顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2徐潤(rùn)林

1、現(xiàn)代生命科學(xué)進(jìn)展,－－顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué),中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院徐潤(rùn)林,自然科學(xué)的各個(gè)門類要解決的兩大問題: 結(jié)構(gòu) 功能,考古研究表明：公元前2600年的古埃及人就已經(jīng)能夠用天然的水晶石打磨成透鏡。,Pliny (23­79 A.D.)描述了羅馬醫(yī)生用凸透鏡聚太陽(yáng)光的現(xiàn)象。,羅馬的哲學(xué)家 Seneca (4 A.D. - 65 B.C) 就提到裝滿水的玻璃球可以使物體放大且看

2、的更清楚些。,Ibn Al Hatham (Alhazen, 962-1038)是第一個(gè)真正理解到凸透鏡產(chǎn)生放大圖象原理的人。被后人稱為“光學(xué)之父”。,Roger Bacon， 英國(guó)幾何學(xué)、算術(shù)、音樂和天文學(xué)家(1214-1292 C.E.),接受了前人有關(guān)透鏡的理論并在自己的研究中使用了透鏡?！癕athematics is the door and the key to the sciences.”是他的名言,Giambattis

3、ta Della Porta意大利 (1535-1615) 1589出版了一套科普叢書:《Natural Magick 》, 其中的一本《Of Strange Glasses》是關(guān)于實(shí)際中人們?nèi)绾斡貌ＡСC正視力的。,復(fù)式光學(xué)顯微鏡的誕生,1590 年制出的第一個(gè)復(fù)式顯微鏡,荷蘭的Janssens父子在顯微鏡的發(fā)展史中起了非常重要的重要。Z. Janssens被認(rèn)為第一臺(tái)復(fù)式光學(xué)顯微鏡的發(fā)明者。,Galilei Gali

4、leo (1564-1642),雖然此時(shí)的顯微鏡能夠看到的物體只被放大了十倍左右，他在顯微鏡下看到蒼蠅如同羊羔一樣大。,Galileo設(shè)計(jì)的顯微鏡圖,復(fù)制品,Cornelis Cornelis Drebbel 荷蘭(1572-1633),Drebbel集畫家、雕刻家、玻璃藝人和煉丹人于一身。制作了許多的透鏡和望遠(yuǎn)鏡。 幾乎是同時(shí)也制出復(fù)式光學(xué)顯微鏡,瑞典詩(shī)人 G. Stierhielm 他熱衷于用放大鏡觀察動(dòng)植

5、物。,由于教會(huì)的牧師被他用放大鏡觀察到的跳蚤嚇壞了，宣布他是一位男巫。 在當(dāng)時(shí)的女皇Christina的干預(yù)下，他才沒有被燒死。,瑞典女皇Christina1626-1689,科學(xué)的進(jìn)步總是坎坷的,意大利的Francesco Stelluti (1577 – 1646)利用當(dāng)時(shí)的放大手段，認(rèn)真地觀察和研究了蜜蜂的形態(tài)結(jié)構(gòu)。之后他又研究了線蟲的血液、紡織物纖維和蜘蛛卵的結(jié)構(gòu)。,1625年,微觀生物學(xué)的誕生,(1602-1

6、680),德國(guó)人Athanasius Kircher用顯微鏡研究了動(dòng)物腐爛現(xiàn)象和疾病。 他與Stelluti共同成為了微觀生物學(xué)的開創(chuàng)者。,光學(xué)顯微鏡與顯微鏡學(xué)新紀(jì)元的出現(xiàn),在前人的理論和實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，17世紀(jì)是光學(xué)顯微鏡制造技術(shù)和研究水平得到快速發(fā)展的年代。,這5位各自利用顯微鏡進(jìn)行了深入的生物學(xué)研究，并對(duì)顯微鏡技術(shù)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。,,von Leeuwenhoek 1632-1723,Marcello

7、Malpighi1628-1694,Robert Hooke1635-1702,Jan Swammerdam 1637-1680,Nehemiah Grew, 1641- 1712,,von Leeuwenhoek的顯微鏡和它的工作原理圖,,von Leeuwenhoek在使用他的顯微鏡,von Leeuwenhoek看到的動(dòng)物精子細(xì)胞,Diatom,水中的單細(xì)胞生物,Hydra sp.,植物的組織,von Leeuwenhoek

