【分享】显微镜发展史

单式镜




现代实验室显微镜即使配以“雕梁画栋”，也未必可以卖得更贵，因为雕梁画栋违背了现代人讲究目的和实用的原则。因此我们常常难以理解为什么历史上许多划时代的发明刚刚出现的时候，人们想不到用这些发明改变世界，却只把它们当成丰富视觉享受、甚至象征贵族生活的道具。当我看到十七世纪初那做工精美的“单式镜”，真想搞一个来摆在家里——纯装饰。当时，人们却可以用它来观察桔子表皮，具体做法是：取一只桔子，噗地一声扎在针尖一样的“载物台”上，从直立的单片镜片背后即可观看一只疼痛的桔子。前后移动桔子可以改变放大倍率，只是她挺沉的，晃晃悠悠地不太稳当。（图一）

单式显微镜达到登峰造极的水平是在列文虎克。如果我没有记错，中学的生物是从列文虎克发明显微镜开始的。其实，不论“单式”还是今天普遍应用的“复式”（即多个镜片前后排列，如目镜+物镜），发明者都不是他。只是这一点损失对于列文虎克作出的贡献无伤大雅。前边提到，单式显微镜的放大本领只能依靠一颗“小扁豆”来实现，要想让镜片放大率增大，镜片焦距必须很短，扁豆必须很小，这就需要很高的打磨工艺——如果你是用打磨的方法。一般人能磨出放大率几十倍的镜片已经很了不起，于是列文虎克来了。

插曲：人物传

作为一个篮子手工业者的儿子，列文虎克从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1µm大的细节。但是手工艺人精神大放光芒，他说：“有些秘密手段我得自己留着。”他在这一点上非常成功。直到250年后（上世纪五十年代）真正的“列文虎克镜片”才通过美国人之手再次人间显现。其实，在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴“小扁豆”，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。看到今日的人们一拍脑门恍然大悟，列文虎克倚在天堂的栏杆上得意地笑了。


用这种方法，列文虎克一生一共做了500多架单式镜，可惜他太讲求完美，镜身全是货真价实的金和银（也有人说有黄铜的），在他死后，这些宝贝被卖了好价钱，流落民间再不见踪影。（图二：可以看出这种单式镜有多小，小孔内有镜片。具体用法是将物体扎在小孔一侧，人从小孔另一端观看。）

世界上那么多手工艺人，为什么列文虎克如此出名？这是因为他拥有全地球第一只观察到细菌的人类眼睛。实验初衷本是“寻找辣椒中的辣成分”，结果不知是成心还是忘记，一小片辣椒竟被他泡了3星期之久。没有持家经验的列文虎克非常单纯地取出一滴进行了观察，却看到一系列在水里忙碌跑动的“小动物粒”（animalcule）（图三，可见行动轨迹）。通过计算，他说：“在一粒沙子这么大的空间能容得下一亿个‘小动物粒’”。从这句话，我们不仅知道列文虎克懂得体积的计算以及简单除法，而且能推测出他看到的就是细菌。另一位微生物学家胡克尝试了用水泡其它瓜果蔬菜，证实了以上结果是可重复的。


除了辣椒水，列文虎克还观察了从下水道水到精液，从头发到昆虫脚的几乎所有能找到的东西；人们看到原来竟有这么多不为人知的小世界同我们的生存空间并行不悖，是所谓“一花一世界，一沙一天堂”。列文虎克尤其对牙垢不离不弃，在以身试法之后，还将牙签对准了妻子和女儿的牙缝。最后一次问候牙齿是在第一次揭示人口腔细菌的14年后，取样对象是自己一颗“残存臼齿的中空牙根”。又过了10年，七十岁的列文虎克已没有牙缝，于是他坚毅地将关怀对象转向了“发烧时舌头上厚厚的白色的发出腐败味道的物质”。几十年屡屡探寻，他对人口腔的好奇心是否得到满足了呢？上帝与人类牙垢的比较研究进行得如何了呢？也许对于列文虎克来说，这些都是不存在终极解答的问题吧。

复式显微镜


对于手笨而无法制出2毫米“小扁豆”的人，也有迂回之计——早在列文虎克诞生之前40年，荷兰眼镜制造商已发明出用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫“复式”。然而列文虎克可以无视这种复式镜的发明，因为联手的双镜片足足花了150年才赶上他单镜片的水准。当然其中仍有佼佼者，那就是前边提到同样泡过蔬菜水的胡克和大名鼎鼎的伽利略（图四：伽利略显微镜）。为了与望远镜那“看得更远”（tele+scope）的梦想对仗，人们将伽利略的“复式镜”起名为“看得更小”（micro+scope）——直到今天，“看得更远”和“看得更小”仍在向两个极端推广人类视野。

