应用生物显微镜发展史话(一)

1應用生物顯微鏡發展史話（一）2硬體開發篇34楊德明博士56台北榮總教研部副研究員7陽明大學生醫光電所兼任助理教授8東吳大學微生物系兼任助理教授910111.宇宙中獨特的藍色星球這個被我們人類稱為地球（Earth）的星球表面，存在著宇宙中近似獨一無1213二的『生命』（Life），當地球出現生命跡象的那一刻，就已註定這個藍色星體的14與眾不同。

經過數十億年的自然氣候淬煉與生態環境變化，從恐龍到人類的生物15霸主更迭，至今已為人知的生物物種約有200萬種，加上尚未被鑑定出所有物16種，可能至少有1000萬種以上，也就是說：未知的生命遠比現在所知悉、定義17或分類的生命多出很多（有學者指出已知的僅佔未知的約1/8），『生物多樣性』18（Biodiversity）儼然成為地球的重要生命特質及寶貴資產。

即便如此，人類時至19今日卻從不放棄向地球外的宇宙各地、尋找類似地球具有生命的星體，包括離我20們最近的火星（Mars）<如數年前的鳳凰號、以及現今的克普勒計畫（美國太空21總屬NASA）。

到底何謂生命（生命的定義）？而地球上生命的定義與宇宙中生22命的定義又是否相同呢？要探索這個問題，必須先從地球的生命本身開始。

23242.初探生命科學25地球上所謂生命的最基本單位，現在被統一稱之為細胞（cell）。

細胞依基本26的型態分為兩大類，一類是原核生物（Prokaryotes，細胞內物質鬆散卻亂中有序、27無明顯細胞核疆界）：如真細菌（Eubacteria）與古細菌（Archaebacteria）；另一28類則是真核生物（Eukaryotes，具有組織特化功能的隔間-胞器（organelle）、並將29遺傳物質條理有序的壓縮在細胞核中）：如原生生物（Protista）、真菌（Fungi）、30植物（Plant）、動物（Animal）。

這些生命，有的是單一細胞個體就可以獨立生存31的（稱之為單細胞生物，如酵母菌yeast）、有的是需要許許多多同類細胞（具有32完全一樣的遺傳物質）的共同協力組成以維持活命狀態（稱之為多細胞生物）。

33因為多細胞功能性的聚集形成組織系統、也使生命個體大小呈現人們視覺上可以辨認（即眼見為憑）的程度（尺度從昆蟲的數公分到企鵝的公尺），從古代原人3435於洞穴中的野牛壁畫可知：人類很早就有能力以觀察多細胞生物型態與行為、並36以歸納、定義等方式，去思考如何對同種或不同種物種加以辨認/分類（分類學之父林奈Carolus Linnaeus、台灣在地的生命科學先驅斯文豪Robert Swinhoe），3738進而發展出各個重要生物學門，如動物行為學（俄國巴夫洛夫Ivan Pavlov的狗39餵食口水制約實驗、奧地利勞倫茲Konrad Lorenz的鵝媽媽印痕理論、以及奧地40利馮孚立Karl von Frisch的蜜蜂舞蹈等等）、動植物生態與演化學（達爾文Charles 41Robert Darwin）等等。

42433.光學領域的早期發展：影像放大的無窮價值44然而對於比『明察秋毫』中的秋毫還要細微的細胞而言（以真核生物細胞為45例，大小約在15至20微米範圍內），由於尺度遠小於人類本身視力能分辨的最46小物體大小，亦即超過所謂的裸視極限（約在0.05公釐或說50微米【10-6 m】，47約是人類頭髮的一半粗），想要進一步去觀察、並瞭解細胞的各種特性，人類必48須突破這層視覺極限的障礙，才能達到『眼見為憑』的地步。

以下就以人類在反49射（reflection）、折射（refrection），以及因折射而產生的影像放大（magnification）50的理解歷程，來敘述現代顯微光學的發展：約在2300年前，希臘的歐基里得51（Euclid）的幾何知識，已觸及到光學的反射層面；2400年前，春秋戰國時代的52墨翟則是藉由青銅鏡瞭解光的反射（《墨經》：臨鏡而立，景到。

）；直到1000年前（11世紀），阿拉伯人哈桑（Ibn-al-Haitham或稱Alhazen）才有光學反射定律5354的提出。

就折射與放大，雖然墨翟描述了『針孔成像』（《墨經》：景光之人煦若55射，下者之入也高，高者之入也下。

）、韓非則在『豆莢映畫』（“筴＂是指豆莢的內膜，呈半透明狀。

《韓非子·外儲說左上》：客有為周君畫筴者，三年而成。

5657君觀之，與髹筴者同狀。

周君大怒。

畫筴者曰：築十版之墻，鑿八尺之牖，而以58日始出時，加之其上而觀。

周君為之，望見其狀，盡成龍蛇禽獸車馬，萬物之狀59備具。

周君大悅。

）中，道出最令人驚豔的幻燈技術與中國影戲可能的最早淵源，60但其中蘊含的物理意義與光學原理，卻隨著獨尊儒術而從此沈寂在中國的科學發61展史中，直到西方科學的解密之後！希臘數學家托勒密（Claudius Ptolemy）約在2200年前，曾藉由棍子在水中影像的曲折描述過折射；2000年前，羅馬賽尼6263卡（Lucius Annaeus Seneca）進而以裝滿水的球體描述折射放大，而1000年前，64哈桑因深入知悉人眼球解剖學構造，領悟到視覺成像的原理；1267年，英國培根（Roger Bacon）預言透鏡為視力矯正的可能。

