下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
工欲善其事，必先利其器，我们在进行科学研究的时候使用什么样的研究工具，可能就决定了我们所能达到的研究水平。
那么在发现细胞之前，人类是使用什么样的手段对事物进行观测的呢？显微镜的发明史是怎样的？在这背后又有着什么样的故事呢？
人眼能分辨的最小距离大约为0.1毫米，也就是说，两条平行线之间的距离如果小于0.1毫米，在人眼中就变成了一条线。所以在发明显微镜之前，人们观察动物和植物时只能看到其表面特征，无法深入地了解究竟是什么组成了大自然中千奇百怪的生物。
大自然是极其神奇的，细胞之间的大小差别就能有百万倍之巨。支原体是目前已知最小的细胞生物，它的直径只有100纳米左右，相当于头发丝直径的千分之一；最大的细胞是鸟类的卵细胞，我们身边就有一个例子——鸡蛋的蛋黄实际上就是一个卵细胞。但是大多数细胞，无论是动物细胞还是植物细胞，都是无法通过肉眼观察到的，所以在显微设备并不发达的时代，对于细胞的研究一直止步不前。
人类对于细胞体积的大小有过诸多疑问。鲸鱼的细胞是不是比蚯蚓的细胞大很多？参天大树的细胞是不是也远远大于小草的细胞呢？个体体积的差别究竟是因为每个细胞的大小不同，还是由于数量不同呢？换句话说，鲸鱼比蚂蚁大的原因是鲸鱼的细胞比蚂蚁的细胞大得多，还是两者的细胞大小基本相同，只是鲸鱼细胞的数量远远多于蚂蚁的呢？不依靠仪器，基本无法解答这些问题，于是各种透镜应运而生。
早在古埃及，工匠们就曾把石头和水晶的表面磨制成凸面或者凹面的艺术品。古罗马皇帝尼禄曾经在竞技场上凭借一块具有弯曲刻面的宝石观看表演，这种做法让现在的研究者很是疑惑。在13世纪之前，史料中很少有关于使用曲面宝石的记载。
我们现在可以大胆地猜测，尼禄可能是一位近视患者，他通过这种曲面的透镜来矫正视力，让自己能更加清晰地观看表演。这也许是最早的关于透镜使用的记录了。1589年，博物学家波尔塔（1535—1615）出版了一部百科全书式的著作《自然魔法》。波尔塔在书中提出，凸透镜可以放大物体，但它们看起来会比较模糊；使用凹透镜可以看到更小但更清晰的物体，凹透镜可以用于矫正近视。这可以说是那个时代最伟大的发现之一。
在使用单个镜片进行观测的时候，由于受到工艺和实际尺寸的限制，我们无论将凸透镜的体积做到多大，放大的倍数也是很有限的。但是如果将不同的透镜搭配在一起，组成复合镜片，将会发生什么样的变化呢？
这里我们不得不提及两位著名的人物。也许在当时，他们就像现在普通私企的老板一样，没有上市公司首席执行官的实力，也没有显赫的背景，但是他们的工作让历史记住了他们——汉斯·詹森和扎卡莱亚斯·詹森父子。詹森父子是荷兰的眼镜制造商，1590年，在不断打磨镜片的过程中，他们偶然将一根直径1英寸
、长1.5英尺
的管子的两端分别装上了一块凸透镜和一块凹透镜。奇妙的事情发生了，他们发现这样可以把原先细小的东西放大到以前无法企及的大小，这一发现让两人欣喜若狂，因为他们终于突破了单个透镜放大倍数有限的瓶颈。这可以称得上是人类历史上第一台原始的复式显微镜，它通过镜片的复合使用大幅度提升了显微镜的观察倍数。
第一批复合透镜的显微倍数只有十几倍，但足以看清一些原本肉眼看不清楚的小物体。1610年，伽利略利用这种复合透镜近距离观察小物体后对外宣称，在他的透镜组下，苍蝇竟然和母鸡一样大。这种比喻虽然有夸张的成分，但是依然表现出在发明透镜组之后，大家抑制不住的喜悦。
这种透镜组被称为最简单的显微镜，由于当时大家都喜欢用这种透镜组来观察跳蚤，它又被亲切地称为“跳蚤镜”。显微镜下的跳蚤如图2—1所示。
图2—1 显微镜下的跳蚤
要将这种新鲜的科学事物在民众间传播开来并非一件容易的事情。当时，宗教和巫术盛行，处于教会思想禁锢之下的普通民众还很难接受透镜这种新兴的科学事物，他们认为一切可能威胁宗教理论的事物都是大逆不道的。
