生物课上,一台显微镜、一片菜叶子加上一只青蛙或者鲫鱼,一场生物显微解剖课开场了。各自不免兴奋,显微镜是多么神奇的一个东西!它让我们能够看到流淌江水中的各种微生物,能够知晓细胞内形形色色的细胞器,能够区分出猩猩有24对染色体而人却只有23对。

这都要归功于16世纪一个叫Zacharias Jansen的荷兰人,我们不清楚他如何想到将两个镜片叠在一起并放在管子的两头,但是这个奇怪想法催生出的工具,却能够在压缩最小的时候放大3倍,拉到最长时可以放大达到10倍。他在孩童时期的嘻哈把玩,将我们带进了令人瞠目结舌的微观世界。

▲玩出来的显微镜

很奇怪,做出显微镜的第一人不是生物学家,而是一个观星的人——现代物理学与天文学之父伽利略。1609年,在听说了这个孩子的发明后,他不仅研究明白了这些镜片在一起能够放大很多倍的原理,还制造出了一台更为精密的工具,并将其命名为occhiolino(也被称为little eye)。从此,现代意义上的显微镜走进人们的视野。

然而,显微镜真正发展成为一个学科,成为窥视微观世界的独门兵器,还是要等到17世纪六、七十年代。列文虎克,这个出生于1632年的荷兰小伙子,在稚嫩的年纪就不得不面对父亲的去世,被迫来到阿姆斯特丹的一家干货商店当学徒,在那里他接触到放大镜,产生极大的兴趣。闲暇之余,他便耐心地磨起了自己的镜片。或许是太无聊,或许是太好玩,他一生中竟然磨制了400多个透镜,放大倍数竟然可以达到300倍!利用自制的显微镜,列文虎克为我们展现了一个全新的微观世界,他第一个发现并描绘了细菌,展现了一滴水中的世界,准确地描述了红细胞,证明了马尔皮基推测的毛细血管层是真实存在的,他成为了微生物学的奠基人。

与列文虎克同期的,还有一个叫做罗伯特•胡克,被称为“伦敦的莱奥纳多•达•芬奇”的英国博物学家。你说对了,“胡克定律”就是以他名字命名的。他不仅提出了弹性材料的胡克定律,万有引力的平方反比关系,设计了真空泵,还利用自制的显微镜发现了软木中的“小室”,并将“cell”一词深深地刻进了现代人的脑海中。从此,显微镜的发展进入了快车道,出现了形式多样、拥有不同功能的各色显微镜。

▲光学显微镜

灯泡的发明让那些狂热的显微镜粉丝们欣喜不已,终于可以在晚上也可以使用高倍镜片来触摸微观世界了。但是当他们将光源经聚光镜投射在被检样本上后,却发现在视野中除了有那些小东西,竟然还发现了灯丝的影像。直到1893年,一个叫柯勒的年轻人,发明了二次成像技术,成功地将热焦点落在了被检样本之外,不仅光线均匀了,而且也不会损伤样本。这种被称为柯勒照明的光源系统,成为了现代光学显微镜的关键部件。

显微镜的变革,也使细胞学迎来了最为辉煌的发展时期。细胞器、染色体等细胞染色方法的出现,使人们对于细胞这一生命最基本单位有了相当深入的认识。但是,染色毕竟影响甚至杀死了细胞,跟一堆死细胞玩真是太没意思了!直到20世纪二、三十年代,弗里茨•泽尔尼克在研究衍射光栅的时候,发明了相差显微技术,这一情况才被彻底改变。

再后来,出现了各种形形色色的显微镜,按照设计方式的不同,有正立的、倒立的,还有解剖显微镜,按照目镜的个数,有单目镜的、双目镜的,还有直接数码相机采集图像的,有使用偏振光作光源的,还有不将光直接射入样本的暗视野显微镜,还有选定特定波长的光波照射样本,以产生荧光的荧光显微镜。

▲瓶颈所在

十八世纪,光学显微镜的放大倍数已经可以达到1 000倍,直到现在人们也只能将其提高到1 600倍左右这个极限了。不是因为技术不够,而是因为显微镜的最大分辨率受到光源波长的限制。

光在传播途径中,如果碰到的障碍物或者小孔的尺寸远大于光的波长时,就会被反射回去或者穿透过去,可以看作是沿直线传播。但是当物体尺寸与光波差不多甚至还要小的时候,光波就会发生衍射现象并绕过去。不论我们怎样磨镜片,或者使用油镜来提高清晰度,显微镜的分辨率最多也只能达到光波长的一半。而我们肉眼通常能感知的可见光,波长范围在0.39μm ~0.76μm,即便使用0.39μm左右的紫外光,理想状况下,也就能达到0.2μm的分辨率。所以,要想提高分辨率,只能改变光源,并且改用仪器来探测放大的图像。

