显微镜:游戏打开的一扇大门谢彬

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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1000倍，直到现在人们也只能将其提高到1600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0.39um～0.76um，即便使用0.39um左右的紫外光，理想状况下，也就能达到0.2um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220V的电……

1924年，德布罗意提出了波粒二象眭的假说，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，一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(10-9m)。

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，旧M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。