主题:【转帖】显微镜简史

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无式镜
在从未被文字记录下来的那段历史中的某一天,一个腰上挂着树叶串、头上长发飘飘的人一脚飞起一块石子。他用类似于尖叫的语言说:“咦,这是什么东西亮闪闪在地下?”他捡起这块大致像颗棋子的透明石头瞅瞅,“石子对面的世界放大啦~”他的同类还试着用透明圆石头在炎炎烈日下长时间凝视地上一些烂草棍,结果草棍呼的一下烧着了!对大自然打磨的奇妙石头的记忆一直延续到公元1世纪初,在罗马哲学家的笔记中,它们被称为“放大器”(magnifier)或“点火石”(burning glasses);直到13世纪,这些石头终于从脚下一路登鼻子上脸,被赐名透镜(lense),因为它们长得好像一颗小扁豆(lentil)。
随后,“小扁豆”又被人们粘进一根细长筒里。人们就像看万花筒一样,举着这个小筒偷看跳蚤打架,所以这只筒名叫“跳蚤镜”(flea glasses)。它就像眼镜的衍生物,然而已从人脸向前迈出一大步,是未来单式显微镜的雏形。谓之“单式”,因为它不同于你生物课上用过的显微镜,没有目镜、物镜之分,放大多少只由一颗“小扁豆”决定。

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。
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土老冒豆豆
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太白金星
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雾非雾
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1595年,荷兰的著名磨镜师詹森(Janssen)发明了第一个简陋的复式显微镜(如图,其真品已经遗失)。

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(其实这也是最早的变焦镜头)。 复式显微镜的发明,是科学史上的里程碑,人类从此开始认识微观世界。
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单式显微镜的顶峰----列文虎克的显微镜

列文虎克[AntonivanLeeuwenhoek](1632-1723)荷兰代尔夫特人。是生物学发展史上的一位重要人物。一位仅仅受过初级教育的天才科学家和显微镜制造者。他手工制造的单显微镜质量如此之高,以至于现在都无人能够仅凭双手制造出比它们更好的单显微镜。他最先发现了细菌,从而开创了微生物学。他还正确地描述了微生物的形态有球形,杆状和螺旋样等。他还证实了毛细血管的真实存在而结束了有关血液循环的争论。他首次描述了昆虫,狗和人的精子。他还指出:在所有露天积水中都可以找到微生物。这是人类认识微生物的分布的一次进步。


他一生亲自磨制了550个透镜,装配了247架显微镜,为人类创造了一批宝贵的财富,至今保留下来的有9架,现存于荷兰尤特莱克特大学博物馆(UniversityMuseumofUtrecht)中的一架的放大倍数为270倍。分辨力为1.4μm。在当时,这个水平是很高的,直到19世纪初所制的显微镜还未超过这一水平。
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十八世纪中使用最广泛的显微镜:卡夫(Cuff)显微镜。

Cuff显微镜的功能在当时是最多的。它共有三种性能:透射观察,落射观察和活体观察。但它的光学性能还是很糟糕。它的放大倍数不大:最低放大倍数为45倍,最高为100倍。它有很严重的色差和球面像差。它的分辨率极低,只有10微米(现在的光学显微镜最低分辨率也在1微米以下)。尽管如此,Cuff显微镜仍是当时最好的复式显微镜。
雾非雾
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历史上最精美的显微镜----Wenham的显微镜。

由英国伦敦人FrancisWenham在1882年制造。它有着当时最为精巧先进的齿轮传动系统和齿轮调焦系统,聚光系统还有成像系统。它的物镜和目镜的质量在当时都是最高的。这个显微镜的最突出的特点是它的齿轮传动装置。这个显微镜的镜座,镜臂,载物台都可以旋转。其中,镜座和载物台的旋转幅度较大,为360度。旋转镜座可以改变显微镜的朝向,旋转镜臂可以调节显微镜的倾斜度,旋转载物台可以使样品发生转动(这一功能在今天的显微镜中已很少采用,取而代之的是可以作横向和纵向运动的移动台)。总之,它是十九世纪中性能最好的显微镜,也是历史上最精美的显微镜。
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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。
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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)。具体图像请见《美的眼睛和显微镜》一文,那里是光学显微镜的天下。



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,因此在《美的眼睛和显微镜》一文中出镜的小鸡胚胎和采采蝇头都是立体的。
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