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列文虎克的单式显微镜如何使用 能把标本放大多少倍?

2021-11-01 10:05:09 来源:科技日报

日前,清华大学科学博物馆在珍品柜展出了列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek,1632—1723年)单式显微镜的复制品,此展品由荷兰莱顿的布尔哈夫博物馆复原团队手工打造,其长不足10厘米,宽仅有两三厘米,厚约1厘米。这件精致小巧的科学仪器激起了很多人的好奇心,观众对它的第一反应往往是:这怎么可能是显微镜?的确,与大多数观众在求学期间自然课或生物课上使用的复式显微镜相比,这个可在手中摩挲的小小铜板不免显得有些“特立独行”。

那么列文虎克的这种单式显微镜该如何使用,能把标本放大多少倍?其背后又有什么有趣的历史?

列文虎克与罗伯特·胡克

要谈列文虎克,就不能不提到与他同时代的大名鼎鼎的罗伯特·胡克(RobertHooke,1635—1703年)。1662年,年轻的胡克担任了成立不久的英国皇家学会的实验管理员,他用改良的显微镜来观察各种东西,发现软木在显微镜下呈现出一个一个的腔室,类似于修道院的一个个居室,所以将其称为“修道院单人小室”(cell)。这就是为我们熟知的“细胞”。1858年,传教士韦廉臣(AlexanderWilliamson,1829—1890年)、艾约瑟(JosephEdkins,1823—1905年)和数学家李善兰(1811—1882年)编译了《植物学》,其中的“聚胞体乃聚无数细胞为一体,诸细胞相黏合”被后人认为是英文的cell首次被译为中文的细胞。虽然在这之后的几十年,细胞一词并未成为通行的译法,cell还被译作珠、膛、小凹等,直到甲午战争之后,随着日译科技术语的引入,细胞才成为主流的用法,沿袭至今。

胡克使用的是复式显微镜,可将标本放大30多倍。他最初的发现于1665年——伦敦大瘟疫发生那年——被结集成《显微图谱》(Micrographia)一书,这成为皇家学会第一本产生广泛影响的著作。而比胡克年长3岁的列文虎克,年轻时是荷兰代尔夫特的一名布商。他没有接受过太多的教育,只会讲荷兰语,不懂英语和拉丁语。列文虎克1668年访问伦敦,很有可能是在这段时间,他接触到了胡克的《显微图谱》。或许是书中描绘的巨大的跳蚤插图触动了这位布商,他开始对显微镜感兴趣,待返回荷兰,他就研制起透镜,开启了持续半个多世纪的单式显微镜制造和观察生涯。

列文虎克制造的显微镜,如清华大学科学博物馆珍品柜展示的这件仪器一样,结构极其简单。一个极小的玻璃珠作为单透镜安装在黄铜板上的小孔中,标本放置在镜头前突出的尖点上,转动两个螺丝,就可调整位置和焦距。眼睛靠透镜,就能观察到放大的标本。列文虎克的显微镜,最多可将标本放大至275倍,这也使得胡克一生都对列文虎克如何制作出这种透镜感到好奇和疑惑。

进入充满生机活力的新世界

通过朋友介绍,列文虎克从1673年开始给英国皇家学会写信,他的发现也逐渐公诸于世。直到1823年去世,列文虎克一直与英国皇家学会及其成员保持着密切通信,现在有约200多封信仍然保存在英国皇家学会。透过这些书信,我们可以看到列文虎克对他进入的新世界充满生机和活力的记录。

其中,1676年10月9日的一封信,留下了当年春天列文虎克连续观察了4天雨水后写下的一段话:“我判断,即使把一百个这些小动物撑开摆在一起,也不会超过一颗粗沙子的长度;如果这是真的,那么一百万个这些活物也不够一颗粗沙粒的体积。”这段文字中的“小动物”,就是我们现在熟知的细菌,这也是人类首次发现细菌。

在1683年的另一封信里,他写道:“在我的门牙和臼齿之间有一些东西嵌在里面,或者生长在那里……极为诧异的是,我总会看到在这些物质中有许多非常小的活着的微生物,动得非常可爱。看来世界充满了生命,数量比以前想象的要多得多。水滴里存在活物,人的牙缝里寄存的小颗粒也存在活物!”

