我们再也无法知道，当虎克在17世纪时，第一次从自制显微镜下看到软木细胞壁的心情。一个精彩的微观世界在浑然懵懂的人类眼前从此打开。谁也无法估量显微镜对现代科学发展的重要价值。科学家们利用显微镜，观察生命体中肉眼不可见的微小结构。测量世界的尺度不断被新的纪录打破，在跨入纳米时代后，科学家们还在追求人工改造微小世界里的生灵，以求更好地理解与把握生命与自然。

当生命科学家们用逻辑与技术探索自然世界的精彩纷呈时，科学门外的过路人，甚至不同科学领域的邻居们，也可以直观地用双眼欣赏微观世界中的万物生息。自然界的千姿百态，在显微镜下看来依然袅娜多姿，有时井然有序，如蒙德里安的新造型主义，有时纷乱却有型，如凡高的后印象主义。如果抛开原有实物的思维，这些对科学家而言无比写实的图案，在艺术的眼中可以抽象而神秘，惹人浮想联翩。

这一切美好的创造都离不开显微镜。在常见的光学显微镜中，样品大多需要被五花大绑地固定于玻璃片上或透明树脂中，有时还需被染上各种颜色以突出化学成分的不同。而物理光学方法也可为有些晶体样品“上色”，如果显微镜配有偏光过滤器——光线被固定按照某种规则振动，在样品上可反射出异彩的图案。由这些技术所得的作品五彩缤纷。如这幅阿司匹林结晶图，便是以偏光过滤器得到的。而公牛眼睛的毛细血管图，则通过将染料注射入动脉，使得原本无色的毛细血管在显微镜下成为可见。有趣的是来自同一位作者SpikeWalker的作品——猫的感觉神经纤维，则采用硝酸银处理样品，使得样品本身成为感光胶片，而神经轴突则被染为黑色，使图片具有钢笔画的效果。使用光学显微镜时，染色的程度，样品的位置，偏光片的选择，都可使图片效果大相径庭，但有时也可以带来意想不到的艺术效果。

【阿司匹林结晶图】

【猫的感觉神经纤维】

【公牛的毛细血管图】

相比使用光学显微镜的惊喜连连，电子扫描显微镜便无趣但稳定简单许多。试样被镀金而固定，电子束敲击样品表面而后散射被吸收，得到的图案准确而清晰，细节一览无余。染色的工作只需留待最后交由photoshop来完成。因其操作简单而效果显著，电子扫描显微镜已是生命科学研究中必不可少的工具。英国伦敦大学学院(UCL)医学院的JackieLewin便长年使用电子扫描显微镜研究细胞微观结构，她的作品小鼠肝清晰地表达了肝部的内部结构与作用：长长的粉色隧道为称为“血窦”的特殊血管，容红细胞与Kupffer白细胞通行。棕色的片状组织是制造胆汁的场所，而胆汁则通过绿色的细长小管走在通向肠道的路途中。而药学院的AnnieCavanagh和DaveMcCarthy则展示了治疗肠炎药品的双重粒子结构。桔黄色的颗粒中满载着药物，被蓝色的高分子颗粒再次包裹其中。高分子难溶于酸性环境，因此被用以保护药品安全通过酸液弥漫的胃部，使得药物可以到达消化通道的其他区域。

【肠炎药品的双重粒子结构】

【鼠肝结构图】

显微镜的技术并没有就此停止，科学家们想要的还有更多。高分辨率反射显微镜(High-resolutionepiscopic microscopy)的出台，迅速在科学界受到追捧。在这种新技术里，样品被包裹于富含荧光染料的塑料中切片。在荧光灯照射下，样品中的染料放出荧光照亮样品。每一个薄片被切离，显微镜便为剩余的样品拍照，最后由计算机将各个三维图案叠合，得到极其精确的三维清晰图像，避免了其他显微镜只能叠加平面信息，而导致空间错位的弊病。英国药学研究协会(MedicalResearch Council)的高级研究员TimMohun便采用这项精确到细节的技术，以研究哺乳动物胎儿的早期发育。他的作品为小鼠交配14.5天后，孕结的胎儿头部的三维图像。图片中可以清晰看出，小鼠脸部留待未来生长胡须的毛孔已可见，而眼皮还未长成。