一位教会的牧师被说服使用透镜组观察跳蚤的外形。在显微镜下，原先肉眼无法观察到的细节会变得相对清晰，会对人们已有的认知造成极大的冲击。这位牧师被显微镜下跳蚤的外观彻底吓到，感到惶恐不已。这就好似我们在现实中可以很坦然地和蚊子、苍蝇同处一室，并不觉得可怕，但是当苍蝇和蚊子变大若干倍，和老鼠一样大时，我们就会感到相当害怕了。由于平时鲜有接触，对微小事物的突然放大就会对我们的心理产生巨大的冲击，这就是放大的效果。
受到惊吓的牧师立刻宣布劝说他使用透镜组的人是男巫，而且是一位无神论者。在当时，这种指控无疑是致命的，教会立刻逮捕了这位男士并判处火刑。幸运的是，瑞典女王克里斯蒂娜得知这一情况后出面干预，他幸运地捡回了一条命。可见，要想让一项新技术彻底被世人接受，在中世纪甚至更早的时代，需要付出比我们当今社会更艰辛的代价，甚至要承担丧失生命的风险。
在最简单的显微镜出现后，五位显微镜发展史上的杰出人物各自独立地把显微镜的性能和应用范围提升到了新的高度。这五位巨匠分别是安东尼·列文虎克（1632—1723，荷兰生物学家）、罗伯特·胡克（1635—1703，英国科学家）、简·施旺麦丹（1637—1680，荷兰生物学家）、马尔切罗·马尔比基（1628—1694，意大利解剖学家）和尼希米·格鲁（1641—1712，英国植物学家、医师）。
关于列文虎克和胡克，相信大家都不陌生。只要提到显微镜的发明或者是细胞的发现，就一定会提到他们两人。
翻开列文虎克的传记，我们就会发现他是一位在那个平均寿命极低的年代可以活到90余岁的长者。他家境殷实，父亲是篮子制造商，母亲出生于酿酒世家，他在经营自己的店铺时承担了多项工作，与此同时，他有着一些异乎常人的爱好——吹玻璃、磨透镜、制造精制金属制品等。
列文虎克把他对透镜的爱好发挥得淋漓尽致，他甚至因此失去了最宝贵的家庭生活乐趣。他的两任妻子都先他而去，六个孩子也仅有一个在他去世前还健在。他经常因无暇顾及家庭遭受指责。列文虎克以这样的损失换来了用毕生心血制作的400多台显微镜和放大镜，其放大倍数从50倍到200倍不等。这个放大倍数对现在的我们来说并不稀奇，但是和当时常用的放大倍数仅为十几倍的显微镜相比，足以说明列文虎克磨制显微镜的技艺有多么精湛和超前。
列文虎克制作了短焦距的双凸透镜。打造这种显微镜在当时的技术条件下十分困难，需要极其精细的打磨工艺，但是列文虎克居然做到了。可惜列文虎克巧夺天工的手艺在他去世后的一百年间遗失殆尽，不得不说是人类的损失。
列文虎克利用自己的研究利器——放大倍数达到200倍的显微镜，可以看到很多其他人无法观察到的微观世界。他观察了大量生物——跳蚤、蚜虫、蚂蟥等，也观察了鱼、青蛙、鸟的红细胞。他提出了一个现在看来仍然正确的观点：血管中的血液循环依赖于心脏的搏动。
列文虎克还在狗、兔子和人类的精液中观察到了精子的存在。在列文虎克之前，人们对于精子的认识普遍不准确，由于受到观察手段的限制，人们并没有在精液中观察到精子。17世纪中叶，荷兰莱顿大学医学中心的约翰·哈姆通过自制的显微镜在淋病患者的精液中发现了精子的存在，由此提出精子是该疾病的罪魁祸首。这一观点在那个显微世界未被人类触及的时代有着很广阔的认知市场。
但是列文虎克对这一观点产生了深深的怀疑。由于他的透镜放大倍数较高，他有着别人不具备的研究优势。列文虎克在很多正常的动物精液（包括人类的精液）中，都看到了游动的精子，因此他认为精子不是疾病的诱因，而是一种普遍存在的物质，因为有了精子，才会出现精子和卵子结合的生理过程。
列文虎克是一位特立独行的科学家和天才匠人，他衣食无忧，全身心地投入科学研究，达到了对科学研究如痴如醉的状态。英国皇家学会会长牛顿爵士的情况与列文虎克相似。当时的很多科学成果主要是由上流社会人士取得的，他们有足够的时间、金钱支持自己从事喜欢的事业，无须为温饱担忧。
