微观的世界在低鸣:显微镜是怎样从“简陋”变成“高大上”的?

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就像鱼不知道水为何物一样,人类长久生活在微观世界组成的宏观世界里,但是却并不知道那些微小世界里的图景

但是,那些细小的生物和构造,却好比深渊里的神秘怪物,时不时地在“低吼”。冥冥之中,它们在召唤着我们,最终大师们通过一台台设备,发现了它们!

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罗伯特·胡克显微镜

可能是因为被跳蚤咬了,突发奇想的英国科学家罗伯特·胡克(1635-1703)找到了这个“小家伙”,然后硬塞入一款由他发明的显微镜。

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胡克发明的显微镜

结果画出了一张堪称经典的跳蚤肖像。

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罗伯特·胡克画的跳蚤像

其实,这架显微镜的模仿样式来自于伽利略显微镜。下图就是伽利略发明的显微镜

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伽利略发明的显微镜

世界上最早系统记载昆虫细微结构的记录,就是来源于伽利略的手稿。所以,伽利略也被很多人认为是显微镜之父。

其实该显微镜的构造,基本上继承了伽利略在天文望远镜上的影子。

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伽利略发明的天文望远镜

而该望远镜也真是伽利略真正收获科学地位的坚实基础。而罗伯特·胡克,只不过是将其进行了改良,

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胡克的显微镜构造

原理:胡克在进行观察时,需要在放置油灯的地方,点燃油灯。然后光线由一个装满水的球状水壶,进行聚焦,然后照射至样品放置处,最由类似“望远镜”的复式光镜结构,进行观察。

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罗伯特·胡克其人

罗伯特·胡克毕业于早年的牛津大学,也是英国皇家学会的创始人之一。在他那个时代,根本就没有科学一说,有的完全是“娱乐”。当时,贵族们对这些其他的事物很好奇,所以资助了相当一批人前去做相关的探索和调查。

这也是早期很多科学活动的经费来源。胡克于1662年,被任命为英国皇家学会的试验室主任。他的任务就是每隔一段时间准备几个试验,供英国皇家学会的会员们察看、分析、猜想。这个事情罗伯特·胡克做了40年。

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罗伯特·胡克

罗伯特·胡克在历史上的最显著的贡献有两个。一个就是发现了胡克定律,即弹簧的弹力大小与它的被拉长量成正比。其次,就是他发明了复式显微镜,并以此观察了很多“微观世界”。

当年刚发明显微镜的胡克,简直就好比一个顽皮的孩子。他只要逮到某个东西,他就会把它扔进自己的显微镜下。

比如,当他将植物扔进自己的显微镜时,他看到了“一个个小房间”。为此他取名cell,也就是细胞的意思。以后,人们对于细胞的称谓就由此展开。

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胡克看到的植物组织中的“小房间”,命名为细胞

当他被虱子咬了,他就突发奇想,逮到一只虱子,也同样扔进了显微镜, 最终看到了下面这种手绘图。

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胡克手绘的虱子

为此,他写了一本叫做《Micrographia》的书,翻译名叫做《显微志》。这本书是英国皇家学会最为畅销书之一。里面涵盖了很多当年胡克通过光镜观察到的细微世界。而这个世界,对于当时的人们来说,是无比神奇的,所以该书在很长时间里保持畅销也就情有可原了。

胡克虽然在微生物学界如雷贯耳,但是,在当年他死后却并没有什么名声。原因可能与牛顿的争论有关。因为当时的牛顿是俨然成了活着的真理。虽然牛顿的杰出工作彪炳千秋,但是,牛顿其人却是个不折不扣的“性格古怪”。

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偏执狂牛顿

牛顿脾气很大,而且很高傲,他严重看不起世间的“凡人”。据说他一辈子未娶,就是因为他觉得“女人”实在是蠢的出奇,不屑于“与之同流合污”。

而且牛顿小气也是出了名的。当年莱布尼茨和牛顿争微积分的发明权,结果导致牛顿的往后的生活中,除了做点研究之外,就是写一些抨击莱布尼茨的文章。

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而胡克与牛顿的矛盾,直接导致了在他去世之后,名声一直被打压着。

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荷兰商人安东尼·列文虎克

安东尼·列文虎克,年幼时只不过是一名杂货铺的学徒。但是,在杂货铺的隔壁有一家眼镜店。当年只有十几岁的列文虎克,第一次看到那些亮晶晶的光镜时,仿佛丢了神。

凭借着浓厚的兴趣,他孜孜不倦地扑在了打磨光镜的技术学习上。终于,辛勤付出有了成果,列文虎克当年的光镜打磨技术远远领先于欧洲其他地方。

在当时那种情况下,他居然就能造出放大300倍的光镜了。而在此之前,人们是连想都不敢想的。

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安东尼·列文虎克

显然,列文虎克并没有多少关于伽利略等人的光镜知识。他只是一位学徒,后来成为了一名商人。于是,他制造的显微镜,和此前人制造的显微镜有一点不同。

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列文虎克发明的显微镜

稍微不注意的人,还以为这只是块“铁板”而已。实际上,这是当时最先进的显微镜——列文虎克显微镜!

