奇妙的生物微观世界

心在远方

　　16世纪末之前，人类要看清大千世界万物的细节真容，只能靠双眼目睹。在光线明亮处，距观察物体25厘米处，两个物点在0.2毫米之间，尚可分清。再小之，则熟视无睹了。依此，便把0.2毫米定义为人眼的分辨率。

后来，荷兰的眼镜商发现几个镜片放进一个圆筒中，通过圆筒周围的物体出奇的大，这就是现在显微镜和望远镜的前身。

最早观察到昆虫的复眼，用的就是这种显微镜。

这种显微镜，使人类首次"看"到微米级的物体-细菌等微生物。

这是第一代显微仪器～光学显微镜。

使用的是自然光（日光和灯泡发出的光）作为照明源，玻璃透镜做为放大用的透镜。现在仍是主要的普通显微工具，它使人类"看"到了细菌等微米级的微小物体。

在20世纪30年代，德国科学家最先发明了电子显微镜。开启了第二代显微时代。电镜使人类能"看"到病毒等亚微米（纳米）的物体。这个发明在1986年时，获得了诺贝尔物理学奖。获奖人是卢斯卡（E.Ruska）。

这是1982年发明了扫描隧道显微镜，使人类实现了可以观察到单个原子的愿望。

1985年又发明原子力显微镜，这两个显微镜开创了第三代显微时代。

从1830年到1982年，150年内，人类眼睛借助仪器设备，分辨率从0.2毫米提高到200纳米（0.2微米），再到0.1纳米（比1毫米的百万分之一还要小），提高了2000倍。

这是从人眼到光学显微镜，再到电子显微镜的不同分辨率。

　　当代的电子显微镜（简称"电镜"），照明源不再是自然光，而是比自然光光波短的波，是由一组运动的电子形成的电子波，即如电视机里的电子束。透镜也不再是玻璃做的了，而是由一组通上电的线圈组成的"透镜"，叫电磁透镜，

电镜 根据其构造原理分为两种基本类型，即透射和扫描两种。透射电镜由于使用的电压高，可在8万～50万伏，所以分辨率高，可以看到纳米级和更小的颗粒，也可以让电子穿透几十纳米厚的超薄切片，看到切片里边的超显微结构。扫描电镜使用的电压低，一般在3万伏以下，相对分辨率也低，主要用于观察物体的表面结构。

----------------------------------------------------------

这是最早发明制造的电子显微镜。分辨率只能达到50纳米。

当时这种电镜，你不懂和不会操作电、真空和机械，你是"玩"不了这个庞然大物的。

　　现在的电镜也分两种。

一种是老式电镜，操作起来挺方便，但主要还是靠人工手动操作。老电镜拍出的照片用胶片保留影像，还要去暗室里冲洗扩印放大。

另一种，就是近几十年来，新制造出来的电镜都是计算机控制的，方便、易掌握、性能好，可以拍出电子版的照片。

过去的老电镜设备使用的那一大堆电子器件，都是装在一块块板上，还有许多按（旋）钮，现在也大大减少，取而代之的是把它都写成操作程序，保存在硬盘里，统统都由电脑代劳了。

---------------------------------------------------------

这就是一款老式透射电镜。你看仪器"身上"有那么多的旋钮，台面下和后边的柜子里都"藏"着镶嵌着各种电子器件的板。

这是用计算机控制的200千伏（20万伏）透射电镜。你看外观多漂亮！桌面放着计算机键盘、鼠标，还有两个操作控制盘。

（以上所有图片均由网络提供。谢谢原作者！）

 

---------------------------------------------------------

这是计算机控制的30千伏（3万伏）扫描电镜。

（以下照片均有本文作者用这台电镜拍摄）

这是一只苍蝇背部，前端头部两侧是两只大眼睛。在扫描电镜下显示的是放大31倍的图像。

这张图虽然放大的倍数不高，仅比一般20倍的放大镜高点，与普通的显微镜中档倍数差不多。但是仔细观察，会发现这幅图像要比显微镜拍出来的图像更清晰有层次，其原因不仅是电镜分辨率高，还因为电镜的景深大。

