高中生物科学家小故事显微学家列文虎克

显微镜学家列文虎克安东·列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek，1632—1723年）荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者，被誉为“微生物学之父”。其最为著名的成就之一，是改进了显微镜以及微生物学的建立。他在2004年票选最宏大的荷兰人当中，排名第四，高于第五宏大的伊拉斯谟（著名的人文主义思想家和神学家）。“看着这滴水……这些微小动物的动作是这么灵敏，而且这么多样——向上，向下，迂回，真是奇异的景象。依据我的推断，这些微小生物中某些种类的大小只有我在奶酪皮上见到的那些东西的不到千分之一。”这些词句标记着现代微生物学的开端。1674年9月，它们在荷兰的代尔夫特被一名布匹商人兼文官写下，这封信的作者——安东尼·范·列文虎克是微生物学之父。通过发觉微生物，他实现了生物学在整个17世纪最宏大的一次进步，也是自然科学全部历史中最重要的进步之一。列文虎克于1632年诞生在荷兰代尔夫特市的一个酿酒工人家庭，他父亲去世很早，在母亲的抚养下读了几年书，16岁时失去了父亲，1648年到阿姆斯特丹一家布店当学徒。20岁时回代尔夫特自营绸布。中年以后被代尔夫特市长指派做市政事务工作，在代尔夫特市政厅当了一位看门人。这种工作收入不少且很轻松，使他有较充裕的时间从事他自幼就宠爱的磨透镜工作，并用之视察自然界的微小物体。由于勤奋及本人特有的天赋，他磨制的透镜远远超过同时代人。他的放大透镜以及简洁的显微镜形式很多，透镜的材料有玻璃、宝石、钻石等。其一生磨制了400多个透镜，有一架简洁的透镜，其放大率竟达270倍。图1列文虎克制作的显微镜列文虎克对在放大透镜下所展示的显微世界特别有爱好，视察的对象特别广泛，有晶体、矿物、植物、动物、微生物、污水等等。列文虎克显微视察中的一个重要的贡献就是进一步证明了毛细血管的存在。他相继在鱼、蛙、人、哺乳动物及一些无脊椎动物物体中视察到毛细血管。1688年，他在描述显微镜下视察蝌蚪尾巴的血液回圈时写到：“呈现于我眼前的情景太激烈人了，……因为我在不同的地方发觉了五十多个血液回圈，……我不仅看到，在很多地方，血液通过极其微小的血管而从尾巴中心传送到边缘，而且还看到，每根血管都有弯曲的部分即转向外，从而把血液带向尾巴中心，以便再传到心脏。由此我明白了，我在这动物中所看到的血管和称为动脉和静脉的血管事实上完全是一回事；这就是说，假如它们把血液送到血管的最远端，那就专称为动脉，而当它们把血液送回心脏时，则称为静脉。”图2运用列文虎克制作的显微镜视察到的人血图片正是列文虎克的显微视察，圆满完成了血液回圈的发觉。列文虎克在视察毛细血管中的血液回圈时，还发觉血液中的红血球，成为第一个望见并描述红细胞的人。列文虎克在显微视察中，还第一次发觉了一些特别细小并只能透过显微镜视察到的生物，他称之为“微生物”。1675年，他首先在盛放雨水的罐子里发觉了单细胞的微生物；1683年，他又在自己的牙垢物中发觉了更小的单细胞生物。他发觉“这些生物几乎像小蛇一样用美丽的弯曲姿态运动。”过了200多年以后，人们才搞清晰列文虎克发觉的微生物是细菌。图3列文虎克用自制显微镜视察细菌的记录原件此外，列文虎克对于昆虫的结构也进行了大量的显微视察。他视察了昆虫的复眼，认为复眼便于昆虫快速发觉其他物体；他发觉蚜虫的发生无需受精，即如今所称的孤雌生殖，幼虫从未受精的雌体中产生出来。列文虎克虽没受过高等教化，但他的挚友中却有不少是科学家、学者、艺术家，其中包括当时荷兰的著名解剖学家雷尼尔·德·格拉夫（1641～1673年）。格拉夫对于胰腺分泌物及雌性动物的生殖系统很有探讨，“卵”这个词就是格拉夫首先提出来的。格拉夫还比较关注显微视察，而且与伦敦皇家学会联系亲密。1673年，格拉夫给伦敦皇家学会写了一封信，信中报告：“这里有一位叫作列文虎克的天才人物，他设计的显微镜远远赛过我们之前所见过的类型。”这是在4月。8月又来了一封信函，这次是康斯坦丁·惠更斯的来信，他写这封信是为了支持“我们最诚恳的市民列文虎克……一位勤奋的探讨者”。