列文虎克的幸运突破

也许生物学中最大的讽刺之一是，微生物——地球上最古老的自我复制生物——却是最晚被发现的，并且在很大程度上被忽视。它们发现的历史，像科学中的许多发现一样，都基于新技术的发明。在这种情况下，这项技术就是由一位名叫安东尼·范·列文虎克的人发明的显微镜。但是，在17世纪末这位荷兰人做出他偶然却又具有划时代意义的发现之前，制造镜头的技术必须经历几个转折，并首先看到其他一些重要的发现。

在14世纪，欧洲开始制造粗糙的镜片来矫正视力。到了16世纪末，荷兰人开始使用威尼斯玻璃——当时最清晰、质量最高的玻璃——来制作相对高质量的镜片。

17世纪初，两位荷兰的镜头制造者通过在管子里组合凹透镜和凸透镜，制作了一台望远镜。尽管这个仪器不过是一个粗糙的单筒望远镜，放大倍数只有七到八倍，但它在当时是技术上的一大突破。

1609年，伽利略·伽利莱使用一台意大利制造的、基于荷兰镜头制造商设计的望远镜，观察到木星的卫星绕木星运行，而不是绕地球运行。尽管伽利略的仪器放大倍数只有大约二十倍，但足以让他放大我们肉眼已经可以看到的物体：行星、恒星和月球。他的观测威胁到当时普遍存在的托勒密（地心说）的太阳系模型，并改变了我们对地球、我们自身以及我们与宇宙关系的看法。

尽管关于伽利略和他的望远镜的故事比比皆是，但一个鲜为人知的事实是，他还在1619年左右发明了显微镜。这仅仅是望远镜发明的一个意外的衍生品，因为人们已经知道多年，通过倒置一台带有两个镜头的望远镜，可以放大近处的物体。因此，望远镜的光学设计被倒置并放入了新的外壳中。

这种显微镜比它的对应物要小，两个镜片安装在一个由皮革和木头制成的筒里。尽管如此，伽利略似乎对用他倒置的望远镜看到的景象并不太感兴趣。他似乎很少尝试去理解，更不用说解释他能观察到的最小物体了。事实上，这对它来说是如此不重要，以至于他甚至没有给它命名。直到1625年，他的同僚才决定称之为microscopio（显微镜）。

近距离观察

望远镜和显微镜的区别不仅仅在于镜头的配置；还在于人类的感知和对所见事物的期待。缺乏感知可能部分是由于傲慢，但我认为更多时候是因为缺乏在自然界中那些我们有限的感官通常无法触及的地方寻找规律。我们可以用肉眼看到远处的物体。彗星、流星、行星、卫星、恒星甚至爆炸的恒星都可以不用望远镜看到，因此，当它们被望远镜这样的仪器拉近观察时，这些遥远的物体就不那么神秘了，只是有点神秘。然而，我们的眼睛在没有放大装置的帮助下，看不到比一根头发丝（约十分之一毫米）小很多的物体。在微观结构的尺度上，我们几乎是盲目的。如果我们甚至不明白存在一个微生物世界，为什么我们要去寻找它呢？

微生物世界的发现，就像科学中的许多发现一样，是一场意外，它对世界的影响与伽利略的观测一样深远。它既需要精神的聚焦，也需要仪器的聚焦。突破发生在1665年，当时英国皇家学会出版了第一本科普书《显微图谱》（Micrographia）（副标题为《用放大镜对微小物质进行的生理学描述，附带观察和研究》）。这本书的作者是罗伯特·胡克，他当时30岁，是个驼背、脾气暴躁、神经质的疑病症患者，但同时也是一位杰出的自然科学家、博学者，以及出版这本书的学会的原始会员。

《显微图谱》抓住了许多人的想象力。书中，除了作者精心绘制的数十幅精美插图外，胡克不仅清晰地描述了跳蚤的结构、百里香的种子、蚂蚁的眼睛、海绵的内部构造、微观真菌以及植物的微小构成单元，他还详细描述了他自己的显微镜。