8、還觀察過(guò)晶體、礦物、不同來(lái)源的水、牙垢、唾液和火藥等。 除此之外，他還研究過(guò)蚤、蚜蟲、螞蟻的生活史；觀察過(guò)輪蟲、各種消化物、橫紋肌；描述過(guò)多種動(dòng)物的紅血球和血液循環(huán)系統(tǒng)。 von Leeuwenhoek是個(gè)守口如瓶的人，他很少與別人交流有關(guān)的研究。他的許多成果在19世紀(jì)后期之前并不被人所重視。,Malpighi 繪制的Anatome plantarum,,Malpighi是動(dòng)物和植物材料顯微組織技術(shù)的創(chuàng)

9、始人,揭示了動(dòng)物腎的基本結(jié)構(gòu)單位,Malpighi也是動(dòng)物組織學(xué)的奠基人之一,跳蚤,Hooke和他的顯微鏡,植物的組織,Hooke觀察到的蒼蠅,首次提出cell一詞,Hooke的名作：《顯微圖像》,Jan Swammerdam的顯微鏡,Swammerdam觀察到的昆蟲和蝎子,Hermann Boerhaave (1668-1738),他將Swammerdam的手稿，買下后于1737年編輯出版。,Swammerdam是17世紀(jì)第一位真正

10、昆蟲學(xué)家。他曾收集了3000多種的活昆蟲標(biāo)本。 而且他還在顯微解剖技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段上做出了貢獻(xiàn)，他發(fā)明了專門的解剖鏡用于他的研究中。,《The Anatomy of Plants》1684年,Nehemiah Grew在植物顯微結(jié)構(gòu)的研究使得后人發(fā)現(xiàn)了植物的性別特征。他的工作領(lǐng)先同行100年！,Nehemiah Grew還在動(dòng)物的顯微解剖上做出了巨大的貢獻(xiàn)， 他比較了不同動(dòng)物消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并首次使用“比較解剖” 一詞。,

11、Nehemiah Grew發(fā)表的有關(guān)動(dòng)物解剖的專著,上述的這五位科學(xué)家在顯微鏡技術(shù)和顯微觀察方面的成果使人類認(rèn)識(shí)自然的能力得到大大提高，特別是在生物進(jìn)化、起源、發(fā)育、人類病害、生物性別分化以及生物分類等多個(gè)領(lǐng)域都取得了巨大的成果，使整個(gè)社會(huì)對(duì)生物的認(rèn)識(shí)有了新的內(nèi)涵，對(duì)后來(lái)的生物學(xué)發(fā)展有著不可磨滅的功勞！,17世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡,18世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡,此時(shí)的顯微鏡上，出現(xiàn)了便于采光的反光鏡,18世紀(jì)末的光學(xué)顯微鏡,19世紀(jì)中葉前，在

12、顯微鏡技術(shù)上有一個(gè)重要問題始終困擾著科學(xué)家們，那就是透鏡產(chǎn)生的色差以及球面的像差。這些問題的出現(xiàn)使得觀察者在觀察時(shí)看到了許多的假象。,光學(xué)顯微鏡技術(shù)的改進(jìn),英國(guó)的Dollond 是第一位制造出消色差透鏡的人。其技術(shù)和原理對(duì)于以后顯微鏡技術(shù)的提高提供基本的保證。,,,意大利的G. B. Amici (1786－1863)1827年發(fā)明了反射顯微鏡可以消除色差。,19世紀(jì)的顯微鏡,19世紀(jì)中葉的光學(xué)顯微鏡,雖然Hooke于1679年就提出

13、利用“浸沒原理”來(lái)提高顯微鏡的分辨率，但真正引入該原理的是英國(guó)人David Brewster (1781-1868)。,他建議使物鏡前面浸沒在一種液體里，而所要觀察的物體也在此液體中。,光學(xué)顯微鏡發(fā)大倍數(shù)與分辨率的提高,Ernst Abbe 1840-1905,Carl Zeiss 1816-1888,他們改進(jìn)了顯微鏡浸沒系統(tǒng)，并嘗試了300多種液體，最終找到了香柏油作為這種浸沒介質(zhì)。,顯微鏡浸沒原理,Abbe 設(shè)計(jì)的由八個(gè)透鏡組成的油

14、鏡，用以消除色差。,油鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu),寄生的Plasmodium,植物的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu),,,,油鏡下硅藻殼的結(jié)構(gòu),油鏡下的微生物,酵母菌,細(xì)菌,19世紀(jì)末，德國(guó)學(xué)者August Köhler計(jì)算了要獲得最佳的觀察效果，顯微鏡的光源與集光器間合適的距離。,20世紀(jì)初期的光學(xué)顯微鏡,第一臺(tái)Nikon光學(xué)顯微鏡,袖珍顯微鏡,用于特殊用途的光學(xué)顯微鏡,倒置顯微鏡,熒光顯微鏡,熒光顯微鏡的工作原理,熒光顯微鏡的觀察結(jié)果,腦虹,德國(guó)的F.

