384年前的今天，列文虎克诞生了
按：上午看到谷歌搜索页面上的涂鸦动画，很有趣。原来专门是为纪念荷兰微生物学家、显微镜专家列文虎克（Anton van Leeuwenhoek，1632-1723）384年前诞生于今天（10月24日）而制作的。尽管384周年不是一个特别值得纪念的整数年份，但谷歌这个动画作为科普素材还是很棒的，让那些在水滴中的微生物现原形的就是他当初使用的简易显微镜。笔者在2013年写过一本书《科学十大突破》（湖北教育出版社），其实谈的是科学史上的十大突破，其中第七章“风尘仆仆斩群魔，科学完人谁比肩？——微生物学与免疫学的创立”（此章主要写巴斯德）就写有列文虎克。现把相关的一部分分享出来，小节标题是“（人类）第一次观测到微生物”也算是纪念这位先驱吧。插图相应作了调整和补充。
图1 谷歌今天纪念列文虎克的动画
微生物顾名思义就是微小的生物体，微小到肉眼很难看到或者根本看不到，需要借助于显微镜才能看到的一大类生物。它大致还可以分为三类，一类是最小的各种病毒，它们没有完整的细胞结构，只能在其他生物体的活细胞中生存和繁殖；第二类是细菌，它们是一种单细胞原核生物（原核生物是对应于真核生物而言，指它们的细胞中没有成形的细胞核），大部分靠寄生或腐生生活；第三种是真菌，比如酵母菌与蘑菇，它们是一类真核生物，也是靠寄生或腐生生存。那么这些微生物到底有多小呢？病毒是其中最小的，它的大小数量级在纳米尺度。一纳米是一米的十亿分之一，或者说百万分之一毫米，可以想像在三角板1毫米的刻度上再平均分1000000份得到的就是一纳米，可见其微小了。即使是大的微生物，也不过几分之一毫米，肉眼想看清楚也很困难。正因为如此，尽管人类与微生物打交道的历史非常漫长了，但观测到微生物则是显微镜发明之后的事情。
谈到人类与微生物打交道，最熟悉的莫过于莫过于与我们日常生活密切相关的酿酒、制酱、造醋行业了，这些行业中关键的一环是制“曲”。将煮过、蒸过或者炒熟的粮食作物放置一段时间，在其表面长出的霉菌，古人称之为曲。北魏时期贾思勰的《齐民要术》记载了在酿酒、制酱方面的多种制曲工艺，比如在制酱曲时有一种“黄蒸”技术，是说在六七月时将小麦磨好，然后用水浸泡后上笼蒸熟，然后摊开冷却，等到第7天就会看到有黄色孢子生成，待这种“黄衣”遍布后，然后干燥制成酱曲。这种“黄衣”就是以米曲霉为主的微生物。酱曲是制成酱（包括后来的酱油）的重要环节，因此《齐民要术》中有“黄蒸令酱赤美”的说法。微生物与人类打交道的另一种途径便是瘟疫的流行，比如在牛顿那一章我们提及的黑死病，还有在开普勒那里提到的天花，现在常见的各种结核病以及2003年爆发的“非典”等，这些传染病造成的人类死亡数量远大于战争引发的死亡。有学者统计，在欧洲历史因黑死病而丧命的人竟有上亿人！尽管后来在个别传染病方面掌握了一些免疫技术，比如对付天花的牛痘术，但直到巴斯德创立微生物学及免疫学之后，人类对微生物的认识以及在传染病的预防方面才取得了突破性进步。
说到显微镜，它又可以分为两类，一类是单式显微镜，一种是复式显微镜。单式显微镜就是由一个透镜构成的显微镜，比如常见的老花镜就是一种单式放大镜或者叫单式显微镜。复式显微镜是由物镜与目镜两组透镜组成的显微镜，目前科学研究中所用的显微镜均为复式显微镜。
还记得在介绍伽利略天文望远镜时提到最早发明望远镜的是荷兰的一位眼镜制造商，复式显微镜的发明也是如此，它最早也在荷兰发明，原因并不奇怪，因为当时荷兰的透镜制作技术世界领先。据说1590年荷兰一位眼镜制造商詹森就发明了复式显微镜，这种显微镜有点像伽利略用的单筒望远镜，只不过目镜与物镜均为凸透镜，通过伸缩镜头就可以改变显微镜的放大倍数，其光路如图2所示。
图2 显微镜的光路图
被放大物体经过物镜的放大后，形成一个倒立、放大的实像；然后目镜把物镜成的实像，再放大为虚像。因此复式显微镜的放大倍数为“物镜放大倍数×目镜放大倍数”，比如物镜放大倍数为40，目镜放大倍数为25，那么显微镜放大倍数为1000。詹森当时发明的复式显微镜最大可以放大10倍，不过他本人并没有做出什么重大发现。利用显微镜做出重大发现的第一人是英国的罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635-1703 注意这是另一位hu ke），这位胡克就是物理上发现胡克定律F=kx的那位。1665年胡克完成了《显微术》一书，该书是他利用自己制作的复式显微镜观测各种生物的记录，他观测的生物有苍蝇、蚊子、跳蚤（图3）、苔藓等。特别应该提及的是，他在该书中描绘了观测到软木片中有些像蜂巢的小格子，他于是命名为“cell”，意思为小格子、小单元，后来这个词成了英文中“细胞”，因为这些小格子就是软木中的死细胞（壁）。这也是人类首次观测到细胞。
图3 胡克观察到的跳蚤
第一个通过显微镜观察到微生物的人是荷兰人列文虎克，他用的显微镜虽然是单式显微镜，但这种显微镜在他手上发展到了顶峰。他完全靠自学学会了磨制透镜的技术，一生组装了上百架显微镜，有的放大倍数可以达到270倍。1680年他当选为英国皇家学会会员时，一次就赠送了皇家学会26架，这不愧是那个时代的显微镜大王。1674年他用陶罐收集了一些雨水，几天后他用显微镜发现了这些雨水中的原生生物（单细胞有机体）。1676年，他在自己的牙垢中发现了活动的细菌，数量之多令人惊讶，他说一点牙垢中的微生物竟然会比整个荷兰王国的公民还要多。此外，他还用显微镜观察了动物的精子、蝌蚪的血细胞等。也正是因为这些杰出的观察，他才进入英国皇家学会。
图4 列文虎克画像（版画）
图5是列文虎克当年使用的一架显微镜的复制品，针状物的上端后方就是镶嵌在铜板中间的透镜，针状物起到载物台的作用以固定标本（观察物），针状物下方是一凹镜，它可以使光聚焦到标本上。中间的螺旋（最高者）起调节标本与透镜的横向距离，下方的螺旋（把手未显示）负责调节标本与透镜的纵向距离。观察的时候，眼睛从铜板后面紧贴透镜观察标本，同时调节两个螺旋使观察到最佳状态。
图5 列文虎克用的显微镜（复制品） 右图对比：大约1680年胡克用的复式显微镜