而被學者譽為21世紀最偉大的6566發明：眼鏡，則在其出書的20年後，於義大利佛羅倫斯（Florence）誕生了。

最67後1621年荷蘭斯涅爾（Willebrord Snell）確立了折射定律。

透鏡放大的好處、68光學原理的完整被闡述、加上玻璃、透鏡製造技術的日益進步，激勵了天文望遠69鏡（telescope）與顯微鏡（microscope）的發明，不但造福了人類的對極限視覺70的需求、同時也開啟了『天文物理學』與『細胞生物學』的蓬勃發展。

714.微觀生命的開始：顯微鏡的開拓應用7273光學顯微鏡一般認為是在17世紀初（1590年），由荷蘭鏡片製造商詹森父74子（Zacharias Jansen與其父親）所發明，當時他是利用兩個透鏡組成一個有9倍放大功能的儀器，隨之被一位義大利科學家命名為microscope。

顯微鏡至今經7576歷了長達300年以上的演進，使得人們對於無論是微生物、植物、動物細胞，或77者是病理組織切片、在型態學上的各類知識累積，成就或墊基了許多生物醫學相78關的學門，如細胞生物學、組織學、胚胎學、血液循環學等等。

而在顯微鏡剛被79發明的起初，對於生命科學的研究應用，有著許多著名的歷史故事，非常值得與80大家分享。

包括命名細胞為cell的英國虎克（Robert Hooke）與業餘科學家卻擁81有專業水準的傳奇荷蘭布商：雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）等。

虎克靠82著經過他改良的複式顯微鏡（具有三片透鏡的光路系統，有別於起初發明的兩片83透鏡，在當時具有極高的解析力），出版了啟發後世的巨作：Micrographia，然而84他選擇了軟木塞作為觀察生命的樣品之一，雖然在描述其內部結構，我們瞭解其85實是死去的植物細胞壁殘骸，人們卻從此稱所有生命的基本單位為cell。

相對的，86荷蘭人雷文霍克雖然一個大學文憑也沒有，也不懂英文及會話（在攝影術尚未開87發普及的當時，科學家要將觀察到的顯微事物描述，需要精確的繪製技術），但88憑藉著高超的吹玻璃技巧、細心、耐心、與對生命科學求知的熱忱，他創造了至89少500多具極簡的手持式簡式顯微鏡（只有鑰匙大小，就像是手持放大鏡一般），90自製、觀察與繪製記錄（他聘請畫家與翻譯家協助）了無數的生命樣本，其豐碩91的研究成果令後世驚歎不已。

他更因為對微小細菌的描述發現，而被尊稱為細菌92學之父。

此刻顯微鏡的解析力約在2到5個微米。

93945.光學顯微鏡發展史：設計、製造與解析力優化（從愛比到蔡司）95人們對顯微鏡的三大願景總括是：96甲、看清盡量小的物體；97乙、無損觀察物的活性；98丙、清晰對比的好成像。

99上節所提及的年代約在顯微鏡發展的初期、也是正當其進入生命科學領域的100應用時刻。

接著，躍上顯微鏡輝煌歷史檯面的，是德國顯微鏡製造者、物理數學101家，以及玻璃化學家的共同合作、攜手突破當時的極限（由2微米進步到0.2微102米）。

與雷文霍克一樣沒有上過大學的蔡司（Carl Zeiss），具有他人沒有的堅強意103志力與耐心，在因緣際會地與愛比（Ernst Abee）、肖特（Otto Schott）等人的相知相遇，共同開始向複式顯微鏡（三片光路設計）的優化與極限挑戰。

當時經過104105愛比精確的計算推導，提出了新的解析力極限，即約2微米（D=λ/n*sinθ）。

蔡106司為製作出符合愛比訂出的理論，對於決定解析力的色差困擾找出了解決方法，107也使得他的顯微鏡公司異軍突起，屢創銷售佳績。

至於透鏡的球面相差，則是由108另一位業餘的顯微鏡學家英國的李斯特（Joseph Jackson Lister）給解決了。

至次，109現代顯微鏡的雛形大致底定。

這個被認為不可能突破的愛比障礙，一直到近十年110間，才由另一位德國物理學家霍爾（Stefan Hell）在理論與實際硬體架構上所克111服（由0.2微米更推進到0.01微米，即10奈米左右，nano【10-9 m】）。

於眾人一112片驚嘆聲中，奈米鏡（nanoscope）的名稱被呼之欲出。

儘管這種新式的架構目113前尚未普及，人們對於這新穎的超高解析工具仍寄予厚望，期待藉由這強大的『奈114米平台』為我們帶來『更細小（如分子般）』、『更清晰』、『更無損細胞活性』的115『奈米影像』，且讓我們拭目以待吧（細胞顯影，下期待續）！。