1673～1723年期间，列文虎克通过格拉夫的介绍，和英国皇家学会建立了联系，将他的发觉接连以通信的方式报告给学会，其中绝大多数都发表在《皇家学会哲学学报》上，由他供应的第一幅细菌绘图也在1683年该学报上刊出。图4列文虎克关于甲壳虫眼睛的一封信中的插图在写给皇家学会的每封信中，列文虎克都提出自己对罗伯特·虎克在《微物图志》中的描述存有异议。罗伯特·虎克已经在显微镜下视察了软木塞、一根羽毛的髓和柄，与之相应地，列文虎克选择了同样的样本进行了自己的描述，运用的是虎克为高倍显微镜所做的设计。1674年9月7日，列文虎克给皇家学会寄了一封具有重大历史意义的信函。列文虎克在信函中描述了自己是如何穿过一个名叫博凯尔斯梅尔的湖泊并停下来视察湖水的。他写道：“在冬天湖水是澄澈的，但当夏季到来，湖水中似乎起先生长出白色或绿色的东西。”当地人告知列文虎克这是晚上的露水导致的，但他不能信任。“我在小玻璃瓶中装了一点水”，他写道：“其次天在显微镜下视察时，我发觉其中漂移着多数多种多样的微粒……”列文虎克在信中说“有些像是人的头发，但内部有绿色的螺旋”。毫无疑问，他描述的是水绵属绿藻类生物。这类物种的叶绿素包含在沿细胞纵轴的螺旋形条状物内，看起来就像是绿色的弹簧，这就是他所说的“绿色的螺旋”。他在信中描述的“有些是圆的，还有些是椭圆形，一些种类在头部伸出两个小小的腿，而在身体最末端长出两个小鳍”指的是轮虫，这些微生物通过毛发状的纤毛相互击打来移动，看起来就像车轮一样。“其他的”，他写道：“中间是绿色，而前面和后面是白色。”——它们是今日中学生物教材里经常出现的绿藻类生物绿眼虫。1676年10月，列文虎克将完整的记录寄给了皇家学会的秘书亨利·奥尔登伯格，这份记录的摘要于1677年2月出现在了每两周实行一次的学会会议上。这封信的一部分发表在了1677年3月的《皇家学会哲学学报》上，另一份摘要被寄往法国，并刊登在1678年的《学者杂志》上。图5列文虎克雇佣画匠画的代尔夫特运输河中的浮萍和微生物1680年列文虎克被选为皇家学会的会员。由于他划时代的细致视察，使他著名遐迩，很多名人（包括英国女王、俄国的彼得大帝）都曾接见过他。列文虎克是第一个用放大透镜看到细菌和原生动物的人。尽管他缺少正规的科学训练，但他对肉眼看不到的微小世界的细致视察、精确描述和众多的惊人发觉，对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学探讨的发展，起了奠基作用。在他的一生当中磨制了超过500个镜片，并制造了400种以上的显微镜，其中有9种至今仍有人运用，他的显微镜制法也由于保密，有些至今还是未解之谜。100多年以后，当人们在用效率更高的显微镜重新视察列文虎克描述的形形色色的“小动物”，并知道他们会引起人类严峻疾病和产生很多有用物质时，才真正相识到列文虎克对人类相识世界所作出的宏大贡献。作为杰出的显微视察家，列文虎克在生物学史上是相当重要的，直到19世纪，显微科学的探讨才超过他的水平。从职业上看，他是一位业余科学家，他的主要职业是商人，而且即使在科学探讨中他也保留了某些商人的习性。例如，他对自己的某些方法秘不示人，惟恐别人驾驭，而且他宠爱“独立经营”，很少与别人沟通科学探讨的结果。但从另一个方面看，他却是一位真正的杰出科学家。他对科学探讨如痴如狂的痴迷，他的严谨而勤奋的治学看法和作风，以及他所做出的贡献，这些不仅在当时，而且在整个生物学史上也是不多见的。附件列文虎克死守的隐私，最终被科学家揭开：就这？——摘自微信公众号《果壳》17世纪，荷兰商人安东尼·范·列文虎克用自制的显微镜，第一次视察到了单细胞生物，人类也从今打开了微生物学的大门。列文虎克能发觉前人从未见过的世界，是因为他的显微镜放大倍数，比同时代的对手们高出一个数量级。比如，现存放大倍数最高的一台列文虎克显微镜，能将物体放大266倍。这个男人向世人说出了微观世界的隐私，但一问到他的显微镜里藏着怎样的镜片，用何种工艺制成，列文虎克便守口如瓶。外界始终对此特别新奇，就连最早用显微镜发觉细胞的前辈罗伯特·虎克都不例外。如今300多年过去，荷兰代尔夫特高校的科学家们最终从那台“266倍镜”里看出了镜片的样子，同时也替罗伯特·虎克感受到一丝微妙。