顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)徐潤(rùn)林

1、現(xiàn)代生命科學(xué)進(jìn)展顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)1 自然科學(xué)的各個(gè)門(mén)類要解決的兩大問(wèn)題: 結(jié)構(gòu) 功能2 考古研究表明：公元前2600年的古埃及人就已經(jīng)能夠用天然的水晶石打磨成透鏡。3Pliny (2379 A.D.)描述了羅馬醫(yī)生用凸透鏡聚太陽(yáng)光的現(xiàn)象。4 羅馬的哲學(xué)家 Seneca (4 A.D. - 65 B.C) 就提到裝滿水的玻璃球可以使物體放大且看的更清楚些。5Ibn Al Hatham (Alhazen, 962-1038)是第一個(gè)真正理解到凸透鏡產(chǎn)生放大圖象原理的人。被后人稱為“光學(xué)之父”。6Roger Bacon， 英國(guó)幾何學(xué)、算術(shù)、音樂(lè)和天文學(xué)家(1214-1292 C.E.) 接受了

2、前人有關(guān)透鏡的理論并在自己的研究中使用了透鏡。“Mathematics is the door and the key to the sciences.”是他的名言 7Giambattista Della Porta意大利 (1535-1615) 1589出版了一套科普叢書(shū):Natural Magick , 其中的一本Of Strange Glasses是關(guān)于實(shí)際中人們?nèi)绾斡貌ＡСC正視力的。8復(fù)式光學(xué)顯微鏡的誕生91590 年制出的第一個(gè)復(fù)式顯微鏡 荷蘭的Janssens父子在顯微鏡的發(fā)展史中起了非常重要的重要。Z. Janssens被認(rèn)為第一臺(tái)復(fù)式光學(xué)顯微鏡的發(fā)明者。 10Galilei G

3、alileo (1564-1642) 雖然此時(shí)的顯微鏡能夠看到的物體只被放大了十倍左右，他在顯微鏡下看到蒼蠅如同羊羔一樣大。 Galileo設(shè)計(jì)的顯微鏡圖復(fù)制品11Cornelis Cornelis Drebbel 荷蘭(1572-1633) Drebbel集畫(huà)家、雕刻家、玻璃藝人和煉丹人于一身。制作了許多的透鏡和望遠(yuǎn)鏡。 幾乎是同時(shí)也制出復(fù)式光學(xué)顯微鏡12瑞典詩(shī)人 G. Stierhielm 他熱衷于用放大鏡觀察動(dòng)植物。 由于教會(huì)的牧師被他用放大鏡觀察到的跳蚤嚇壞了，宣布他是一位男巫。 在當(dāng)時(shí)的女皇Christina的干預(yù)下，他才沒(méi)有被燒死。瑞典女皇Christina1626-1689科學(xué)的

4、進(jìn)步總是坎坷的13 意大利的Francesco Stelluti (1577 1646)利用當(dāng)時(shí)的放大手段，認(rèn)真地觀察和研究了蜜蜂的形態(tài)結(jié)構(gòu)。之后他又研究了線蟲(chóng)的血液、紡織物纖維和蜘蛛卵的結(jié)構(gòu)。1625年微觀生物學(xué)的誕生14(1602-1680) 德國(guó)人Athanasius Kircher用顯微鏡研究了動(dòng)物腐爛現(xiàn)象和疾病。 他與Stelluti共同成為了微觀生物學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者。15光學(xué)顯微鏡與顯微鏡學(xué)新紀(jì)元的出現(xiàn) 在前人的理論和實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，17世紀(jì)是光學(xué)顯微鏡制造技術(shù)和研究水平得到快速發(fā)展的年代。16 這5位各自利用顯微鏡進(jìn)行了深入的生物學(xué)研究，并對(duì)顯微鏡技術(shù)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。von

5、Leeuwenhoek 1632-1723Marcello Malpighi1628-1694Robert Hooke1635-1702Jan Swammerdam 1637-1680Nehemiah Grew, 1641- 171217von Leeuwenhoek的顯微鏡和它的工作原理圖18von Leeuwenhoek在使用他的顯微鏡19von Leeuwenhoek看到的動(dòng)物精子細(xì)胞Diatom水中的單細(xì)胞生物Hydra sp.植物的組織20 von Leeuwenhoek還觀察過(guò)晶體、礦物、不同來(lái)源的水、牙垢、唾液和火藥等。 除此之外，他還研究過(guò)蚤、蚜蟲(chóng)、螞蟻的生活史；觀察過(guò)輪蟲(chóng)、各

