這都要?dú)w功于16世紀(jì)一個叫Zacharias Jansen的荷蘭人,我們不清楚他如何想到將兩個鏡片疊在一起并放在管子的兩頭,但是這個奇怪想法催生出的工具,卻能夠在壓縮最小的時候放大3倍,拉到最長時可以放大達(dá)到10倍。他在孩童時期的嘻哈把玩,將我們帶進(jìn)了令人瞠目結(jié)舌的微觀世界。
▲玩出來的顯微鏡
很奇怪,做出顯微鏡的第一人不是生物學(xué)家,而是一個觀星的人——現(xiàn)代物理學(xué)與天文學(xué)之父伽利略。1609年,在聽說了這個孩子的發(fā)明后,他不僅研究明白了這些鏡片在一起能夠放大很多倍的原理,還制造出了一臺更為精密的工具,并將其命名為occhiolino(也被稱為little eye)。從此,現(xiàn)代意義上的顯微鏡走進(jìn)人們的視野。
然而,顯微鏡真正發(fā)展成為一個學(xué)科,成為窺視微觀世界的獨(dú)門兵器,還是要等到17世紀(jì)六、七十年代。列文虎克,這個出生于1632年的荷蘭小伙子,在稚嫩的年紀(jì)就不得不面對父親的去世,被迫來到阿姆斯特丹的一家干貨商店當(dāng)學(xué)徒,在那里他接觸到放大鏡,產(chǎn)生極大的興趣。閑暇之余,他便耐心地磨起了自己的鏡片?;蛟S是太無聊,或許是太好玩,他一生中竟然磨制了400多個透鏡,放大倍數(shù)竟然可以達(dá)到300倍!利用自制的顯微鏡,列文虎克為我們展現(xiàn)了一個全新的微觀世界,他第一個發(fā)現(xiàn)并描繪了細(xì)菌,展現(xiàn)了一滴水中的世界,準(zhǔn)確地描述了紅細(xì)胞,證明了馬爾皮基推測的毛細(xì)血管層是真實(shí)存在的,他成為了微生物學(xué)的奠基人。
與列文虎克同期的,還有一個叫做羅伯特•胡克,被稱為“倫敦的萊奧納多•達(dá)•芬奇”的英國博物學(xué)家。你說對了,“胡克定律”就是以他名字命名的。他不僅提出了彈性材料的胡克定律,萬有引力的平方反比關(guān)系,設(shè)計(jì)了真空泵,還利用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了軟木中的“小室”,并將“cell”一詞深深地刻進(jìn)了現(xiàn)代人的腦海中。從此,顯微鏡的發(fā)展進(jìn)入了快車道,出現(xiàn)了形式多樣、擁有不同功能的各色顯微鏡。
▲光學(xué)顯微鏡
燈泡的發(fā)明讓那些狂熱的顯微鏡粉絲們欣喜不已,終于可以在晚上也可以使用高倍鏡片來觸摸微觀世界了。但是當(dāng)他們將光源經(jīng)聚光鏡投射在被檢樣本上后,卻發(fā)現(xiàn)在視野中除了有那些小東西,竟然還發(fā)現(xiàn)了燈絲的影像。直到1893年,一個叫柯勒的年輕人,發(fā)明了二次成像技術(shù),成功地將熱焦點(diǎn)落在了被檢樣本之外,不僅光線均勻了,而且也不會損傷樣本。這種被稱為柯勒照明的光源系統(tǒng),成為了現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡的關(guān)鍵部件。
顯微鏡的變革,也使細(xì)胞學(xué)迎來了最為輝煌的發(fā)展時期。細(xì)胞器、染色體等細(xì)胞染色方法的出現(xiàn),使人們對于細(xì)胞這一生命最基本單位有了相當(dāng)深入的認(rèn)識。但是,染色畢竟影響甚至殺死了細(xì)胞,跟一堆死細(xì)胞玩真是太沒意思了!直到20世紀(jì)二、三十年代,弗里茨•澤爾尼克在研究衍射光柵的時候,發(fā)明了相差顯微技術(shù),這一情況才被徹底改變。
再后來,出現(xiàn)了各種形形色色的顯微鏡,按照設(shè)計(jì)方式的不同,有正立的、倒立的,還有解剖顯微鏡,按照目鏡的個數(shù),有單目鏡的、雙目鏡的,還有直接數(shù)碼相機(jī)采集圖像的,有使用偏振光作光源的,還有不將光直接射入樣本的暗視野顯微鏡,還有選定特定波長的光波照射樣本,以產(chǎn)生熒光的熒光顯微鏡。
▲瓶頸所在
十八世紀(jì),光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到1 000倍,直到現(xiàn)在人們也只能將其提高到1 600倍左右這個極限了。不是因?yàn)榧夹g(shù)不夠,而是因?yàn)轱@微鏡的最大分辨率受到光源波長的限制。
光在傳播途徑中,如果碰到的障礙物或者小孔的尺寸遠(yuǎn)大于光的波長時,就會被反射回去或者穿透過去,可以看作是沿直線傳播。但是當(dāng)物體尺寸與光波差不多甚至還要小的時候,光波就會發(fā)生衍射現(xiàn)象并繞過去。不論我們怎樣磨鏡片,或者使用油鏡來提高清晰度,顯微鏡的分辨率最多也只能達(dá)到光波長的一半。而我們?nèi)庋弁ǔD芨兄目梢姽?,波長范圍在0.39μm ~0.76μm,即便使用0.39μm左右的紫外光,理想狀況下,也就能達(dá)到0.2μm的分辨率。所以,要想提高分辨率,只能改變光源,并且改用儀器來探測放大的圖像。
▲新時代的驕子
當(dāng)人們意識到用光學(xué)顯微鏡看不到原子般細(xì)微的物質(zhì),那么就會想法進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨率,別的辦法行不通,那就只能尋找比光波波長還短的光源。還有哪些波的波長比光波還短?當(dāng)然是電子。注意,是電子,不是家里電線中220 V的電……