怎么跟说好的不一样？从前，人们大多是利用X射线来视察列文虎克显微镜的内部，似乎医院里拍片那样。能放大物体266倍的列文虎克显微镜，藏于乌得勒支高校博物馆但列文虎克显微镜的孔径太小，不到1毫米，镜片只有很小一部分暴露在外，90%以上都被黄铜板覆盖。X射线不易穿透金属，就很难检测出里面的镜片是什么形态。于是，代尔夫特高校的科学家们不用X射线，改用中子层析（NeutronTomography）的方法。与X射线相比，中子束对大部分金属的穿透实力更强。中子不会因为原子核外电子的影响而严峻衰减，而X射线里的光子更简洁被电子汲取或散射。放射中子束，科学家就可以在不破坏文物的状况下，看出现存放大倍数最高的那台列文虎克显微镜里面的样子了：显微镜（266x）的中子层析成像，灰色为镜片所在，各角度看都是圆形，直径大约1.3毫米左为显微镜（266x）本体，右为3D重建之后搭载镜片的黄铜板很薄，且镶嵌镜片的位置是凹进的。这样，镜片前表面可以凸出于黄铜板，镜片也能离视察样本近一点，再近一点。科学家们信任，“近”是列文虎克设计中的重要考量。当然，他们更关切的还是镜片形态。成像显示，不论从哪个方向看，镜片的截面都是圆形。也就是说，那是颗玻璃球。而从用显微镜视察物体时的视角（也就是图中XZ方向）看，还会发觉一条玻璃线与玻璃球相连。但这样的结果，与学界从前的认知大相径庭。从前的一项主要探讨认为，这台“266倍镜”搭载的镜片并非球状，而是球被压扁一些的样子（下图）。如今的成像结果却指向，它的镜片就是球状，加一条线。1981年一项探讨认为显微镜（266x）的镜片是如此得来：把玻璃管吹成灯泡的形态，再将末端鼓起的部分掰下来，得到的镜片比较扁。中等放大倍数（118x）显微镜的成像结果，镜片更扁探讨团队的这项成果，发表在5月的一期ScienceAdvances期刊上。新的成像打破了旧有的认知，但也没有完全超出科学家的想象。因为，他们对那种一个球连着一条线的形态有印象。怎么和虎克的方案很像？1670年头，列文虎克把一滴池塘水放在显微镜下，发觉里面竟有许很多多“微小的动物”游来游去。从今，他起先将自己视察各种样本所见的“微小动物”，写信描述给英国皇家学院。今日我们知道，他看到的是微生物。但在时人眼中，信里描述的场景难以置信，加之列文虎克始终拒绝透露运用的是怎样的设备，质疑和嘲讽接踵而来。1676年，皇家学会对那些“微小动物”的真实性提出疑问。在列文虎克坚持下，皇家学会支配多位宗教界高层鉴定他的视察结果。1677年，列文虎克的发觉得到了认可。但显微镜内部的隐私，并没有因此解开。时任皇家学会秘书的罗伯特·虎克，也是首先用显微镜看到细胞的人，便对列文虎克的秘而不宣颇有怨言。哪怕不论政治，一项科学发觉的透亮性和可复现性，也是皇家学会看重的因素。1678年，虎克爽性自己发表了一种“超级简洁”的方案：把一根细玻璃棒放在火焰上，当它渐渐溶化，末端便会卷成一个小球。把小球掰下来，留一个小把手，便利安装。科学家重建的镜片形态一个小球连着一根线。时隔三个多世纪的今日，科学家们最终发觉，列文虎克那一台能够放大物体266倍的显微镜，镜片原来与虎克的“超级简洁”方案特别吻合。这个方案，其实是1665年虎克所著《显微图谱》（Micrographia）中介绍过的一种方法的变体。差别只在于那个小把手，书中曾经认为须要磨掉。而《显微图谱》风靡的年头，早于列文虎克制造显微镜的全部生涯。《显微图谱》那么，“266倍镜”的制造很可能借鉴了虎克的方法，而非采纳什么秘制工艺。这个发觉让探讨团队信任，列文虎克的保密行为是面对竞争对手有意为之。1685年，锲而不舍的虎克把一位皇家学会会士送到荷兰代尔夫特，试图从列文虎克那里获得显微镜的一些细微环节，照旧无所得。如今科学家们也稍稍替虎克感到讽刺，因为他始终找寻的答案，可能早在自己心里。但即便如此，也是列文虎克自身的技艺让虎克的方法发挥出了同时期里最大的效用。列文虎克显微镜的放大倍数，直到100多年后才被超越。怎么也探讨不完原本，列文虎克是一位布料商人，希望能有一种工具让他把每根丝线看得更清晰，以推断品质的优劣。而在游历英国并受到虎克《显微图谱》的启发后，列文虎克对显微技术的钻研便一发不行整理。列文虎