1、中山大学生命科学学院中山大学生命科学学院徐润林徐润林 自然科学的各个门类要解决的自然科学的各个门类要解决的两大问题两大问题:结构结构 功能功能 考古研究表考古研究表明：公元前明：公元前2600年的古埃及人就年的古埃及人就已经能够用天然已经能够用天然的水晶石打磨成的水晶石打磨成透镜。透镜。Pliny(2379 A.D.)描述了罗马医生用描述了罗马医生用凸透镜聚太阳光的现象。凸透镜聚太阳光的现象。罗马的哲学家罗马的哲学家 Seneca(4 A.D.65 B.C)就提到装就提到装满水的玻璃球可以使物体满水的玻璃球可以使物体放大且看的更清楚些。放大且看的更清楚些。Ibn Al Hatham(Alhaz
2、en,9621038)是是第一个真正理解到凸第一个真正理解到凸透镜产生放大图象原透镜产生放大图象原理的人。被后人称为理的人。被后人称为“光学之父光学之父”。Roger Bacon，英国英国几何学、算术、音乐和天文学家几何学、算术、音乐和天文学家(12141292 C.E.)接受了前人有关透镜的理论并在自接受了前人有关透镜的理论并在自己的研究中使用了透镜。己的研究中使用了透镜。“Mathematics is the door and the key to the sciences.”是是他的名言他的名言 Giambattista Della Porta意大利意大利(15351615)1589出版
3、了一套科普丛书出版了一套科普丛书:Natural Magick,其中的其中的一本一本Of Strange Glasses是是关于实际中人们如何用玻璃矫关于实际中人们如何用玻璃矫正视力的。正视力的。1590 年制出的第一个复式年制出的第一个复式显微镜显微镜 荷兰的荷兰的Janssens父子在显微镜的发展父子在显微镜的发展史中起了非常重要的重要。史中起了非常重要的重要。Z.Janssens被被认为第一台复式光学显微镜的发明者。认为第一台复式光学显微镜的发明者。Galilei Galileo (15641642)虽然此时的显微虽然此时的显微镜能够看到的物体只镜能够看到的物体只被放大了十倍左右，被放大
4、了十倍左右，他在显微镜下看到苍他在显微镜下看到苍蝇如同羊羔一样大。蝇如同羊羔一样大。Galileo设计的显微镜图设计的显微镜图复制品复制品Cornelis Cornelis Drebbel 荷兰荷兰(15721633)Drebbel集画家、集画家、雕刻家、玻璃艺人和雕刻家、玻璃艺人和炼丹人于一身。制作炼丹人于一身。制作了许多的透镜和望远了许多的透镜和望远镜。镜。几乎是同时也制几乎是同时也制出复式光学显微镜出复式光学显微镜瑞典诗人瑞典诗人 G.Stierhielm 他热衷于用放大镜观察动植物他热衷于用放大镜观察动植物。由于教会的牧师被他用放由于教会的牧师被他用放大镜观察到的跳蚤吓坏了，宣大镜观察
5、到的跳蚤吓坏了，宣布他是一位男巫。布他是一位男巫。在当时的女皇在当时的女皇Christina的的干预下，他才没有被烧死。干预下，他才没有被烧死。瑞典女皇瑞典女皇Christina16261689 意大利的意大利的Francesco Stelluti(1577 1646)利用当时的放大手段，利用当时的放大手段，认真地观察和研究了认真地观察和研究了蜜蜂的形态结构。之蜜蜂的形态结构。之后他又研究了线虫的后他又研究了线虫的血液、纺织物纤维和血液、纺织物纤维和蜘蛛卵的结构。蜘蛛卵的结构。1625年年(16021680)德国人德国人Athanasius Kircher用显微镜研究了动物腐烂现用显微镜研究了
6、动物腐烂现象和疾病。象和疾病。他与他与Stelluti共同成为了共同成为了微观生物学的开创者。微观生物学的开创者。在前人的理论和实践成果的基在前人的理论和实践成果的基础上，础上，17世纪是光学显微镜制造技世纪是光学显微镜制造技术和研究水平得到快速发展的年代。术和研究水平得到快速发展的年代。这这5位各自利用显位各自利用显微镜进行了深入的生物微镜进行了深入的生物学研究，并对显微镜技学研究，并对显微镜技术的发展做出了重要的术的发展做出了重要的贡献。贡献。von Leeuwenhoek 16321723Marcello Malpighi16281694Robert Hooke16351702Jan S
