顯微鏡的發(fā)展與生命科學2徐潤林

1、現(xiàn)代生命科學進展,－－顯微鏡的發(fā)展與生命科學,中山大學生命科學學院徐潤林,自然科學的各個門類要解決的兩大問題: 結(jié)構 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)生用凸透鏡聚太陽光的現(xiàn)象。,羅馬的哲學家 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“光學之父”。,Roger Bacon， 英國幾何學、算術、音樂和天文學家(1214-1292 C.E.),接受了前人有關透鏡的理論并在自己的研究中使用了透鏡。“Mathematics 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》是關于實際中人們?nèi)绾斡貌ＡСC正視力的。,復式光學顯微鏡的誕生,1590 年制出的第一個復式顯微鏡,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被認為第一臺復式光學顯微鏡的發(fā)明者。,Galilei Gali

4、leo (1564-1642),雖然此時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設計的顯微鏡圖,復制品,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鏡。 幾乎是同時也制出復式光學顯微鏡,瑞典詩人 G. Stierhielm 他熱衷于用放大鏡觀察動植

5、物。,由于教會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。 在當時的女皇Christina的干預下，他才沒有被燒死。,瑞典女皇Christina1626-1689,科學的進步總是坎坷的,意大利的Francesco Stelluti (1577 – 1646)利用當時的放大手段，認真地觀察和研究了蜜蜂的形態(tài)結(jié)構。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。,1625年,微觀生物學的誕生,(1602-1

6、680),德國人Athanasius Kircher用顯微鏡研究了動物腐爛現(xiàn)象和疾病。 他與Stelluti共同成為了微觀生物學的開創(chuàng)者。,光學顯微鏡與顯微鏡學新紀元的出現(xiàn),在前人的理論和實踐成果的基礎上，17世紀是光學顯微鏡制造技術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行了深入的生物學研究，并對顯微鏡技術的發(fā)展做出了重要的貢獻。,,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看到的動物精子細胞,Diatom,水中的單細胞生物,Hydra sp.,植物的組織,von Leeuwenhoek

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

9、始人,揭示了動物腎的基本結(jié)構單位,Malpighi也是動物組織學的奠基人之一,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世紀第一位真正

10、昆蟲學家。他曾收集了3000多種的活昆蟲標本。 而且他還在顯微解剖技術和實驗手段上做出了貢獻，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)構的研究使得后人發(fā)現(xiàn)了植物的性別特征。他的工作領先同行100年！,Nehemiah Grew還在動物的顯微解剖上做出了巨大的貢獻， 他比較了不同動物消化系統(tǒng)的結(jié)構，并首次使用“比較解剖” 一詞。,

11、Nehemiah Grew發(fā)表的有關動物解剖的專著,上述的這五位科學家在顯微鏡技術和顯微觀察方面的成果使人類認識自然的能力得到大大提高，特別是在生物進化、起源、發(fā)育、人類病害、生物性別分化以及生物分類等多個領域都取得了巨大的成果，使整個社會對生物的認識有了新的內(nèi)涵，對后來的生物學發(fā)展有著不可磨滅的功勞！,17世紀的各式光學顯微鏡,18世紀的各式光學顯微鏡,此時的顯微鏡上，出現(xiàn)了便于采光的反光鏡,18世紀末的光學顯微鏡,19世紀中葉前，在

12、顯微鏡技術上有一個重要問題始終困擾著科學家們，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看到了許多的假象。,光學顯微鏡技術的改進,英國的Dollond 是第一位制造出消色差透鏡的人。其技術和原理對于以后顯微鏡技術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世紀的顯微鏡,19世紀中葉的光學顯微鏡,雖然Hooke于1679年就提出

13、利用“浸沒原理”來提高顯微鏡的分辨率，但真正引入該原理的是英國人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 設計的由八個透鏡組成的油

14、鏡，用以消除色差。,油鏡下的細胞結(jié)構,寄生的Plasmodium,植物的細胞內(nèi)部結(jié)構,,,,油鏡下硅藻殼的結(jié)構,油鏡下的微生物,酵母菌,細菌,19世紀末，德國學者August Köhler計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世紀初期的光學顯微鏡,第一臺Nikon光學顯微鏡,袖珍顯微鏡,用于特殊用途的光學顯微鏡,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年獲諾貝爾物理學獎,John Tyndall 1820-1893,物理學中有一個“丁達爾效應”，也就是光的散射現(xiàn)象或稱乳光現(xiàn)象。 這個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),細胞胞器結(jié)構,哺乳類視網(wǎng)膜上感光細胞與兩極細胞(紅色)間的聯(lián)系。,顯示動物

16、細胞內(nèi)生命活動含有胍丁胺的纖維(紅色) 圍繞著神經(jīng)元 (綠色) 。,顯示動物成纖維細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)果重構的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構,光學顯微鏡的放大倍率不過幾千倍，其分辨率在理論上不能小于0.2微米，這是因為受光波波長的局限，即可見光的波長不能小于4000埃。為此，它促使人們?nèi)ふ腋滩ㄩL的照明物質(zhì)。,電子顯微鏡的問世,根據(jù)物理學中波動學說，運動著的電子可以看作是一種電子

17、波。電子運動的速度越高，電子波的波長越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長僅為0.025埃。這表明電子是一種理想的新光源。,20世紀20－30年代，證實了軸對稱分布的電磁場具有能使電子束偏轉(zhuǎn)、聚焦的作用，從而找到了相當于光學顯微鏡中的透鏡──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。,電子顯微鏡是20世紀最重要的發(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到納米級(10-9m)。 電鏡的放

18、大倍率可達百萬，可分辨樣品的最小細節(jié)為幾個埃。,,世界上第一臺透射電子顯微鏡(1938),Ernst Ruska1906-,Max Knoll(1897-1969),德國,Ernst Ruska分享1986年的諾貝爾物理學獎。,電子顯微鏡的工作原理,透射電鏡,掃描電鏡,Charles OatleyUK，1904-,世界上第一臺掃描電子顯微鏡1952年,第一臺商業(yè)電子透鏡,掃描電鏡是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察

19、手段。 掃描電鏡的優(yōu)點是：①有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(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微結(jié)構；③試樣制備簡單。,,早期的掃描電鏡的觀察結(jié)果,動物濾食器的結(jié)構,復眼結(jié)構,,,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-,因為發(fā)明掃描隧道顯微

20、鏡而分享1986年的諾貝爾物理學獎。,第一臺掃描隧道顯微鏡,在生物學中的應用：研究核纖層蛋白分子的裝配、溶菌酶結(jié)構、動物金屬硫蛋白(并探討它們在生物學中的作用)、抗原－抗體復合物的結(jié)構，闡述有關的免疫學問題。,特點：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、掃描近場光學顯微鏡和光子掃描

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（two-photon laser-scanning microscopy，TPLSM）對胚胎發(fā)育頭3h中的決定果蠅基本結(jié)構前軸和后軸的基因Bicoid表達梯度進行定量。,應用雙光子激光掃描顯微技術, 可以記錄到神經(jīng)末端的Ca濃度的變化。,新型光學顯微技術達到近分子水平的分辨率。隨機光學重建顯微法(stochastic o