7 显微镜 的发明及细胞的发现

7 显微镜的发明及细胞的发现三.显微镜的发明及细胞的发现显微镜的发明大约可追溯到16世纪末期，当时磨制透镜已经成为一门新兴的手工业。透镜主要用作放大镜，另外，也将其装在精美的眼镜框内，作为近视镜用。一个偶然的机会，荷兰的眼镜制造商Janssen父子作出了人类第一台显微镜。ZachariasJanssen是荷兰眼镜制造商HansJanssen的儿子。作为眼镜制造商，HansJanssen磨制了许多质地优良的透镜。他的儿子小詹森也经常拿这些透镜作为玩具。1590年的一个晴朗无风的早晨，十多岁的詹森在家中的楼顶上闲玩。无意中，他把两片凸透镜片装到一个金属管子的两端，并用这个管子去看街道上的建筑物。奇迹发生了!教堂高塔上的塔尖比原来大了好多，似乎伸手可及。这个意外的发现，使詹森高兴不已，他迅速地跑下楼，把父亲拉上楼来观看，一起和他分享这种新发现带来的愉快。老詹森抓住这个偶然的发现，经过认真思索，反复地把大大小小的凸透镜做各种距离不等的配合，终于发明了世界上第一台显微镜。尽管这台显微镜十分粗糙，放大倍数及分辨力都相当低。但是，毕竟是世界上第一台显微镜。后来，经过了人们的不断改进，才使得显微镜成为今天这个样子。Janseen早期的显微镜都没有留存下来，但一个Middle-burg的博物馆却收藏着一部1595年的显微镜，上面刻有Janseen的名字。这个显微镜是用手拿着来观察的，当观察样品对焦时，可将套管滑进、滑出，当套管伸展到最长时，放大的影像可达原来样品的10倍。后来，荷兰的科学家AntonvanLeeuwenhoek进一步改良了显微镜，因此，VanLeeuwenhoek有时被认为是显微镜的发明者。列文虎克出生在荷兰东部一个名叫德尔福特的小城市，16岁便在一家布店里当学徒。列文虎克从小就迷上了用玻璃磨放大镜。正好他得到一个兼做德尔福特市政府管理员的差事，这是一个很清闲的工作。每天只要到时候开门关门，定时到钟楼打钟。所以他有很多时间用来磨制镜片。为了使用方便，他用两个金属片夹住透镜，再在透镜前面安装一根带尖的金属棒，把要观察的东西放在尖上观察，并且用一个螺旋钮调节焦距，制成了一架显微镜。列文虎克乐此不疲，先后制作了400多架显微镜，最高的放大倍数达到200-300倍。由于磨制的镜片质地优良，因此他做的这些显微镜是当时质量最高的。用这些显微镜，列文虎克观察过雨水、污水、血液、辣椒水、腐败了的物质、酒、黄油、头发、精液、肌肉。甚至连至高无上的女王也向他请求，提供了自己的牙垢让列文虎克观察。同时列文虎克认真阅读了当时的一些重要生物学著作，为他进行生物标本的研究奠定了基础。他利用显微镜在液体标本中发现了许多微生物，他认为他所观察到的那些能动的物体是小动物。1673年，他把所观察到的结果写信报告给了英国皇家学会，他的报告在学会中引起了轰动，因为这是第一次观察到了过去谁也没有看到过的微小生物。此后，他又陆续把观察到的结果不断向皇家学会报告，先后共写了30几封信。报告了他的许多重大发现，如细菌、原生动物、轮虫和生殖细胞等。他还测量了一些细胞的大小，如红细胞为7.2m;细菌为23m。他认为能动的精子不是动物，而是精液中的正常成分。40余年中，他观察了节肢动物、软体动物、鱼类、两栖类、鸟类和哺乳动物(包括人)的精子。他在研究动物和植物生殖活动方面也做出了突出贡献。他虽然没有使用cell一词，然而他确实首先观察到了完整的活细胞。由于Leeuwenhoek所报告的都是一些重大发现，英国皇家学会把他的信件全部由荷兰文译成了英文，并汇编成了论文集，冠名为PhiosophicalTransaction(哲学汇报(16731724)。鉴于Leeuwenhoek在生物学研究中做出的卓越贡献，1680年他当选为英国皇家学会会员;1699年获得了巴黎科学院通讯院士的荣誉称号。列文虎克活了91岁。直到逝世，他除了用自己制作的显微镜观察和描绘观察结果外，别无爱好。虽然他活着的时候就看到人们承认了他的发现，但要等到100多年以后，当人们在用效率更高的显微镜重新观察列文虎克描述的形形色色的"小动物"，并知道他们会引起人类严重疾病和产生许多有用物质时，才真正认识到列文虎克对人类认识世界所作出的伟大贡献。英国学者罗伯特·虎克(RobertHooke16351702)对显微镜的原始设计做出许多重要的改进。当时的显微镜使用双凸物镜，置放在架子上，加上一个目镜，一个管子或调整型透镜。这样的组合导致透镜呈现出严重的色差与球形像差，得到的影像很不理想。于是，他设法在管道中间放置一小隔膜，来降低周围的光线，使影像更明确，以改进其所产生的像差，结果却造成非常暗的影像。因此，他将油灯的光通过充满水的玻璃，使光线扩散来照亮样品，可是得到的影像仍是模糊。1665年罗伯特·虎克发表了显微图谱(Micrographia)，记载了对矿物、植物、动物标本的显微结构的观察结果。其中最出色的观察要算是对软木薄片里密集排列着小孔的发现，他详细地描述了观察的结果，并把这些小孔称为pores或cells。他推想这些小孔是为植物生长供应液体的通道。cell一词的词意是"囚室"或"小室"，他在观察到软木的显微图象时把其中的小孔形象化地称为"小室"(cell)或"小孔"(pores)。Hooke对自己观察到的现象很兴奋，他在描述时说:我一看到这种形象就认为这是我的发现。因为它确是我第一次看到的微小孔洞，也可能是历史上的第一次发现。这显然使我理解了软木为什么这么轻的原因。从Hooke的表述可以看出，他观察到的是软木的物理结构，而不是植物组织的细胞结构。Hooke在显微镜下看到的只是植物死的细胞壁及其围成的腔隙，并没看到原生质体，更谈不到完整的活细胞了。18世纪初，仪器设计师改良了三角架显微镜，改进了更精密的对焦机制，不过透镜的设计一直跟不上，所以大多数的显微镜只能获得模糊的影像与不良的光学上像差。19世纪上半叶，由于消色物镜的发展，有效地降低透镜的球形像差，不会有颜色上的扭曲。20世纪由于分辨率、对比技术、萤光标示与数字影像等的大幅改进，和其他无数的创新，使得显微镜学已在各个不同的领域如化学、物理、材料科学、微电子和生物方面都掀起了革命。1999年。Intel和Mattel合作生产了IntelPlayQX3计算机显微镜，将显微技术与计算机技术有机的结合起来。与19世纪的显微镜相比，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单:光学显微镜已经达到了分辨率的极限。光学显微镜的放大倍数不能任意扩大。因为光的波动性将使你扩大放大倍数的想法破灭。光在通过显微镜的时候要发生衍射-物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的"波长"就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)。1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。很多在可见光下看不见的物体-如病毒-在电子显微镜下现出了原形。电子显微镜下的蚊子用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。简单地说，扫描隧道显微镜不是直接"看到"原子。而是依靠所谓的"隧道效应"工作。这种显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近-大约在纳米级的距离上-隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。因为这项奇妙的发明，Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微镜的发明者Ruska。