Das Mikroskop
Eine einzelne Zelle deiner Mundschleimhaut ist etwa einen zwanzigstel Millimeter groß – mit bloßem Auge siehst du sie nicht. Erst das Mikroskop hat gezeigt, dass alle Lebewesen aus Zellen bestehen. Bis heute ist es eines der wichtigsten Werkzeuge der Biologie, und du kannst damit selbst forschen.
Einfach erklärt
Zellen sind sehr klein. Mit bloßem Auge siehst du sie nicht. Erst das Mikroskop zeigt: Alle Lebewesen bestehen aus Zellen.
Im Schulmikroskop scheint Licht von unten durch eine dünne Probe. Zwei Linsen vergrößern das Bild nacheinander. Das Objektiv – das ist die Linse direkt über der Probe. Das Okular – das ist die Linse an deinem Auge. Die Gesamtvergrößerung rechnest du so: Okular mal Objektiv. 10 mal 40 ergibt also 400-fach.
Stärker vergrößern zeigt aber nicht immer mehr. Wichtig ist das Auflösungsvermögen. Es gibt den kleinsten Abstand an. Bei diesem Abstand siehst du zwei Punkte gerade noch getrennt. Zellen und Zellkerne siehst du gut. Viel kleinere Teile siehst du nicht. Dafür brauchst du ein Elektronenmikroskop. Es nutzt einen Strahl aus Elektronen statt Licht.
- Beginne immer mit dem kleinsten Objektiv.
- Bei starker Vergrößerung drehst du nur am feinen Knopf.
- Zeichne nur echte Beobachtungen.
Merke: Okular mal Objektiv ergibt die Vergrößerung, aber das Auflösungsvermögen bestimmt die Details.
Das lernst du hier
- Du benennst die Bauteile eines Lichtmikroskops und beschreibst ihre Aufgaben.
- Du berechnest die Gesamtvergrößerung und schätzt die Größe eines Objekts ab.
- Du stellst ein Frischpräparat her und mikroskopierst nach festen Regeln.
- Du vergleichst Licht- und Elektronenmikroskop und begründest, wann man welches einsetzt.
Geschichte des Mikroskops: Wer hat es erfunden?
Kurzantwort
Das erste Mikroskop entstand um 1600 in den Niederlanden. Als Erfinder wird oft der Brillenmacher Zacharias Janssen aus Middelburg genannt, der es schon um 1590 gebaut haben soll. Diese Angabe stützt sich aber vor allem auf spätere Aussagen seines Sohnes und gilt als unsicher. Antoni van Leeuwenhoek hat das Mikroskop also nicht erfunden – er baute aber so gute Einzellinsen-Mikroskope, dass er als Erster Bakterien sah. Die ganze Geschichte von Middelburg bis zum Elektronenmikroskop erzählt die Seite Erfinder des Mikroskops.
- Um 1600 bauten Brillenmacher in den Niederlanden die ersten Mikroskope aus mehreren Linsen. Wer genau sie erfunden hat, ist nicht sicher geklärt.
- 1665 beschrieb der Engländer Robert Hooke in seinem Buch „Micrographia“ dünne Korkscheiben. Er sah darin kleine Kammern und nannte sie cells, also Zellen. Was er sah, waren allerdings nur die leeren Zellwände abgestorbener Zellen.
- Ab den 1670er-Jahren entdeckte der Tuchhändler Antoni van Leeuwenhoek aus Delft mit selbst geschliffenen Einzellinsen als Erster Einzeller und Bakterien.
- 1838/39 folgerten Matthias Schleiden (für Pflanzen) und Theodor Schwann (für Tiere): Alle Lebewesen bestehen aus Zellen. 1855 ergänzte Rudolf Virchow: Jede Zelle entsteht aus einer Zelle. Damit war die Zelltheorie komplett.
- 1873 erklärte der Physiker Ernst Abbe in Jena, wo die Grenze des Lichtmikroskops liegt. Gemeinsam mit Carl Zeiss und Otto Schott legte er die Grundlage für moderne Mikroskope.
