fach und löst Details bis 1,35 Mikrometer auf. Seine Linse ist eine Glaskugel von 1,3 mm Durchmesser mit einem winzigen Glasstiel.

Die Überraschung der Forscher: Diese Kugel entstand nicht mit einem geheimen Verfahren, sondern nach einer Anleitung, die Robert Hooke 1678 veröffentlicht hatte – das Ende eines dünnen Glasfadens in der Flamme zu einer Kugel schmelzen. Die Autoren nennen die Methode relativ einfach und vielen zugänglich. Übertroffen wurden Leeuwenhoeks Linsen laut der Studie erst in den 1830er-Jahren.

Vergrößern ist nicht dasselbe wie auflösen

Zwei Zahlen beschreiben ein Mikroskop. Die Vergrößerung sagt, wie viel größer etwas erscheint. Die Auflösung sagt, wie nah zwei Punkte beieinanderliegen dürfen, damit man sie noch getrennt sieht. Eine starke Vergrößerung mit schlechter Auflösung zeigt nur einen größeren Fleck.

Das Laborhandbuch der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für einfache Gesundheitslabore nennt als Auflösung eines guten Labormikroskops etwa 0,25 Mikrometer, die des bloßen Auges etwa 0,25 Millimeter – ein Unterschied um das Tausendfache. Die Gesamtvergrößerung errechnest du, indem du die Zahl auf dem Objektiv mit der auf dem Okular malnimmst: 40er-Objektiv mal 5er-Okular ergibt 200-fach. Labormikroskope arbeiten laut WHO zwischen 50- und 1.000-fach.

Bei einer einzelnen Kugellinse gilt nach der Arbeit der Stanford-Forscher um Manu Prakash zum Papiermikroskop „Foldscope“: Je kleiner der Kugeldurchmesser, desto stärker die Vergrößerung. Mit handelsüblichen Kugellinsen erreichten sie weniger als 100- bis über 2.000-fach, mit einer Saphirkugel von 0,3 mm etwa 1.450-fach. Der Preis ist ein winziger Abstand: Bei dieser Linse liegt der Brennpunkt nur 22 Mikrometer hinter der Kugel, die Probe muss also fast anliegen.

Eine Kugellinse aus Glas schmelzen

Die Studie aus Leiden und Delft beschreibt zwei historische Verfahren. Nach Johannes Hudde wurde Glas auf einer Nadelspitze geschmolzen und gesammelt; Leeuwenhoek klagte über Verunreinigungen im Glas und gab diese Methode bald auf. Nach Hooke wird das Ende eines dünnen Glasfadens in der Flamme zur Kugel; der Stiel bleibt als Griff stehen oder dient zum Einklemmen. Dieses zweite Verfahren nutzte Leeuwenhoek für sein bestes Mikroskop.

Die Blende ist so wichtig wie die Kugel. Leeuwenhoeks Mikroskope haben hinter der Linse ein Loch von 0,5 bis 1,0 mm; laut der Studie waren gute Handwerksarbeit und sorgfältig gewählte Blenden der eigentliche Vorsprung. Das Loch lässt nur den mittleren Teil der Kugel wirken, wo das Bild am schärfsten ist.

• Nimm sauberes, klares Glas als dünnen Stab oder dünnes Röhrchen, etwa ein Stück Glaspipette.
• Erhitze es in der Mitte in einer heißen Flamme, bis es weich wird, und zieh die Enden auseinander. So entsteht ein dünner Glasfaden.
• Halte das Ende des Fadens in die Flamme. Es schmilzt und zieht sich zu einer kleinen Kugel zusammen.
• Lass die Kugel am Stiel abkühlen und prüfe sie gegen das Licht: Blasen und Schlieren verschlechtern das Bild, dann schmilzt du eine neue.
• Klemm die Kugel zwischen zwei dünne Bleche oder Kartonstücke, in die du genau übereinander ein Loch von etwa 0,5 bis 1 mm gebohrt hast.
• Halte das Auge ganz dicht an das Loch und richte das Gerät gegen eine helle Fläche oder den Himmel, nie gegen die Sonne. Die Probe schiebst du von der anderen Seite heran, bis das Bild scharf wird.

Das Wassertropfen-Mikroskop

Ohne Glas und Flamme geht es mit Wasser. Ein Tropfen, der in einem kleinen Loch hängt, wölbt sich von selbst zu einer Linse; wie du eine solche Wassertropfenlupe baust, steht im Artikel „Linsen, Brillen, Lupe“. Je kleiner das Loch und damit der Tropfen, desto stärker ist die Wölbung – dieselbe Regel wie bei der Glaskugel.

Ein Tropfen ist allerdings kein Präzisionswerkzeug. Er verdunstet, zittert bei jeder Bewegung und hat selten eine gleichmäßige Form. Für grobe Strukturen wie ein Insektenbein oder große Einzeller aus Teichwasser mag er reichen, für Bakterien nicht. Wer ernsthaft beobachten will, schmilzt eine Glaskugel oder bewahrt ein fertiges Mikroskop samt Ersatzlampe auf.