那时的显微镜情趣十足，有金色、银色和实木的镜身，最豪华的有小银人雕像，好像一个八音盒；下边常常自带杂物抽屉，可以装一些小手饰和小零件，有的甚至可以把自身都装进去（图五）。

后来水族馆一族想到把镜片安在水盆里看水下生物；机械能手开发出齿轮调焦；摄影爱好者给小巧的显微镜安上硕大如手风琴风箱一般的相机（图六）——大家各设所需。目镜多数仍是“单目”，这种传统被保留至今——在我大学生物课上一项必需的技能就是一只眼观察镜筒，另一只眼盯住桌上的纸，看着铅笔把镜筒中的花花世界画出来。

现代科研中最常用到的显微镜将明视场和荧光显微镜合二为一，简而言之，前者用全色的白光照亮被观察的细胞或组织，看它们本原的颜色，分辨其边界和起伏；后者用单色光照射观察对象内部或表面的荧光蛋白，再看荧光蛋白在细胞何处发光。结果，一个像是打着手电在黑屋子里找一根霓虹灯管，另一个像是把霓虹灯打开，在黑暗里看它（图七，左边为荧光，右边为明视场）。


而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半——自然光的平均波长为0.55µm，所以分辨率能达到0.275 µm，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。

最后值得一提的一种光学显微镜名叫“解剖镜”，即体视镜（stereoscope）（题图），通常用它观察有一定厚度的物体；放大率不到100倍，但已经能让你清楚地看清果蝇的眼睛和花药里一粒粒的花粉。不同于一般复式显微镜，它用两套光路分别向人的两只眼睛成像，就像双目的延伸，都是立体的。

超越光的极限——电子显微镜

自从镜头下的物体第一次被光线照亮，光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔，分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55µm，这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 µm的细节。

若想继续用可见光做显微镜的光源，必须缩短它们的波长，唯一的办法是让光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速这个定值，相对论则会被推翻，时间机器就会存在，电影《无极》中的情景可能成真，我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者……大家知道这是不可能的。

这样，光学显微镜的发明使人们的目光从“一面墙”倏的一下集中到了墙上的“一块块砖头”；但由于光线无法提速，就无论如何敲不开砖头，看不到它们的内部去。随着时间的推移，天文学家望到越来越多的天体，只是不可触及；对生物学家来说，细胞尽在咫尺，然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。

对可见光下不可见的微观世界猜了四百年，那时的人们自然地认为，细胞内部如同一锅稠粥，用专业的话讲，细胞就是一口袋“蛋白酶”。

质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性，令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王，早年曾毕业于历史专业，却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚，不知是否启发了德布罗意对“波”的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业，5年后，为他赢得了诺贝尔物理学奖，自此开创博士论文获得诺奖的先河；而它对本篇文章最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大，以至波长缩到光子的1/100000。如果用电子做“光源”，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高，就可以看到更加细微的物体了。

1931年，一束轻盈的电子在一条一米多高的巨型金属柱中加速（图为一台1933年制作的电镜），继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。这台试验品就被定义为“世上第一台电子显微镜”（电镜），尽管放大本领和一把手持放大镜差不多，但它却标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。电镜诞生后，电子被不断提速，其波长越来越短，能照出的细节也越来越精致——10年之内，电镜的理论分辨率已达10纳米（当然那时没有真正实现），是细胞膜的厚度。




然而，正当前途试探性地铺展开，二战的炮声打响，西门子刚刚兴建的实验室毁于空袭；两位重要的科学家失去生命，电镜史中留下辛酸一笔。

镜头跳转至1945，细胞学为这个年头欢欣鼓舞。在纽约一间黑漆漆的屋子里，一个完整细胞第一次在墨色的电镜底片上留下它舒展的身影（图），其内部格局依稀可辨。在发表这幅照片的文献中，作者Porter好奇地对着这个宝贵的模特儿远观近瞧，并对每一条细小的分叉和每一处模糊的颗粒详加论述，留有15幅“明星照”为证——人们借助电镜首次清晰地看到，细胞内部原来不是“一锅粥”，而是分门别类码好的。Porter在随后的研究中依据无数电镜照片对细胞内部这些高度有序的门类加以命名，其中最著名的如“内质网”、“微管”、“纤毛”和“衣被小泡”。可惜在若干年后，诺贝尔奖在评选“细胞生物学先驱”时却略过了这位第一次近距离窥视完整细胞的科学家；不过，他留给当代和后代人那些电镜照片，则确实地见证了细胞生物学随电镜技术日渐完善而发展的脚步，使得Porter作为“细胞学之父”而被许多人记住。