【小鼠胎儿头部】

一花一世界。如果穿透过这些图片带来的视觉享受，再回味一下它们原本的实物来源，便不得不惊悚一下大自然与生命体带来的心灵颤栗。感谢技术发展，使显微镜带我们来到这一刻，再使我们运用科学阐释或是艺术分析，或者只是自己的双眼与心灵，体验微观世界的天然美好。

（本文所有图片来自英国维尔康09年图片大赛获奖作品）

显微镜（一）；显微镜（二）请见这里

镀金的葬礼--扫描电镜
埃及法老死了，可以用裹脚布缠了锁到金字塔里；汉皇帝死了，套上金缕玉衣装进墓室；而一颗精子死了，也可以享受通体喷金的待遇，然后被放到扫描电镜里，为科学进步最后出一把力。

为什么扫描电镜的观测过程需要如此华丽呢？

让我们仍然拿这颗幸运的精子举例，不同于上一节，这次我们关心的是它的"外表问题"。同电镜一样，扫描电镜利用高能电子束轰击精子，期望炸得它的表面电子直飞。电子如何飞出、飞出多少，就反映了这颗精子的外表状况：比如是否光滑、通体姿态是否英俊等等。大家知道精子就像人体，都是不良导体，不容易轰出电子；另外，细胞的主要组成元素是碳，原子量小，抵御能力差，电子束容易炸到里边去，这样就不容易精确判断飞出的电子究竟来源于外层还是内部--紧贴表面镀上一层金铠甲，由铠甲飞出的电子可以测得铠甲形状，也就知道了内表面形状。这里只给大家看一只新鲜镀金、即将举行电子轰炸仪式的蜜蜂。与它并列的是精子的轰炸成品--扫描电镜图。

不同于电镜，扫描电镜扫描物体表面，所以得到的图像是立体的；它的放大率本领也极其多能，从25倍直到250000倍都可灵活掌握。这样一个聪明的技术，却是由一个"天才少年"纸上谈兵的演算开始的。

von Ardenne，货真价实的贵族少爷，奶奶是《寂寞芳心》这本书的女主角原型。他15岁拿到第一项电子管专利，后来高考也不参加就进了大学，入学才一年又以"教学死板"为由炒了学校的鱿鱼--最后果然成为应用物理界牛人一枚，在电镜、医疗、核技术、膜物理、无线电和电视技术等领域独占600项专利，私人实验室全由专利费养活。二战爆发前两年，他灵感突然迸发，撰文两篇论证想象中的扫描电镜；只是在付诸实施阶段竟对成果的解像度从未满意，于是没有发表任何照片。二战的空袭炸毁了不少电镜，除了上一节提到的西门子实验室，还有von Ardenne的雏形扫描电镜。von Ard

enne同电镜的缘分随着钢铁骨架的破碎而灰飞烟灭。有人说，二战只需晚两年，扫描电镜的发明权必然纳入他的囊中。

二战平息，历史将研究的接力棒交给英国绅士Charles Oatley。不像von Ardenne，这个真正的发明者Oatley出生于烤面包行业，严谨低调，观其一生都很难找到什么风流韵事和英雄事迹。他的父亲虽然没有科学知识，却崇拜科学，并把热爱科学的基因遗传给了孩子。Oatley6岁时，父亲就将一辆电动汽车作为生日礼物送给他，后来又添了一个显微镜，这在1910那个年代可不是一些常见的玩具。Oatley就这样走出乡村，走入剑桥，二战后继续执教那里。尽管同时代的许多专家都说"研究扫描电镜简直是浪费时间"，Oatley还是目光敏锐地率领自己的博士生寒窗十年，敲打出让自己看到希望的扫描电镜；然后又是十年才说服其他显微镜学家接受这个成果。1965年，扫描电镜的生产终于商业化，那具有历史意义的第一台被运往材料大公司杜邦的实验室。

扫描电镜也可以在冰冻的条件下操作，于是我们有幸能够一睹雪花的表面细节。不知北京的冬天有没有飘雪呢？

拨弄那"原初的孩子"--扫描隧道显微镜

上一节还提到，暮年的电镜鼻祖卢斯卡凭借一项五十岁的发明摘得1986年诺贝尔物理学奖，同他分享奖项的还有两位比他年轻30和40岁的欧洲科学家--IBM公司的比尼西和卢勒，前者成长于法兰克福二战后的废墟之上，以组建乐队和玩提琴起家，"幸而"弃艺从理；后者是泡利的学生，师承的不仅有科学知识，还有收获诺贝尔奖的传统。二位年轻人相会在IBM，异趣相投，却发现世上没有任何工具足以研究自己所感兴趣的物体表面原子构造。干脆自己动手，丰衣足食，仅两年便打造出一台扫描隧道显微镜。和电镜爷爷站在同一领奖台上，扫描隧道显微镜显然只是幼儿，那时它只有五岁大。