- 1931 bauten Ernst Ruska und Max Knoll in Berlin das erste Elektronenmikroskop. Es arbeitet mit Elektronen statt mit Licht und macht viel kleinere Strukturen sichtbar (mehr dazu unten).
Aufbau des Lichtmikroskops
Im Schulmikroskop durchstrahlt Licht ein dünnes, durchsichtiges Präparat von unten. Man spricht deshalb von einem Durchlichtmikroskop. Zwei Linsensysteme vergrößern nacheinander: Das Objektiv erzeugt ein vergrößertes Zwischenbild, das Okular vergrößert dieses Bild noch einmal wie eine Lupe.
| Bauteil | Aufgabe |
|---|---|
| Okular | Linse, durch die du schaust; vergrößert das Zwischenbild (meist 10-fach). |
| Objektiv | Linsensystem direkt über dem Präparat; bestimmt Vergrößerung und Bildschärfe (z. B. 4-, 10-, 40-fach). |
| Objektivrevolver | Drehscheibe, mit der du zwischen den Objektiven wechselst. |
| Tubus | Rohr, das Objektiv und Okular im richtigen Abstand hält. |
| Objekttisch | Auflage für den Objektträger; Klemmen halten ihn fest. |
| Kondensor und Blende | Der Kondensor bündelt das Licht auf das Präparat, die Blende regelt Helligkeit und Kontrast. |
| Grob- und Feintrieb | Drehknöpfe zum Scharfstellen: grob bei kleiner, fein bei starker Vergrößerung. |
| Stativ und Fuß | Tragen alle Teile und sorgen für einen sicheren Stand. |
Vergrößerung berechnen – und Größen schätzen
Die Gesamtvergrößerung ergibt sich aus dem Produkt der beiden Linsensysteme:
Gesamtvergrößerung = Vergrößerung des Okulars × Vergrößerung des Objektivs
Mit einem 10-fach-Okular und einem 40-fach-Objektiv siehst du das Objekt also 400-fach vergrößert. Je stärker die Vergrößerung, desto kleiner wird der sichtbare Ausschnitt, das Sehfeld. Das kannst du nutzen, um Größen abzuschätzen:
- Sehfeld messenLege ein durchsichtiges Lineal unter das kleinste Objektiv und lies ab, wie breit das Sehfeld ist, zum Beispiel 4,5 mm bei 40-facher Vergrößerung.
- UmrechnenBei zehnmal stärkerer Vergrößerung ist das Sehfeld zehnmal kleiner: bei 400-fach also 0,45 mm = 450 µm (1 mm = 1000 Mikrometer).
- Zählen und teilenPassen 9 Zellen nebeneinander über das Sehfeld, ist eine Zelle etwa 450 µm : 9 = 50 µm groß.
Größer heißt aber nicht automatisch genauer. Entscheidend ist das Auflösungsvermögen: der kleinste Abstand, den zwei Punkte haben dürfen, damit man sie noch getrennt sieht. Beim Lichtmikroskop liegt diese Grenze bei etwa 0,2 µm, weil die Wellenlänge des sichtbaren Lichts begrenzt, was sich abbilden lässt. Mehr als etwa 1000- bis 1500-fach zu vergrößern bringt deshalb keine neuen Details mehr.
Merke
Gesamtvergrößerung = Okular × Objektiv. Wie viele Details du erkennst, bestimmt aber das Auflösungsvermögen. Das Lichtmikroskop trennt Strukturen bis etwa 0,2 µm – Zellen, Zellkerne und Chloroplasten sind sichtbar, Ribosomen und Viren nicht.
Ein Präparat herstellen: Zwiebelhaut
Ein Präparat ist das vorbereitete Untersuchungsobjekt. Für den Anfang eignet sich die dünne Haut aus einer Küchenzwiebel: Sie besteht aus nur einer Zellschicht, durch die das Licht gut hindurchgeht.
- VorbereitenGib mit der Pipette einen kleinen Wassertropfen in die Mitte eines sauberen Objektträgers.
- Haut abziehenLöse eine Schuppe aus einer geviertelten Zwiebel. Ritze die Innenseite mit der Rasierklinge zu einem kleinen Quadrat (etwa 5 × 5 mm) an und ziehe das Häutchen mit der Pinzette ab.
