顯微鏡microscope作為一種借助物理方法產(chǎn)生物體放大影像的儀器用于科學(xué)研究至今已經(jīng)有數(shù)百年歷史而且已經(jīng)成為一種極為重要的科學(xué)儀器廣泛地用于生物學(xué)化學(xué)物理學(xué)冶金學(xué)釀造等各種科研活動對人類的發(fā)展做出了巨大而卓越的貢獻

據(jù)美國化學(xué)會《化學(xué)與工程新聞》C&NS周刊網(wǎng)站2014年3月28日報道科學(xué)家已經(jīng)研究出新型電子顯微鏡該顯微鏡能夠觀察到接近原子水平的線粒體核糖體mitochondrialribosome的結(jié)構(gòu)見下圖這種顯微鏡發(fā)展史上具有里程碑意義的研究成果對于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究而言無疑在技術(shù)支撐方面帶來了革命性的新變化下圖是酵母線粒體核糖體的結(jié)構(gòu)圖示與細(xì)菌核糖體藍色和哺乳動物線粒體核糖體紅色有類似的一些特性但是有些特征只有在酵母中存在黃色

顯微鏡發(fā)展歷史

盡管關(guān)于顯微鏡的發(fā)展歷史甚至可以追溯到16世紀(jì)晚期當(dāng)時復(fù)式顯微鏡就已經(jīng)問世如1595年荷蘭的著名磨鏡師詹森ZachariasJanssenborn1585-diedpre-1632發(fā)明了第一個簡陋的復(fù)式顯微鏡這種顯微鏡是由3個鏡筒連接而成當(dāng)該顯微鏡的2個活動鏡筒完全收攏時它的放大倍數(shù)是3倍;當(dāng)2個活動鏡筒完全伸出時它的放大倍數(shù)是10倍其實這也是最早的變焦鏡頭

復(fù)式顯微鏡在性能上明顯優(yōu)于單式顯微鏡即只有一個透鏡的顯微鏡首先是它可以把幾個放大倍數(shù)較小的凸透鏡組合起來獲得很高的放大率;其次是制造工藝較簡單不必磨制一個個極小的透鏡復(fù)式顯微鏡的發(fā)明是科學(xué)史上的里程碑人類從此開始認(rèn)識微觀世界變得更加容易不過由于技術(shù)條件不成熟16世紀(jì)的顯微鏡放大倍數(shù)都不高因此在16世紀(jì)人類在探索微觀世界方面并沒有什么激動人心的發(fā)現(xiàn)但是到了17世紀(jì)單式顯微鏡的發(fā)展與其說是科學(xué)儀器不如說是藝術(shù)品盡管如此列文?虎克AvonLeeuwenhoek1632-1723的單式顯微鏡還是值得一提它被認(rèn)為是單式顯微鏡發(fā)展的頂峰

列文.虎克是一位荷蘭科學(xué)家他在1677年用自制的高倍放大鏡觀察池塘水中的原生動物蛙腸內(nèi)的原生動物人類和哺乳類動物的精子;后又在鮭魚的血液中看到紅細(xì)胞的核1683年他又在牙垢中看到了細(xì)菌他把觀察的現(xiàn)象報告給英國皇家學(xué)會得到英國皇家學(xué)會的肯定

列文.虎克出身于布商他最初磨制透鏡的目的是為了檢驗布的質(zhì)量但他在掌握了高水平的磨制透鏡技術(shù)后進而利用透鏡組裝成顯微鏡并利用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了前人未曾見到過的一些活細(xì)胞這些成就是十分難能可貴的他一生親自磨制了550個透鏡裝配了247架顯微鏡為人類創(chuàng)造了一批寶貴的財富至今保留下來的有9架現(xiàn)存于荷蘭尤特萊克特大學(xué)博物館UniversityMuseumofUtrecht中的一架放大倍數(shù)為270倍分辨力為1.4μm在當(dāng)時這個水平是很高的直到19世紀(jì)初所制的顯微鏡還未超過這一水平因此我們不能忽視他對細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展所做貢獻的重要性賦予他原生動物之父本身就是對其貢獻的一種肯定

雖然說列文.虎克一生制造了數(shù)百個顯微鏡它們的共同特點都是非常小而且設(shè)計和功能也相似這不能不說也是其一大缺陷盡管如此他的顯微鏡對于細(xì)胞生物學(xué)的研究真正觀察活細(xì)胞仍然具有里程碑意義

17世紀(jì)制造和使用復(fù)式顯微鏡的除了列文?虎克之外還有意大利物理學(xué)家數(shù)學(xué)家天文學(xué)家及哲學(xué)家伽利略GalileoGalilei1564-1642和英國博物學(xué)家發(fā)明家羅伯特.胡克RobertHooke1635-1703他設(shè)計制造了真空泵顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡并將自己用顯微鏡觀察所得寫成《顯微術(shù)》一書;cell細(xì)胞一詞就是由他命名的中文翻譯后稱為細(xì)胞

19世紀(jì)和20世紀(jì)初期顯微鏡的研究已經(jīng)取得了長足發(fā)展先后出現(xiàn)了帶自動照相機的光學(xué)顯微鏡裝有場發(fā)射槍的掃描電子顯微鏡超高壓透射電子顯微鏡等電子顯微鏡技術(shù)的開拓者之一恩斯特.奧古斯特.弗里德里希.魯斯卡ErnstAugustFriedrichRuska1906-1988特別值得一提