顾名思义，扫描隧道显微镜的意思是样品需要通过一个隧道般的仪器，像过火车，黑漆漆的隧道中有一个神秘的探头对其进行扫描，表面图像就自动生成了；由于隧道里没有光，所以图像只能采用很诡异的pseudo-color......啊，且慢！请放下你手中的西红柿！

没错，"样品过隧道"只是我多年的无稽想象，实际上"隧道"并不是一个宏观的概念。大家也许还记得中学化学老师说：构成物体的原子由原子核以及周围电子组成，电子老老实实绕核运动。但老师没讲的是，这些电子可能通过秘密"隧道"逃到你预料不到的周边去玩耍，所以你如果闭上眼睛瞎猜，最好严谨地说，这些电子有10%的可能穿过隧道跑出去了。题外话：崂山道士穿墙而过是同样道理（量子物理，一切皆有可能！），只是你不可能经常看到这样牛的道士--因为道士的身体通常由无数微粒组成，哪怕每个粒子穿墙而过的概率都能达到10%，他全身所有粒子同时穿墙的概率也几乎等同于零。

扫描隧道显微镜就是借用了电子可能通过隧道跑到外边玩的性质。这个仪器像个盲人，要依靠一根细针在物体表面"抚摸"来确定物体形状，但是如何在不接触的前提下判断是否贴近目标了呢？请想象你要研究的表面由许多原子码成，每个原子里边都有电子，所以一个表面并不是齐刷刷的，而是长着一些招摇的"电子绒毛"，绒毛正是那些穿隧道跑走的调皮电子。仪器的针尖接近这个表面，针尖和表面上的电子绒毛就会接触，针尖就会感到非常痒痒，于是知道自己不能再靠近了；反之，一旦远离平面，针尖的绒毛立刻就感觉不到平面的绒毛，为了继续抚摸平面，就凑近。依据这个原理，扫描隧道显微镜便利用一根细到原子级别的针逐一"抚摸"表面的每颗原子，然后将它得到的印象告知人类。

请注意，文章进行到这一环节已达"原子"的精密程度（如果将你中等大小的细胞想象为地球，最大的原子也不过一个"鸟巢"场馆大小），任何晃动都不能被容忍，因此诺贝尔奖得主当年利用了磁悬浮的技术来避免晃动，今日则多利用弹簧的原理。

在二位IBM工程师拿到诺贝尔奖不多年后，他们的同事不仅远观，而且亵玩，用类似仪器将35颗氙原子拼成IBM三个字。又过几年，居然又进行了更加明目张胆的艺术创作，用一粒粒铁原子写下横平竖直的"原子"，并这样注脚："这两个汉字的意义是--原初的孩子（original child）"。

正如光学显微镜的发明定义了微生物学，电子显微镜的出现开始了细胞学；时至今日，扫描隧道显微镜这个当年的幼儿已长成巨人，并撑起了一片硕大的天空--那就是纳米技术。

后来，扫描隧道显微镜有了各种衍生产物，由于都用到"探针"，所以被统称为扫描探针显微镜。其中一个借助声波的帮助，能打探到物体内部去，叫做扫描探针声显微镜。你能猜出图中的"泡泡花"是什么吗？低头看看你手上璀璨的钻戒，这幅图就是钻石的心灵了（金刚石内部层理）。感谢同济大学的小菊和他的老师将图片同大家分享。

尾声

请看这幅图。你能从中看到几个女人？一眼看出1个？仔细看又有3个？还是8个、9个、11个？

抱歉，答案我并不知道。

显微镜的诞生唤醒了人们"看得更小"（micro+scope）的饥渴；它阶梯式地成长，带着人类目光一步步尖锐到更精细的地方。在此过程中，人们获得的愉悦如同欣赏这幅图画时一样--来自不可预知；换个角度，前所未见的细节便会优雅地出现，而它所在的层面也将从此清晰无比。