15、Zernike (1888-1966)于1934建立了相差顯微鏡的原理。1953年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),John Tyndall 1820-1893,物理學(xué)中有一個(gè)“丁達(dá)爾效應(yīng)”，也就是光的散射現(xiàn)象或稱乳光現(xiàn)象。 這個(gè)原理被引入到顯微鏡的制造中就出現(xiàn)了暗視野顯微鏡。,暗視場(chǎng)顯微鏡配件,微分干涉差顯微鏡的工作原理,,共聚焦激光顯微鏡,工作原理,蛋白質(zhì),細(xì)胞胞器結(jié)構(gòu),哺乳類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞與兩極細(xì)胞(紅色)間的聯(lián)系。,顯示動(dòng)物

16、細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)含有胍丁胺的纖維(紅色) 圍繞著神經(jīng)元 (綠色) 。,顯示動(dòng)物成纖維細(xì)胞中的具活力線粒體。,不同功能顯微鏡觀察到的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng),結(jié)合多角度、多層面的觀察結(jié)果重構(gòu)的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過(guò)幾千倍，其分辨率在理論上不能小于0.2微米，這是因?yàn)槭芄獠úㄩL(zhǎng)的局限，即可見光的波長(zhǎng)不能小于4000埃。為此，它促使人們?nèi)ふ腋滩ㄩL(zhǎng)的照明物質(zhì)。,電子顯微鏡的問世,根據(jù)物理學(xué)中波動(dòng)學(xué)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)著的電子可以看作是一種電子

17、波。電子運(yùn)動(dòng)的速度越高，電子波的波長(zhǎng)越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長(zhǎng)僅為0.025埃。這表明電子是一種理想的新光源。,20世紀(jì)20－30年代，證實(shí)了軸對(duì)稱分布的電磁場(chǎng)具有能使電子束偏轉(zhuǎn)、聚焦的作用，從而找到了相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡中的透鏡──電子透鏡。這就是具有高分辨率的電子顯微鏡產(chǎn)生的基礎(chǔ)。,電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)(10-9m)。 電鏡的放

18、大倍率可達(dá)百萬(wàn)，可分辨樣品的最小細(xì)節(jié)為幾個(gè)埃。,,世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡(1938),Ernst Ruska1906-,Max Knoll(1897-1969),德國(guó),Ernst Ruska分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,電子顯微鏡的工作原理,透射電鏡,掃描電鏡,Charles OatleyUK，1904-,世界上第一臺(tái)掃描電子顯微鏡1952年,第一臺(tái)商業(yè)電子透鏡,掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察

19、手段。 掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是：①有較高的放大倍數(shù)，20-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；②有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；③試樣制備簡(jiǎn)單。,,早期的掃描電鏡的觀察結(jié)果,動(dòng)物濾食器的結(jié)構(gòu),復(fù)眼結(jié)構(gòu),,,植物病毒顆粒,現(xiàn)代的電子顯微鏡,核酸分子,噬菌體,,據(jù)稱是引起“非典型肺炎”的元兇,冠狀病毒顆粒,Gerd Binnig1947-,Heinrich Rohrer1933-,因?yàn)榘l(fā)明掃描隧道顯微

20、鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡,在生物學(xué)中的應(yīng)用：研究核纖層蛋白分子的裝配、溶菌酶結(jié)構(gòu)、動(dòng)物金屬硫蛋白(并探討它們?cè)谏飳W(xué)中的作用)、抗原－抗體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，闡述有關(guān)的免疫學(xué)問題。,特點(diǎn)：分辨率為1埃，觀察物質(zhì)表面的三維圖像。,掃描隧道顯微鏡工作原理圖,在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上，人們又研發(fā)出了原子力顯微鏡、激光力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡、掃描離子顯微鏡、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和光子掃描

21、隧道顯微鏡等。 分辨率也逐步提高。,激光力顯微鏡,原子力顯微鏡,磁力顯微鏡,雙光子激光掃描顯微技術(shù)（two-photon laser-scanning microscopy，TPLSM）對(duì)胚胎發(fā)育頭3h中的決定果蠅基本結(jié)構(gòu)前軸和后軸的基因Bicoid表達(dá)梯度進(jìn)行定量。,應(yīng)用雙光子激光掃描顯微技術(shù), 可以記錄到神經(jīng)末端的Ca濃度的變化。,新型光學(xué)顯微技術(shù)達(dá)到近分子水平的分辨率。隨機(jī)光學(xué)重建顯微法(stochastic o