顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件

1、現(xiàn)代生命科學(xué)進(jìn)展顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院徐潤林現(xiàn)代生命科學(xué)進(jìn)展顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué) 自然科學(xué)的各個門類要解決的兩大問題: 結(jié)構(gòu) 功能 自然科學(xué)的各個門類要解決的兩大問題: 考古研究表明：公元前2600年的古埃及人就已經(jīng)能夠用天然的水晶石打磨成透鏡。 考古研究表明：公元前2600年的古埃及人就已Pliny (2379 A.D.)描述了羅馬醫(yī)生用凸透鏡聚太陽光的現(xiàn)象。Pliny (2379 A.D.)描述了羅馬醫(yī)生用凸透鏡聚 羅馬的哲學(xué)家 Seneca (4 A.D. - 65 B.C) 就提到裝滿水的玻璃球可以使物體放大且看的更清楚些。 羅馬的哲學(xué)家 Sen

2、eca (4 A.D. -Ibn Al Hatham (Alhazen, 962-1038)是第一個真正理解到凸透鏡產(chǎn)生放大圖象原理的人。被后人稱為“光學(xué)之父”。Ibn Al Hatham (Alhazen, 962-10Roger Bacon， 英國幾何學(xué)、算術(shù)、音樂和天文學(xué)家(1214-1292 C.E.) 接受了前人有關(guān)透鏡的理論并在自己的研究中使用了透鏡。“Mathematics is the door and the key to the sciences.”是他的名言 Roger Bacon， 英國 接受了前人有關(guān)Giambattista Della Porta意大利 (1535-

3、1615) 1589出版了一套科普叢書:Natural Magick , 其中的一本Of Strange Glasses是關(guān)于實際中人們?nèi)绾斡貌ＡСC正視力的。Giambattista Della Porta復(fù)式光學(xué)顯微鏡的誕生復(fù)式光學(xué)顯微鏡的誕生1590 年制出的第一個復(fù)式顯微鏡 荷蘭的Janssens父子在顯微鏡的發(fā)展史中起了非常重要的重要。Z. Janssens被認(rèn)為第一臺復(fù)式光學(xué)顯微鏡的發(fā)明者。 1590 年制出的第一個復(fù)式顯微鏡 荷蘭的JaGalilei Galileo (1564-1642) 雖然此時的顯微鏡能夠看到的物體只被放大了十倍左右，他在顯微鏡下看到蒼蠅如同羊羔一樣大。 Ga

4、lileo設(shè)計的顯微鏡圖復(fù)制品Galilei Galileo 雖然此時的顯Cornelis Cornelis Drebbel 荷蘭(1572-1633) Drebbel集畫家、雕刻家、玻璃藝人和煉丹人于一身。制作了許多的透鏡和望遠(yuǎn)鏡。 幾乎是同時也制出復(fù)式光學(xué)顯微鏡Cornelis Cornelis Drebbel 瑞典詩人 G. Stierhielm 他熱衷于用放大鏡觀察動植物。 由于教會的牧師被他用放大鏡觀察到的跳蚤嚇壞了，宣布他是一位男巫。 在當(dāng)時的女皇Christina的干預(yù)下，他才沒有被燒死。瑞典女皇Christina1626-1689科學(xué)的進(jìn)步總是坎坷的瑞典詩人 G. Stierh

5、ielm 由于教 意大利的Francesco Stelluti (1577 1646)利用當(dāng)時的放大手段，認(rèn)真地觀察和研究了蜜蜂的形態(tài)結(jié)構(gòu)。之后他又研究了線蟲的血液、紡織物纖維和蜘蛛卵的結(jié)構(gòu)。1625年微觀生物學(xué)的誕生 意大利的Francesco Stelluti (157(1602-1680) 德國人Athanasius Kircher用顯微鏡研究了動物腐爛現(xiàn)象和疾病。 他與Stelluti共同成為了微觀生物學(xué)的開創(chuàng)者。(1602-1680) 德國人Athanasius Kirc光學(xué)顯微鏡與顯微鏡學(xué)新紀(jì)元的出現(xiàn) 在前人的理論和實踐成果的基礎(chǔ)上，17世紀(jì)是光學(xué)顯微鏡制造技術(shù)和研究水平得到快速發(fā)

