開(kāi)啟微觀世界的鑰匙——顯微鏡

付森

顯微鏡——放大鏡2.0版本

早在公元前1世紀(jì)，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)球形透明物體去觀察微小物體時(shí)可以使其放大成像。后來(lái)有了放大鏡、眼鏡等光學(xué)器具。

1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者在放大鏡原理的基礎(chǔ)上發(fā)明了顯微鏡。

光學(xué)顯微鏡分為單式和復(fù)式兩種。單式顯微鏡的實(shí)質(zhì)就是一臺(tái)高倍放大鏡，構(gòu)造簡(jiǎn)單，呈正實(shí)像。

我們都知道，放大鏡是根據(jù)光的折射原理制成的，中央較厚，邊緣較薄的透鏡。凸透鏡對(duì)光線(xiàn)有會(huì)聚作用故又稱(chēng)聚光透鏡。但是，它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是它的焦距與透鏡直徑成正比，而焦距又與放大倍數(shù)成反比。也就是說(shuō)，焦距越短，放大倍數(shù)越大，而透鏡直徑就越小。太小的的透鏡在當(dāng)時(shí)根本制造不出來(lái)。因此當(dāng)時(shí)放大鏡的放大倍數(shù)最多不過(guò)25倍。眾所周知，體積較大的一些纖毛蟲(chóng)的長(zhǎng)度也不過(guò)0.1毫米，放大25倍后也才2.5毫米大，它內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)就更看不清了。因此為了觀察更多的細(xì)微物體，人們迫切需要一種更好的放大工具。

復(fù)式顯微鏡時(shí)代來(lái)了

1595年的一天，荷蘭一位名叫詹森（H.Janssen）的少年，無(wú)意中把兩片大小不同的凸透鏡重疊在一起。當(dāng)他把兩個(gè)鏡片移動(dòng)至適當(dāng)?shù)木嚯x時(shí)，發(fā)現(xiàn)很小的東西一下子被放大了好多倍。他把這個(gè)奇異的現(xiàn)象告訴了父親，父子兩人隨即動(dòng)起手來(lái)，做出了第一個(gè)復(fù)式顯微鏡。這臺(tái)顯微鏡的鏡筒大約長(zhǎng)18英寸，直徑約2英寸，兩個(gè)鏡頭都是凸透鏡，分別固定在鏡筒的兩端。物鏡是一個(gè)只有一個(gè)凸面的單凸透鏡，目鏡是一個(gè)有兩個(gè)凸面的雙凸透鏡。當(dāng)這個(gè)顯微鏡的兩個(gè)活動(dòng)鏡筒完全收攏時(shí)，它的放大倍數(shù)是3倍；當(dāng)兩個(gè)活動(dòng)鏡筒完全伸出時(shí)，它的放大倍數(shù)是10倍。

復(fù)式顯微鏡的出現(xiàn)是一項(xiàng)里程碑式的成就，我們今天所使用的光學(xué)生物顯微鏡就是由其發(fā)展而來(lái)的。

鏡筒里的故事

英國(guó)物理學(xué)家胡克（Robert Hooke，1635～1703）的研究工作使顯微術(shù)變得流行。1665年，胡克自己設(shè)計(jì)制造了一架由上下兩塊透鏡組成的復(fù)式顯微鏡，觀察了櫟樹(shù)皮的薄片，第一次描述了植物細(xì)胞的構(gòu)造，并為這些蜂巢狀的小室起名為“cellar”。細(xì)胞的英文“cell”即為他所定名，一直沿用至今。其實(shí)，他所觀察到的只是纖維質(zhì)的細(xì)胞壁，并非完整的活細(xì)胞，但這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了顯微鏡以后的發(fā)展方向。同年，他發(fā)表了《微觀畫(huà)集》一書(shū)，展示了他在顯微鏡底下看見(jiàn)的昆蟲(chóng)器官的精細(xì)圖案。此外，他還對(duì)顯微觀察進(jìn)行了最早的論述，并詳盡無(wú)遺地說(shuō)明了有效使用顯微鏡的方法。

胡克制造的顯微鏡是早期性能最出色的復(fù)式顯微鏡之一，它用一個(gè)半球形單透鏡作為物鏡，一個(gè)平凸透鏡作為目鏡。鏡筒長(zhǎng)6英寸，但可用一個(gè)附加的拉筒來(lái)加長(zhǎng)。鏡筒用螺絲裝在一個(gè)可活動(dòng)的環(huán)上，后者裝在一個(gè)立架上。待察物體固定在一個(gè)從底座伸出的針狀物上，并用一只燈照明，燈上附裝有一個(gè)球形聚光器。胡克在顯微鏡中加入粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺(tái)。這些部件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。

