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显微镜技术的早期科学故事

已有 1310 次阅读 2020-10-17 18:58 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦| 显微镜, 发现史, 科学故事

一、发明显微镜的人

我们知道,安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632-1723)被称之为“显微镜之父”。其实最早发现显微镜的人,并非列文虎克。

与望远镜的发明很相似,显微镜的第一个发明者也是眼镜制造商,他是荷兰眼镜制造匠亚斯·詹森(Z.Janssen)。1590年前后,詹森在一次偶然的机会下制造了一台水平很低的显微镜。一次,他和他的儿子把几片镜片放进了一个圆筒中,发现通过圆筒可以看到物体的细节,于是他受到启发,认真思索,反复实践,终于制作了世界上第一台简易的显微镜(图1)。

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图1  亚斯·詹森发明的显微镜

这是一台复合式显微镜(含有两个及以上透镜),其原理是使用两个凸透镜,一个把另一个成的像放大。它的放大倍数不大,只有10-30倍,可以观察一些小昆虫,如跳蚤等,因而有人称它为“跳蚤镜”。但是詹森和利珀希(望远镜的发明者,并独立发明了显微镜)一样,都没有认识到显微镜的真正价值,他的发明在当时也没有引起足够的重视。这也许因为:有充满科学好奇心的人,才是技术转化的真正主人

现在一般认为,英国的罗伯特·胡克(1635-1703)和荷兰的列文虎克也曾分别独立发明过显微镜,但他们贡献更重要的是,把显微镜真正用于微观科学观察的领路人。

二、罗伯特·胡克显微镜

罗伯特·胡克是17世纪英国杰出的科学家和显微镜专家,可能得益于汉斯·詹森1590年的发明,他也用两个透镜组合制成了一台复合显微镜(图2)。

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图2  罗伯特·胡克复合式显微镜

早在1665年,他就发表过《显微制图》(Micrographia,也翻译为《显微术》)一书。在书里描述了数百张他在显微镜下观察到的标本的图,例如鸟的羽毛、各种昆虫。在《显微制图》一书中,胡克绘画的天分得到充分展现,书中包括58幅图画,都是胡克用手描绘的他在显微镜下看到的情景,而且每一幅画都是栩栩如生。《显微制图》一书为实验科学提供了前所未有的既明晰又美丽的记录和说明,开创了科学界借用图画这种最有力的交流工具进行阐述和交流的先河,为日后的科学家们所效仿。而且在《显微制图》中他首次描写了细胞。“细胞”一词便是胡克最早用来描述生物微观结构的,他用这个词描述利用复合式显微镜观察到的软木的木栓组织上的微小气孔。有一次他从树皮切了一片软木薄片,并放到自己发明的显微镜下观察。他观察到了植物细胞(已死亡),并且觉得它们的形状类似教士们所住的单人房间(cell),所以他使用cell一词命名植物细胞为cellua。这是史上第一次成功观察细胞。

重要的是,显微镜在沉寂这么多年后,终于又在胡克的手里焕发了光彩。胡克的成果也让科学界发现显微镜给人们带来的微观世界和望远镜带来的宏观世界一样丰富多彩。可惜的是,虽然胡克给我们留下了珍贵的图画资料,胡克自己的画像却一张也没有留存下来,据说唯一的一张胡克画像毁于牛顿的支持者之手。这是因为,1686年牛顿将载有万有引力定律的《自然哲学的数学原理》卷一的稿件送给英国皇家学会时,胡克希望牛顿在序言中能对他的劳动成果“提一下”,但遭到牛顿的断然拒绝。后来,胡克控告牛顿剽窃他的成果。1703年3月3日,胡克在落寞中去世了,在他死后不久,牛顿就当上了英国皇家学会的主席。随后,英国皇家学会中的胡克实验室和胡克图书馆就被解散,胡克的所有研究成果、研究资料和实验器材或被分散或被销毁,没多久,这些属于胡克的东西就全都消失了。

