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和詹森以及胡克不同的是，列文虎克有着非凡的洞察力。他不仅用自制的显微镜观察布匹，更是用来观察矿物、晶体、动物、植物、水流……几乎任何他能接触到的事物，他都拥有浓厚的观察兴趣。每次发现新鲜的微小事物，他都会记录下来。
但列文虎克并不满足于这一切，他尝试使用玻璃、宝石、钻石等各种各样的材料，去提升显微镜的放大倍数。最终，他打造出了接近300倍放大倍数的显微镜。通过这些显微镜，他观察了真菌孢子、肉的纹理、虱子以及蜜蜂嘴眼等精细结构。
在当时，列文虎克结识了一位叫作格尼亚·德·格拉夫的解剖学家。格拉夫是英国皇家学会的通讯会员，拥有丰富的见识，他意识到列文虎克打造的显微镜虽然结构简单，但放大倍数却超过同时代的任何显微镜，而且他的观测研究也是整个时代从来没有出现过的，具有非凡的价值。格拉夫建议列文虎克把他的显微镜和观测记录寄给英国皇家学会，从而有了开篇的那一幕。
自1673年之后，列文虎克与英国皇家学会开始了长期通信。皇家学会的支持，也让列文虎克对微观世界的观测研究有了前所未有的动力。不久后，列文虎克便有了令人震惊的发现：微观世界竟然有活着的生物。
1674年8月1日，在代尔夫特市附近的一个内陆湖畔，列文虎克观测并记录了绿藻。第2年9月15日开始，列文虎克又通过连续4天的观测，发现了水中的微小动物。
这个观察结果，让列文虎克感到十分欣慰。他曾在研究报告中激动地描述，这些生物仅仅只有人们肉眼所能看到的万分之一，但却是真正活着的生物。它们伸出两只小角不断地活动。如果把它们放在蛆虫的旁边，蛆虫将如同一匹马般高大，而这些微小动物看起来就像蜜蜂一般渺小。
由于这些细小的生物从来没有人观察到过，列文虎克把它们命名为“极微动物”。一个粗糙的沙粒中竟然有100万个充满活力的“极微动物”，而一滴水中更是有多达270万个活跃的“极微动物”，并且能不停地繁殖。
列文虎克不由得发出感叹，一滴雨水中的微生物总数，简直比荷兰的总人口还要多好多倍。
随后，列文虎克又观察了雪水、海水、污水、干净的水……几乎任何他能接触到的水，他都进行了观察。最终他发现，地球上任何形式存在的水中，都存在各式各样的微生物。它们不仅形态各异，而且有不同的运动方式。
虽然有了重大突破，但这期间列文虎克向英国皇家学会邮寄的两封信件全都石沉大海，没有任何的音讯。后来，他才从学会秘书奥尔登堡那里获悉，他的研究报告遭到了很多权威学者的反对。他们是来自法国巴黎和其他地方的一些学者，不仅不相信列文虎克所看到的东西，甚至认为他就是一个骗子。
人们很难相信，在肉眼看不到的世界，竟然还会有这么多能自主活动的生物。喝一口水，就能喝下这么多的生物，那也是多么可怕的一件事情啊！