- EinlegenLege das Häutchen in den Wassertropfen und breite es glatt aus, ohne dass es Falten wirft.
- AbdeckenSetze das Deckglas schräg am Rand des Tropfens an und senke es langsam ab. So entweichen die Luftblasen.
- Färben (optional)Gib einen Tropfen Iod-Kaliumiodid-Lösung oder Methylenblau an eine Seite des Deckglases und sauge an der gegenüberliegenden Seite mit Filterpapier ab. Die Zellkerne treten danach deutlicher hervor.
Sicherheit
Arbeite mit der Rasierklinge oder dem Skalpell immer vom Körper weg und lege sie sicher ab. Färbelösungen hinterlassen Flecken auf Haut und Kleidung und dürfen nicht in die Augen gelangen – trage eine Schutzbrille und wasche dir danach die Hände. Folge den Anweisungen deiner Lehrkraft.
Mikroskopieren – Schritt für Schritt
- Start mit dem kleinsten ObjektivTrage das Mikroskop mit beiden Händen an Stativ und Fuß. Schwenke das Objektiv mit der geringsten Vergrößerung ein und schalte das Licht an.
- Präparat einspannenLege den Objektträger auf den Tisch, schiebe das Objekt über die Lichtöffnung und fixiere es mit den Klemmen.
- Annähern von der SeiteSchau von der Seite und verringere mit dem Grobtrieb den Abstand zwischen Objektiv und Präparat, ohne dass sie sich berühren.
- Scharf stellenSchau nun durch das Okular und vergrößere den Abstand langsam, bis das Bild scharf ist. Regle die Helligkeit mit der Blende.
- Stärker vergrößernSchiebe die interessante Stelle in die Bildmitte und schwenke erst dann das nächststärkere Objektiv ein. Stelle jetzt nur noch mit dem Feintrieb scharf.
Tipp: mikroskopisch zeichnen
Zeichne mit spitzem Bleistift, mit klaren, durchgezogenen Linien und ohne Schattierungen. Zeichne nur, was du wirklich siehst – lieber wenige Zellen genau als viele ungenau. Beschrifte mit waagerechten Linien, notiere Objekt, Färbung und Vergrößerung.
Das Elektronenmikroskop
Viele Strukturen in der Zelle sind kleiner als 0,2 µm, etwa Ribosomen oder die Membranen im Inneren der Mitochondrien. Sichtbar wurden sie erst mit dem Elektronenmikroskop (EM). Es arbeitet mit einem Strahl aus Elektronen statt mit Licht. Elektronen haben eine viel kleinere Wellenlänge, deshalb liegt die Auflösung bei Zellpräparaten im Bereich weniger Nanometer. Statt Glaslinsen lenken Magnetfelder (elektromagnetische Linsen) den Strahl. Beide Gerätetypen Punkt für Punkt gegenübergestellt findest du unter Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop: Unterschied.
- Im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchdringen die Elektronen hauchdünne Schnitte des Präparats. Schwermetallsalze erzeugen Kontrast. So sieht man den inneren Aufbau von Zellen und Organellen.
- Im Rasterelektronenmikroskop (REM) tastet der Strahl die mit Metall bedampfte Oberfläche ab. Es entstehen plastisch wirkende Bilder von Oberflächen, etwa von Pollenkörnern oder Insektenaugen.
| Kriterium | Lichtmikroskop | Elektronenmikroskop |
|---|---|---|
| Strahlung | sichtbares Licht, Glaslinsen | Elektronen, Magnetlinsen |
| Auflösung | ca. 0,2 µm | wenige Nanometer (Zellpräparate) |
| Präparat | auch lebende Zellen | nur fixierte, tote Proben im Vakuum |
| Bild | farbig, auch Bewegung sichtbar | schwarz-weiß (Farben werden nachträglich ergänzt) |
| Aufwand | gering, im Klassenraum einsetzbar | teuer, aufwendige Probenvorbereitung |
Wusstest du?
Das erste Elektronenmikroskop bauten Ernst Ruska und Max Knoll 1931 in Berlin. Schon 1933 übertraf Ruskas Gerät die Auflösung des Lichtmikroskops. Den Nobelpreis für Physik erhielt Ruska dafür erst 1986 – mehr als 50 Jahre später.
