手持显微镜(读书｜他用自制显微镜发现了细菌，实现了生物学历史性的伟大进步)

Posted 2023-05-26

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手持显微镜(读书｜他用自制显微镜发现了细菌，实现了生物学历史性的伟大进步)

《伟大的博物学家》

［英］罗伯特·赫胥黎主编

王晨译

商务印书馆出版

他们将一种涉猎宽泛的业余爱好变成一门高度专业化的职业；他们努力为貌似混乱的自然世界带来秩序；他们在对自然世界进行编目和理解的追求中忍受着种种危险——从暴风雨、海盗到疾病和政治动荡；他们就是伟大的博物学家。

《伟大的博物学家》讲述了自古典时期到19世纪末世界上最伟大的39位博物学家的故事。通过他们的生活、探险经历、观察和发现透视着自然的历史，他们用自己勇敢无畏的旅程和开创性的理论改变了科学发展的道路。

安东尼·范·列文虎克：细菌的发现者

布莱恩·J. 福特/撰

看着这滴水……这些微小动物的动作是这么敏捷，而且这么多样——向上，向下，迂回，真是奇妙的景象。根据我的判断，这些细微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。

这些词句标志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。通过发现微生物，他实现了生物学在整个17世纪最伟大的一次进步，也是自然科学全部历史中最重要的进步之一。他在一生中表现出的对于博物学的兴趣超出了我们一般人的想象，这种独特的兴趣也是促进我们认知自然界的关键。

一勺土壤中含有的微生物数量比整个地球的人口数量还要多。它们之间的差异令人吃惊，而它们的重要性时至今日仍然了解甚少，比以往任何时候都更多的研究正在这些肉眼不可见的生物中进行着。然而在列文虎克将小玻璃瓶中的池塘水放置在他的显微镜之下的那一历史性时刻之前，从未有人意识到世界上存在这样一个微型生物界。

列文虎克肖像，他在画中手持着一台自己著名的显微镜

1632年10月24日，列文虎克出生于代尔夫特，并在同年11月4日受洗，他的名字和代尔夫特最伟大的画家扬·弗米尔出现在洗礼登记簿的同一页上。有趣的是，当年轻的弗米尔去世的时候，列文虎克（当时他是当地一名公务员）被指派为弗米尔财产的遗嘱执行人，但并无证据显示两人曾见过面。在父亲去世，母亲改嫁之后，6岁的列文虎克被送到寄宿学校，随后和一个叔叔一起生活。在预定好的人生轨道里，他在阿姆斯特丹定居并学习布匹贸易，但是在1654年，他回到了代尔夫特，并在那里度过了自己漫长而杰出的余生。1668年，列文虎克在工作途中造访伦敦，在那里他看到了一本非凡的书，里面充满了用显微镜观察的跳蚤和虱子、蜜蜂和种子、苍蝇、蚊子和霉菌的图片。这本书已经是第二版印刷了，名叫《微物图志》，其中充斥着跟显微镜展示的图像有关的各种信息，它的作者是年轻的罗伯特·虎克。两个年轻人当时都还只有30多岁。

《微物图志》是当时伦敦的热门话题，所以这位来自荷兰的游客注意到这本书也并不稀奇。而且，其中包括五幅织物的显微图像，这些图像一定能激起列文虎克的兴趣，因为布匹商人经常用透镜放大布料以检查质量。回到家后，列文虎克一定想起了虎克的《微物图志》和其中令人震惊的发现。最终，他开始设计构造简单的显微镜，就像罗伯特·虎克在自己书中前言所描述的一模一样，并且很快得到了别人的注意。1673年，雷尼尔·德·格拉夫医生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胜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“我们最诚实的市民列文虎克……一位勤奋的研究者”。

列文虎克的第一批观察

列文虎克第一次用显微镜观察的物体是霉、一只蜜蜂和一只虱子——这些都出现在虎克的《微物图志》中。1674年6月，他做了一些极为精细的生物材料切片，并将它们寄到了伦敦，而在308年之后，我在皇家学会的档案馆里重新发现了它们，这是他灵巧手艺的证明。