6、展的年代。光學(xué)顯微鏡與顯微鏡學(xué)新紀(jì)元的出現(xiàn) 在前人的理論 這5位各自利用顯微鏡進(jìn)行了深入的生物學(xué)研究，并對顯微鏡技術(shù)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。von Leeuwenhoek 1632-1723Marcello Malpighi1628-1694Robert Hooke1635-1702Jan Swammerdam 1637-1680Nehemiah Grew, 1641- 1712 這5位各自利用顯微鏡進(jìn)行了深入的生物學(xué)研究，von Leeuwenhoek的顯微鏡和它的工作原理圖von Leeuwenhoek的顯微鏡和它的工作原理圖von Leeuwenhoek在使用他的顯微鏡von Leeuw

7、enhoek在使用他的顯微鏡von Leeuwenhoek看到的動物精子細(xì)胞Diatom水中的單細(xì)胞生物Hydra sp.植物的組織von Leeuwenhoek看到的動物精子細(xì)胞Diatom von Leeuwenhoek還觀察過晶體、礦物、不同來源的水、牙垢、唾液和火藥等。 除此之外，他還研究過蚤、蚜蟲、螞蟻的生活史；觀察過輪蟲、各種消化物、橫紋??；描述過多種動物的紅血球和血液循環(huán)系統(tǒng)。 von Leeuwenhoek是個守口如瓶的人，他很少與別人交流有關(guān)的研究。他的許多成果在19世紀(jì)后期之前并不被人所重視。 von Leeuwenhoek還觀察過晶體、Malpighi 繪制的Anatom

8、e plantarumMalpighi是動物和植物材料顯微組織技術(shù)的創(chuàng)始人揭示了動物腎的基本結(jié)構(gòu)單位Malpighi 繪制的Anatome plantarumMMalpighi也是動物組織學(xué)的奠基人之一Malpighi也是動物組織學(xué)的奠基人之一跳蚤Hooke和他的顯微鏡植物的組織Hooke觀察到的蒼蠅首次提出cell一詞跳蚤Hooke和他的顯微鏡植物的組織Hooke觀察到的蒼蠅首Hooke的名作：顯微圖像Hooke的名作：顯微圖像Jan Swammerdam的顯微鏡Swammerdam觀察到的昆蟲和蝎子Jan Swammerdam的顯微鏡SwammerdamHermann Boerhaave

9、(1668-1738)他將Swammerdam的手稿，買下后于1737年編輯出版。Hermann Boerhaave (1668-1738)他 Swammerdam是17世紀(jì)第一位真正昆蟲學(xué)家。他曾收集了3000多種的活昆蟲標(biāo)本。 而且他還在顯微解剖技術(shù)和實驗手段上做出了貢獻(xiàn)，他發(fā)明了專門的解剖鏡用于他的研究中。 Swammerdam是17世紀(jì)第一位真正昆蟲The Anatomy of Plants1684年 Nehemiah Grew在植物顯微結(jié)構(gòu)的研究使得后人發(fā)現(xiàn)了植物的性別特征。他的工作領(lǐng)先同行100年！The Anatomy of Plants1684年 Nehemiah Grew還在

10、動物的顯微解剖上做出了巨大的貢獻(xiàn)， 他比較了不同動物消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并首次使用“比較解剖” 一詞。 Nehemiah Grew還在動物的顯微解剖Nehemiah Grew發(fā)表的有關(guān)動物解剖的專著Nehemiah Grew發(fā)表的有關(guān)動物解剖的專著 上述的這五位科學(xué)家在顯微鏡技術(shù)和顯微觀察方面的成果使人類認(rèn)識自然的能力得到大大提高，特別是在生物進(jìn)化、起源、發(fā)育、人類病害、生物性別分化以及生物分類等多個領(lǐng)域都取得了巨大的成果，使整個社會對生物的認(rèn)識有了新的內(nèi)涵，對后來的生物學(xué)發(fā)展有著不可磨滅的功勞！ 上述的這五位科學(xué)家在顯微鏡技術(shù)和顯微觀察方面17世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡17世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡18世紀(jì)

