미시 규모

미시 규모(microscopic scale)는 육안으로 쉽게 볼 수 있는 것보다 작은 물체와 사건의 규모로, 명확하게 보려면 렌즈나 현미경이 필요하다.^[1] 물리학에서 미시 규모는 때때로 거시 규모와 양자 규모 사이의 규모로 간주되기도 한다.^[2][3] 미시적 단위와 측정은 매우 작은 물체를 분류하고 설명하는 데 사용된다. 일반적인 미시적 길이 단위는 마이크로미터(또는 미크론이라고도 함)(기호: μm)이며, 이는 미터의 백만분의 일이다.

역사

복합 현미경은 1590년대에 처음 개발되었지만, 미시 규모의 중요성은 1600년대에 마르첼로 말피기와 안토니 판 레이우엔훅이 개구리 폐와 미생물을 현미경으로 관찰하면서 비로소 확립되었다. 미생물학이 정립되면서 미시적 수준에서 과학적 관찰을 하는 것의 중요성이 커졌다.^[4]

1665년에 출판된 로버트 훅의 책 마이크로그라피아는 그가 개발한 복합 현미경을 통해 가능했던 화석 곤충, 해면, 식물을 포함한 그의 미시적 관찰을 상세히 설명한다. 그는 코르크를 연구하는 동안 식물 세포를 발견하고 '세포'라는 용어를 만들었다.^[5]

마이크로 접두사가 사용되기 전, 1795년에 국제 미터법에 센티와 같은 다른 용어들이 포함되었는데, 이는 10^-2의 계수를 나타냈고, 밀리는 10^-3의 계수를 나타냈다.^[6]

시간이 지나면서 미시 규모에서 이루어지는 측정의 중요성이 커졌고, 1844년 시계 제조업체 소유주인 앙투안 르쿨트르(Antoine LeCoultre)는 밀리오노미터(Millionometre)라는 기구를 개발했다. 이 기구는 마이크로미터 단위까지 물체를 정밀하게 측정할 수 있었다.^[6]

영국 과학 진흥 협회 위원회는 1873년에 새로 설립된 CGS 단위계에 마이크로 접두사를 포함시켰다.^[6]

마이크로 접두사는 1960년에 공식 국제단위계에 최종적으로 추가되었는데, 이는 10^-6의 계수를 나타내며 훨씬 더 작은 수준에서 이루어지는 측정을 인정하는 것이었다.^[6]

생물학

관례상 미시 규모는 너무 작아서 볼 수 없지만 일부는 눈으로 관찰할 수 있을 정도로 큰 물체의 분류도 포함한다. 그러한 집단에는 물벼룩, 쉽게 관찰할 수 있는 좁쌀공말과 같은 플랑크톤성 녹조류, 그리고 나팔벌레와 같이 도움 없이도 쉽게 볼 수 있는 원생동물이 포함된다. 아미세 규모는 마찬가지로 광학 현미경으로 볼 수 없을 정도로 작은 물체를 포함한다.^[2]

열역학

열역학 및 통계역학에서 미시적 규모는 열역학적 시스템의 정확한 상태를 측정하거나 직접 관찰하지 않는 규모로, 이러한 시스템의 세부적인 상태를 미시 상태라고 한다. 우리는 대신 거시 규모에서 열역학적 변수를 측정하는데, 이를 거시 상태라고 한다.

미시 규모의 수준

토레스 해협 와라베르 섬의 산호초 모래에서 채취한 유공충 모래를 광학 현미경으로 촬영한 모습. 현미경을 통해 각 개별 입자의 모양과 질감이 드러난다.^[7]

미시 규모는 육안으로는 볼 수 없지만 현미경으로 볼 수 있는 모든 물체를 포함하므로, 이 규모에 속하는 물체의 범위는 투과 전자 현미경으로 볼 수 있는 원자만큼 작을 수 있다.^[8] 현미경 종류는 종종 메커니즘과 적용에 따라 구분되며, 크게 두 가지 일반적인 범주로 나눌 수 있다.^[9]

이 한 알의 모래에 있는 충격 흔적과 특징은 전자 현미경을 통해 명확하게 볼 수 있다.^[10]

광학 현미경

 이 부분의 본문은 광학 현미경입니다.

