全球观热点：【2022年度“科普中国青年之星创作大赛”】通过镜片洞见未来 ——改进显微镜发现身边一个全新的微观世

2022-12-22 17:05:08 来源：科普中国

“我忧心忡忡地看待未来，但仍满怀美好的希望”这是52年前，NASA的科学家施图林格给非洲赞比亚尤肯达修女的回信中的名句，这封真挚的回信随后以《为什么要探索宇宙》为标题发表。

**图1：随回信寄出照图：**1968年，阿波罗8号在环月球轨道上拍摄的地球

在回信中施图林格在解释太空探索计划如何帮助解决地球上的各种问题前，先讲一个故事。大约在400年前德国的一个小镇，有一位非常仁慈的伯爵，把自己的大部分收入都用来救济镇上的穷苦百姓。这份仁慈令人非常感动，因为在中世纪，穷苦百姓实在是太多了且经常出现全国性瘟疫。有一天，伯爵遇到一个奇怪的男人，他的家里有一个工作台和一个小实验室。白天辛勤劳作，每天晚上都会拿出几个小时在自己的实验室搞研究。他将一块块玻璃打磨成小镜片，而后将镜片安装到镜筒上，利用这种装置观察非常微小的物体。放大数倍的微小生灵尤其让伯爵感到不可思议，深深着迷。伯爵邀请这名男子带着他的实验设备搬到自己的城堡，成为他的一名“特殊员工”。

(资料图)

镇上的人认为这个怪人是在研究一些没用的东西，伯爵在他身上浪费了太多钱，都感到很愤怒。他们抱怨说：“人们还在忍受瘟疫的折磨，而他却拿钱让这个男人搞一些没有用的爱好。”听到这样的抱怨，伯爵并没有因此动摇，仍坚持自己的做法。他说：“我会尽我所能帮助你们，但我仍会支持他的研究，因为我坚信他的研究终有一天会得到回报。”事实证明，伯爵的话是对的。这个怪人最后研制出人们现在熟知的显微镜。在促进医学进步方面，其他任何发明都无法与显微镜相提并论。它的问世帮助人类消除世界上大部分地区的瘟疫以及其他很多种接触性传染病。如果没有显微镜，人类无法取得这些成就。在显微镜诞生过程中，伯爵投入的钱显然发挥了重要作用。在帮助减轻人类遭受的苦难方面，花钱支持研制显微镜所能做出的贡献显然远远超过单纯地救济遭受瘟疫侵袭的不幸者。施图林格的故事可能有些虚构的成分，但显微镜能够让人们对微观世界有了全新世界的认识确是事实，这就要说到微生物学之父——列文虎克。

图2：列文虎克制造的显微镜让人们大开“微生物世界”的眼界

很多人都说列文虎克发明了显微镜，其实这是讹传。这位原本给布料商当学徒工的年轻人大部分时间实际上是当出纳员；做纺织品生意，要经常用放大镜检查亚麻布料的细部纹理质量，所以就要经常摆弄透镜镜片。同时，他的确非常喜欢自己磨制镜片。对于一般人来说，能磨出放大率几十倍的镜片已经很了不起，但是列文虎克不一样，从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的“镜片”。使用这样的透镜，人们可以分辨出桔子皮上1微米（1米=1000毫米=1000000微米）大的细节。这个秘密直到250年后，就是在上世纪50年代时，人们终于再现了真正的“列文虎克镜片”。事实上，在当年众人都以为列文虎克在没日没夜磨镜片时，其实他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端，便会逐渐凝出一小滴“玻璃球珠”，就好像你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，而这便是列文虎克的镜片了。所以，不仅仅是工匠精神，有时候科学方法也是很重要的。

图3：列文虎克的单式镜的正确使用方法

列文虎克的透镜微小而又接近球形，使它具有很高的放大本领，可以把物体放大到原来的275倍。后来，列文虎克竟因为这方面的出色才能，成功的完成了跨界并成为了皇家学会的指定供应商；这也充分说明：一个不想当裁缝的出纳，绝不是一个好的显微镜制造商！事实上，列文虎克的主要贡献是改进了显微镜，除此以外他的厉害之处还在于，用显微镜做出了惊人的发现——列文虎克拥有全世界第一只观察到细菌的人类眼睛。第一次观察的目标是自己后院的一滴雨水，这是人类首次看到神奇的微生物世界，其冲击力就如同现在报道中发现了外星生物一样。显微镜下成千上万的肉眼看不到的小生命在鲜活的存在着、运动着，列文虎克形容他们的身影“美丽动人”。

微生物是形体微小（<0.1毫米）、构造简单的低等生物，包括细菌、霉菌、衣原体等。迄今30多亿年前，微生物就悄悄地出现在地球上，然而当时谁也不认识它。直到列文虎克改进显微镜，才使得人类能涉足这个神秘的微生物王国，揭示了微生物的存在并从此开启了这个小小的大千世界。此后，在1931年，电子显微镜诞生，能照出的细节也越来越精致，在10年之内，电镜的理论分辨率就已经达到了10纳米（1纳米=1.0×10-9米），这个级别正是细胞膜的厚度。

图4：电子显微镜下的首张细胞照片

当30多万年前，人类首次抬头仰望星空时，对宇宙的好奇与探索并永远种在了人们的心底。从伽利略在这个世纪的早期，用他的望远镜扩大了人类对天空和宇宙世界的认识那样，列文虎克则把他的显微镜转向这样一些日常物质。诸如，从他自己牙床上刮下的碎屑和一滴水，展示了另一个做梦也想不到的尺度，和伽利略一样，他看到了人类以前从来没有看到过的，并且在这样做的同时，他永远地改变了人类对自然的认识。

**图5：通过镜片洞见未来：**仰望星空脚踏实地，以梦为马不负韶华

如此看来，不得不说我们当今这一代人非常好运，人类许多的基础理论和认知技术，早就在此前都已建立完善才会取得今日之成就，而其中最重要的就是科学方法。当代人们已经见怪不怪了，觉得稀松平常其实很简单，科学方法是一个默认的正确设置，可是在古代，人们最主要的认识世界的方法并不是以科学实证方法为主，而是更多时候会听信与古圣先贤。

直到十四世纪文艺复兴、大航海的到来，让人们大胆去发现、去接受那些以前不会、不敢接受的东西；回到最朴素的原点，当时的人们更多的是用实证方法去认知世界，相信在实验室里得出来的确切数字，理性至上眼见才能为实。人们慢慢地发现现实的东西不能满足自己的需求时，于是科技的发展机会诱发社会变革；丰富的新视野突然被打开来，这就让科学有了用武之地——不再忧心忡忡地看待未来，而是更加满怀希望地憧憬明天！

关键词：列文虎克科学方法电子显微镜