列文虎克死守的秘密，终于被科学家揭开虎嗅
2021/07/01 11:31
本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：栗子，编辑：Odette，题图来自：Wikimedia Commons 17世纪，荷兰商人安东尼·范·列文虎克用自制的显微镜，第一次观察到了单细胞生物，人类也从此打开了微生物学的大门。 列文虎克能发现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秘密，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。外界一直对此十分好奇，就连最早用显微镜发现细胞的前辈罗伯特·胡克都不例外。 如今300多年过去，荷兰代尔夫特理工大学的科学家们终于从那台“266倍镜”里看出了镜片的样子，同时也替罗伯特·胡克感受到一丝微妙。 一、怎么跟说好的不一样？ 从前，人们大多是利用X射线来观察列文虎克显微镜的内部，好像医院里拍片那样。  能放大物体266倍的列文虎克显微镜，藏于乌得勒支大学博物馆丨参考文献1 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状。 于是，代尔夫特理工大学的科学家们不用X射线，改用中子层析（Neutron Tomography）的办法。与X射线相比，中子束对大部分金属的穿透能力更强。中子不会因为原子核外电子的影响而严重衰减，而X射线里的光子更容易被电子吸收或散射。 发射中子束，科学家就可以在不破坏文物的情况下，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毫米丨参考文献1  左为显微镜（266x）本体，右为3D重建之后丨参考文献1 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，镜片也能离观察样本近一点，再近一点。科学家们相信，“近”是列文虎克设计中的重要考量。 当然，他们更关心的还是镜片形状。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。而从用显微镜观察物体时的视角（也就是图中XZ方向）看，还会发现一条玻璃线与玻璃球相连。  圆形连着一条短线丨参考文献1 但这样的结果，与学界先前的认知大相径庭。从前的一项主要研究认为，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年一项研究认为显微镜（266x）的镜片是如此得来：把玻璃管吹成灯泡的形状，再将末端鼓起的部分掰下来，得到的镜片比较扁丨参考文献1 而当科学家们对另一台中等放大倍数的列文虎克显微镜也做了成像，发现镜片倒是扁了许多，更像小扁豆的形状。  中等放大倍数（118x）显微镜的成像结果，镜片更扁丨参考文献1  小扁豆丨Medical News Today 研究团队的这项成果，发表在5月的一期Science Advances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状有印象。 二、怎么和胡克的方案很像？ 1670年代，列文虎克把一滴池塘水放在显微镜下，发现里面竟有许许多多“微小的动物”游来游去。从此，他开始将自己观察各种样本所见的“微小动物”，写信描述给英国皇家学院。  列文虎克观察一滴水丨Google Doodle 今天我们知道，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，加之列文虎克一直拒绝透露使用的是怎样的设备，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，皇家学会安排多位宗教界高层鉴定他的观察结果。 1677年，列文虎克的发现得到了认可。但显微镜内部的秘密，并没有因此解开。时任皇家学会秘书的罗伯特·胡克，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，一项科学发现的透明性和可复现性，也是皇家学会看重的因素。 1678年，胡克索性自己发表了一种“超级简单”的方案： 把一根细玻璃棒放在火焰上，当它慢慢融化，末端便会卷成一个小球。把小球掰下来，留一个小把手，方便安装。  科学家重建的镜片形状丨Rijksmuseum Boerhaave 一个小球连着一根线。时隔三个多世纪的今天，科学家们终于发现，列文虎克那一台能够放大物体266倍的显微镜，镜片原来与胡克的“超级简单”方案十分吻合。 这个方案，其实是1665年胡克所著《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，书中曾经认为需要磨掉。而《显微图谱》风靡的年代，早于列文虎克制造显微镜的全部生涯。  《显微图谱》丨罗伯特·胡克 那么，“266倍镜”的制造很可能借鉴了胡克的方法，而非采用什么秘制工艺。这个发现让研究团队相信，列文虎克的保密行为是面向竞争对手有意为之。 1685年，锲而不舍的胡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取显微镜的一些细节，依旧无所得。如今科学家们也稍稍替胡克感到讽刺，因为他一直寻找的答案，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胡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。 三、怎么也研究不完 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，以判断品质的优劣。 而在游历英国并受到胡克《显微图谱》的启发后，列文虎克对显微技术的钻研便一发不可收拾。  他观察过各种各样的细胞，还会把它们画下来，比如1-4为兔子的精子，5-8为狗的精子丨安东尼·范·列文虎克 他一生中制造了超过400台显微镜，打磨镜片的技艺精湛，火工和吹制也得心应手。而除开那些常规操作，列文虎克可能还探索过一些外界看来不可思议的工具：有历史文件显示，他曾经用一颗鳕鱼卵作透镜，来观察周围事物的倒像。 只不过，400多台显微镜中只有11台存世，列文虎克本人对工艺的描述又微乎其微，于是外界对他的显微镜制造方法了解甚少，大部分信息仍待挖掘。 而科学家们也在论文里写到，列文虎克制造显微镜镜片时用的工艺，怎么研究都不会枯竭，因为没有哪一种工艺是可以被完全排除的。 参考文献 ［1］Cocquyt， T.， Zhou， Z.， Plomp， J.， & Van Eijck， L. （2021）. Neutron tomography of Van Leeuwenhoek’s microscopes.Science Advances，7（20）， eabf2402. ［2］van Zuylen， J. （1981）. The microscopes of Antoni van Leeuwenhoek.Journal of microscopy，121（3）， 309-328. ［3］Dobell， C. （1932）. Antony van Leeuwenhoek and his＂ Little Animals.＂ Being Some Account of the Father of Protozoology and Bacteriology and his Multifarious Discoveries in these Disciplines. ［4］Schierbeek， A.， & Rooseboom， M. （1959）. Measuring the invisible world： the life and works of Antoni van Leeuwenhoek （No. 37）. Abelard-Schuman. 本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：栗子 |
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