胡克所使用的显微镜相对简单，由两个镜头组成。当时的仪器制造商熟悉望远镜，并设计了两个镜头的显微镜，与伽利略的非常相似。但双镜头显微镜有一个望远镜没有的、未曾预料到的重大问题。在这样的简单复合显微镜中，第一个镜头会产生一个许多颜色组成的晕圈，第二个镜头会放大这个晕圈。结果是，放大倍数越高，图像失真就越严重。

胡克使用的显微镜按照当时的标准来说是制作精良的，但光学效果仍然很差。它受到镜头制造商无法避免的巨大光学像差的影响。最好的仪器，无论其制造者多么精心装饰，最多只能放大物体约二十倍，之后就几乎变得毫无价值了。即使在这么低的放大倍数下，图像仍然模糊，有时需要一点想象力才能重构视野中物体的结构。尽管如此，胡克精湛的插图在当时是令人惊叹的，《显微图谱》的出版激发了人们对制造更好镜头的兴趣。

一个有趣的发现

大约就在这个时候——具体来说是1671年——德尔夫特的一位荷兰布料商人安东尼·范·列文虎克，发明了一种新的、但不太华丽的显微镜，它拥有更小、更简单、而且讽刺的是——更好的光学器件，能够在没有更复杂、更昂贵仪器失真的情况下实现更高的放大倍数。列文虎克没有使用两个镜头，而是拉制加热的玻璃棒形成细丝，然后重新加热细丝形成小的玻璃球。

列文虎克使用的玻璃球直径约为1.5至3毫米。镜头的设计存在一个权衡：镜头越小，放大倍数越高，但视野也越小。他使用了当时最好的威尼斯玻璃，并且必须以某种方式抛光镜头。他使用的确切技术是他从未透露过的秘密。

列文虎克一生制作了大约500台显微镜，并且随时都有多种型号可供选择，以适应他要检查的物品的用途。仪器本身相对简单。一个单一的球形透镜安装在两片银片之间的孔中。样品被放置在板的背面，并通过螺钉机构进行聚焦。观察者将仪器举到眼前，以便阳光或蜡烛的光能够照亮物体。最好的仪器可以放大200多倍。这个放大倍数大约相当于我9岁时我父亲给我买的显微镜的放大倍数。这样的仪器可以让人看到血细胞、动物精子以及单细胞生物，包括列文虎克观察到的“微小动物”。事实上，后者后来被称为微生物。

1674年10月，列文虎克生病了，他写道（用意大利语）：“去年冬天，我身体非常虚弱，几乎尝不出味道，我照镜子检查了我的舌头，舌头上面覆盖着一层厚厚的白苔，我认为我味觉的丧失是舌头上的厚皮造成的。”然后，他用显微镜检查了牛的舌头，看到了“非常细小的尖状突起”，其中包含“非常小的球状物”。他描述的是味蕾。然后，他对我们如何感知味道感到好奇，并用各种香料（包括黑胡椒）浸泡在水中。

1676年，列文虎克发现，一瓶放在他书房架子上三周的胡椒水变得浑浊了。在用他的显微镜检查浑浊的水时，列文虎克惊讶地发现有非常小的生物在游动。这些生物的直径只有1到2微米——大约是人类头发直径的百分之一！他画出了这些细胞的草图，写道：“我在一滴水中看到了大量生物，数量不少于8000到10000个，它们在我眼中通过显微镜看起来，就像沙子对肉眼一样普遍。”

“微小动物”的发现本身是出乎意料的。这就像看到了木星的卫星，却没有行星供卫星环绕。这是一个预兆，预示着无数的看不见的生物及其在地球上的存在。列文虎克完全不知道这些生物到底是什么。他想象它们真的是极小的动物，就像我们肉眼看到的那些大动物一样，体内有胃和心脏等器官。

列文虎克用单镜头仪器能够让他看到如此微小的生物，这确实是令人惊叹的，但即使是当时最好的镜头，他也无法分辨出它们的内部结构。然而，列文虎克做了更深刻的事情。

在发现胡椒水中的生物后，他刮取了自己口腔中的样本进行检查。他惊讶地发现，在他的牙齿和牙龈上第一次出现了“微小动物”。在这里，列文虎克真正脱颖而出，成为一位杰出的自然科学家；他第一次揭示了我们体内并非只有我们自己。我们是“微小动物”的携带者。