6、種消化物、橫紋?。幻枋鲞^(guò)多種動(dòng)物的紅血球和血液循環(huán)系統(tǒng)。 von Leeuwenhoek是個(gè)守口如瓶的人，他很少與別人交流有關(guān)的研究。他的許多成果在19世紀(jì)后期之前并不被人所重視。21Malpighi 繪制的Anatome plantarumMalpighi是動(dòng)物和植物材料顯微組織技術(shù)的創(chuàng)始人揭示了動(dòng)物腎的基本結(jié)構(gòu)單位22Malpighi也是動(dòng)物組織學(xué)的奠基人之一23跳蚤Hooke和他的顯微鏡植物的組織Hooke觀察到的蒼蠅首次提出cell一詞24Hooke的名作：顯微圖像25Jan Swammerdam的顯微鏡Swammerdam觀察到的昆蟲(chóng)和蝎子26Hermann Boerhaave (1

7、668-1738)他將Swammerdam的手稿，買(mǎi)下后于1737年編輯出版。27 Swammerdam是17世紀(jì)第一位真正昆蟲(chóng)學(xué)家。他曾收集了3000多種的活昆蟲(chóng)標(biāo)本。 而且他還在顯微解剖技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段上做出了貢獻(xiàn)，他發(fā)明了專門(mén)的解剖鏡用于他的研究中。28The Anatomy of Plants1684年 Nehemiah Grew在植物顯微結(jié)構(gòu)的研究使得后人發(fā)現(xiàn)了植物的性別特征。他的工作領(lǐng)先同行100年！29 Nehemiah Grew還在動(dòng)物的顯微解剖上做出了巨大的貢獻(xiàn)， 他比較了不同動(dòng)物消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并首次使用“比較解剖” 一詞。30Nehemiah Grew發(fā)表的有關(guān)動(dòng)物解剖的專

8、著31 上述的這五位科學(xué)家在顯微鏡技術(shù)和顯微觀察方面的成果使人類認(rèn)識(shí)自然的能力得到大大提高，特別是在生物進(jìn)化、起源、發(fā)育、人類病害、生物性別分化以及生物分類等多個(gè)領(lǐng)域都取得了巨大的成果，使整個(gè)社會(huì)對(duì)生物的認(rèn)識(shí)有了新的內(nèi)涵，對(duì)后來(lái)的生物學(xué)發(fā)展有著不可磨滅的功勞！3217世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡3318世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡34此時(shí)的顯微鏡上，出現(xiàn)了便于采光的反光鏡353618世紀(jì)末的光學(xué)顯微鏡37 19世紀(jì)中葉前，在顯微鏡技術(shù)上有一個(gè)重要問(wèn)題始終困擾著科學(xué)家們，那就是透鏡產(chǎn)生的色差以及球面的像差。這些問(wèn)題的出現(xiàn)使得觀察者在觀察時(shí)看到了許多的假象。光學(xué)顯微鏡技術(shù)的改進(jìn)38 英國(guó)的Dollond 是第一位

9、制造出消色差透鏡的人。其技術(shù)和原理對(duì)于以后顯微鏡技術(shù)的提高提供基本的保證。39意大利的G. B. Amici (17861863)1827年發(fā)明了反射顯微鏡可以消除色差。4019世紀(jì)的顯微鏡414219世紀(jì)中葉的光學(xué)顯微鏡434445 雖然Hooke于1679年就提出利用“浸沒(méi)原理”來(lái)提高顯微鏡的分辨率，但真正引入該原理的是英國(guó)人David Brewster (1781-1868)。 他建議使物鏡前面浸沒(méi)在一種液體里，而所要觀察的物體也在此液體中。光學(xué)顯微鏡發(fā)大倍數(shù)與分辨率的提高46Ernst Abbe 1840-1905Carl Zeiss 1816-1888 他們改進(jìn)了顯微鏡浸沒(méi)系統(tǒng)，并嘗

10、試了300多種液體，最終找到了香柏油作為這種浸沒(méi)介質(zhì)。47顯微鏡浸沒(méi)原理48Abbe 設(shè)計(jì)的由八個(gè)透鏡組成的油鏡，用以消除色差。49油鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)寄生的Plasmodium 植物的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)50油鏡下硅藻殼的結(jié)構(gòu)51油鏡下的微生物酵母菌細(xì)菌52 19世紀(jì)末，德國(guó)學(xué)者August Khler計(jì)算了要獲得最佳的觀察效果，顯微鏡的光源與集光器間合適的距離。5320世紀(jì)初期的光學(xué)顯微鏡第一臺(tái)Nikon光學(xué)顯微鏡54袖珍顯微鏡555657用于特殊用途的光學(xué)顯微鏡58倒置顯微鏡5960熒光顯微鏡61熒光顯微鏡的工作原理62熒光顯微鏡的觀察結(jié)果63腦虹64德國(guó)的F. Zernike (1888-1966

