顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2徐潤林

1、現(xiàn)代生命科學(xué)進展,－－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)院徐潤林,自然科學(xué)的各個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被認為第一臺復(fù)式光學(xué)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(shè)計的顯微鏡圖,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鏡。 幾乎是同時也制出復(fù)式光學(xué)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(dāng)時的女皇Christina的干預(yù)下，他才沒有被燒死。,瑞典女皇Christina1626-1689,科學(xué)的進步總是坎坷的,意大利的Francesco Stelluti (1577 – 1646)利用當(dāng)時的放大手段，認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(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行了深入的生物學(xué)研究，并對顯微鏡技術(shù)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(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是動物和植物材料顯微組織技術(shù)的創(chuàng)

9、始人,揭示了動物腎的基本結(jié)構(gòu)單位,Malpighi也是動物組織學(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(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(gòu)，并首次使用“比較解剖” 一詞。,

11、Nehemiah Grew發(fā)表的有關(guān)動物解剖的專著,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(lǐng)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(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看到了許多的假象。,光學(xué)顯微鏡技術(shù)的改進,英國的Dollond 是第一位制造出消色差透鏡的人。其技術(shù)和原理對于以后顯微鏡技術(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(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(gòu),寄生的Plasmodium,植物的細胞內(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,細菌,19世紀(jì)末，德國學(xué)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(jì)初期的光學(xué)顯微鏡,第一臺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,John Tyndall 1820-1893,物理學(xué)中有一個“丁達爾效應(yīng)”，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(gòu),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(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(xué)中波動學(xué)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(jì)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(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(xué)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(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(gòu)；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(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-,因為發(fā)明掃描隧道顯微

20、鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。,第一臺掃描隧道顯微鏡,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)、動物金屬硫蛋白(并探討它們在生物學(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：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表達梯度進行定量。,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)達到近分子水平的分辨率。隨機光學(xué)重建顯微法(stochastic o