在远古的年代，人们躲在草从里偷窥小动物做窝，它们不论个头大小，都有自己的主意，知道要去向何处；500年前，"跳蚤镜"对焦昆虫世界，人们惊喜地看到小虫虫张牙舞爪，有自己的表情和舞步；300年前，在列文虎克的精美单式镜下，一滴水中的完整社会突然暴露无遗，各色细菌党同伐异，也有阶级和合作制度；70年前，电子突破细胞壁垒，其中的细节接二连三凌空而至，微小的泡泡爬来爬去，对人类惊讶的注视浑然不顾；今天，原子的行踪不再局限于推测和想象，人们甚至可以在尊重它们个性的前提下劝说其挪动身躯；100年后，原子核和电子被拉到近前，人们清晰地感知量子力学所预测的原子结构，亲手测量电子的大小；500年后，组成在座各位身体的粒子四散在大地和空气，甚至有幸成为另一个生命的一部分，它们将代我们见证彼时的世界；也许那天，生物学早已超越以视觉为基础的"描述"的局限，而成为像数学和物理一样具有逻辑推理的学科。

不论何时，视野有界，想象无边。

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附录：最后这一部分介绍的扫描电镜和扫描隧道显微镜用到的都是"光栅扫描"（Raster Scan），同电视成像技术中所用到的一样。这幅简笔画清晰地表明了Raster这个名字的来历：是介于耙子、叉子和锄头之间的一种工具。它想要表达的意思是，光栅扫描的结果是形成一幅横条纹图像，如同犁耙垦过的田地。

前一篇在这里。

超越光的极限——电子显微镜

自从镜头下的物体第一次被光线照亮，光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔，分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55µm，这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 µm的细节。

若想继续用可见光做显微镜的光源，必须缩短它们的波长，唯一的办法是让光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速这个定值，相对论则会被推翻，时间机器就会存在，电影《无极》中的情景可能成真，我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者……大家知道这是不可能的。

这样，光学显微镜的发明使人们的目光从“一面墙”倏的一下集中到了墙上的“一块块砖头”；但由于光线无法提速，就无论如何敲不开砖头，看不到它们的内部去。随着时间的推移，天文学家望到越来越多的天体，只是不可触及；对生物学家来说，细胞尽在咫尺，然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。

对可见光下不可见的微观世界猜了四百年，那时的人们自然地认为，细胞内部如同一锅稠粥，用专业的话讲，细胞就是一口袋“蛋白酶”。

质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性，令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王，早年曾毕业于历史专业，却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚，不知是否启发了德布罗意对“波”的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业，5年后，为他赢得了诺贝尔物理学奖，自此开创博士论文获得诺奖的先河；而它对本篇文章最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大，以至波长缩到光子的1/100000。如果用电子做“光源”，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高，就可以看到更加细微的物体了。

1931年，一束轻盈的电子在一条一米多高的巨型金属柱中加速（图为一台1933年制作的电镜），继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。这台试验品就被定义为“世上第一台电子显微镜”（电镜），尽管放大本领和一把手持放大镜差不多，但它却标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。电镜诞生后，电子被不断提速，其波长越来越短，能照出的细节也越来越精致——10年之内，电镜的理论分辨率已达10纳米（当然那时没有真正实现），是细胞膜的厚度。

然而，正当前途试探性地铺展开，二战的炮声打响，西门子刚刚兴建的实验室毁于空袭；两位重要的科学家失去生命，电镜史中留下辛酸一笔。

镜头跳转至1945，细胞学为这个年头欢欣鼓舞。在纽约一间黑漆漆的屋子里，一个完整细胞第一次在墨色的电镜底片上留下它舒展的身影（图），其内部格局依稀可辨。在发表这幅照片的文献中，作者Porter好奇地对着这个宝贵的模特儿远观近瞧，并对每一条细小的分叉和每一处模糊的颗粒详加论述，留有15幅“明星照”为证——人们借助电镜首次清晰地看到，细胞内部原来不是“一锅粥”，而是分门别类码好的。Porter在随后的研究中依据无数电镜照片对细胞内部这些高度有序的门类加以命名，其中最著名的如“内质网”、“微管”、“纤毛”和“衣被小泡”。可惜在若干年后，诺贝尔奖在评选“细胞生物学先驱”时却略过了这位第一次近距离窥视完整细胞的科学家；不过，他留给当代和后代人那些电镜照片，则确实地见证了细胞生物学随电镜技术日渐完善而发展的脚步，使得Porter作为“细胞学之父”而被许多人记住。