Typische Fehler
- „Je stärker die Vergrößerung, desto mehr Details.“ Falsch – ab etwa 1000- bis 1500-fach wird das Bild nur größer, nicht schärfer. Begrenzend ist das Auflösungsvermögen.
- „Im Schulmikroskop sieht man Ribosomen.“ Falsch – Ribosomen sind etwa 25 nm groß und nur im Elektronenmikroskop zu erkennen.
- „Elektronenmikroskopische Bilder sind farbig.“ Die bunten Bilder sind nachträglich eingefärbt (Falschfarben).
- Bei 40-fach mit dem Grobtrieb scharf stellen: Dabei kann das Objektiv das Deckglas zerdrücken. Bei starker Vergrößerung nur den Feintrieb benutzen.
Warum ist bei 0,2 µm Schluss? Die Auflösungsgrenze nach Abbe
Licht ist eine Welle. Feine Strukturen beugen das Licht, und das Objektiv muss genug von diesem gebeugten Licht einfangen, damit ein Bild der Struktur entsteht. Ernst Abbe formulierte 1873 die Grenze, die sich daraus ergibt:
d = λ / (2 · n · sin α)
Dabei ist d der kleinste noch auflösbare Abstand, λ die Wellenlänge des Lichts, n die Brechzahl des Mediums zwischen Präparat und Objektiv und α der halbe Öffnungswinkel des Objektivs. Das Produkt n · sin α heißt numerische Apertur (NA) und ist auf guten Objektiven aufgedruckt.
Rechenbeispiel: Für grünes Licht (λ ≈ 550 nm) und ein Ölimmersionsobjektiv mit NA = 1,4 ergibt sich d ≈ 550 nm : 2,8 ≈ 200 nm = 0,2 µm. Daraus folgen zwei Wege zu besserer Auflösung: kürzere Wellenlängen (blaues Licht, UV) und eine größere numerische Apertur. Deshalb gibt man bei der 100-fach-Ölimmersion einen Tropfen Immersionsöl zwischen Deckglas und Objektiv – es hat eine höhere Brechzahl als Luft.
Elektronen haben bei den üblichen Beschleunigungsspannungen eine Wellenlänge von nur wenigen Pikometern. Dass die Auflösung trotzdem „nur“ bei Bruchteilen eines Nanometers bis wenigen Nanometern liegt, liegt an Linsenfehlern der Magnetlinsen und an der Probe selbst: Biologische Präparate müssen fixiert, entwässert und geschnitten werden, wobei Artefakte entstehen können.
Heute gibt es Wege, die Grenzen zu umgehen. Die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie trickst die Abbe-Grenze aus, indem Farbstoffmoleküle gezielt an- und ausgeschaltet werden; dafür erhielten Eric Betzig, Stefan Hell (Göttingen) und William Moerner 2014 den Chemie-Nobelpreis. Bei der Kryo-Elektronenmikroskopie werden Biomoleküle blitzschnell in glasartigem Eis eingefroren und ohne Färbung abgebildet. So lassen sich Proteine in atomarer Auflösung darstellen – Chemie-Nobelpreis 2017 für Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson.
Vertiefen: zwei Kapitel zum Mikroskop
Fachbegriffe
- Okular
- Linse am oberen Ende des Tubus, durch die man schaut; vergrößert das Zwischenbild.
- Objektiv
- Linsensystem über dem Präparat; erzeugt das erste vergrößerte Bild.
- Gesamtvergrößerung
- Produkt aus Okular- und Objektivvergrößerung.
- Auflösungsvermögen
- Kleinster Abstand zweier Punkte, die noch getrennt erkennbar sind.
- Präparat
- Für die Mikroskopie vorbereitetes Objekt, meist auf einem Objektträger.
- Kondensor
- Linsensystem unter dem Objekttisch, das das Licht auf das Präparat bündelt.
- TEM
- Transmissionselektronenmikroskop: Elektronen durchdringen ultradünne Schnitte.