三、列文虎克显微镜

列文虎克1632年出生于荷兰的代尔夫特市,并没有接受过正统的科学训练,年轻时他曾经在代尔夫特市政厅当看门人。他最为著名的成就之一是显微镜的改进以及微生物学的建立,被冠以“显微镜之父”的称号(图3)。

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图3  安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632-1723)

一个偶然的机会,他从一个朋友那里得知,荷兰最大的城市阿姆斯特丹有许多眼镜店可以磨制放大镜,这种放大镜可以看到许多肉眼难以看清的事物。他对此非常感兴趣,想要自己研究一下。但是,眼镜店里面放大镜的价格非常昂贵,他根本就买不起,而他又不想放弃。那怎么办呢?他观察到,放大镜的制作原理很简单,就是把镜片磨成需要的形状,打磨手法也很易学。于是,他开始经常出入眼镜店,认真地暗地里学习磨制镜片的技术,期望可以亲自做出放大镜。功夫不负有心人,1665年他终于制成了他的第一台显微镜(图4)。

列文虎克的第一台显微镜还非常简陋,基本上就是一个美化了的放大镜,它由一个直径只有1cm的镶在铜板上的小圆珠形凸透镜和放置样品的夹板组成。虽然结构简单,但是列文虎克显微镜的放大倍数已经超过了当时世界上已有的所有显微镜。后来,列文虎克对显微镜的兴趣越来越浓,几年后,他辞掉了工作,专心进行显微镜的改进和对微观世界的探索。他制成的显微镜越来越精美,放大倍数也越来越大,最后他制成了可以把物体放大300倍的显微镜。列文虎克制造的显微镜是早期最出色的显微镜,代表了当时制镜的最高水平。在他的一生当中磨制了超过500个镜片,并制造了400种以上的显微镜,其中有9种至今仍有人使用,为显微镜的改进作出了不可磨灭的贡献。

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图4  列文虎克的第一台显微镜

四、列文虎克的科学观察

列文虎克在荷兰的代尔夫特市出生。他家庭条件并不是很好,其祖父和父亲都是编篮人,其父在他6岁时去世。3年后,他的母亲和一名画家结婚,列文虎克在8岁时,被送到离家20英里(32km)的瓦尔蒙特(Warmond)读初级中学。16岁时,他的继父也去世了,同年,他到阿姆斯特丹的一家亚麻布店当学徒并担任店铺的出纳和记账人。1654年,他回到代尔夫特,开始自己的布业生意。在1660—1669年间,他还受雇作了代尔夫特行政长官的管家,相当于看门人。他的第一台显微镜就是在这期间制作完成的。之后,在1669年,他开始担任了荷兰法庭的调查员,1679年后担任酒的检量官。

列文虎克是一个具有强烈好奇心的人,正是因为他的好奇心才促使他发现了别人没有看到的“小动物”。列文虎克在自己制造出显微镜后,就用它来观察一切自己感兴趣的事物。除了布料外,他还会观察一些生物的标本,包括昆虫的翅膀和眼睛、花粉粒等他觉得放大后会非常有意思的东西。他是首先观察并描述单细胞生物的人,他当时将这些生物称为animalcules。此外,他也是最早纪录观察肌纤维、细菌、精虫、微血管中血流的科学家。

观察是最基础的科学研究,列文虎克借助于自己制造的显微镜,使自己成为了科学家“微生物学的开山鼻祖”。当然,他也是发明家“显微镜之父”。

(一)科学成果的首次面世

列文虎克在制成他的第一台显微镜后,仍然不断地磨炼自己的制镜技术,几年以后,列文虎克所制成的显微镜不仅越来越多和越来越大,而且也越来越精巧和完美了,以至能把细小的东西放大到两三百倍。他可能受到罗伯特·胡克《显微制图》的影响,开始观察纤维之外的东西,他也确实发现了很多有趣的事物。列文虎克的朋友——医生兼解剖学家格尼亚·德·格拉夫(Regnier de Graaf)是英国皇家学会的通讯会员,他很了解列文虎克的工作,知道列文虎克的显微镜比同时代的任何显微镜都要好。于是格拉夫鼓励列文虎克把他的显微镜和观察记录送给英国的皇家学会。但是列文虎克认为显微镜是自己的心血、自己的财富,并不想公开。最后他只把自己的观察记录邮寄给英国皇家学会,显微镜则一直隐藏着。