1945年的这张划时代照片标志人类从此获得进入细胞的门票，而将之记录下来的电镜元老来自美国RCA。可惜的是，这家独霸北美电镜市场的公司却在三十年打拼之后郑重决定：卖唱片将是一个更有“钱”途的买卖——它也确实做得很成功，自此RCA被每个古典音乐爱好者所铭记，而美国也再无电镜制造的后起之秀。

今日，一般电镜分辨率已达1纳米，能将物体放大200万倍，细胞、细胞里的膜、膜上的分子世界豁然开朗；如果再让电子疯狂加速，加上软件的帮忙，不到1埃（=0.1纳米）的原子也能分辨清楚；全世界一共分布了10000台电子显微镜，想想在它发明之初人们做出的预测——“只要10台便已足够”——不禁慨叹在科学领域，做预言真需要有夸海口的胆识。

插图：为精子画一幅素描

精子：Sperm，来自希腊语，取“种子”之义，一颗“种子”就是一个细胞。在温和无害的玻璃皿中，每小时大约毙命5-10%；橡胶避孕套中这一数字达到60-80%。在他们自然死亡之前，我们就可以给他们画肖像画了。

先复习一下简史（一）的内容。下图左所示为普通光学显微镜下的精子；右边是荧光照片，在这张照片中，蓝色是他们的头，显示里边塞满了遗传的全部家当——DNA；红色是不停扭动的长尾巴，因为这个颜色染出了尾巴中为精子提供长跑比赛巨大能量的结构——“线粒体”（下文图中会看到线粒体如何塞满了精子尾巴）。

用电镜画画需要更复杂的过程。

首先要杀死他们。原因是精子在电镜内部电子的轰炸下会死得非常惨烈，因此先将它们安乐死是一种仁慈的做法——这当然是谎话（生物学家和心慈手软毫不沾边）。正解是，在电镜系统内，这颗可怜的小精子正如一个摊开的鸡蛋，软塌塌地禁不起蹂躏，为了让生物学家能够长时间观察它，它必须坚毅地挺住。让鸡蛋变硬，我们可以煎炒烹炸，对精子，只能用化学物质让它内部的结构原地不动。

然后是细胞脱水。因为电镜内部几乎为真空，如果细胞里的水分持续不断地挥发到这个系统中，真空就会被打破。

下边还得让精子变得更结实，方法是将它们泡进液态的树脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界树脂的硬化过程，最后一颗亮晶晶的“精子琥珀”就出炉了。到这一步，两天至少已经过去。但这颗琥珀对于电镜观察实在太厚，于是需要用极其精细的手段将之切成几十纳米薄的切片；琥珀很硬，因此用的武器是世间最硬的钻石制成的刀，刀尖锋利无比，价值上千美元。

把切好的精子切片放到电镜里，用电子轰炸、成像，一张如铅笔素描一般的精子电镜照片就炼成了。这张照片所显示的是长长的精子的尾巴，相当于上图荧光照片中红色的部分，那一个个整齐排列的圆球便是前边提到的能量工厂“线粒体”了。精子“头脑简单，四肢发达”（指头部内容物精简，尾巴力量无穷），头部没什么东西好看，就不给大家展示了。

人最关心人的精子，实际上植物的精子一样美丽——它们被包裹在花粉之中。图示为天竺葵花粉，右下和左上分别为两颗细胞。其中右下的那个（被红笔框出）会在花粉落到柱头（雌性生殖器官）上之后一分为二，每一半都是一颗精子。和人的不同，天竺葵花的精子没有尾巴，不会游泳。

在大学那个眼不花手不抖的年纪，我曾带着自己最绚烂的热情和最纯真的眼睛做过几年电镜工作。前所未有的精度揭示出超乎预期的生物细节，细胞内曲线之完美和布局之平衡也随之向我袭来，这些都让我只有接招的份儿。满眼和满脑充斥着惊喜和感动，我相信自己看到的微观世界就是宏观的生命之美的本源。

但是电镜操作复杂；更重要的是此项技术不能看活的细胞，这作为它致命的弱点，自六十年前“细胞学之父”首次描述细胞之时就承受起种种指摘，人们有理由怀疑，不管具有多少美学意义，电镜制样所必须的“致死”步骤或许改变了真实的细胞世界。现在，有些从前只能靠电镜来完成的工作已经能被其它手段取代；而电镜自己所配备的软件也使上边所描述的精密制样过程和那些精致的图片结果一再简化。有人说：电镜学家是世界上最相信“眼见为实”的人；还有人说，电镜是一门“正在死去的艺术”。

