应用生物显微镜发展史话(一)

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應用生物顯微鏡發展史話（一）

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硬體開發篇

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楊德明博士5

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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9

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1.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

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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。

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2.初探生命科學

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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）。

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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

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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），

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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 41

Robert Darwin）等等。

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3.光學領域的早期發展：影像放大的無窮價值

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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

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（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

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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。

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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

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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

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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。

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4.微觀生命的開始：顯微鏡的開拓應用

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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

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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