7、wammerdam 16371680Nehemiah Grew,1641 1712von Leeuwenhoek的显的显微镜和它的工作原理图微镜和它的工作原理图von Leeuwenhoek在使用他的显微镜在使用他的显微镜von Leeuwenhoek看到的看到的动物精子细胞动物精子细胞Diatom水中的单细水中的单细胞生物胞生物Hydra sp.植物的组织植物的组织 von Leeuwenhoek还观察过晶体、矿还观察过晶体、矿物、不同来源的水、牙垢、唾液和火药等。物、不同来源的水、牙垢、唾液和火药等。除此之外，他还研究过蚤、蚜虫、蚂除此之外，他还研究过蚤、蚜虫、蚂蚁的生活史；观察过轮虫、各
8、种消化物、蚁的生活史；观察过轮虫、各种消化物、横纹肌；描述过多种动物的红血球和血液横纹肌；描述过多种动物的红血球和血液循环系统。循环系统。von Leeuwenhoek是个守口如瓶的人，是个守口如瓶的人，他很少与别人交流有关的研究。他的许多他很少与别人交流有关的研究。他的许多成果在成果在19世纪后期之前并不被人所重视。世纪后期之前并不被人所重视。Malpighi 绘制的绘制的Anatome plantarumMalpighi是动物和植物材料显微组织技术的创始人是动物和植物材料显微组织技术的创始人揭示了动物肾的基本结构单位揭示了动物肾的基本结构单位Malpighi也是动物组织学的奠基人之一也是动
9、物组织学的奠基人之一跳蚤跳蚤Hooke和他的显微镜和他的显微镜植物的组织植物的组织Hooke观察到的苍蝇观察到的苍蝇首次提出首次提出cell一词一词Hooke的名作：显微图像的名作：显微图像Jan Swammerdam的显微镜的显微镜Swammerdam观察到的昆虫和蝎子观察到的昆虫和蝎子Hermann Boerhaave(16681738)他将他将Swammerdam的手稿，买下后于的手稿，买下后于1737年编辑出版。年编辑出版。Swammerdam是是17世纪第一位真世纪第一位真正昆虫学家。他曾收集了正昆虫学家。他曾收集了3000多种的活多种的活昆虫标本。昆虫标本。而且他还在显微解剖技术和
10、实验手而且他还在显微解剖技术和实验手段上做出了贡献，他发明了专门的解剖段上做出了贡献，他发明了专门的解剖镜用于他的研究中。镜用于他的研究中。The Anatomy of Plants1684年年 Nehemiah Grew在植物显微结构的研究使在植物显微结构的研究使得后人发现了植物的性别特征。他的工作领先得后人发现了植物的性别特征。他的工作领先同行同行100年！年！Nehemiah Grew还在动物的显微解剖上还在动物的显微解剖上做出了巨大的贡献，做出了巨大的贡献，他比较了不同动物消化他比较了不同动物消化系统的结构，并首次使用系统的结构，并首次使用“比较解剖比较解剖”一词。一词。Nehemia
11、h Grew发表的有关动物解剖的专著发表的有关动物解剖的专著 上述的这五位科学家在显微镜技上述的这五位科学家在显微镜技术和显微观察方面的成果使人类认识术和显微观察方面的成果使人类认识自然的能力得到大大提高，特别是在自然的能力得到大大提高，特别是在生物进化、起源、发育、人类病害、生物进化、起源、发育、人类病害、生物性别分化生物性别分化以及以及生物分类生物分类等多个领等多个领域都取得了巨大的成果，使整个社会域都取得了巨大的成果，使整个社会对生物的认识有了新的内涵，对后来对生物的认识有了新的内涵，对后来的生物学发展有着不可磨灭的功劳！的生物学发展有着不可磨灭的功劳！此时的显微镜上，出现了便于采光的反
12、光镜此时的显微镜上，出现了便于采光的反光镜18世纪末的光学显微镜世纪末的光学显微镜 19世纪中叶前，在显微镜技术世纪中叶前，在显微镜技术上有一个重要问题始终困扰着科学上有一个重要问题始终困扰着科学家们，那就是透镜产生的色差以及家们，那就是透镜产生的色差以及球面的像差。这些问题的出现使得球面的像差。这些问题的出现使得观察者在观察时看到了许多的假象。观察者在观察时看到了许多的假象。英国的英国的Dollond 是第一位制造出消色是第一位制造出消色差透镜的人。其技术和原理对于以后显微差透镜的人。其技术和原理对于以后显微镜技术的提高提供基本的保证。镜技术的提高提供基本的保证。意大利的意大利的G.B.Am
