显微镜与微观物质世界:探索微观世界的“窗口”
显微镜下有乾坤,一粒沙便是一整个世界。

你以为你看到的世界是完全真实的吗?两个意外的发现,就能颠覆人们的三观。通过改良后的望远镜,我们窥探到了宏观宇宙世界的奥秘;另一个发现,则打开了微观世界的秘密通道,它就是光学显微镜。

光学显微镜(Optical Microscope),是利用光学原理,把人眼所不能分辨的微小物体放大成像,以供人们提取微细结构信息的光学仪器。但令人吃惊的是,它的发明者列文虎克并不是什么受过高等教育的科学家,而是当时一个名不见经传的小裁缝。这究竟是怎么一回事呢?

作为中国教科书里的网红,列文·虎克已成为观察入微、看什么都能放大细节者的代名词。而之所以造成这个现象,不仅因为这个名字比较有高级感,更重要的是,列文·虎克还是个如假包换的好奇心青年。

17 世纪,航海技术的大发展使欧洲人的视野拓展到大洋彼岸,人们对大自然的兴趣也日益剧增,在这个过程中,宗教的制约日益衰减,学者们开始向大自然提出刨根问底式的质疑。1660 年,一群不怎么“本分”的知识分子聚在一起,成立了“伦敦自然知识拓展皇家学会”,试图用观察、实验的方式来探究世界。这个组织就是今天众所周知的英国皇家学会

位于伦敦的英国皇家学会

这群知识分子里聚集了诸多大牛,比如圣保罗大教堂的设计师克里斯托弗·雷恩爵士,酸碱指示剂的发现人罗伯特·波义耳,甚至还有设计了显微镜的罗伯特·胡克。但这一切跟列文·虎克都没什么关系,因为,他此时正靠着裁缝谋生,挣扎在贫困线上。

1632年,列文·虎克出生在荷兰一户贫困家庭。在他很小的时候父亲就去世了,而母亲根本没有钱供他读书。那时,欧洲还没有进行工业革命,许多事都得靠手工来完成,对贫苦人家的孩子来说,裁缝不失为一个傍身的好手艺,所以他16岁就到布店做学徒,直到快40岁才跳槽去市政厅当看门人。于他而言,诸如科学家这类高大上的职业,是完全不敢想象的高度。而改变这一切的,就是他的好奇心。

列文·虎克的画像

当时,光学镜片的发展已经初具规模:

公元前1世纪,人们发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放大成像,逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识;

1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器;

1610年前后,意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时,改变物镜和目镜之间的距离,得出合理的显微镜光路结构,当时的光学工匠纷纷从事显微镜的制造、推广和改进;

1665年,英国科学家罗伯特·胡克用自制的复合显微镜观察植物组织,发现了植物细胞,并命名为“cell”;

到了列文·虎克所处的时代,人们已经学会了磨制玻璃镜片,用于矫正近视,或者用来制作显微镜和望远镜。尤其是显微镜,它是许多科学家梦寐以求的工具,通过它,人们可以看到许多肉眼看不到的新奇东西。

年近40岁的列文·虎克,对此居然迸发出了比年轻人还要强烈的好奇心,他也想要一台显微镜,奈何钱包不允许。庆幸的是,裁缝出身的他善于动手,且看门人的工作有一大把空闲时间,于是,他就自己买来镜片磨,磨完一片再来一片……

列文·虎克显微镜的复制品

有一次他用镜片观察的时候,奇迹发生了!他居然看清了手指皮肤表面粗糙的纹理。但他不满足于此,还想看得更清楚。于是开始磨制更为精密的镜片,玻璃、宝石、钻石等材料他都用过。在这种孜孜不倦的努力下,他一生磨制了500多个镜片,制作了400种以上的显微镜,并第一次发现了微生物,并且把它命名为拉丁文“狄尔肯”。

虎克用自制的显微镜观测动植物

此外,他还发现了精子活动的现象,记录到红细胞的存在。并最早记录了肌纤维、微血管中血流……

其实,以现代的视角来看,列文·虎克所制作的显微镜相当简陋,基本上就是一个美化了的放大镜,即在金属支架上加一个玻璃镜片,把观察的样品扎在镜头前面的针上,眼睛在镜头后面观察,通过调整旋钮调节样品的远近,就可以看清物体。

虽然结构简单,但是放大本领却非常不一般,可以放大三百到四百倍,是当时世界上最先进的显微镜。拿着这个显微镜,列文·虎克去观察所有他能找到的东西,牙垢、跳蚤、雨水都是他的观察对象,一个神奇的微观世界揭开了神秘的面纱。

列文·虎克绘制的细菌草图

列文·虎克的发现震惊了当时的社会名流,许多人纷纷向他求购显微镜,这其中甚至包括了英国女王和俄国沙皇。后来,他将自己的发现寄给英国皇家学会,最终在经过罗伯特·胡克几个月的研究认定后,英国皇家学会决定授予这个没受过什么正规教育, 连英语都不会说的荷兰看门人——英国皇家学会会员称号。同时,列文·虎克也被认为是微生物学的开拓者,被称为“微生物学之父”。

曾向虎克求购显微镜的英国女王安妮

光学显微镜的发明,解决了认识微生物世界的第一个障碍,为后续科学家的研究提供了极大的方便。自从有了显微镜,人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。

在列文·虎克自制显微镜的基础上,19世纪出现了高质量消色差浸液物镜,使显微镜观察微细结构的能力大为提高;

19世纪70年代,德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础,促进了显微镜制造和观察技术的迅速发展,并为19世纪后半叶,包括科赫巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。

谁也无法估量显微镜对发现微观物质世界的重要价值。利用显微镜,测量世界的尺度不断被新的纪录打破,在跨入纳米时代后,科学家们还在追求人工改造微小世界里的生灵,以求更好地理解与把握生命与自然。

如今,随着科技的发展,放大几十万倍的电子显微镜,使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。普通中学生物教学大纲中规定的实验,大部分更是要通过显微镜来完成,显微镜性能的好坏已成了做好观察实验的关键。

阅读数 2.4万