当时科学家的科技通信主要是拉丁语、英语和法语,但是列文虎克并没有受到过正统教育,除了自己的母语荷兰语外,其他语言一概不知。而且他也不熟悉科技文章要求简洁明了的规范,于是他用荷兰语写了一封厚厚的信寄到英国皇家学会。这封信中包括他在显微镜下观察的真菌孢子、普通的虱子、蜜蜂的蜇针和嘴、眼等。1673年,英国皇家学会收到了这封厚厚的信后,打开一看,原来是一份用荷兰文书写的记录,内容冗长且散漫,其标题也是如此——《列文虎克用自制的显微镜,观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》,在场学者们看了后,纷纷笑道: “这真是个咬文嚼字的啰嗦标题。”“这一定是个乡巴佬写的,迷信加空想,这里边说不定写了些什么滑稽可笑的事呢。”不料,他们读着读着就被信中的内容吸引了,里面展现了一个人们所不知道的精彩世界。读完整封信后,这些学者态度大转变,“这是一篇极有价值的研究报告。”同年,皇家学会把列文虎克的信发表在《皇家学会哲学学报》上。从此,列文虎克开始了与皇家学会的通信,通信一直保持了50年,直到1723年列文虎克逝世为止。在1674年时,列文虎克还用他的光学显微镜首次观察到了红血球。

(二)首次发现微生物

列文虎克在对雨水经过多次细致的观察后,终于确认在雨水中确实存在着极小的生物,他称之为“极微动物”(animalcules)。1675年,他又将他的这一观察记录送往了皇家学会,并对一些小动物进行了非常生动的描述:“我用4天的时间,观察了雨水中的小生物,我很感兴趣的是,这些小生物远比直接用肉眼所看到的东西要小,小到万分之一……这些小生物在运动的时候,头部会伸出两只小角,并不断地活动,角与角之间是平的……如果把这些小生物放在蛆的旁边,它就好像是一匹高头大马旁边的一只小小的蜜蜂……在一滴雨水中,这些小生物要比我们全荷兰的人数还多许多倍……”在信中除了对雨水的观察外,还有他对雪水、海水、干净的水的观察记录,他发现,无论什么样的水,都能发现微生物的影子,它们形状各异,在水中以各种方式运动。

开始,人们并不相信列文虎克的发现,说他是骗子。他显然不能忍受这种污蔑,于是请来当时8位有名望的人士作证。但是,一般的显微镜根本达不到放大倍数,而列文虎克又不肯拿出自己的显微镜来,所以,在皇家学会第一次采用与列文虎克标本类似的物体进行观察时,并没有看到任何微生物。所幸,皇家学会的人没有就此否定列文虎克的发现,而是委托学会的实验评议员罗伯特·胡克重复列文虎克的流程并对实验结果进行发表。

前面说过,罗伯特·胡克也是一位经验丰富的显微镜专家。1678年,他重复了列文虎克的实验,令人振奋的是,他真的用自制的显微镜观察到了那些微小的游动生物。他把他的实验公布后,学术界为之轰动,学术机构对列文虎克的发现也由怀疑转变为惊叹:列文虎克发现了新世界!

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图5  列文虎克给英国皇家学会的信中,对细菌形态的描绘

A、C、F、Q:杆菌;E:球菌;H:球菌的聚集体。

(三)观察人体微生物

列文虎克在取得这些成就后,并没有骄傲自满,而是怀着更加虔诚的心继续科学观察。他已经不满足于观察外物,而是进一步投入人体微生物的研究中。

1677年,列文虎克用显微镜观察人类的精液,他兴奋地发现精液里有数以百万计游动的小东西,他称为“精子”。这些精子既不是细菌也不是原生生物,而是男性产生的性细胞配子(gametes)。于是他想到,别的雄性动物的精液里会不会也同样存在精子呢?他又对昆虫类、贝壳类、鱼类、鸟类、两栖类、哺乳类的各种动物的精液进行了观察,果然都发现了精子的存在,并证实了精子对胚胎发育的重要性。他认为雌性的卵子和子宫为新生命的成长提供营养和避难所。不得不说,他发现了事实真相。他的发现为人们认识精细胞和卵细胞的结合产生后代提供了启示,反驳和揭穿了认为生命来自非生物的“自然发生说”的错谬。