列文虎克是一个非常倔强的人，对科研有着近乎痴迷的追求。他希望自己的学徒也能够将全部精力集中在透镜的磨制及观察上，而不是用自己磨制镜片的技术去获取财富。但是很多学徒并没有列文虎克那样优渥的家境，他们学习制作显微镜主要是为了改善生活条件，这已经背离了列文虎克的初衷。不久，很多学徒离开了他。列文虎克也失望地不再招收新的学徒，以致他的技术最终失传。
当有人问及列文虎克为何不愿意再将自己的技艺传授给年轻人时，他回答：“训练年轻人来磨透镜，或者是为了这个创立学校，我可看不出来这有什么作用，因为很多学生去那里是为了从科学中赚钱，或者是想在学术界获得名声，并非大多数人都有求知欲望……”
第二位我们要提及的科学家是胡克。胡克的主要贡献有两条：第一，改进了显微镜的放大效率；第二，发现并提出了细胞的概念。
胡克1635年生于英国怀特岛，1703年去世。他和牛顿是同时代的科学家，但是二人在学术观点上有不少冲突。由于牛顿当时在学术领域地位较高，胡克的声名受到了一定的影响。但胡克无论是在物理学还是在生物学上的贡献都得到了后人的肯定。
1648年，由于父亲去世，年仅13岁的胡克离开家乡去伦敦当了一名学徒。胡克的父亲是一名牧师，按照传统，胡克也应该成为牧师，但是胡克并不喜欢父亲给自己规划好的职业，反而在机械制造和设计方面崭露头角。1653年，胡克移居牛津，并且依靠自学掌握了丰富的科学知识。他的才华让他获得了大量的机会，并且幸运地成为英国化学家玻意耳和神经解剖学家托马斯·威利斯的助手，跟随著名科学家学习的机会让胡克更快地接触到科学研究的方法，并对科研产生了浓厚的兴趣。
1665年，胡克出版了《显微图谱》一书。我们其实可以把它看作胡克的职务作品，因为胡克在出版这本书的两年前开始担任英国皇家学会的干事长，负责演示显微镜研究的成果，相当于现在发布会上的实验演示员。他需要向当时的上流社会展示显微镜观察的结果，观察对象包括跳蚤、头发、真菌、针尖、地衣、云母薄片、软木、化石等。在被放大十几倍后，这些物体的表面细节清晰可见。胡克将这些观察结果归纳总结，形成了很多独特的、在当时看来匪夷所思的观点，很难被同时代的人接受。
胡克发现细胞是一个偶然的事件。他对软木的特性产生了浓厚的兴趣。这么大块的软木为什么这么轻？软木的防水性能为什么这么好？软木的结构究竟是什么样的呢？胡克决定在英国皇家学会做一期展示。他用锋利的小刀从软木上削下薄薄的一层切片，然后把切片放在显微镜下。由于软木切片是白色的，胡克将它放在黑色的底盘上以获得更好的观察效果。他发现软木表面有大量中空的小室，像马蜂窝一样（见图2—2）。
图2—2 软木片上的细胞
这些小室密密麻麻的，但是其具体作用是什么，它们的结构如何，胡克并不清楚。他只能根据观测结果描述这种显微结构。胡克将它们命名为“细胞”（cell）。殊不知正是这个简单的结构和命名奠定了胡克在细胞生物学史上的地位，这是人类第一次命名这种神奇的组织单位。让胡克更为惊奇的是，他通过计算发现，在每立方厘米的软木切片上竟然有多达7 000万个细胞存在。而现在，细胞学已经发展为一门独立的分支学科，在生物学中占有重要的一席之地。
胡克除了提出了细胞的概念，还发现了光会随云母薄片厚度的变化而变化。他还针对化石是如何产生的提出了自己的观点，这些观点都是基于其在显微镜下的观察得来的。一系列的研究让胡克在科学史上留下了浓墨重彩的一笔。
剩下的三位巨匠也许不为众人熟知，但是他们的工作依旧伟大。他们的贡献可能没有列文虎克和胡克突出，但是他们加速了显微镜技术的完善。
其中一位悲剧性的人物是英年早逝的科学家施旺麦丹。他与列文虎克都可以被称为“显微镜发明史上的天才”，展现出了极高的仪器制造水平和工匠精神。施旺麦丹设计了人类历史上的第一台立体显微镜。虽然现在看来这台立体显微镜十分简陋，但是在当时的条件下，它可是一项伟大的发明。施旺麦丹创造性地给显微镜制造了两个臂，一个用来固定被研究的物体，另一个用来固定透镜。两个臂都有粗调和微调功能，粗调能更快地把物体移到合适的位置，微调能帮助观察者更清楚地看到物体的微观结构。施旺麦丹用自己制造的不同放大倍数的显微镜观察了多种物体。为了更好地观察虱子并让其在显微镜下保持静止，他甚至让虱子咬自己的手以观察其口器的活动。