但至少现在，我仍然相信“做科学就是做艺术”，电镜研究是这句话最直观的体现。而电镜学家就如同舞台上正襟危坐的演奏家，握着自己的提琴，心里执着一个艺术的和精准的世界，不会被台下观众的喧嚣或冷漠而撼动。

扫描显微镜

精子还有另一种死法——它们可以被镀上金，变成一颗金精子，再拿到扫描电镜下边照相。下图一团乱麻就是扫描电镜下的精子。要知道为何镀金，如何照相，请听下回分解。

致谢：感谢田萌提供动物精子的电镜和光镜照片。

无式镜

在从未被文字记录下来的那段历史中的某一天，一个腰上挂着树叶串、头上长发飘飘的人一脚飞起一块石子。他用类似于尖叫的语言说：“咦，这是什么东西亮闪闪在地下？”他捡起这块大致像颗棋子的透明石头瞅瞅，“石子对面的世界放大啦～”他的同类还试着用透明圆石头在炎炎烈日下长时间凝视地上一些烂草棍，结果草棍呼的一下烧着了！对大自然打磨的奇妙石头的记忆一直延续到公元1世纪初，在罗马哲学家的笔记中，它们被称为“放大器”（magnifier）或“点火石”（burning glasses）；直到13世纪，这些石头终于从脚下一路登鼻子上脸，被赐名透镜（lense），因为它们长得好像一颗小扁豆（lentil）。

题图注：体视镜（stereoscope）

随后，“小扁豆”又被人们粘进一根细长筒里。人们就像看万花筒一样，举着这个小筒偷看跳蚤打架，所以这只筒名叫“跳蚤镜”（flea glasses）。它就像眼镜的衍生物，然而已从人脸向前迈出一大步，是未来单式显微镜的雏形。谓之“单式”，因为它不同于你生物课上用过的显微镜，没有目镜、物镜之分，放大多少只由一颗“小扁豆”决定。

单式镜

现代实验室显微镜即使配以“雕梁画栋”，也未必可以卖得更贵，因为雕梁画栋违背了现代人讲究目的和实用的原则。因此我们常常难以理解为什么历史上许多划时代的发明刚刚出现的时候，人们想不到用这些发明改变世界，却只把它们当成丰富视觉享受、甚至象征贵族生活的道具。当我看到十七世纪初那做工精美的“单式镜”，真想搞一个来摆在家里——纯装饰。当时，人们却可以用它来观察桔子表皮，具体做法是：取一只桔子，噗地一声扎在针尖一样的“载物台”上，从直立的单片镜片背后即可观看一只疼痛的桔子。前后移动桔子可以改变放大倍率，只是她挺沉的，晃晃悠悠地不太稳当。（图一）

单式显微镜达到登峰造极的水平是在列文虎克。如果我没有记错，中学的生物是从列文虎克发明显微镜开始的。其实，不论“单式”还是今天普遍应用的“复式”（即多个镜片前后排列，如目镜+物镜），发明者都不是他。只是这一点损失对于列文虎克作出的贡献无伤大雅。前边提到，单式显微镜的放大本领只能依靠一颗“小扁豆”来实现，要想让镜片放大率增大，镜片焦距必须很短，扁豆必须很小，这就需要很高的打磨工艺——如果你是用打磨的方法。一般人能磨出放大率几十倍的镜片已经很了不起，于是列文虎克来了。

插曲：人物传

作为一个篮子手工业者的儿子，列文虎克从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1µm大的细节。但是手工艺人精神大放光芒，他说：“有些秘密手段我得自己留着。”他在这一点上非常成功。直到250年后（上世纪五十年代）真正的“列文虎克镜片”才通过美国人之手再次人间显现。其实，在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴“小扁豆”，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。看到今日的人们一拍脑门恍然大悟，列文虎克倚在天堂的栏杆上得意地笑了。

用这种方法，列文虎克一生一共做了500多架单式镜，可惜他太讲求完美，镜身全是货真价实的金和银（也有人说有黄铜的），在他死后，这些宝贝被卖了好价钱，流落民间再不见踪影。（图二：可以看出这种单式镜有多小，小孔内有镜片。具体用法是将物体扎在小孔一侧，人从小孔另一端观看。）