광학 현미경 중에서는 사용되는 대물렌즈가 볼 수 있는 물체의 크기를 결정한다. 이러한 다양한 대물렌즈는 현미경의 해상력을 변경할 수 있으며, 이는 현미경 렌즈를 통해 두 개의 분리된 물체를 구별할 수 있는 가장 짧은 거리를 결정한다. 두 물체 간의 해상도는 개인마다 다르다는 점이 중요하지만,^[9] 대물렌즈의 강도는 정량화할 수 있다.^[11]

1660년대, 안토니 판 레이우엔훅은 얇은 두 개의 황동판 사이에 단일 구형 렌즈를 장착한 단순 현미경을 고안했다. 렌즈의 품질에 따라 70배에서 250배까지 확대가 가능했다. 검사할 표본은 미세한 나사산이 있는 막대 끝에 장착되었다.^[12][13]

복합 광학 현미경은 짧은 초점 거리의 대물렌즈를 사용하여 실상을 생성하고, 이를 더 긴 초점 거리의 접안렌즈를 사용하여 관찰한다. 표준 튜브 길이에 장착된 대물렌즈와 접안렌즈의 초점 거리 비율은 시스템의 대략적인 배율을 제공한다. 복합 현미경은 설계상 단순 현미경에 비해 해상력과 대비가 향상되었으며,^[11] 세포와 그 유기체의 구조, 모양 및 운동성을 관찰하는 데 사용될 수 있으며,^[14] 이는 0.1 마이크로미터만큼 작을 수 있다.^[15]

전자 현미경

전자 현미경은 여전히 복합 현미경의 한 형태이지만, 물체를 비추기 위해 전자 빔을 사용하는 방식이 복합 광학 현미경과 메커니즘적으로 상당히 다르기 때문에 훨씬 더 높은 해상력을 가지며, 광학 현미경보다 약 10,000배 더 높은 배율을 제공한다.^[14] 이를 통해 0.001 마이크로미터만큼 작은 원자와 같은 물체를 관찰할 수 있다.^[1]

사용

커버슬립 아래에 보존된 머리카락 조각이 있는 슬라이드. 이 샘플들은 동물 법의학 수사의 일환으로 상태를 현미경으로 분석한 후 DNA 분석을 거쳤다.

법의학

법의학 수사에서 혈액, 지문, 섬유와 같은 범죄 현장의 미세증거는 현미경으로 면밀히 조사될 수 있으며, 심지어 흔적의 나이를 결정하는 정도까지 가능하다. 다른 표본과 함께 생물학적 흔적은 특정 위치에 있었던 개인을 혈액에서 발견된 세포까지 정확하게 식별하는 데 사용될 수 있다.^[16]

보석학

보석의 금전적 가치를 결정할 때, 보석학의 다양한 직업은 보석의 미시적 물리적 및 광학적 특성을 체계적으로 관찰해야 한다.^[17] 이는 이러한 품질을 평가하기 위해 입체 현미경을 사용하는 것을 포함하며, 결국 각 개별 보석의 가치를 결정하는 데 사용된다.^[18] 이는 금 및 기타 금속의 평가에서도 유사하게 수행될 수 있다.^[17]

기반 시설

도로 재료를 평가할 때, 기반 시설의 미시적 구성은 도로의 수명과 안전, 그리고 다양한 위치의 요구 사항을 결정하는 데 필수적이다. 투수성, 구조적 안정성, 내열성과 같은 화학적 특성이 포장 혼합물에 사용되는 다양한 재료의 성능에 영향을 미치므로, 해당 지역의 교통량, 날씨, 공급 및 예산에 따라 도로를 건설할 때 이러한 요소들이 고려된다.^[19]

의학

난소 크루켄버그 종양에서 단면을 채취하여 조직병리학적 소견을 현미경으로 관찰한 모습. 다양한 확대 수준에서 현미경은 탈조직성 간질과 함께 반지 세포의 침습성 증식을 확대하여 보여준다.^[20]

의학에서 진단은 환자의 생검 표본, 예를 들어 암세포를 현미경으로 관찰하여 이루어질 수 있다. 병리학 및 세포학 보고서에는 현미경, 조직화학 염색 또는 유세포 분석을 사용하여 수행된 분석으로 구성된 미시적 설명이 포함된다. 이러한 방법은 질병 조직의 구조와 질병의 심각성을 결정할 수 있으며, 질병의 미시적 징후를 식별하여 조기 발견이 가능하다.^[21]

실험실에서의 미시 규모

미시 규모의 사용은 과학 분야에서 많은 역할과 목적을 가지고 있지만, 미시적으로 관찰된 많은 생화학적 패턴은 인간의 삶이 기능하고 살아가는 데 미시적 구조에 어떻게 의존하는지에 대한 이해에 크게 기여했다.