▲新时代的骄子

当人们意识到用光学显微镜看不到原子般细微的物质,那么就会想法进一步提高显微镜的分辨率,别的办法行不通,那就只能寻找比光波波长还短的光源。还有哪些波的波长比光波还短?当然是电子。注意,是电子,不是家里电线中220 V的电……

1924年,德布罗意提出了波粒二象性的假说,根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。接着汉斯•布什又开创了电磁透镜的理论。这些使人们产生了制作显微镜的新想法:为什么不用具有波动性的电子做“光源”,再用电磁透镜来放大呢?于是,1932年德国工程师恩斯特•鲁斯卡和马克斯•克诺尔制造出了第一台透视电子显微镜,这是近代电子显微镜的先导,鲁斯卡也因此获得了1986年度的诺贝尔物理奖。

电子显微镜有着与光学显微镜相似的成像原理,它的神奇之处在于用电子束代替光源,而电磁场也化身成了透镜:高速的电子束在真空通道中穿越聚光镜再透过样品,带着样品内部的结构信息投射在荧光屏板上,最终转化成可见光影像。另外,由于电子束的穿透力很弱,用于电子显微镜的标本,需要用超薄切片机制成厚50纳米左右的超薄切片,稍微厚一点,电子就可能做无用功。如果给飞奔的电子再来一马鞭,电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍,分辨率可以达到纳米级(10-9 m)。

用电子束代替光看起来已经是一个反常规的奇妙主意,但让人想不到的还在后面。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家格尔德•宾宁和海因里希•罗雷尔,发明了扫描隧道显微镜,这是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。这种显微镜比电子显微镜更激进,它的出现完全抛开了传统显微镜的概念。

最神奇的是,扫描隧道显微镜没有镜头!没有镜头也敢叫“显微镜”?没错,这不是山寨的时候出了问题,它原原本本就是这么设计的。扫描隧道显微镜依靠“隧道效应”进行工作,如同一根唱针扫过一张唱片。一根有着原子般大小的探针慢慢通过被分析的物体,当探针距离物体表面很近时(大约在纳米级的距离),电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应改变,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状。所以,当电流经过一个原子,便能极其细致地描绘出它的轮廓,通过绘出电流量的波动,我们就可以得到单个原子的美丽图片。

电子显微镜的出现,“神马”细菌、病毒、DNA、蛋白质大分子、原子核、电子云啥的,都得规规矩矩老实听话,要不,来探针下现个原形?

▲未知的微观世界

对人来说,安全电压是36 V,可是对于电子显微镜下的观测样品,其接收到的辐射剂量等同于10万吨当量的氢弹在30米远处爆炸的辐射量!当生物标本暴露于电子束中时,细胞结构和化学键将迅速崩溃,所以电子显微镜虽然精妙却无法用于活细胞的观察。

麻省理工大学Mehmet教授的研究小组提出,通过使用量子力学的测量技术可以让电子束被约束起来,在稍远的距离感应被观察的物体,一次扫描样品的一个像素,并将这些像素组合起来拼出整个样品的图像,从而避免损坏实验样品。倘若研究成功,它可以使研究人员看到分子在活体细胞内的活动,比如酶在活细胞中的功能或是DNA的复制过程,用以揭示生命和物质的基本问题。

看电影,你一定希望看到3D的画面。同样的,长期的2D显微镜成像,也让人们感到审美疲劳,于是3D图像技术如雨后春笋般发展起来。共聚焦显微镜已经能够通过移动透镜系统对一个半透明的物体进行三维扫描,通过计算机系统的辅助,对实验材料从外观到内在、从静态到动态、从形态到功能进行观察。

同时,随着数码摄影技术、信息技术和自动化技术的革新,显微镜的外观、舒适性、自动化程度以及方便性都在提高。例如近几年的大屏幕倒置显微镜,直接通过液晶显示器来观察,研究细胞结构就像在电脑上看电影,大大减轻了显微镜观察时的疲劳,也避免科研人员重蹈因为长期观察显微镜而落下颈椎病的覆辙。再比如实现自动化远程操作的显微镜,能够自动转换物镜,自动对焦,在临床医学上可以作为远程医疗的有效手段,进行专家远程会诊和异地病理资源共享。想一想,那时候看病就跟上网聊天一样方便,这样的未来更值得期待。

      

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