恩斯特.魯斯卡生于海德堡是德國東方學(xué)家科學(xué)歷史學(xué)家和教育家尤利烏斯.魯斯卡JuliusRuska的兒子恩斯特.魯斯卡的弟弟赫爾穆特.魯斯卡HelmutRuska是一名醫(yī)生也是電子顯微鏡的先驅(qū)之一恩斯特.魯斯卡在海德堡讀完中學(xué)后1925年起在慕尼黑工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)電子學(xué)1927年轉(zhuǎn)到柏林工業(yè)大學(xué)1931年4月7日他和馬克斯.克諾爾MaxKnoll成功用磁性鏡頭制成第一臺二級電子光學(xué)放大鏡實現(xiàn)了電子顯微鏡的技術(shù)原理基于磁場會因電子帶電而偏移的現(xiàn)象使得通過鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦當(dāng)時被稱為超顯微鏡因為電子的波長遠(yuǎn)小于光線的波長因此電子顯微鏡的分辨率明顯優(yōu)于光學(xué)顯微鏡

1933年恩斯特.魯斯卡完成論文《關(guān)于電子顯微鏡的磁性鏡頭》übereinmagnetischesObjektivfürdasElektronenmikroskop并獲得博士頭銜由于電子顯微鏡的商業(yè)化開發(fā)不是大學(xué)研究所的任務(wù)研究所的儀器也無法達到這個要求恩斯特.魯斯卡開始在電子光學(xué)的工業(yè)界尋求新的發(fā)展

他于1933～1937年在柏林電視機股份公司BerlinerFernsehAG的研發(fā)部門工作負(fù)責(zé)電視機接收發(fā)送管和帶二級放大器的光電池的開發(fā)在此期間他同博多.馮.博里斯BodovonBorries開始試探性地開發(fā)高分辨率的電子顯微鏡1936年底1937年初他們在西門子公司的電子顯微鏡工業(yè)研發(fā)工作實現(xiàn)了這一目標(biāo)在柏林設(shè)立了電子顯微鏡實驗室并于1939年研發(fā)出了第一臺能夠批量生產(chǎn)的西門子-超顯微鏡

恩斯特.魯斯卡因為對電子顯微鏡研究的突出貢獻1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎他們設(shè)計制造的電子顯微鏡其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光學(xué)顯微鏡后來經(jīng)過人們的努力電子顯微鏡的分辨率由最初的500nm提高到現(xiàn)在的0.1nm;放大率已達到幾十萬倍以上例如穿透式電子顯微鏡可放大80萬倍可以看出分子的形象;掃描式電子顯微鏡可用以觀察立體的表面放大倍率約20萬倍

電子顯微鏡分為透射電子顯微鏡能量過濾透過式電子顯微鏡掃描電子顯微鏡場發(fā)射掃描電子顯微鏡掃描透射電子顯微鏡等類型從20世紀(jì)50年代開始研究者們應(yīng)用電子顯微鏡相繼取得了很多重要成就可以說電子顯微鏡的出現(xiàn)大大推動了人類的科學(xué)研究特別是新興的數(shù)碼成像技術(shù)更是把顯微攝影技術(shù)推向了一個新高峰使顯微科學(xué)與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展牢固地結(jié)合起來為人類的科學(xué)發(fā)展做出了重大貢獻

低溫電子顯微鏡重振結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域研究

低溫電子顯微鏡cryo-EM雖然是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的重要工具但其潛力還未充分發(fā)揮出來近期的技術(shù)進步大大提高了cryo-EM的分辨率正在重振這一領(lǐng)域在單粒子cryo-EM實驗中大分子集合體被冷凍在一層薄薄的冰中并用電子顯微鏡成像單個集合體的數(shù)千至數(shù)百萬幅圖像必須經(jīng)過計算機比對和合并以獲得一個三維結(jié)構(gòu)

與X射線晶體衍射相比cryo-EM的一個明顯優(yōu)勢就是不需要結(jié)晶這大大拓寬了其研究領(lǐng)域使生物大分子及其復(fù)合物的構(gòu)象研究成為可能運用這種方法一些生物樣品如病毒和大腸桿菌70S核糖體的三維重構(gòu)圖已經(jīng)得到但分辨率不是很高

而最近英國分子生物學(xué)MRC實驗室MRCLaboratoryofMolecularBiology的科學(xué)家他們使用單個粒子降臨的cryo-EM研究酵母線粒體核糖體大亞單元的結(jié)構(gòu)0.32nm分辨率能夠使其在接近原子水平給出一個近乎完整的三維構(gòu)型圖像其包括了39種蛋白質(zhì)其中有13中蛋白質(zhì)是線粒體獨有的而且還有擴張的線粒體多糖體RNAmitoribosomalRNA片段得到如此龐大的3MD即3-megadalton生物機器近原子水平的圖像既不需要蛋白質(zhì)結(jié)晶也不需要廣泛凈化所以這種分析方法被認(rèn)為在電子顯微鏡發(fā)展史上具有里程碑意義

這種核糖體在真核線粒體eukaryoticmitochondria中發(fā)現(xiàn)它不同于酵母細(xì)胞質(zhì)中的核糖體和其他真核生物細(xì)胞中的核糖體也不同于細(xì)菌核糖體由2009年諾貝爾化學(xué)獎得主萬卡特拉曼.萊馬克里斯南VenkatramanRamakrishnan托馬斯.施泰茨ThomasA.Steitz和阿達.尤納斯AdaE.Yonath曾經(jīng)得到了核糖體三維X-射線晶體結(jié)構(gòu)新的分辨率在0.32nm的線粒體核糖體結(jié)構(gòu)是由萬卡特拉曼.萊馬克里斯南等人合作完成