11、的各式光學(xué)顯微鏡18世紀(jì)的各式光學(xué)顯微鏡此時的顯微鏡上，出現(xiàn)了便于采光的反光鏡此時的顯微鏡上，出現(xiàn)了便于采光的反光鏡顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件18世紀(jì)末的光學(xué)顯微鏡18世紀(jì)末的光學(xué)顯微鏡 19世紀(jì)中葉前，在顯微鏡技術(shù)上有一個重要問題始終困擾著科學(xué)家們，那就是透鏡產(chǎn)生的色差以及球面的像差。這些問題的出現(xiàn)使得觀察者在觀察時看到了許多的假象。光學(xué)顯微鏡技術(shù)的改進(jìn) 19世紀(jì)中葉前，在顯微鏡技術(shù)上有一個重要問題 英國的Dollond 是第一位制造出消色差透鏡的人。其技術(shù)和原理對于以后顯微鏡技術(shù)的提高提供基本的保證。 英國的Dollond 是第一位制造出消色差透意大利的G. B. Amici (1786

12、1863)1827年發(fā)明了反射顯微鏡可以消除色差。意大利的G. B. Amici (17861863)19世紀(jì)的顯微鏡19世紀(jì)的顯微鏡顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件19世紀(jì)中葉的光學(xué)顯微鏡19世紀(jì)中葉的光學(xué)顯微鏡顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件 雖然Hooke于1679年就提出利用“浸沒原理”來提高顯微鏡的分辨率，但真正引入該原理的是英國人David Brewster (1781-1868)。 他建議使物鏡前面浸沒在一種液體里，而所要觀察的物體也在此液體中。光學(xué)顯微鏡發(fā)大倍數(shù)與分辨率的提高 雖然Hooke于1679年就提出利用“浸沒原Ernst Abbe 1840-190

13、5Carl Zeiss 1816-1888 他們改進(jìn)了顯微鏡浸沒系統(tǒng)，并嘗試了300多種液體，最終找到了香柏油作為這種浸沒介質(zhì)。Ernst Abbe 1840-1905Carl Zeiss顯微鏡浸沒原理顯微鏡浸沒原理Abbe 設(shè)計的由八個透鏡組成的油鏡，用以消除色差。Abbe 設(shè)計的由八個透鏡組成的油鏡，用以消除色差。油鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)寄生的Plasmodium 植物的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)油鏡下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)寄生的Plasmodium 植物的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)油鏡下硅藻殼的結(jié)構(gòu)油鏡下硅藻殼的結(jié)構(gòu)油鏡下的微生物酵母菌細(xì)菌油鏡下的微生物酵母菌細(xì)菌 19世紀(jì)末，德國學(xué)者August Khler計算了要獲得最佳的觀察效果，

14、顯微鏡的光源與集光器間合適的距離。 19世紀(jì)末，德國學(xué)者August Khler20世紀(jì)初期的光學(xué)顯微鏡第一臺Nikon光學(xué)顯微鏡20世紀(jì)初期的光學(xué)顯微鏡第一臺Nikon光學(xué)顯微鏡袖珍顯微鏡袖珍顯微鏡顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件用于特殊用途的光學(xué)顯微鏡用于特殊用途的光學(xué)顯微鏡倒置顯微鏡倒置顯微鏡顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件熒光顯微鏡熒光顯微鏡熒光顯微鏡的工作原理熒光顯微鏡的工作原理熒光顯微鏡的觀察結(jié)果熒光顯微鏡的觀察結(jié)果腦虹腦虹德國的F. Zernike (1888-1966)于1934建立了相差顯微鏡的原理。1953年獲諾貝爾物理學(xué)獎德國的F. Zernike (