- REM
- Rasterelektronenmikroskop: Elektronenstrahl tastet die Oberfläche ab.
Aufgaben
- AFB INenne die Bauteile, die das Licht von der Lampe bis zu deinem Auge durchläuft, und beschreibe jeweils ihre Aufgabe.
Lösung anzeigen
Lichtquelle (erzeugt Licht) → Blende (regelt Helligkeit und Kontrast) → Kondensor (bündelt das Licht) → Präparat auf dem Objekttisch → Objektiv (erstes vergrößertes Bild) → Tubus (hält den Abstand) → Okular (vergrößert das Zwischenbild erneut) → Auge. - AFB IIDein Mikroskop hat ein 10-fach-Okular und Objektive mit 4-, 10- und 40-facher Vergrößerung. Berechne die drei möglichen Gesamtvergrößerungen. Wie stark vergrößert ein 15-fach-Okular mit dem 40-fach-Objektiv?
Lösung anzeigen
10 × 4 = 40-fach, 10 × 10 = 100-fach, 10 × 40 = 400-fach. Mit 15-fach-Okular: 15 × 40 = 600-fach. - AFB IIBei 100-facher Vergrößerung ist das Sehfeld 1,8 mm breit. Bei 400-facher Vergrößerung passen 9 Mundschleimhautzellen nebeneinander über das Sehfeld. Ermittle die ungefähre Größe einer Zelle.
Lösung anzeigen
Viermal stärkere Vergrößerung → Sehfeld viermal kleiner: 1,8 mm : 4 = 0,45 mm = 450 µm. 450 µm : 9 = 50 µm pro Zelle. - AFB IIErkläre, warum man Ribosomen auch mit einer 2000-fachen Vergrößerung im Lichtmikroskop nicht sehen kann.
Lösung anzeigen
Ribosomen sind etwa 25 nm groß, die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops liegt bei etwa 200 nm. Strukturen unterhalb dieser Grenze lassen sich wegen der Wellenlänge des Lichts nicht getrennt abbilden. Eine stärkere Vergrößerung macht das Bild nur größer, aber nicht detailreicher (leere Vergrößerung). - AFB IIBeim Mikroskopieren siehst du viele kreisrunde, dunkel umrandete Gebilde ohne Inhalt. Erläutere, worum es sich vermutlich handelt und wie du den Fehler vermeidest.
Lösung anzeigen
Wahrscheinlich Luftblasen. Sie entstehen, wenn das Deckglas flach aufgelegt oder fallen gelassen wird. Abhilfe: Deckglas schräg am Tropfenrand ansetzen und langsam absenken, ausreichend Wasser verwenden. - AFB IIIEine Forscherin will untersuchen, wie sich lebende Zellen teilen. Ein Kollege rät ihr zum Elektronenmikroskop, „weil es viel besser auflöst“. Beurteile den Rat.
Lösung anzeigen
Der Rat ist für diese Fragestellung ungeeignet. Das EM löst zwar viel besser auf, arbeitet aber im Vakuum mit fixierten Proben – lebende Zellen und Abläufe in Echtzeit lassen sich nicht beobachten. Für die Teilung lebender Zellen eignet sich das Lichtmikroskop (z. B. mit Zeitrafferaufnahmen oder Fluoreszenzfarbstoffen). Das EM ist sinnvoll, wenn sie zusätzlich Feinstrukturen wie den Spindelapparat in fixierten Zellen untersuchen will. Fazit: Die Wahl des Mikroskops hängt von der Fragestellung ab, nicht nur von der Auflösung.
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Quellen & Stand
- Campbell Biologie, 11. Auflage, Pearson 2019, Kapitel 6 (Mikroskopie und Zellbiologie).
- Hooke, R.: Micrographia, London 1665, digital bei Project Gutenberg.
- Nobelprize.org: Nobelpreis Physik 1986 (Ernst Ruska), Chemie 2014 (hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie), Chemie 2017 (Kryo-Elektronenmikroskopie).
- Wikipedia (ergänzend): Zacharias Janssen (zur unsicheren Zuschreibung der Erfindung).
Stand: Oktober 2026. Fachlich überarbeitet für Klasse 9–13.