后来,列文虎克还观察了胡椒水中的细菌,并写信给罗伯特·胡克,并由此引发一系列文章,被认为是研究细菌学的首批文章。他甚至把自己腹泻的排泄物拿来观察,从中发现了鞭毛虫(giardia)。他还对自己牙齿表面的白色黏性物质进行观察,看到白色黏性物质里充满了细菌,他认为这是导致坏牙的元凶。因为其一系列成就,列文虎克在1680年被选为皇家学会的全职会员。

(四)发现毛细血管与红细胞

列文虎克不仅研究微生物,还对解剖、生殖和植物营养物质传输很有兴趣,对血液很有研究,于1683年独立发现了毛细血管。他还通过观察血液准确地描述了血红细胞。列文虎克还进一步证实了毛细血管的存在。他相继在鱼、蛙、人、哺乳动物及一些无脊椎动物体中观察到毛细血管。1688年,他在描述显微镜下观察蝌蚪尾巴的血液回圈时写到:

“呈现在我眼前的情景太激动人了……因为我在不同的地方发现了五十多个血液回圈……我不仅看到,在许多地方血液通过极其细微的血管而从尾巴中央传送到边缘,而且还看到,每根血管都有弯曲的部分,即转向外,从而把血液带向尾巴中央,以便再传到心脏。由此我明白了,我现在在这动物中所看到的血管和称为动脉和静脉的血管事实上完全是一回事。这就是说,如果它们把血液送到血管的最远端,那就专称为动脉;而当它们把血液送回心脏时,则称为静脉。”

正是列文虎克的显微观察,圆满完成了血液回圈的发现工作。列文虎克在观察毛细血管中的血液回圈时,还发现了血液中的红血球,成为第一个看见并描述红细胞的人。

(五)成功的秘诀

我们来看一下列文虎克的科学成就:1674年发现红血球;1675年发现原生动物;1677年描述了精子;1683年发现了细菌;1688年准确描述了血液回圈和血红细胞;记述并描述了骨骼、肌肉、皮肤等许多器官和组织的构造;1695年出版了他的书,简称《宇宙秘密的发现》。列文虎克的众多研究成果都离不开显微镜的辅助,同时他自己也是显微镜的制造大师,一生制造显微镜无数。

随着列文虎克的名气越来越大,不少记者争相采访。一天,有位记者来采访列文虎克,向他问道:“列文虎克先生,你的成功秘诀是什么?”列文虎克想了片刻,他一句话不说,却伸出了因长期磨制透镜而满是老茧和裂纹的双手。这不是一种最诚挚而又巧妙的回答吗?他一生当中磨制了超过500个镜片,并制造了400种以上的显微镜,他把心血用在显微镜的制造和改进中,显微镜也帮助他发现了一个又一个新鲜事物,取得巨大的成功,让世人都记住了他的名字。

在1723年8月,当他察觉到自己命不久矣时,他交代自己的女儿将两封信和一批礼物送到皇家学会。一封信详细地写着显微镜的制作方法,另一封信这样写道:“我从50年来所磨制的显微镜中选出了最好的几台,谨献给我永远怀念的皇家学会。”这批礼物就是26台精心打造并配以各种标本的银制显微镜,它们被装在黑色的大橱窗里。1723年8月30日,91岁高龄的列文虎克与世长辞。

列文虎克显微镜的其中9种至今仍有人使用。而且,在他逝世200年后,人们才能再次做出放大倍数和解析度可与列文虎克的显微镜相媲美的显微镜。列文虎克不愧为“显微镜之父”。而且,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”,并知道它们会引起人类严重疾病和产生许多有用物质时,更加认识到列文虎克对人类认识世界所作出的伟大贡献。



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