15、1888-1966)于1934顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件顯微鏡的發(fā)展與生命科學(xué)2課件John Tyndall 1820-1893 物理學(xué)中有一個“丁達(dá)爾效應(yīng)”，也就是光的散射現(xiàn)象或稱乳光現(xiàn)象。 這個原理被引入到顯微鏡的制造中就出現(xiàn)了暗視野顯微鏡。John Tyndall 1820-1893 暗視場顯微鏡配件暗視場顯微鏡配件微分干涉差顯微鏡的工作原理微分干涉差顯微鏡的工作原理共聚焦激光顯微鏡 工作原理共聚焦激光顯微鏡 工作原理蛋白質(zhì)細(xì)胞胞器結(jié)構(gòu) 哺乳類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞與兩極細(xì)胞(紅色)間的聯(lián)系。蛋白質(zhì)細(xì)胞胞器結(jié)構(gòu) 哺乳類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞與兩顯示動物細(xì)胞內(nèi)生命活動含有胍丁胺的纖維(紅色) 圍繞著

16、神經(jīng)元 (綠色) 。顯示動物成纖維細(xì)胞中的具活力線粒體。顯示動物細(xì)胞內(nèi)生命活動顯示動物成纖維細(xì)胞中的具活力線粒體。不同功能顯微鏡觀察到的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)不同功能顯微鏡觀察到的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合多角度、多層面的觀察結(jié)果重構(gòu)的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)合多角度、多層面的觀察結(jié)果重構(gòu)的輪蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過幾千倍，其分辨率在理論上不能小于0.2微米，這是因為受光波波長的局限，即可見光的波長不能小于4000埃。為此，它促使人們?nèi)ふ腋滩ㄩL的照明物質(zhì)。電子顯微鏡的問世 光學(xué)顯微鏡的放大倍率不過幾千倍，其分辨率在理 根據(jù)物理學(xué)中波動學(xué)說，運(yùn)動著的電子可以看作是一種電子波。電子運(yùn)動的速度越高，電子波

17、的波長越短。例如受200千伏高壓加速的電子，其波長僅為0.025埃。這表明電子是一種理想的新光源。 根據(jù)物理學(xué)中波動學(xué)說，運(yùn)動著的電子可以看作是 20世紀(jì)2030年代，證實了軸對稱分布的電磁場具有能使電子束偏轉(zhuǎn)、聚焦的作用，從而找到了相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡中的透鏡電子透鏡。這就是具有高分辨率的電子顯微鏡產(chǎn)生的基礎(chǔ)。 20世紀(jì)2030年代，證實了軸對稱分布的電 電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(10-9m)。 電鏡的放大倍率可達(dá)百萬，可分辨樣品的最小細(xì)節(jié)為幾個埃。 電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電世界上第一臺透射電子顯微鏡(

18、1938)Ernst Ruska1906-Max Knoll(1897-1969) 德國Ernst Ruska分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。世界上第一臺透射電子顯微鏡Ernst RuskaMax Kn電子顯微鏡的工作原理透射電鏡掃描電鏡電子顯微鏡的工作原理透射電鏡掃描電鏡Charles OatleyUK，1904-世界上第一臺掃描電子顯微鏡1952年第一臺商業(yè)電子透鏡Charles Oatley世界上第一臺掃描電子顯微鏡第一臺掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段。 掃描電鏡的優(yōu)點是：有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可

19、直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡單。掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段早期的掃描電鏡的觀察結(jié)果動物濾食器的結(jié)構(gòu)復(fù)眼結(jié)構(gòu)植物病毒顆粒早期的掃描電鏡的觀察結(jié)果動物濾食器的結(jié)構(gòu)復(fù)眼結(jié)構(gòu)植物病毒顆粒現(xiàn)代的電子顯微鏡現(xiàn)代的電子顯微鏡核酸分子噬菌體據(jù)稱是引起“非典型肺炎”的元兇冠狀病毒顆粒核酸分子噬菌體據(jù)稱是引起“非典型肺炎”的元兇冠狀病毒顆粒Gerd Binnig1947-Heinrich Rohrer1933- 因為發(fā)明掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。第一臺掃描隧道顯微鏡Gerd BinnigHeinrich Rohrer 在生物學(xué)中的應(yīng)用：研究核纖層蛋白分子的裝配、溶菌酶結(jié)構(gòu)、動物金屬硫蛋白(并探討它們在生物學(xué)中的作用)、抗原抗體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，闡述有關(guān)的免疫學(xué)問題。特點：分辨率為1埃，觀察物質(zhì)表面的三維圖像。掃描隧道顯微鏡工作