列文虎克的單式顯微鏡 將人類視野帶入微觀新領域

業界 | 2021-11-01 09:21:25
時間:2021-11-01 09:21:25   /   來源: 科技日報      /   點擊數:()

日前,清華大學科學博物館在珍品柜展出了列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek,1632—1723年)單式顯微鏡的復制品,此展品由荷蘭萊頓的布爾哈夫博物館復原團隊手工打造,其長不足10厘米,寬僅有兩三厘米,厚約1厘米。這件精致小巧的科學儀器激起了很多人的好奇心,觀眾對它的第一反應往往是:這怎么可能是顯微鏡?的確,與大多數觀眾在求學期間自然課或生物課上使用的復式顯微鏡相比,這個可在手中摩挲的小小銅板不免顯得有些“特立獨行”。

那么列文虎克的這種單式顯微鏡該如何使用,能把標本放大多少倍?其背后又有什么有趣的歷史?

列文虎克與羅伯特·胡克

要談列文虎克,就不能不提到與他同時代的大名鼎鼎的羅伯特·胡克(Robert Hooke,1635—1703年)。1662年,年輕的胡克擔任了成立不久的英國皇家學會的實驗管理員,他用改良的顯微鏡來觀察各種東西,發現軟木在顯微鏡下呈現出一個一個的腔室,類似于修道院的一個個居室,所以將其稱為“修道院單人小室”(cell)。這就是為我們熟知的“細胞”。1858年,傳教士韋廉臣(Alexander Williamson,1829—1890年)、艾約瑟(Joseph Edkins,1823—1905年)和數學家李善蘭(1811—1882年)編譯了《植物學》,其中的“聚胞體乃聚無數細胞為一體,諸細胞相黏合”被后人認為是英文的cell首次被譯為中文的細胞。雖然在這之后的幾十年,細胞一詞并未成為通行的譯法,cell還被譯作珠、膛、小凹等,直到甲午戰爭之后,隨著日譯科技術語的引入,細胞才成為主流的用法,沿襲至今。

胡克使用的是復式顯微鏡,可將標本放大30多倍。他最初的發現于1665年——倫敦大瘟疫發生那年——被結集成《顯微圖譜》(Micrographia)一書,這成為皇家學會第一本產生廣泛影響的著作。而比胡克年長3歲的列文虎克,年輕時是荷蘭代爾夫特的一名布商。他沒有接受過太多的教育,只會講荷蘭語,不懂英語和拉丁語。列文虎克1668年訪問倫敦,很有可能是在這段時間,他接觸到了胡克的《顯微圖譜》?;蛟S是書中描繪的巨大的跳蚤插圖觸動了這位布商,他開始對顯微鏡感興趣,待返回荷蘭,他就研制起透鏡,開啟了持續半個多世紀的單式顯微鏡制造和觀察生涯。

列文虎克制造的顯微鏡,如清華大學科學博物館珍品柜展示的這件儀器一樣,結構極其簡單。一個極小的玻璃珠作為單透鏡安裝在黃銅板上的小孔中,標本放置在鏡頭前突出的尖點上,轉動兩個螺絲,就可調整位置和焦距。眼睛靠近透鏡,就能觀察到放大的標本。列文虎克的顯微鏡,最多可將標本放大至275倍,這也使得胡克一生都對列文虎克如何制作出這種透鏡感到好奇和疑惑。

進入充滿生機活力的新世界

通過朋友介紹,列文虎克從1673年開始給英國皇家學會寫信,他的發現也逐漸公諸于世。直到1823年去世,列文虎克一直與英國皇家學會及其成員保持著密切通信,現在有約200多封信仍然保存在英國皇家學會。透過這些書信,我們可以看到列文虎克對他進入的新世界充滿生機和活力的記錄。

其中,1676年10月9日的一封信,留下了當年春天列文虎克連續觀察了4天雨水后寫下的一段話:“我判斷,即使把一百個這些小動物撐開擺在一起,也不會超過一顆粗沙子的長度;如果這是真的,那么一百萬個這些活物也不夠一顆粗沙粒的體積。”這段文字中的“小動物”,就是我們現在熟知的細菌,這也是人類首次發現細菌。

在1683年的另一封信里,他寫道:“在我的門牙和臼齒之間有一些東西嵌在里面,或者生長在那里……極為詫異的是,我總會看到在這些物質中有許多非常小的活著的微生物,動得非??蓯???磥硎澜绯錆M了生命,數量比以前想象的要多得多。水滴里存在活物,人的牙縫里寄存的小顆粒也存在活物!”

