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本文标题："跃上显微镜辉煌歷史檯面的，是德国显微镜製造者"

宇宙中独特的藍色星球
12 这个被我们人類称为地球（Earth）的星球表面，存在着宇宙中近似独一无
13 二的『生命』（Life），当地球出现生命迹象的那一刻，就已注定这个藍色星体的
14 与众不同。经过數十亿年的自然气候淬煉与生态环境变化，从恐龍到人類的生物
15 霸主更迭，至今已为人知的生物物种约有200 万种，加上尚未被鑑定出所有物
16 种，可能至少有1000 万种以上，也就是說：未知的生命远比现在所知悉、定义
17 或分類的生命多出很多（有学者指出已知的仅佔未知的约1/8），『生物多样性』
18 （Biodiversity）俨然成为地球的重要生命特质及宝贵资产。即便如此，人類时至
19 今日却从不放弃向地球外的宇宙各地、寻找類似地球具有生命的星体，包括離我
20 们最近的火星（Mars）<如數年前的凤凰号、以及现今的克普勒计画（美国太空
21 总属NASA）。到底何谓生命（生命的定义）？而地球上生命的定义与宇宙中生
22 命的定义又是否相同呢？要探索这个问题，必须先从地球的生命本身开始。
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24 2. 初探生命科学
25 地球上所谓生命的最基本单位，现在被统一称之为细胞（cell）。细胞依基本
26 的型态分为兩大類，一類是原核生物（Prokaryotes，细胞内物质鬆散却亂中有序、
27 无明显细胞核疆界）：如真细菌（Eubacteria）与古细菌（Archaebacteria）；另一
28 類则是真核生物（Eukaryotes，具有组织特化功能的隔间-胞器（organelle）、并将
29 遗传物质条理有序的压缩在细胞核中）：如原生生物（Protista）、真菌（Fungi）、
30 植物（Plant）、动物（Animal）。这些生命，有的是单一细胞个体就可以独立生存
31 的（称之为单细胞生物，如酵母菌yeast）、有的是需要许许多多同類细胞（具有
32 完全一样的遗传物质）的共同协力组成以维持活命狀态（称之为多细胞生物）。
33 因为多细胞功能性的聚集形成组织系统、也使生命个体大小呈现人们视觉上可以
34 辨认（即眼見为凭）的程度（尺度从昆虫的數公分到企鹅的公尺），从古代原人
35 于洞穴中的野牛壁画可知：人類很早就有能力以观察多细胞生物型态与行为、并
36 以归纳、定义等方式，去思考如何对同种或不同种物种加以辨认/分類（分類学
37 之父林奈Carolus Linnaeus、台湾在地的生命科学先驱斯文豪Robert Swinhoe），
38 进而发展出各个重要生物学门，如动物行为学（俄国巴夫洛夫Ivan Pavlov 的狗
39 喂食口水制约实验、奥地利勞倫兹Konrad Lorenz 的鹅妈妈印痕理論、以及奥地
40 利冯孚立Karl von Frisch 的蜜蜂舞蹈等等）、动植物生态与演化学（达尔文Charles
41 Robert Darwin）等等。
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43 3. 光学領域的早期发展：影像放大的无穷价值
44 然而对于比『明察秋毫』中的秋毫还要细微的细胞而言（以真核生物细胞为
45 例，大小约在15 至20 微米范围内），由于尺度远小于人類本身视力能分辨的最
46 小物体大小，亦即超过所谓的裸视极限（约在0.05 公釐或說50 微米【10-6 m】，
47 约是人類头髮的一半粗），想要进一步去观察、并瞭解细胞的各种特性，人類必
48 须突破这层视觉极限的障碍，才能达到『眼見为凭』的地步。以下就以人類在反
49 射（reflection）、折射（refrection），以及因折射而产生的影像放大（magnification）
50 的理解歷程，來叙述现代显微光学的发展：约在2300 年前，希臘的欧基里得
51 （Euclid）的几何知識，已触及到光学的反射层面；2400 年前，春秋战国时代的
52 墨翟则是藉由青铜镜瞭解光的反射（《墨经》：臨镜而立，景到。）；直到1000 年
53 前（11 世纪），阿拉伯人哈桑（Ibn-al-Haitham或称Alhazen）才有光学反射定律
54 的提出。就折射与放大，虽然墨翟描述了『针孔成像』（《墨经》：景光之人煦若
55 射，下者之入也高，高者之入也下。）、韩非则在『豆荚映画』（“筴＂是指豆荚
56 的内膜，呈半透明狀。《韩非子·外储說左上》：客有为周君画筴者，三年而成。
57 君观之，与髹筴者同狀。周君大怒。画筴者曰：筑十版之墙，凿八尺之牖，而以
58 日始出时，加之其上而观。周君为之，望見其狀，尽成龍蛇禽兽車马，万物之狀
59 备具。周君大悦。）中，道出最令人惊豔的幻灯技术与中国影戏可能的最早渊源，
60 但其中蕴含的物理意义与光学原理，却随着独尊儒术而从此沈寂在中国的科学发
61 展史中，直到西方科学的解密之后！希臘數学家托勒密（Claudius Ptolemy）约
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62 在2200 年前，曾藉由棍子在水中影像的曲折描述过折射；2000 年前，羅马赛尼
