#無條件寫作日·愛地球專場#

公元1680年，一個在荷蘭德夫特的市政廳門房幹了幾十年門衛工作的半老頭子，卻被當時歐洲乃至世界科技界頗具權威的英國皇家學會吸收為正式會員；接着，英國女王親筆給他寫來了賀信。一時，他從一個最普通、最平凡的人霎時間變成了震驚世界的名人。他的主要業績，就是經過自己幾十年堅韌不拔的努力和探索，發明了世界醫學史上第一架幫助人類認識自然、駕馭自然、打開微觀世界大門的顯微鏡，從此，他的這一業績時時深刻地影響着人類的生命和生活。這個令世界震驚的小人物就是1632年出生于荷蘭德夫特一個普通工匠家庭，而後成為荷蘭著名微生物學家的列文•虎克。

列文•虎克

早年的列文•虎克由于父親的早逝，媽媽無力負擔他求學，16 歲時，就來到首都阿姆斯特丹的一個雜貨鋪裡當了學徒。一天深夜，他正在伏案讀書時，被隔壁眼鏡店作坊的工匠磨制鏡片的沙沙作響的聲音吸引住了。他放下手中的書本，悄悄來到眼鏡作坊裡。他望着工匠們磨出的一塊塊鏡片，腦際突然浮現出一個奇怪的念頭：如果能磨出一塊特殊的鏡片，讓我們能看清許多用肉眼看不清、看不到的東西該多好哇！就是這樣一個靈感似的奇想，竟從此使他下定了磨制一塊“魔鏡”的決心。從此以後，列文•虎克拜一位老工匠為師，虛心求教。

有一天，這位老師傅給列文•虎克講了這樣一件事：老師傅的孫子有一天偶爾将兩塊磨制好的透鏡疊在一起放在一張廢紙上看上面的字，隻見這些字比原來的大好多倍，老師傅馬上拿過這兩塊鏡片放在孫子頭上看頭發，突然發現頭發像鐵絲一樣粗。

老師傅講的這件事引起列文•虎克的極大興趣，他發誓一定要磨制出比眼鏡鏡片更精制、用途更廣泛的鏡片。功夫不負有心人，一滴汗水換來一份收獲，他辛勤地勞動最後結出了豐收的果實，他終于磨成了兩塊光亮精巧的透鏡。他将鏡片疊起來看雞毛，隻見一根雞毛上被放大了的絨毛像樹枝一樣排列着。接着，他試着将重疊在一起的兩塊鏡片間的距離上下變化，隻見随着鏡片間距離的變化，直接影響着觀察的效果。

一天，他在幹完雜貨鋪的工作後來到大街上，邊走邊思索。忽然間，他被一陣丁丁冬冬的響聲所吸引，猛然擡頭往左一看，是一家鐵鋪在打鐵。于是他來到鐵鋪裡，看到了鐵匠們打制出的一件件鐵器。這時，他忽而又想到：如果能讓鐵匠打制一個鐵架和一個鐵筒，将鏡片固定在鏡筒的兩頭，然後再固定在鐵架上，這樣觀察不是既省力又方便嗎？想法既出，馬上他就找了鐵匠師傅，将自己的想法告訴他們。

列文虎克發明的第一台顯微鏡。

沒過幾天功夫，列文•虎克按照自己的設想所發明的第一架顯微鏡終于誕生了。幾年之後，他終于又研制出多台更精制、完美的顯微鏡。同時，他運用自制的顯微鏡，第一次發現了血液裡的血液細胞和生物王國中神奇多彩的微生物世界。于是，他将自己研制的顯微鏡和所發現的關于血液細胞和微生物的觀察實驗記載寄給了英國皇家學會。

從原始人類第一次擡頭仰望天空開始，與生俱來的好奇心就從未停止驅使人類去深入探索頭頂上那片浩瀚的空間。從尺度上來說，人類的觀察總是朝着兩個極端發展——無限大和無限小。前者表現在人類對天文學、宇宙學的研究，後者表現在對顯微技術的探索。可是長期以來由于技術限制，人類的觀察總在肉眼層面上進行，縱使目眦盡裂也無法看得更清楚。

在微觀方向上，從17世紀中葉英國博物學家、發明家羅伯特·胡克發明第一台光學顯微鏡以來，顯微鏡已經發展成了一個龐大的家族。顯微鏡按成像原理主要分為光學顯微鏡和電子顯微鏡兩大類。光學顯微鏡又可以根據不同的樣品處理技術、不同的顯示原理、不同的成像位置等分為暗視野顯微鏡、相差顯微鏡、熒光顯微鏡和共聚焦顯微鏡等多個子類。電子顯微鏡也可分為透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡兩大類。

不同顯微技術的極限分辨率從肉眼的0.2毫米，到光學顯微鏡的0.2微米，再到電子顯微鏡的0.2納米，每一個台階的跨越都是科學家艱苦卓絕努力的結果。其中最讓人着迷的要數放大能力最強的電子顯微鏡了！

透射電子顯微鏡：每天拍攝3000張照片。

電子顯微鏡

根據光學原理，分辨率的極限近似于入射光波長的二分之一，而可見光的波長在400~700納米之間，所以光學顯微鏡的極限分辨率為0.2微米。再往下要尋求更短的波長隻能根據德布羅意提出的物質波原理，使用不易産生衍射的電子的物質波來成像了。

電子顯微鏡主要分為透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡，二者都是利用與樣品相互作用的電子來成像的，但二者的成像原理差異不小。

透射電子顯微鏡，顧名思義，其原理就是利用電子束穿透樣品，再用電子透鏡成像放大以獲得樣品的顯微結構。它的光路與光學顯微鏡很相似。因為電子束要透過樣品才能成像，所以樣品必須非常薄，這正是限制其使用範圍的重要因素之一。

掃描電子顯微鏡與前者不同，它是利用電子束轟擊樣品表面，從而使樣本表面原子的電子被激發後從原子裡逃出來，成為次級電子。根據次級電子在顯像管的熒光屏上的成像來推知樣品的表面結構。

顯微鏡下的新型哥布林蜘蛛。

放大極緻微小，探索生命奧秘

電子顯微鏡依靠其強大的放大能力，在生物學界，尤其是結構生物學界常常是必不可少、“呼風喚雨”的主角。

我們知道，人類生命活動的物質基礎最終的落腳點在于細胞中許許多多的微觀分子。工欲善其事，必先利其器，要探究生命的本源就必須了解這些分子的結構和功能，而這，就需要電子顯微鏡的幫助。

生物學中的大分子常常需要一種特殊的掃描電子顯微鏡來研究——冷凍電鏡。它的特殊之處在于使用了快速冷凍技術。這項技術可使水在快速低溫處理下呈玻璃态，減少冰晶的産生，防止對樣品本身結構的影響。這是因為生物大分子一般需要保存在水中，而水中的大分子會移動，因此利用快速冷凍技術可以用玻璃态的水來保護生物大分子，同時還可以限制它的運動範圍。

2015年8月，清華大學的施一公教授在國際頂級期刊《科學》上發表了兩篇原創文章，文章中就使用了冷凍電鏡來解構一種非常重要的蛋白分子。這種蛋白分子是所有真核細胞基因表達所必須的，其生物學意義非常重大！在探索生命終極奧秘的旅途上，人類因此又邁出了重要一步，這就是電子顯微鏡在生命科學領域帶來的跨時代進步！

随着技術的進步，電子顯微技術的局限會逐步縮小，使用範圍會越來越大，探尋的領域也會越來越寬。

原創首發。

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