창립 실험

안토니 판 레이우엔훅은 현미경 발명에 기여했을 뿐만 아니라 "미생물학의 아버지"라고도 불린다. 이는 박테리아와 정자와 같은 단세포 생물, 그리고 근섬유와 모세혈관과 같은 미시적 인체 조직의 초기 관찰 및 문서화에 크게 기여했기 때문이다.^[22]

생화학

인간 세포

에너지 조절 미토콘드리아의 유전적 조작이 미시적 원리에 따라 수행되어 유기체의 수명을 연장하고, 파킨슨병, 알츠하이머병, 다발성 경화증과 같은 인간의 노화 관련 문제를 해결하는 것으로 밝혀졌다. 미토콘드리아가 생성하는 에너지 생산물의 양을 늘림으로써 세포의 수명, 그리고 유기체의 수명이 증가한다.^[23]

DNA

DNA 이질염색질 동원체 내 점들의 공간 분포에 대한 미시적 분석은 세포 체세포 분열의 간기 단계를 거치는 핵 내 염색체 동원체 영역의 역할을 강조한다. 이러한 미시적 관찰은 체세포 분열 중 동원체의 무작위적이지 않은 분포와 정밀한 구조가 암세포에서도 성공적인 세포 기능과 성장에 중요한 기여를 한다는 것을 시사한다.^[24]

화학 및 물리학

Arnager Kalk("아르나가 석회암")의 주사전자현미경 사진. 덴마크 본홀름의 상부 백악기 지층에서 채취한 것으로, 미확인 자생광물의 각기둥 결정과 구형 응집체를 미시적으로 보여준다.^[25]

우주의 엔트로피와 무질서는 열역학 법칙의 제2법칙과 제3법칙을 참조하여 미시적 규모에서 관찰할 수 있다. 어떤 경우에는 팽창하는 기체 분자 용기 내의 엔트로피 변화를 계산하고 이를 환경 및 우주의 엔트로피 변화와 관련시키는 것을 포함할 수 있다.^[26]

생태학

생태학자들은 환경 내 미시적 특징을 식별하여 시간 경과에 따른 생태계의 상태를 모니터링한다. 여기에는 섬모충과 같은 미생물의 온도 및 CO₂ 내성, 그리고 다른 원생동물과의 상호작용이 포함된다. 또한, 해당 생태계의 물 샘플에서 미생물의 움직임과 운동성 같은 미시적 요인도 관찰할 수 있다.^[27]

지질학

지질학의 분야는 지구의 구조를 미시적 수준에서 연구하는 것을 포함한다. 암석의 물리적 특성이 기록되며, 암석기재학에서는 암석의 미시적 세부 사항을 검토하는 데 특별히 중점을 둔다. 주사 전자 현미경과 유사하게, 전자 미세 탐침은 암석학에서 암석이 형성되는 조건을 관찰하는 데 사용될 수 있으며, 이는 이러한 표본의 기원에 대한 정보를 제공할 수 있다. 구조지질학에서는 암석 현미경을 통해 암석 미세구조를 연구하여 판 구조론과 같은 지질학적 특징이 지진 및 지하수 이동 가능성에 어떻게 영향을 미치는지 결정할 수 있다.^[28]

현재 연구

뇌 아밀로이드 혈관병증의 저배율 현미경 사진으로, 알츠하이머병의 특징인 갈색으로 염색된 노인성 플라크가 대뇌 피질에서 보인다.^[29]

현미경 기술의 발전과 함께 현미경 기술의 결과로 다른 지식 분야에서도 발견이 이루어졌다.^[30]

알츠하이머병과 파킨슨병

형광 태깅과 함께 새로운 광학 현미경 기술을 통해 단일 아밀로이드 단백질의 분자 세부 사항과 알츠하이머병 및 파킨슨병과의 관계를 연구할 수 있다.^[31]

원자현미경

광학 현미경의 다른 개선점으로는 서브파장, 나노 크기 물체를 볼 수 있는 능력이 포함된다.^[32] 원자현미경을 통한 나노스케일 이미징도 세포막과 같은 소량의 복잡한 물체를 더욱 정밀하게 관찰할 수 있도록 개선되었다.^[33]

동일한 슬라이드의 초고배율 현미경 사진으로, 알츠하이머병 증상에 기여하는 노인성 플라크 내 아밀로이드 베타로 인한 갈색 염색을 확대하여 보여준다.^[34]

재생 에너지

화학 시스템에서 발견된 일관된 미시적 패턴은 특정 물질이 엔트로피 환경에 대한 복원력을 가지고 있다는 아이디어를 뒷받침한다. 이 연구는 태양연료 생산 및 재생 에너지 개선에 정보를 제공하는 데 활용되고 있다.^[35]

미시적 악기 - 마이크로니움

마이크로니움(Micronium)이라는 미시적 악기도 미세역학을 통해 개발되었는데, 이는 사람 머리카락 두께의 용수철이 미시적인 빗살 구동 장치에 의해 뜯겨지는 방식으로 구성된다. 이는 사람이 들을 수 있는 소음을 생성하는 매우 미미한 움직임이며, 이는 이전의 미시적 악기 시도에서는 이루어지지 않았던 것이다.^[36]

같이 보기

• 거시 규모
• 미생물
• 판 레이우엔훅의 현미경
• 판 레이우엔훅의 미생물 생명체(미생물) 현미경적 발견