他还对两位从未清洁过牙齿的老人做了重复观察,在取出的样本上发现了“一群令人难以置信的活体动物,它们游泳的速度比我迄今为止见过的任何动物都要灵活。”

随着一个又一个石破天惊的新发现——包括精子、血细胞的首次观察——从代尔夫特传到伦敦,列文虎克在显微镜制作和观察上的才华开始被欧洲认可,他在1680年被选为英国皇家学会的正式会员,他位于代尔夫特的家也成为名流贵胄,包括俄罗斯彼得大帝、英格兰的詹姆斯二世和普鲁士的腓特烈二世等的“打卡地”。

列文虎克像一位我们这个世界率先进入到新的未知世界的探险家,从人类熟知的日常尺度进入了无法想象的、梦幻般的微小尺度。从“异界”归来后,他充满喜悦地分享自己的所见,改变了人类对自然的认知。

1716年,84岁的列文虎克还在坚持用显微镜观察这个世界,在一封信中他这样写道:“我已经做了很长时间的工作,并不是为了获得我现在所享受的赞美,而是主要来自对知识的渴望,我注意到,我的这种渴望比他人更甚。因此,每当我发现任何非凡的事情时,我都认为我有责任将我的发现写在纸上,以便所有具有创造力的人都得以知道。”

居世界领先地位长达150年

直到19世纪30年代消色差显微镜镜头出现,列文虎克的镜头才被超越,也就是说,他的显微镜能在世界居于领先地位长达150年。

列文虎克在世时,他的同代人,包括胡克,就对他如何制造出如此高倍率的透镜产生了浓厚兴趣,但列文虎克对他制作透镜的方法严格保密,甚至在客人参观时也只让他们看中等质量的显微镜。1745年,随着列文虎克女儿玛丽亚的去世,他的大部分显微镜在1747年举办的一场拍卖会上被抢购一空。

这些珍贵的显微镜可谓命运多舛,科学史家研究认为,列文虎克制作的显微镜的总数达559件——这意味着在他50年的显微镜制作和标本观察生涯中,均每个月制作一个,由此也可一窥列文虎克的勤奋。根据拍卖记录,买家似乎以代尔夫特当地居民为主,有公证人、医生、外科医生、地方法官、铜匠,但也有至少三分之一的拍品是匿名人士通过给中间人佣金的方式购买的。不过,可预见的是,大多数新主人利用显微镜观察标本的能力根本无法与列文虎克相提并论。在失望之余,这些小巧的显微镜被搁置一旁,最终导致了大量丢失——目前全世界只有约10件原件幸存。

由于列文虎克生前对透镜制作方法的严格保密,目前留存的显微镜原件又极为珍贵,不便拆开显微镜直接观察内部构造,因此在破解列文虎克如何制作出高倍率透镜之谜上,科学史家一直束手无策。2021年,荷兰莱顿的研究人员利用中子断层扫描技术对列文虎克的两个显微镜做了无损检测,揭示了透镜的完整结构,其中一个中倍率的透镜呈扁豆状,另一个高倍率的透镜则为带杆的球形玻璃珠,这表明,列文虎克使用的其实是胡克1678年公布的透镜制作方法。他对外保密自己的制作方法,可能也有这方面的考虑。

列文虎克利用他制作的显微镜“打开了新世界的大门”,如今各个领域的科学家还继续在这个新世界开疆拓土,不断突破所能观测的极限。有鉴于此,清华大学科学博物馆计划与哈佛大学历史科学仪器收藏馆(CHSI)合作,举办以历史上的显微镜为主题的线上展览,从列文虎克的单式显微镜到现代的最新式显微镜,相约一场尺度不断延伸的新世界之旅。

(作者系清华大学科学史系博士后 刘年凯)