与列文虎克不同的是，施旺麦丹的生活相当清贫，连基本的温饱都无法保障，晚年饱受病魔折磨时也无钱医治，后来靠荷兰皇家图书馆的朋友南特的资助才勉强与病魔多抗争了几年。他在显微镜制作技术上的探索值得我们铭记。
第四位巨匠是马尔比基，他是动植物显微材料制作的创始人。虽然他对显微镜的发明没有太多的贡献，但是他在显微材料的制作方面拥有过人的天赋，其制作材料切片的高超水平极大地改善了成像效果。很多被观察的物体都是不透明的，因此如何通过合适的方式制作出既不改变物体内部结构又方便观察的切片成为一个大问题。马尔比基先是尝试用染色剂固定待观察的材料，后来又用水银和蜡注射对材料进行固定，显著提升了成像的效果。
第五位巨匠是格鲁，他是著名的动植物解剖学家，成功地解剖了40多种动物的肠胃并进行比较研究，他在刚杀死的动物身上看到了肠胃的蠕动过程。这种现象在当时是难以解释的，动物已经被杀死了，为什么器官还会继续蠕动呢？这种现象在现实生活中其实经常出现，比如切除鱼的头部后，它的身体有时候还会继续跳动，青蛙在被去除脑干后也会发生膝跳反应，它们的反射弧还继续存在于体内。
格鲁把显微镜引入了解剖学领域，创新性地发现了很多动物身上特有的现象，并且扩大了显微镜的应用范围。自此，显微镜成为解剖学必不可少的研究利器。
经过这五位巨匠的接力式研究，显微镜从最初仅能放大十几倍发展到能放大200倍的水平，显微精度达到了可以观测微生物的程度。人们在此基础上命名了“细胞”，发现了“微动体”，显微镜真正成为最重要的光学实验仪器。马尔比基和格鲁继续之前的研究，将显微镜成功地应用到不同的研究领域，为动物学、植物学、微生物学、解剖学等分支学科的发展提供了有力的武器。
从1665年胡克发现细胞到1839年“细胞学说”建立，其间经历了170余年。
19世纪发现细胞学说的德国人施莱登是一个学术狂热分子。他早年曾在海德堡攻读法律，之后在汉堡从事律师工作。可能是在工作上遇到了不顺心的事情，或者是他并不喜欢自己的工作，他曾企图自杀。最终，施莱登彻底放弃了法律专业，转而从事生物学和医学研究。拥有过人天赋的施莱登在27岁那年拿到了医学和哲学的博士学位，并且开始在耶拿大学任教。从跨专业学习到拿到博士学位，施莱登只用了短短几年的时间。
施莱登坚持自己的学术观点，猛烈地抨击林奈制定的植物学分类法，认为植物学是一门综合性的科学，不能通过人为的分类将它分裂开来。
在柏林工作期间，施莱登遇到了动物学家施旺。与施莱登相比，施旺显得特别内向和腼腆。施旺主要的研究领域集中在动物身上，师从德国生理学家弥勒（1801—1858）。在研究过程中，施旺发现了神经纤维的鞘、胃蛋白酶等。通过研究，施旺逐步意识到了活力学说
的错误性和局限性。
施莱登和施旺的会面堪比100年之后沃森和克里克的会面，前两者一起商讨着细胞学说的雏形，后两者一起叩开了分子生物学的研究之门。
施莱登和施旺的合作一直进行得非常顺利，不拘泥于繁文缛节。他们经常在用餐时进行学术交流和沟通。在一次用餐时，施莱登提出细胞核在植物细胞中起着非常重要的作用，施旺立刻联想到动物的脊索细胞中存在着同样的细胞核结构，如果能够证明细胞核确实在动植物细胞中起着相同的作用，这将是一个极其重大的发现。
1838年，施莱登发表了《植物发生论》一文。他在文中提出，无论多么复杂的植物体都是由细胞组成的，细胞不仅是一种独立的生命，还维持着整个植物体的生命。1839年，施旺出版了专著《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》。他认为所有细胞，无论是动物细胞还是植物细胞，均由细胞膜、细胞质和细胞核组成。至此，综合二人的说法，最原始的细胞学说建立起来。施莱登和施旺两位性格迥异的生物学家在当时的交流碰撞中擦出的学术成果之花——细胞学说，对细胞学的发展有着划时代的意义。