63 卡（Lucius Annaeus Seneca）进而以装满水的球体描述折射放大，而1000 年前，
64 哈桑因深入知悉人眼球解剖学构造，領悟到视觉成像的原理；1267 年，英国培
65 根（Roger Bacon）预言透镜为视力矫正的可能。而被学者誉为21 世纪最伟大的
66 发明：眼镜，则在其出书的20 年后，于义大利佛羅倫斯（Florence）诞生了。最
67 后1621年荷蘭斯涅尔（Willebrord Snell）确立了折射定律。透镜放大的好处、
68 光学原理的完整被阐述、加上玻璃、透镜製造技术的日益进步，激勵了天文望远
69 镜（telescope）与显微镜（microscope）的发明，不但造福了人類的对极限视觉
70 的需求、同时也开启了『天文物理学』与『细胞生物学』的蓬勃发展。
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72 4. 微观生命的开始：显微镜的开拓应用
73 光学显微镜一般认为是在17 世纪初（1590 年），由荷蘭镜片製造商詹森父
74 子（Zacharias Jansen与其父亲）所发明，当时他是利用兩个透镜组成一个有9
75 倍放大功能的仪器，随之被一位义大利科学家命名为microscope。显微镜至今经
76 歷了长达300 年以上的演进，使得人们对于无論是微生物、植物、动物细胞，或
77 者是病理组织切片、在型态学上的各類知識累积，成就或垫基了许多生物医学相
78 关的学门，如细胞生物学、组织学、胚胎学、血液循环学等等。而在显微镜刚被
79 发明的起初，对于生命科学的研究应用，有着许多着名的歷史故事，非常值得与
80 大家分享。包括命名细胞为cell 的英国虎克（Robert Hooke）与业馀科学家却拥
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81 有专业水准的传奇荷蘭布商：雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）等。虎克靠
82 着经过他改良的複式显微镜（具有三片透镜的光路系统，有别于起初发明的兩片
83 透镜，在当时具有极高的解析力），出版了启发后世的巨作：Micrographia，然而
84 他选择了软木塞作为观察生命的样品之一，虽然在描述其内部结构，我们瞭解其
85 实是死去的植物细胞壁残骸，人们却从此称所有生命的基本单位为cell。相对的，
86 荷蘭人雷文霍克虽然一个大学文凭也没有，也不懂英文及会话（在摄影术尚未开
87 发普及的当时，科学家要将观察到的显微事物描述，需要精确的绘製技术），但
88 凭藉着高超的吹玻璃技巧、细心、耐心、与对生命科学求知的热忱，他创造了至
89 少500 多具极简的手持式简式显微镜（只有钥匙大小，就像是手持放大镜一般），
90 自製、观察与绘製记錄（他聘请画家与翻译家协助）了无數的生命样本，其丰硕
91 的研究成果令后世惊歎不已。他更因为对微小细菌的描述发现，而被尊称为细菌
92 学之父。此刻显微镜的解析力约在2 到5 个微米。
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94 5. 光学显微镜发展史：设计、製造与解析力优化（从爱比到蔡司）
95 人们对显微镜的三大愿景总括是：
96 甲、看清尽量小的物体；
97 乙、无损观察物的活性；
98 丙、清晰对比的好成像。
99 上节所提及的年代约在显微镜发展的初期、也是正当其进入生命科学領域的
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100 应用时刻。接着，跃上显微镜辉煌歷史檯面的，是德国显微镜製造者、物理數学
101 家，以及玻璃化学家的共同合作、携手突破当时的极限（由2 微米进步到0.2 微
102 米）。与雷文霍克一样没有上过大学的蔡司（Carl Zeiss），具有他人没有的坚强意
103 志力与耐心，在因缘际会地与爱比（Ernst Abee）、肖特（Otto Schott）等人的相
104 知相遇，共同开始向複式显微镜（三片光路设计）的优化与极限挑战。当时经过
105 爱比精确的计算推导，提出了新的解析力极限，即约2 微米（D=λ/n*sinθ）。蔡
106 司为製作出符合爱比订出的理論，对于决定解析力的色差困扰找出了解决方法，
107 也使得他的显微镜公司異军突起，屢创销售佳绩。至于透镜的球面相差，则是由
108 另一位业馀的显微镜学家英国的李斯特（Joseph Jackson Lister）给解决了。至次，
109 现代显微镜的雏形大致底定。这个被认为不可能突破的爱比障碍，一直到近十年
110 间，才由另一位德国物理学家霍尔（Stefan Hell）在理論与实际硬体架构上所克
111 服（由0.2 微米更推进到0.01 微米，即10 奈米左右，nano【10-9 m】）。于众人一
112 片惊叹声中，奈米镜（nanoscope）的名称被呼之欲出。儘管这种新式的架构目
113 前尚未普及，人们对于这新颖的超高解析工具仍寄予厚望，期待藉由这强大的『奈
114 米平台』为我们带來『更细小（如分子般）』、『更清晰』、『更无损细胞活性』的
115 『奈米影像』，且让我们拭目以待吧（细胞显影，下期待续）！