这款设备看起来虽然简陋,但是,该有的功能都有。

原理:人们要使用它时(下图),只需将被观察物放置在靠近光镜的固定位,旋转升降架的旋钮,将样品固定在合适的位置。最后,通过旋转对焦旋钮聚焦,以便清楚的观察到物体。

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列文虎克显微镜的结构名称

当年,列文虎克就是用这款设备,接着灯光,眯着眼一点一点地观察。最终,他描绘了很多当时人们未能观察到的“微观世界”。比如,他重新发现了红细胞等,使得大众见识到一个全新的世界。

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列文虎克的工作场景

正是他的杰出工作,这位商人科学家,人们才真正开始关注到这些“曾经并不存在”的微观世界。

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科勒与现代光学显微镜

虽然列文虎克的显微镜“很先进”,他的光镜放大倍数很可观,但是,当时的光线照明系统却很糟糕。透过光镜观察事物,是一件辛苦活。不仅光线昏暗,而且总得眯着眼看,让人抓狂!

直到200多年后,德国科学家奥古斯特·科勒(August Köhler),在前人的基础上,改进了显微镜的照明系统。

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奥古斯特·科勒(August Köhler)

比如1914年的一款显微镜样式,我们就已经看到光学显微镜的基本构造已经确定下来了。

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1914年发明的一款光学显微镜

以后虽然光镜的打磨技术还在不断精进,但是,最主要的改进主要还是在光镜的照明系统。最终在1955年在科学家Frits Zernike等人的努力下,最终出现了现代意义上的光学显微镜。

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现代光镜的照明系统的得益于科勒等人的杰出工作

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更先进的电子显微镜

虽然,相较于几百年前,人类在光学显微镜上的成就已经非常卓著。但是,光学显微镜有着它的极限,目前光学显微镜的分辨率为0.2μm(微米)。这严重限制了我们进一步地去观察更细微的结构。

于是,从上世纪处,科学家们就在构思如何发展分辨率更高的显微镜。终于,人们在光学显微镜的基础上,借助电子衍射等技术,发明了透视电子显微镜技术。该技术将其精度提高1000倍,分辨率达到了2nm(纳米)

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透视电子显微镜发明人:德国科学家厄恩斯特·卢斯卡(Ernst Ruska)

1931年,德国科学家厄恩斯特·卢斯卡(Ernst Ruska)等,发明了透视电子显微镜。下图是1933年的卢斯克等人的电子显微镜成品。

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Ernst Ruska等人发明的透视电子显微镜

该电子显微镜之所以叫做“透视”显微镜,是因为该电子显微镜是借助电子束穿透样品后,形成一个影像,再将该影像通过光学显微镜放大得到结果。

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普通光镜和电子显微镜的放大原理对照图

原理:在光学显微镜中,人们需要依靠一个外来的光源透过样品,最终将该像经过层层放大,最终得到我们所要的图像。而在透视电子显微镜中,它的光源由电子枪放射的电子束所取代,该电子束在电极处释放,透过极其薄的样本,形成影像,最后在光学镜的帮助下,得到图像。

电子显微镜的光路与光学显微镜相仿,可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。

使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中,图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本,因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。

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透视电子显微镜下的细胞构造

原子量越高、电压越低,样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分,电子束散射较少,这样就有较多的电子通过物镜光栏,参与成像,在图像中显得较亮。

反之,样品中较厚或较密的部分,在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密,则像的对比度就会恶化,甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。

透射电镜的分辨率为纳米级别,放大倍数为几万~几十万倍。由于电子易散射或被物体吸收,故穿透力低,必须制备更薄的超薄切片(通常为50~100nm)。

虽然,现在已经有更加先进的电子显微镜,但是,厄恩斯特·卢斯卡的工作毋庸置疑!于是,卢斯卡获得了1986年的诺贝尔物理学奖!

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总结

一路走来,每台设备都承载着人类对“全新的“”微观“的世界,充满着好奇和探知。从伽利略时代开始,到现代第一台电子显微镜诞生,这个过程具有只有区区的几百年时光。

这是一个科技大发展的时代,每一种重大科学技术的发展和诞生,都是人类开启“新门窗”的新纪元!我们要致敬那些历史上的伟大人物,同时,一往无前地奔向新的探索之中!

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