13、ici(17861863)1827年发明了反射显微镜可以消除色差。年发明了反射显微镜可以消除色差。19世纪中叶的光学显微镜世纪中叶的光学显微镜 虽然虽然Hooke于于1679年就提年就提出利用出利用“浸没原理浸没原理”来提高显来提高显微镜的分辨率，但真正引入该微镜的分辨率，但真正引入该原理的是英国人原理的是英国人David Brewster(17811868)。他建议使物镜前面浸没在一种液体他建议使物镜前面浸没在一种液体里，而所要观察的物体也在此液体中。里，而所要观察的物体也在此液体中。Ernst Abbe 18401905Carl Zeiss 18161888 他们改进了显微镜浸没系统，并尝
14、试他们改进了显微镜浸没系统，并尝试了了300多种液体，最终找到了香柏油作为多种液体，最终找到了香柏油作为这种浸没介质。这种浸没介质。Abbe 设计的由八个透镜组设计的由八个透镜组成的油镜，用以消除色差。成的油镜，用以消除色差。寄生的寄生的Plasmodium 植物的细胞内部结构植物的细胞内部结构油镜下硅藻壳的结构油镜下硅藻壳的结构油镜下的微生物油镜下的微生物酵母菌酵母菌细菌细菌 19世纪末，德国世纪末，德国学者学者August Khler计算了要获得最佳的计算了要获得最佳的观察效果，显微镜的观察效果，显微镜的光源与集光器间合适光源与集光器间合适的距离。的距离。20世纪初期的光学显微镜世纪初期的
15、光学显微镜第一台第一台Nikon光学显微镜光学显微镜袖珍显微镜袖珍显微镜倒置显微镜倒置显微镜荧光显微镜荧光显微镜荧荧光光显显微微镜镜的的工工作作原原理理荧光显微镜的观察结果荧光显微镜的观察结果脑虹脑虹德国的德国的F.Zernike(18881966)于于1934建立了相差显微镜建立了相差显微镜的原理。的原理。1953年获诺贝尔物年获诺贝尔物理学奖理学奖John Tyndall 18201893 物理学中有一物理学中有一个个“丁达尔效应丁达尔效应”，也就是光的散射现也就是光的散射现象或称乳光现象。象或称乳光现象。这个原理被引这个原理被引入到显微镜的制造入到显微镜的制造中就出现了中就出现了暗视野暗
16、视野显微镜显微镜。暗视场显微镜配件暗视场显微镜配件微分干涉差显微微分干涉差显微镜的工作原理镜的工作原理共聚焦激光显微镜共聚焦激光显微镜 工作原理工作原理蛋白质蛋白质细胞胞器结构细胞胞器结构 哺乳类视网膜上哺乳类视网膜上感光细胞感光细胞与与两极细胞两极细胞(红色红色)间的联系。间的联系。显示动物细胞内生命活动显示动物细胞内生命活动含有胍丁胺的纤维含有胍丁胺的纤维(红色红色)围绕着神经元围绕着神经元(绿色绿色)。显示动物成纤维细胞显示动物成纤维细胞中的具活力线粒体中的具活力线粒体。不同功能显微镜观察到的轮虫神经系统不同功能显微镜观察到的轮虫神经系统结合多角度、多层面的观察结果重构的轮虫结合多角度、
17、多层面的观察结果重构的轮虫神经系统结构神经系统结构 光学显微镜的放大倍率不过几光学显微镜的放大倍率不过几千倍，其分辨率在理论上不能小于千倍，其分辨率在理论上不能小于0.2微米，这是因为受光波波长的局微米，这是因为受光波波长的局限，即可见光的波长不能小于限，即可见光的波长不能小于4000埃。为此，它促使人们去寻找更短埃。为此，它促使人们去寻找更短波长的照明物质。波长的照明物质。根据物理学中波动学说，运动着根据物理学中波动学说，运动着的电子可以看作是一种电子波。电子的电子可以看作是一种电子波。电子运动的速度越高，电子波的波长越短。运动的速度越高，电子波的波长越短。例如受例如受200千伏高压加速的电
18、子，其波千伏高压加速的电子，其波长仅为长仅为0.025埃。这表明电子是一种理埃。这表明电子是一种理想的新光源。想的新光源。20世纪世纪2030年代，证实了轴对年代，证实了轴对称分布的电磁场具有能使电子束偏转、称分布的电磁场具有能使电子束偏转、聚焦的作用，从而找到了相当于光学聚焦的作用，从而找到了相当于光学显微镜中的透镜显微镜中的透镜电子透镜。这就是电子透镜。这就是具有高分辨率的电子显微镜产生的基具有高分辨率的电子显微镜产生的基础。础。电子显微镜是电子显微镜是20世纪最重要的世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以到很高，电子显微镜的
