微生物的世界是人类肉眼看不到的,显微镜打开了人类视角的另一个维度。微生物学的发展少不了微生物检验,而微生物检验需要复杂的仪器,显微镜就是其一且无可替代。显微镜历史漫长,自然就不缺前世故事,六次问鼎诺贝尔奖,成就了今生传奇。下面就来说说显微镜的前世与今生故事。
谈起显微镜的前世故事,就必须提到中学课本中的两位虎克先生。第一位罗伯特·虎克,是借助显微镜观察到细胞的第一人。另一位传奇人物安东尼·列文虎克,显微镜学家、微生物学家。他本是布商,1668年在伦敦期间接触到了第一位虎克先生的《显微图谱》,对显微镜结构等产生了莫大兴趣,从此开启了五十多年的显微镜制造生涯,直至去世。他制造出当时最精良的显微镜,放大倍数接近300倍,居世界领先地位长达150年。特别是列文虎克用他制造的显微镜,清楚地看见了细菌,三百多年前这一眼,推开了微生物学的大门,也揭开了人类科学发展史崭新的一页。
显微镜分光学显微镜和电子显微镜两大类。光镜和电镜的区别在于光源不同,一种是光,一种是电子流。因此观察物体的分辨率不同。前世故事只跟光镜有关;而今世六次诺奖传奇中,电镜拿奖四次,成为主角。
第一次诺贝尔奖:相差显微镜,属光镜大类,1935年发明,获1953年诺贝尔物理学奖。普通光学显微镜标本如细菌等需要进行染色,染色复杂耗时。而相差显微镜不需要染色,观察对象因密度和成分不同会产生不同光相差,继而就有不同显现。因此可以看到未染色标本,同时允许对活体标本(如细胞内微结构)进行研究。
第二次诺贝尔奖:超分辨率荧光显微镜。长久以来,光镜有个极限障碍:最高分辨率将永远无法超过光波波长的一半。但是借助荧光分子的帮助绕开这一障碍,直接使光镜技术进入纳米时代。科学家们可以观察活细胞内DNA等生物大分子、线粒体等细胞器结构,在生物学领域具有重要意义。因此该项技术获得2014年诺贝尔化学奖。
第三次诺贝尔奖:电子显微镜。用电子流做光源,分辨率超高。1932年德国科学家恩斯特·鲁斯卡发明。当时鲁斯卡二十多岁,谁也不曾想到五十多年后,鲁斯卡获得了1986年诺贝尔物理学奖,鲁斯卡获奖两年后就去世了。他的诺奖算是补发的吧,从研制到斩获诺奖这中间是五十多年的等待,也很令人感慨万千。
第四次诺贝尔奖:晶体电子显微镜技术。它是电子显微镜与晶体衍射技术完美结合的产物。这项技术将电镜下的二维图像转变成精确的三维图像。1958年,英国科学家亚伦·克卢格团队成功利用晶体电镜技术弄清了一种植物病毒—烟草花叶病毒的基本结构。晶体电镜技术推进了蛋白质、核酸及病毒等领域的研究广度和深度。克卢格因此也获得1982年诺贝尔化学奖。
第五次诺贝尔奖:扫描隧道电镜技术。1981年出现,它是一种扫描探针显微术工具,可以观察和定位单个原子,分辨率0.1埃,能得到实时空间中样品表面三维图像。科学家们曾成功地用这项技术把单个的氙原子排列成“IBM”形状。该技术获得1986年诺贝尔物理学奖。同年获奖的还有鲁斯卡。比起鲁斯卡五十多年的等待,发明该项技术的两位科学家才等了五年,真的是幸运之至。
第六次诺贝尔奖:冷冻电子显微镜技术。低温下,让蛋白质等大分子在水溶液中快速冷冻并保持天然结构,再在电镜下观察。冷冻电镜技术能以很高的分辨率确定溶液里生物分子的结构,对物质细微结构与功能的分析是巨大帮助。因此获得2017年诺贝尔化学奖。
忆往事,数今生,盼未来。相信凝结着人类智慧的显微镜,也会乘风破浪,用实力续写灿烂的传奇故事。