事实上，像我们一样多的动物体内寄生着大量的“微小动物”，并且通过它们的排泄物和分泌物帮助将它们散布到整个星球。他还注意到，当他早上喝热咖啡时，他嘴里的“微小动物”会死亡；这是第一次观察到高温会杀死微生物。列文虎克继续描述他在自己唾液和其他水生环境中发现的微生物的各种形状和相对大小。他简单的草图后来成为微生物分类学的基础。

不朽的遗产

当列文虎克写了一封17页半长的信给皇家学会，描述他发现“微小动物”并希望发表在新的、也是第一份科学期刊《哲学汇刊》（Philosophical Transactions）上时，却遭到了极大的怀疑，甚至连胡克也认为这是一种妄想。胡克派了一位英国维卡（教区牧师）和其他几位由皇家学会审核过的声誉卓著的观察者前往德尔夫特，验证这些报告。这些观察者和伦敦的胡克及其同事一样感到惊讶。

1677年，列文虎克现在已经得到证实的观测结果被皇家学会发表（用意大利语，在胡克的帮助下从荷兰语翻译而来，胡克为此学会了荷兰语，以便阅读列文虎克的论文）。列文虎克于1680年被选为该学会的外国会员，但他从未访问过伦敦。他对微生物的描述和数量似乎支持了生命自发生成的观点（甚至是在胡椒水中！），即生物可以从死亡或非生物来源形成，而没有任何明显的亲代。例如，当时人们普遍认为蛆虫会从死肉中产生，而黄蜂会从埋在地下的麋鹿角中产生。自发生成曾被当时的大多数人广泛接受。列文虎克拒绝了这个基本观点，但他无法证明它是错误的。

尽管列文虎克无法反驳生命自发生成的观点，但他的发现表明他是一位富有创造力的天才。他没有接受过正规的高等教育，也与任何大学没有关联。他不懂拉丁语或希腊语，这两种是当时受过正规教育的人使用的语言；他只用意大利语写作。他以消遣的方式制造显微镜，并赠送了许多；他从不出售任何一件。他遗赠了26件仪器给皇家学会，所有这些仪器后来都被该著名科学家团体成员“借走”，而所有原件至今已失踪。他的其余收藏则按其仪器中银或其他金属的重量出售。在他90年的生命中，他育有五个孩子。只有玛丽亚活过了童年，他的科学遗产几乎随着他在1723年的去世而消亡。

尽管列文虎克常被视为微生物学之父，但胡克是促使他成名的合作者。这两位杰出的人物都是即将到来的对未知世界发现的关键催化剂。在个人层面，他们两人在生命尽头都对彼此极其慷慨。

胡克和列文虎克都没有学生，虽然《显微图谱》在1665年及其后的几年里销量很大，但列文虎克从未写过书，他的论文也没有被广泛阅读。列文虎克和胡克都没有生物学上的继承人，与伽利略不同，他们也没有立即的智力继承人。

人们对胡椒水的兴趣逐渐减退。微生物在生物功能中的作用几乎被忽视了，直到近200年后，这些生物才引起更严肃的关注。

令人惊讶的是，虽然17世纪在科学上的基本发现——重力、光波、行星围绕恒星的旋转以及数学中科学的令人难以置信的抽象——引发了物理学和化学领域的巨大发现浪潮，但生物学上的基本发现却在很大程度上滞后，并且仅与人类健康相关时才显得重要。因此，在18世纪，微生物世界被归入了一个看不见的领域——自然哲学家们转向研究植物和动物的进化，以及包含已灭绝生物化石遗迹的地质构造等问题。

摘自 Paul G. Falkowski 的《生命的引擎：微生物如何让地球宜居》（Life's Engines: How Microbes Made Earth Habitable），版权所有 © 2015 by Princeton University Press。经许可转载。