他還對兩位從未清潔過牙齒的老人做了重復觀察,在取出的樣本上發現了“一群令人難以置信的活體動物,它們游泳的速度比我迄今為止見過的任何動物都要靈活。”

隨著一個又一個石破天驚的新發現——包括精子、血細胞的首次觀察——從代爾夫特傳到倫敦,列文虎克在顯微鏡制作和觀察上的才華開始被歐洲認可,他在1680年被選為英國皇家學會的正式會員,他位于代爾夫特的家也成為名流貴胄,包括俄羅斯彼得大帝、英格蘭的詹姆斯二世和普魯士的腓特烈二世等的“打卡地”。

列文虎克像一位我們這個世界率先進入到新的未知世界的探險家,從人類熟知的日常尺度進入了無法想象的、夢幻般的微小尺度。從“異界”歸來后,他充滿喜悅地分享自己的所見,改變了人類對自然的認知。

1716年,84歲的列文虎克還在堅持用顯微鏡觀察這個世界,在一封信中他這樣寫道:“我已經做了很長時間的工作,并不是為了獲得我現在所享受的贊美,而是主要來自對知識的渴望,我注意到,我的這種渴望比他人更甚。因此,每當我發現任何非凡的事情時,我都認為我有責任將我的發現寫在紙上,以便所有具有創造力的人都得以知道。”

居世界領先地位長達150年

直到19世紀30年代消色差顯微鏡鏡頭出現,列文虎克的鏡頭才被超越,也就是說,他的顯微鏡性能在世界居于領先地位長達150年。

列文虎克在世時,他的同代人,包括胡克,就對他如何制造出如此高倍率的透鏡產生了濃厚興趣,但列文虎克對他制作透鏡的方法嚴格保密,甚至在客人參觀時也只讓他們看中等質量的顯微鏡。1745年,隨著列文虎克女兒瑪麗亞的去世,他的大部分顯微鏡在1747年舉辦的一場拍賣會上被搶購一空。

這些珍貴的顯微鏡可謂命運多舛,科學史家研究認為,列文虎克制作的顯微鏡的總數達559件——這意味著在他50年的顯微鏡制作和標本觀察生涯中,平均每個月制作一個,由此也可一窺列文虎克的勤奮。根據拍賣記錄,買家似乎以代爾夫特當地居民為主,有公證人、醫生、外科醫生、地方法官、銅匠,但也有至少三分之一的拍品是匿名人士通過給中間人傭金的方式購買的。不過,可預見的是,大多數新主人利用顯微鏡觀察標本的能力根本無法與列文虎克相提并論。在失望之余,這些小巧的顯微鏡被擱置一旁,最終導致了大量丟失——目前全世界只有約10件原件幸存。

由于列文虎克生前對透鏡制作方法的嚴格保密,目前留存的顯微鏡原件又極為珍貴,不便拆開顯微鏡直接觀察內部構造,因此在破解列文虎克如何制作出高倍率透鏡之謎上,科學史家一直束手無策。2021年,荷蘭萊頓的研究人員利用中子斷層掃描技術對列文虎克的兩個顯微鏡做了無損檢測,揭示了透鏡的完整結構,其中一個中倍率的透鏡呈扁豆狀,另一個高倍率的透鏡則為帶桿的球形玻璃珠,這表明,列文虎克使用的其實是胡克1678年公布的透鏡制作方法。他對外保密自己的制作方法,可能也有這方面的考慮。

列文虎克利用他制作的顯微鏡“打開了新世界的大門”,如今各個領域的科學家還繼續在這個新世界開疆拓土,不斷突破所能觀測的極限。有鑒于此,清華大學科學博物館計劃與哈佛大學歷史科學儀器收藏館(CHSI)合作,舉辦以歷史上的顯微鏡為主題的線上展覽,從列文虎克的單式顯微鏡到現代的最新式顯微鏡,相約一場尺度不斷延伸的新世界之旅。

(作者系清華大學科學史系博士后)  

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