19、分辨率可以达到纳米级达到纳米级(109m)。电镜的放大倍率可达百万，可电镜的放大倍率可达百万，可分辨样品的最小细节为几个埃。分辨样品的最小细节为几个埃。世界上第一台透世界上第一台透射电子显微镜射电子显微镜(1938)Ernst Ruska1906Max Knoll(18971969)德国德国Ernst Ruska分享分享1986年年的诺贝尔物理学奖。的诺贝尔物理学奖。透射电镜透射电镜扫描电镜扫描电镜Charles OatleyUK，1904世界上第一台扫世界上第一台扫描电子显微镜描电子显微镜1952年年第一台商业电子透镜第一台商业电子透镜扫描电镜是介于透射电镜和光学显微扫描电镜是介于透射电镜和
20、光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段。镜之间的一种微观性貌观察手段。扫描电镜的优点是：扫描电镜的优点是：有较高的放大倍数，有较高的放大倍数，2020万倍之间万倍之间连续可调；连续可调；有很大的景深，视野大，成像富有有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；平表面的细微结构；试样制备简单。试样制备简单。动物滤食器的结构动物滤食器的结构复眼结构复眼结构核酸分子核酸分子噬菌体噬菌体据称是引起据称是引起“非典型肺炎非典型肺炎”的元凶的元凶冠状病毒颗粒冠状病毒颗粒Gerd Binnig1947Heinrich Rohrer1933 因
21、为发明扫描隧道显微镜而分享因为发明扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。第一台扫描隧道显微镜第一台扫描隧道显微镜 在生物学中的应用：研究核纤层蛋白分在生物学中的应用：研究核纤层蛋白分子的装配、溶菌酶结构、动物金属硫蛋白子的装配、溶菌酶结构、动物金属硫蛋白(并探讨它们在生物学中的作用并探讨它们在生物学中的作用)、抗原抗、抗原抗体复合物的结构，阐述有关的免疫学问题。体复合物的结构，阐述有关的免疫学问题。特点：分辨率特点：分辨率为为1埃，观察埃，观察物质表面的三物质表面的三维图像。维图像。扫描隧道显微镜工作原理图扫描隧道显微镜工作原理图 在扫描隧道显微镜的基础上，在扫描
22、隧道显微镜的基础上，人们又研发出了原子力显微镜、激人们又研发出了原子力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、弹道电子发射显微镜、扫显微镜、弹道电子发射显微镜、扫描离子显微镜、扫描近场光学显微描离子显微镜、扫描近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜等。镜和光子扫描隧道显微镜等。分辨率也逐步提高。分辨率也逐步提高。激光力显微镜激光力显微镜原子力显微镜原子力显微镜磁力显微镜磁力显微镜双光子激光扫描显微技术（双光子激光扫描显微技术（twophoton laserscanning microscopy，TPLSM）对胚胎发育）对胚胎发育头头3h中的决定果蝇基本结构前轴
23、和后轴的基因中的决定果蝇基本结构前轴和后轴的基因Bicoid表达梯度进行定量。表达梯度进行定量。应用双光子激光扫描显微技术应用双光子激光扫描显微技术,可以记录到神可以记录到神经末端的经末端的Ca浓度的变化。浓度的变化。新型光学显微技术达到新型光学显微技术达到近分子水平的分辨率。近分子水平的分辨率。随机光学重建显微法随机光学重建显微法(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM),可以得到比传统光学显可以得到比传统光学显微镜高微镜高10倍以上的分辨倍以上的分辨率率(20纳米纳米)。该技术揭示的该技术揭示的DNA上上的启动子间的距离的启动子间的距离 科学的进步不是一朝一夕完成的；科学的进步不是一朝一夕完成的；现在的许多研究成果都是在前人的现在的许多研究成果都是在前人的基础上取得的；基础上取得的；任何一个技术上的改进都可能带来任何一个技术上的改进都可能带来科学的进步；科学的进步；学科交叉的重要性。学科交叉的重要性。