世界上那么多手工艺人，为什么列文虎克如此出名？这是因为他拥有全地球第一只观察到细菌的人类眼睛。实验初衷本是“寻找辣椒中的辣成分”，结果不知是成心还是忘记，一小片辣椒竟被他泡了3星期之久。没有持家经验的列文虎克非常单纯地取出一滴进行了观察，却看到一系列在水里忙碌跑动的“小动物粒”（animalcule）（图三，可见行动轨迹）。通过计算，他说：“在一粒沙子这么大的空间能容得下一亿个‘小动物粒’”。从这句话，我们不仅知道列文虎克懂得体积的计算以及简单除法，而且能推测出他看到的就是细菌。另一位微生物学家胡克尝试了用水泡其它瓜果蔬菜，证实了以上结果是可重复的。

除了辣椒水，列文虎克还观察了从下水道水到精液，从头发到昆虫脚的几乎所有能找到的东西；人们看到原来竟有这么多不为人知的小世界同我们的生存空间并行不悖，是所谓“一花一世界，一沙一天堂”。列文虎克尤其对牙垢不离不弃，在以身试法之后，还将牙签对准了妻子和女儿的牙缝。最后一次问候牙齿是在第一次揭示人口腔细菌的14年后，取样对象是自己一颗“残存臼齿的中空牙根”。又过了10年，七十岁的列文虎克已没有牙缝，于是他坚毅地将关怀对象转向了“发烧时舌头上厚厚的白色的发出腐败味道的物质”。几十年屡屡探寻，他对人口腔的好奇心是否得到满足了呢？上帝与人类牙垢的比较研究进行得如何了呢？也许对于列文虎克来说，这些都是不存在终极解答的问题吧。

复式显微镜

对于手笨而无法制出2毫米“小扁豆”的人，也有迂回之计——早在列文虎克诞生之前40年，荷兰眼镜制造商已发明出用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫“复式”。然而列文虎克可以无视这种复式镜的发明，因为联手的双镜片足足花了150年才赶上他单镜片的水准。当然其中仍有佼佼者，那就是前边提到同样泡过蔬菜水的胡克和大名鼎鼎的伽利略（图四：伽利略显微镜）。为了与望远镜那“看得更远”（tele+scope）的梦想对仗，人们将伽利略的“复式镜”起名为“看得更小”（micro+scope）——直到今天，“看得更远”和“看得更小”仍在向两个极端推广人类视野。

那时的显微镜情趣十足，有金色、银色和实木的镜身，最豪华的有小银人雕像，好像一个八音盒；下边常常自带杂物抽屉，可以装一些小手饰和小零件，有的甚至可以把自身都装进去（图五）。

后来水族馆一族想到把镜片安在水盆里看水下生物；机械能手开发出齿轮调焦；摄影爱好者给小巧的显微镜安上硕大如手风琴风箱一般的相机（图六）——大家各设所需。目镜多数仍是“单目”，这种传统被保留至今——在我大学生物课上一项必需的技能就是一只眼观察镜筒，另一只眼盯住桌上的纸，看着铅笔把镜筒中的花花世界画出来。

现代科研中最常用到的显微镜将明视场和荧光显微镜合二为一，简而言之，前者用全色的白光照亮被观察的细胞或组织，看它们本原的颜色，分辨其边界和起伏；后者用单色光照射观察对象内部或表面的荧光蛋白，再看荧光蛋白在细胞何处发光。结果，一个像是打着手电在黑屋子里找一根霓虹灯管，另一个像是把霓虹灯打开，在黑暗里看它（图七，左边为荧光，右边为明视场）。具体图像请见《美的眼睛和显微镜》一文，那里是光学显微镜的天下。

而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半——自然光的平均波长为0.55µm，所以分辨率能达到0.275 µm，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。

最后值得一提的一种光学显微镜名叫“解剖镜”，即体视镜（stereoscope）（题图），通常用它观察有一定厚度的物体；放大率不到100倍，但已经能让你清楚地看清果蝇的眼睛和花药里一粒粒的花粉。不同于一般复式显微镜，它用两套光路分别向人的两只眼睛成像，就像双目的延伸，因此在《美的眼睛和显微镜》一文中出镜的小鸡胚胎和采采蝇头都是立体的。

敬请期待第二部分：超越光的极限——电子显微镜