11、)于1934建立了相差顯微鏡的原理。1953年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)656667John Tyndall 1820-1893 物理學(xué)中有一個(gè)“丁達(dá)爾效應(yīng)”，也就是光的散射現(xiàn)象或稱乳光現(xiàn)象。 這個(gè)原理被引入到顯微鏡的制造中就出現(xiàn)了暗視野顯微鏡。68暗視場(chǎng)顯微鏡配件69微分干涉差顯微鏡的工作原理70共聚焦激光顯微鏡 工作原理71蛋白質(zhì)細(xì)胞胞器結(jié)構(gòu) 哺乳類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞與兩極細(xì)胞(紅色)間的聯(lián)系。72顯示動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)含有胍丁胺的纖維(紅色) 圍繞著神經(jīng)元 (綠色) 。顯示動(dòng)物成纖維細(xì)胞中的具活力線粒體。73不同功能顯微鏡觀察到的輪蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)74結(jié)合多角度、多層面的觀察結(jié)果重構(gòu)的輪蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)75

12、 光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過(guò)幾千倍，其分辨率在理論上不能小于0.2微米，這是因?yàn)槭芄獠úㄩL(zhǎng)的局限，即可見(jiàn)光的波長(zhǎng)不能小于4000埃。為此，它促使人們?nèi)ふ腋滩ㄩL(zhǎng)的照明物質(zhì)。電子顯微鏡的問(wèn)世76 根據(jù)物理學(xué)中波動(dòng)學(xué)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)著的電子可以看作是一種電子波。電子運(yùn)動(dòng)的速度越高，電子波的波長(zhǎng)越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長(zhǎng)僅為0.025埃。這表明電子是一種理想的新光源。77 20世紀(jì)2030年代，證實(shí)了軸對(duì)稱分布的電磁場(chǎng)具有能使電子束偏轉(zhuǎn)、聚焦的作用，從而找到了相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡中的透鏡電子透鏡。這就是具有高分辨率的電子顯微鏡產(chǎn)生的基礎(chǔ)。78 電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速

13、度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)(10-9m)。 電鏡的放大倍率可達(dá)百萬(wàn)，可分辨樣品的最小細(xì)節(jié)為幾個(gè)埃。79世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡(1938)Ernst Ruska1906-Max Knoll(1897-1969) 德國(guó)Ernst Ruska分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。80電子顯微鏡的工作原理透射電鏡掃描電鏡81Charles OatleyUK，1904-世界上第一臺(tái)掃描電子顯微鏡1952年第一臺(tái)商業(yè)電子透鏡82掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段。 掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是：有較高的放大倍數(shù)，20-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立

14、體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡(jiǎn)單。83早期的掃描電鏡的觀察結(jié)果動(dòng)物濾食器的結(jié)構(gòu)復(fù)眼結(jié)構(gòu)植物病毒顆粒84現(xiàn)代的電子顯微鏡85核酸分子噬菌體據(jù)稱是引起“非典型肺炎”的元兇冠狀病毒顆粒86Gerd Binnig1947-Heinrich Rohrer1933- 因?yàn)榘l(fā)明掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡87 在生物學(xué)中的應(yīng)用：研究核纖層蛋白分子的裝配、溶菌酶結(jié)構(gòu)、動(dòng)物金屬硫蛋白(并探討它們?cè)谏飳W(xué)中的作用)、抗原抗體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，闡述有關(guān)的免疫學(xué)問(wèn)題。特點(diǎn)：分辨率為1埃，觀察物質(zhì)表面的三維圖像。掃描隧道顯微鏡工作原理圖88 在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上，人們又研發(fā)出了原子力顯微鏡、激光力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡、掃描離子顯微鏡、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和光子掃描隧道顯微鏡等。 分辨率也逐步提高。89激光力顯微鏡原子力顯微鏡磁力顯微鏡90雙光子激光掃描顯微技術(shù)（two-photon laser-scanning microscopy，TPLSM）對(duì)胚胎發(fā)育頭3h中的決定果蠅基本結(jié)構(gòu)前軸和后軸的基因Bicoid表達(dá)梯度進(jìn)行定量。91 應(yīng)用雙光子激光掃描顯微技術(shù), 可以記錄到神經(jīng)