开启微观世界的钥匙——显微镜

显微镜——放大镜2.0版本

　　早在公元前1世纪，人们就已经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。后来有了放大镜、眼镜等光学器具。

　　1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者在放大镜原理的基础上发明了显微镜。

　　光学显微镜分为单式和复式两种。单式显微镜的实质就是一台高倍放大镜，构造简单，呈正实像。

　　我们都知道，放大镜是根据光的折射原理制成的，中央较厚，边缘较薄的透镜。凸透镜对光线有会聚作用故又称聚光透镜。但是，它有一个致命的缺点，那就是它的焦距与透镜直径成正比，而焦距又与放大倍数成反比。也就是说，焦距越短，放大倍数越大，而透镜直径就越小。太小的的透镜在当时根本制造不出来。因此当时放大镜的放大倍数最多不过25倍。众所周知，体积较大的一些纤毛虫的长度也不过0.1毫米，放大25倍后也才2.5毫米大，它内部的细微结构就更看不清了。因此为了观察更多的细微物体，人们迫切需要一种更好的放大工具。

　　复式显微镜时代来了

　　1595年的一天，荷兰一位名叫詹森（H.Janssen）的少年，无意中把两片大小不同的凸透镜重叠在一起。当他把两个镜片移动至适当的距离时，发现很小的东西一下子被放大了好多倍。他把这个奇异的现象告诉了父亲，父子两人随即动起手来，做出了第一个复式显微镜。这台显微镜的镜筒大约长18英寸，直径约2英寸，两个镜头都是凸透镜，分别固定在镜筒的两端。物镜是一个只有一个凸面的单凸透镜，目镜是一个有两个凸面的双凸透镜。当这个显微镜的两个活动镜筒完全收拢时，它的放大倍数是3倍；当两个活动镜筒完全伸出时，它的放大倍数是10倍。

　　复式显微镜的出现是一项里程碑式的成就，我们今天所使用的光学生物显微镜就是由其发展而来的。

　　镜筒里的故事

　　英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635～1703）的研究工作使显微术变得流行。1665年，胡克自己设计制造了一架由上下两块透镜组成的复式显微镜，观察了栎树皮的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并为这些蜂巢状的小室起名为“cellar”。细胞的英文“cell”即为他所定名，一直沿用至今。其实，他所观察到的只是纤维质的细胞壁，并非完整的活细胞，但这一发现开创了显微镜以后的发展方向。同年，他发表了《微观画集》一书，展示了他在显微镜底下看见的昆虫器官的精细图案。此外，他还对显微观察进行了最早的论述，并详尽无遗地说明了有效使用显微镜的方法。

　　胡克制造的显微镜是早期性能最出色的复式显微镜之一，它用一个半球形单透镜作为物镜，一个平凸透镜作为目镜。镜筒长6英寸，但可用一个附加的拉筒来加长。镜筒用螺丝装在一个可活动的环上，后者装在一个立架上。待察物体固定在一个从底座伸出的针状物上，并用一只灯照明，灯上附装有一个球形聚光器。胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。

　　最早把显微镜应用于生物医学领域的是意大利人马尔比基（Marcello Malpighi，1628～1694），他早期从事的工作是用显微镜研究青蛙的肺。1660年，他发现青蛙的肺里布满了复杂的血管网，这种结构使血液在肺内很容易将空气带走，而且正是这种血管网连接了肺动脉和肺静脉。后来，他又在蛙体的其他部位也发现了十分纤细的血管。尽管肉眼无法看见这些血管，但是它就是今日我们十分熟悉的毛细血管，正是它们将身体内部各处的动脉与静脉相连通。

　　马尔比基还用显微镜研究了蚕，他发现这种小动物有一个十分复杂的呼吸系统，用来呼吸的小管遍布全身。后来，他发现植物茎秆内也有这样的小管，这使他发明了比较解剖学方法。在大量观察的基础上，马尔比基提出呼吸器官的大小与有机体的完善程度成反比，有机体越低级，呼吸器官比例就越大。

　　此外，马尔比基还用显微镜发展了法布里修斯和哈维所开创的胚胎学研究，对小鸡在鸡蛋中的发育过程做了仔细的观察。

　　荷兰的业余科学家列文虎克（ Avon Leeuwenhoek，1632～1723）为显微镜的发展和生物学的进步做出了重要贡献，他自幼没有接受过正规的科学教育，但对新奇事物充满强烈的兴趣。一次，他从朋友那里听说荷兰最大的城市阿姆斯特丹的眼镜店可以磨制放大镜，用放大镜可以把肉眼看不清的东西看得很清楚。他对这个神奇的放大镜充满了好奇心，但又因为价格太高而买不起。从此，他经常出入眼镜店，认真观察磨制镜片的工作，暗暗地学习着磨制镜片的技术。功夫不负苦心人，1665年列文虎克终于制成了一块直径只有0.3厘米的小透镜，把这块小透镜镶在架上，又在透镜下边装了一块铜板，上面钻了一个小孔，使光线从这里射进而反射出所观察的东西，就这样列文虎克的第一台显微镜研制成功了。几年后，他终于制出了能把物体放大300倍的显微镜。由于他没有多少光学知识，所以没能造出复式的显微镜，但是他的透镜放大倍率高，所以这种只用一个透镜的单显微镜也十分管用。在他的透镜下面出现了一个无比丰富复杂的世界，他使用这些显微镜观察到了许多动、植物的活细胞与原生动物。

　　伴随着历代科学家的艰辛探索，到18世纪显微镜已有许多改进，放大率、分辨率及其他性能得到大幅的提升，应用也变得较为普遍，开始作为商品进行生产。到了19世纪，显微镜观察微细结构的能力大为提高。1872～1873年，德国物理学家和数学家阿贝（Ernst Abbe，1840～1905）提出了光学显微镜的完善理论，从此，镜头的制作可按预先的科学计算进行。同时德国化学家肖特（Friedrich Otto Schott，1851～1935）成功地研制出供制作透镜的优质光学玻璃。他们和德国显微镜制作者卡尔·蔡司（Carl Zeiss，1816～1888）合作，建立了蔡司光学仪器厂，于1886年生产出具复消色差油镜的现代光学显微镜，达到了光学显微镜的分辨限度。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展。

　　从19世纪后期至20世纪，显微镜的发展已不拘泥于光学领域，各种原理各异、功能优越的显微镜被发明出来，如：偏光显微镜、暗视场显微镜、相差显微镜、干涉差显微镜、荧光显微镜、电子显微镜以及共焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描隧道电子显微镜（STM）。由此导致的新技术革命也如火如荼地展开，人类已经开始在微观世界大显身手，探寻更加深层次的未解之谜，在认识自我、认识自然界本源的路上不断前行。