Präparate herstellen und färben

Für Flüssigkeiten wie Teichwasser oder Hefe reicht ein Frischpräparat: ein Tropfen auf den Objektträger, ein Deckglas darauf. Die Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau (LWG) beschreibt für Hefe die Methylenblaufärbung: einen Tropfen der Probe und daneben einen Tropfen Methylenblaulösung auf den Objektträger, beides mit dem Deckglas kurz mischen, abdecken und gleich mikroskopieren. Lebende Hefezellen bleiben hell, weil ihre Membran den Farbstoff nicht hineinlässt; tote färben sich blau. Wirkt die Lösung zu lange, werden alle Zellen blau.

Die WHO setzt eine einfache Methylenblaulösung aus 0,3 g Methylenblau in 100 ml destilliertem Wasser an, filtriert sie in eine braune Flasche und beschriftet sie mit Datum. Bei einem Frischpräparat lässt sie mit einer feinen Pipette einen Tropfen davon unter das Deckglas laufen. Für Bakterien verlangt das Handbuch dagegen einen getrockneten, fixierten und gefärbten Ausstrich; das 100er-Ölobjektiv funktioniert nur mit vollständig trockenen, gefärbten Präparaten.

• Die Drahtöse in der Flamme ausglühen, bis sie rot glüht, und bis 20 zählen, damit sie abkühlt.
• Die Öse flach auf die Flüssigkeit legen, dann flach auf die Mitte des Objektträgers drücken und in einer ovalen Spirale nach außen führen. Zu allen Rändern Abstand lassen.
• Den Ausstrich vollständig an der Luft trocknen lassen und die Öse erneut ausglühen.
• Fixieren: den Objektträger mit der Rückseite dreimal rasch durch die Flamme ziehen oder einige Tropfen 70-prozentiges Methanol 2 Minuten einwirken lassen.
• Färben: In den Verfahren des WHO-Handbuchs bleibt Methylenblau 1 bis 2 Minuten auf dem fixierten Ausstrich und wird dann mit sauberem Wasser abgespült.
• Aufrecht abtropfen und trocknen lassen, nicht abtupfen. Erst mit dem 40er-Objektiv einen Überblick verschaffen, dann mit einem Tropfen Immersionsöl und dem 100er-Objektiv.

Was du sehen kannst – und was nicht

Größere Einzeller sind dankbar. Das WHO-Handbuch gibt etwa für die Amöbe Entamoeba coli 20 bis 40 Mikrometer an und für das Wimpertierchen Balantidium coli etwa 50 Mikrometer; solche Zellen sucht es mit dem 10er- und 40er-Objektiv. Hefezellen zeigt die LWG mit dem 40er- und dem 100er-Objektiv. Pilzfäden erwähnt die WHO bei Proben aus den Atemwegen. Die Foldscope-Arbeit zeigt lebende Algen in einem Wassertropfen.

Bakterien sind viel kleiner. Der Frankfurter Mikrobiologe Helge Bode veranschaulicht es so: Ein Bakterium ist etwa einen Mikrometer groß. Mit einer 1.450-fach vergrößernden Kugellinse bildeten die Foldscope-Forscher Bakterien wie Escherichia coli ab. Viren bleiben unsichtbar: Laut Hessischem Landeslabor sind sie 50 bis 400 Nanometer groß und im Lichtmikroskop nicht darstellbar, weil die Wellenlänge des sichtbaren Lichts bei 380 bis 750 Nanometern liegt. Dafür braucht es ein Elektronenmikroskop.

Grenzen: Ein Mikroskop ist kein Wasserlabor

Die wichtigste Grenze steht gleich am Anfang des Bakteriologie-Kapitels der WHO: Die direkte Untersuchung eines Ausstrichs reicht im Allgemeinen nicht aus, um eine Bakterienart zu bestimmen; sicher gelingt das nur über eine Kultur. Ob du harmlose oder krank machende Bakterien vor dir hast, verrät das Bild allein nicht.

Für Trinkwasser heißt das: Ein Tropfen ohne sichtbare Tierchen ist kein Beweis für sauberes Wasser. Viren siehst du gar nicht, und wenige Bakterien in einem großen Glas findest du in einem einzelnen Tropfen kaum. Das Mikroskop taugt, um zu zeigen, dass Wasser belebt ist – nie, um es freizugeben. Wie du Wasser sicher machst, steht in „Wasser aufbereiten im Notfall“; was bei einem Abkochgebot gilt, im Artikel „Abkochgebot“.

Was ein Mikroskop leisten kann: Es macht sichtbar, warum Hygiene wirkt. Wer einmal Teichwasser voller Leben gesehen hat, versteht ohne Vortrag, warum man es abkocht. Für Unterricht und Überzeugungsarbeit ist das viel wert.