最早把顯微鏡應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的是意大利人馬爾比基（Marcello Malpighi，1628～1694），他早期從事的工作是用顯微鏡研究青蛙的肺。1660年，他發(fā)現(xiàn)青蛙的肺里布滿(mǎn)了復(fù)雜的血管網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)使血液在肺內(nèi)很容易將空氣帶走，而且正是這種血管網(wǎng)連接了肺動(dòng)脈和肺靜脈。后來(lái)，他又在蛙體的其他部位也發(fā)現(xiàn)了十分纖細(xì)的血管。盡管肉眼無(wú)法看見(jiàn)這些血管，但是它就是今日我們十分熟悉的毛細(xì)血管，正是它們將身體內(nèi)部各處的動(dòng)脈與靜脈相連通。

馬爾比基還用顯微鏡研究了蠶，他發(fā)現(xiàn)這種小動(dòng)物有一個(gè)十分復(fù)雜的呼吸系統(tǒng)，用來(lái)呼吸的小管遍布全身。后來(lái)，他發(fā)現(xiàn)植物莖稈內(nèi)也有這樣的小管，這使他發(fā)明了比較解剖學(xué)方法。在大量觀察的基礎(chǔ)上，馬爾比基提出呼吸器官的大小與有機(jī)體的完善程度成反比，有機(jī)體越低級(jí)，呼吸器官比例就越大。

此外，馬爾比基還用顯微鏡發(fā)展了法布里修斯和哈維所開(kāi)創(chuàng)的胚胎學(xué)研究，對(duì)小雞在雞蛋中的發(fā)育過(guò)程做了仔細(xì)的觀察。

荷蘭的業(yè)余科學(xué)家列文虎克（ Avon Leeuwenhoek，1632～1723）為顯微鏡的發(fā)展和生物學(xué)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)，他自幼沒(méi)有接受過(guò)正規(guī)的科學(xué)教育，但對(duì)新奇事物充滿(mǎn)強(qiáng)烈的興趣。一次，他從朋友那里聽(tīng)說(shuō)荷蘭最大的城市阿姆斯特丹的眼鏡店可以磨制放大鏡，用放大鏡可以把肉眼看不清的東西看得很清楚。他對(duì)這個(gè)神奇的放大鏡充滿(mǎn)了好奇心，但又因?yàn)閮r(jià)格太高而買(mǎi)不起。從此，他經(jīng)常出入眼鏡店，認(rèn)真觀察磨制鏡片的工作，暗暗地學(xué)習(xí)著磨制鏡片的技術(shù)。功夫不負(fù)苦心人，1665年列文虎克終于制成了一塊直徑只有0.3厘米的小透鏡，把這塊小透鏡鑲在架上，又在透鏡下邊裝了一塊銅板，上面鉆了一個(gè)小孔，使光線(xiàn)從這里射進(jìn)而反射出所觀察的東西，就這樣列文虎克的第一臺(tái)顯微鏡研制成功了。幾年后，他終于制出了能把物體放大300倍的顯微鏡。由于他沒(méi)有多少光學(xué)知識(shí)，所以沒(méi)能造出復(fù)式的顯微鏡，但是他的透鏡放大倍率高，所以這種只用一個(gè)透鏡的單顯微鏡也十分管用。在他的透鏡下面出現(xiàn)了一個(gè)無(wú)比豐富復(fù)雜的世界，他使用這些顯微鏡觀察到了許多動(dòng)、植物的活細(xì)胞與原生動(dòng)物。

伴隨著歷代科學(xué)家的艱辛探索，到18世紀(jì)顯微鏡已有許多改進(jìn)，放大率、分辨率及其他性能得到大幅的提升，應(yīng)用也變得較為普遍，開(kāi)始作為商品進(jìn)行生產(chǎn)。到了19世紀(jì)，顯微鏡觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1872～1873年，德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家阿貝（Ernst Abbe，1840～1905）提出了光學(xué)顯微鏡的完善理論，從此，鏡頭的制作可按預(yù)先的科學(xué)計(jì)算進(jìn)行。同時(shí)德國(guó)化學(xué)家肖特（Friedrich Otto Schott，1851～1935）成功地研制出供制作透鏡的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃。他們和德國(guó)顯微鏡制作者卡爾·蔡司（Carl Zeiss，1816～1888）合作，建立了蔡司光學(xué)儀器廠，于1886年生產(chǎn)出具復(fù)消色差油鏡的現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡，達(dá)到了光學(xué)顯微鏡的分辨限度。這些都促進(jìn)了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展。

從19世紀(jì)后期至20世紀(jì)，顯微鏡的發(fā)展已不拘泥于光學(xué)領(lǐng)域，各種原理各異、功能優(yōu)越的顯微鏡被發(fā)明出來(lái)，如：偏光顯微鏡、暗視場(chǎng)顯微鏡、相差顯微鏡、干涉差顯微鏡、熒光顯微鏡、電子顯微鏡以及共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和掃描隧道電子顯微鏡（STM）。由此導(dǎo)致的新技術(shù)革命也如火如荼地展開(kāi)，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)始在微觀世界大顯身手，探尋更加深層次的未解之謎，在認(rèn)識(shí)自我、認(rèn)識(shí)自然界本源的路上不斷前行。endprint