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观察了软木塞、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，使用的是虎克为高倍显微镜所做的设计。

然后是1674年9月7日的那一封具有重大历史意义的信函。列文虎克用他惯常的亲切和充满地方特色的口吻描述了：自己是如何穿过一个名叫博凯尔斯梅尔的湖泊并停下来观察湖水的。在冬天湖水是清澈的，他写道：但当夏季到来，湖水中好像开始生长出白色或绿色的东西。当地人告诉列文虎克这是晚上的露水导致的，但他不能相信。“我在小玻璃瓶中装了一点水”，他写道：“第二天在显微镜下观察时，我发现其中漂浮着无数多种多样的微粒……”

列文虎克雇佣的画匠画的这幅铅笔画，展示了代尔夫特一条运河中的浮萍和微生物

他说，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（Spirogyra）绿藻类生物。这类物种的叶绿素——对光合作用至关重要——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”。有些是圆的，他说，还有些是椭圆形。他看到一些种类“在头部伸出两个小小的腿，而在身体最末端长出两个小鳍”。这些一定是我们今天称之为轮虫的微生物。这些微小的生物刚好可以被肉眼看到，它们通过毛发状的纤毛互相击打来移动，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。”你可能会觉得这个描述很熟悉——它是中学生物课本里常常出现的绿藻类生物绿眼虫（Euglena viridis）。

第二年，列文虎克开始系统地观察淡水样本，并很快报告说看到了长着微小肢体的细微生物在水中不停地运动。它们肯定不是水蚤：“这些微小动物的尺寸在我看来，只有斯瓦姆默丹先生发现的那些被他称作水蚤的生物的万分之一……”后者，列文虎克写道，是可以用肉眼观察到的。他自己观察到的生物太小，根本无法用肉眼看到。

1676年10月9日，他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月出现在了每两周举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。他的观察这时已经被自然哲学家们广泛地讨论着——列文虎克正前无古人地观察着显微镜下的生命，他的发现即将对博物学产生革命性的影响。

制作显微镜

一个人怎样才能像列文虎克那样，自己在家制造出足以观察细菌、真菌、微型藻类和原生动物细胞的显微镜呢？秘密在于结构的简单。一般来说，17世纪中期的显微镜（和现代显微镜下差不多）都是高大的设计，使用不同的透镜来接近样本和锁定图像。透镜会产生像差，虚假的颜色和不规则的视野会扭曲观察到的图像。当图像合在一起时，它们更会将像差放大。

当沙俄的彼得大帝来到代尔夫特学习造船时，列文虎克送给他一台自己的显微镜

有个简单的方法能解决这个问题——只使用一个透镜代替数个。图钉帽那样大的一只小透镜就能产生放大几百倍的图像，扭曲程度非常小。列文虎克会磨出这样的一只小透镜，然后将它固定在带孔的两块金属片中。连接在金属片上的一系列螺丝钉可以让使用者移动和锁定样本。这就是解决这个难题的方法，它难以言喻地简单，并且让列文虎克生产出几百台显微镜，没有任何复杂的设备制造过程。两个问题随即出现了。第一，为什么列文虎克不像当时的其他显微镜学家那样使用一台复合式显微镜呢？第二，既然列文虎克的设计根据的是虎克的《微物图志》的前言，为什么罗伯特·虎克自己不使用简单式显微镜呢，特别是在其观察结果这么令人印象深刻的情况下？列文虎克使用单透镜制造的显微镜可以放大300倍，罗伯特·虎克书中大部分图像的放大倍数只有这个数字的十分之一。