1924年,德布羅意提出了波粒二象性的假說,根據(jù)這一假說,電子也會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象,這被后來的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。接著漢斯•布什又開創(chuàng)了電磁透鏡的理論。這些使人們產(chǎn)生了制作顯微鏡的新想法:為什么不用具有波動性的電子做“光源”,再用電磁透鏡來放大呢?于是,1932年德國工程師恩斯特•魯斯卡和馬克斯•克諾爾制造出了第一臺透視電子顯微鏡,這是近代電子顯微鏡的先導(dǎo),魯斯卡也因此獲得了1986年度的諾貝爾物理獎。
電子顯微鏡有著與光學(xué)顯微鏡相似的成像原理,它的神奇之處在于用電子束代替光源,而電磁場也化身成了透鏡:高速的電子束在真空通道中穿越聚光鏡再透過樣品,帶著樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息投射在熒光屏板上,最終轉(zhuǎn)化成可見光影像。另外,由于電子束的穿透力很弱,用于電子顯微鏡的標(biāo)本,需要用超薄切片機(jī)制成厚50納米左右的超薄切片,稍微厚一點(diǎn),電子就可能做無用功。如果給飛奔的電子再來一馬鞭,電子顯微鏡的放大倍數(shù)最高可達(dá)近百萬倍,分辨率可以達(dá)到納米級(10-9 m)。
用電子束代替光看起來已經(jīng)是一個反常規(guī)的奇妙主意,但讓人想不到的還在后面。1983年,IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家格爾德•賓寧和海因里希•羅雷爾,發(fā)明了掃描隧道顯微鏡,這是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進(jìn),它的出現(xiàn)完全拋開了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。
最神奇的是,掃描隧道顯微鏡沒有鏡頭!沒有鏡頭也敢叫“顯微鏡”?沒錯,這不是山寨的時候出了問題,它原原本本就是這么設(shè)計(jì)的。掃描隧道顯微鏡依靠“隧道效應(yīng)”進(jìn)行工作,如同一根唱針掃過一張唱片。一根有著原子般大小的探針慢慢通過被分析的物體,當(dāng)探針距離物體表面很近時(大約在納米級的距離),電子會穿過物體與探針之間的空隙,形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化,這股電流也會相應(yīng)改變,通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀。所以,當(dāng)電流經(jīng)過一個原子,便能極其細(xì)致地描繪出它的輪廓,通過繪出電流量的波動,我們就可以得到單個原子的美麗圖片。
電子顯微鏡的出現(xiàn),“神馬”細(xì)菌、病毒、DNA、蛋白質(zhì)大分子、原子核、電子云啥的,都得規(guī)規(guī)矩矩老實(shí)聽話,要不,來探針下現(xiàn)個原形?
▲未知的微觀世界
對人來說,安全電壓是36 V,可是對于電子顯微鏡下的觀測樣品,其接收到的輻射劑量等同于10萬噸當(dāng)量的氫彈在30米遠(yuǎn)處爆炸的輻射量!當(dāng)生物標(biāo)本暴露于電子束中時,細(xì)胞結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵將迅速崩潰,所以電子顯微鏡雖然精妙卻無法用于活細(xì)胞的觀察。
麻省理工大學(xué)Mehmet教授的研究小組提出,通過使用量子力學(xué)的測量技術(shù)可以讓電子束被約束起來,在稍遠(yuǎn)的距離感應(yīng)被觀察的物體,一次掃描樣品的一個像素,并將這些像素組合起來拼出整個樣品的圖像,從而避免損壞實(shí)驗(yàn)樣品。倘若研究成功,它可以使研究人員看到分子在活體細(xì)胞內(nèi)的活動,比如酶在活細(xì)胞中的功能或是DNA的復(fù)制過程,用以揭示生命和物質(zhì)的基本問題。
看電影,你一定希望看到3D的畫面。同樣的,長期的2D顯微鏡成像,也讓人們感到審美疲勞,于是3D圖像技術(shù)如雨后春筍般發(fā)展起來。共聚焦顯微鏡已經(jīng)能夠通過移動透鏡系統(tǒng)對一個半透明的物體進(jìn)行三維掃描,通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助,對實(shí)驗(yàn)材料從外觀到內(nèi)在、從靜態(tài)到動態(tài)、從形態(tài)到功能進(jìn)行觀察。
同時,隨著數(shù)碼攝影技術(shù)、信息技術(shù)和自動化技術(shù)的革新,顯微鏡的外觀、舒適性、自動化程度以及方便性都在提高。例如近幾年的大屏幕倒置顯微鏡,直接通過液晶顯示器來觀察,研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)就像在電腦上看電影,大大減輕了顯微鏡觀察時的疲勞。