罗伯特·虎克喜欢复合式显微镜的原因是这种显微镜是一种令人印象深刻的优美工具，并且是专业制造的。此外，他的显微镜是皇家学会为他的工作专门购买的。列文虎克不认识任何显微镜设备制造商，即使他认识，他也负担不起这样的一台显微镜。他是一个掌握的资源极其稀少的业余爱好者，但拥有制造显微镜的炽烈热情。至于罗伯特·虎克和简单式显微镜，真相是他的确使用了它们。他对虱子和跳蚤进行的研究的确是用复合式显微镜进行的，但这种设备不可能揭示出罗伯特·虎克在自己的精致雕版插图中展示的细节，这些细节必须用简单式显微镜才能观察到。很显然，罗伯特·虎克使用复合式显微镜得到概貌，然后用简单式显微镜补充细节。

正是列文虎克的决心、固执和执拗的热情让他在接下来50年的微生物学职业生涯中继续使用简单式显微镜。罗伯特·虎克数年之后就放弃了，主要是因为手持式简单显微镜使用起来比较困难。这样的问题对于列文虎克来说根本不是阻碍。

本文作者发现的列文虎克制备的样本，这种样本已经有三个世纪的历史

描述显微镜下的自然

列文虎克的描述是生动自然的。1675年9月中旬，他坐在那里，手持自己的显微镜，观察着固定在既定位置的细小玻璃管。随着观察的进行，他用羽毛笔时断时续地记录着，热切地看着这个微小的世界中发生的一切。

它们有时候会伸出两只小小的角，像马耳朵那样不停地转动着。这两只角之间的部位是平的，而它们身体的其他部位是圆的，或者说它们呈圆弧状掠向身体后部的尖端；在尖端结束的地方长出一条尾巴，长度为整个身体的将近四倍，在我的显微镜的观察下，就像蜘蛛网那样厚。在尾巴末端有一个小球，大小和它体内的小球一样，我没观察到它们在水中使用这条尾巴……我看到了几百个微生物，它们呈丝状一个挨一个地连在一起，躺在一粒粗砂的周围。

这么清晰的描述不可能被误读，人们也很难不被其中纯粹的兴奋和坚定的热情感染，正是这些驱使着列文虎克对微观生物群落进行着孜孜不倦的研究。列文虎克正在开创新的领域，他自己也明白这一点。1686年，他感觉自己的成就足以在名字中增添一个“范”（译注：“范”在荷兰是贵族姓氏），于是此后他就以安东尼·范·列文虎克的名字为人所知了。皇室注意到了他，政治家们前来拜访他，他还经过选举成为皇家学会会员。

涉猎广泛的进取

在他高产的一生中，列文虎克将自己的显微镜对准了自己能找到的一切东西。而他的声誉主要建立在对于微生物的广泛研究上，他的描述十分清晰并且客观，容得下自我批评。不过，一直都有批评和贬低他的人存在。在一代人之前，学生们会被告知列文虎克不可能观察到他声称看到的东西，而且他常常被认为是一个一知半解的家伙，写的很多东西都是想象出来的。所以列文虎克到底有没有可能看到他声称看到的微生物呢？由本文作者使用单透镜显微镜的当代复制品以及保存至今的列文虎克式显微镜——其中包括乌得勒支大学科学史博物馆收藏的原物——进行的试验显示，单透镜显微镜能够看出列文虎克描述过的藻类和原生动物的结构，甚至可以看到活细菌。对血液样本的研究能够清楚地看到红细胞，甚至是白细胞的已经分裂的细胞核。

乌得勒支大学博物馆中收藏的这台显微镜大小不超过一枚邮票，它是列文虎克亲手制造的。不同寻常的是，它的透镜是吹制的不是打磨的

虽然直到40岁才开始显微学的职业生涯，列文虎克却将接下来的几乎半个世纪献给了持续不断的研究，并做出了许多重要发现。当他躺在床上即将去世时，90岁高龄的列文虎克当时仍然在从事显微研究，为东印度公司的客户检验含金的沙子。他在生命尽头所忍受的呼吸系统症状得到了如此清晰的描述，以至于今天我们将其称之为列文虎克综合征。没有人能够想象，对浑浊的湖水进行的一次偶然观察触动了这么多科学的洞见……甚至连安东尼·范·列文虎克本人也想不到这一点。

作者：布莱恩·J. 福特

编辑：周怡倩