所谓的景深是指被摄物体从最远点至最近点，都能够产生清晰的影像。而普通的显微镜这两点间的距离小，电镜则很大，所以拍出来的图片就很清晰了。例如，普通显微镜的景深是1，扫描电镜典型的景深是它的300倍。

这是放大了100倍的头部，两只眼已经可以看出来是由复眼组成的。

这是其中一只被放大到350倍的复眼图像。

什么是复眼？

复眼是由数万只单眼组成的，比如蜻蜓和苍蝇的眼睛，它的优点是可以有效的计算自身与所观察物体的方位，距离，从而利于复眼类昆虫作出更快速的判断和反应。

家蝇的复眼由4000个小眼组成，蝶、蛾类的复眼有28000个小眼。小眼面的大小，不但在不同种的昆虫中不同，而且同一个复眼中不同部位的小眼面也可不同，如雄性牛虻，复眼背面的小眼面较大；有些毛蚊（Biblio），其前后部的小眼面的大小也不同，可划分为两个区域。这些变化与它们的生活习性等有关。

复眼的分辨率受到像点的限制，一般来说，其分辨率比人类的眼睛低。但其时间分辨率比人的要高10倍。人的眼睛每秒能分辨24幅图画（这也是动画片的最低速度）。而昆虫的复眼则可达240左右。复眼的视野比较大（这也可以通过我们日常拍打苍蝇的经验得到，无论我们从哪个方向下手，苍蝇都会快一步飞离）。

　　这是苍蝇的腹面图。

这是头发的外表皮层，有像鱼鳞状的鳞片（3000倍）。

这是表皮的鳞片破损了，露出了里边的鳞片（3780倍）

这个表皮层呈水波纹样的鳞片（2420倍）

头发的断面显示有螺旋状蛋白质的纤维（2000倍）

头发的组织结构有三层：

（1）、表皮层：头发的保护层也是头发的最外层，是由重叠的角质鱼鳞片状的细而透明体排列而成的，这些鳞片是由一种类似氧化锡的物质衔接的。

（2）、皮质层：有螺旋状蛋白质的纤维组成的，内部含有麦拉宁色素粒子。

（3）、髓质层：有真空状的海绵体，排列形成的。（细软的头发里不存在）

头发的组织结构有四大键：

（1）、氢键：遇水断开，遇高温重组

（2）、盐键：决定头发的酸碱平衡值

（3）、二硫化物键：最坚硬的链键，可先切断后重组

（4）、氨基键：细软的头发里不存在

（以上文字引自网络介绍）

这四根头发，发丝有粗有细。细的直径是29.39微米，粗的直径是106.1微米，约0.1毫米。

这是自家鱼缸里红色的鱼悠闲的"游戏"在碧绿色的鱼草间。

这是在207倍电镜下碧绿新鲜的水草叶片，表面可以看到呈柱状排列的表皮细胞。（207倍）

这棵鱼草叶片已经变的毛茸茸的快要腐烂（60倍），电镜下图像显的很"模糊"。

放大到2000倍，电镜下看不到细胞结构，表面有棒状物的东西附着。

将棒状物放大，可以看清楚啦，原来是一些水里的一种浮游藻类-硅藻附着在腐烂的鱼草上。

放到大2万倍。可以看清这些硅藻表面有排列有序的孔状花纹。

测下尺寸。（1万倍）

侧面的直径是2.911微米，即0.0029毫米。

正面测一下。（2万倍）

长12.17微米，宽3.154微米。这个硅藻在普通显微镜下大概只能看到轮廓，看细节需要最好的显微镜。

最好的显微镜可以放大到2000倍，电镜是可以放大到100万倍的。这是放大到了2万倍的图像。

这是开在公司院子里的一朵艳丽的月季花。

这是花心里的花蕊，有黄色的花药和紫红色的花丝。

花的剖面结构

花的剖面结构

图中有很多孔洞的地方，是双面导电胶。它的作用是：先将导电胶粘在样品台上，再把取下的花蕊粘在导电胶上，就可以放到电镜里观测了。

图中可以看到一个花药（呈舌状）和连着的花丝（呈丝状）。

放大到300倍可以看清楚了，花药上很多花粉粒掉下来了。

这些都是花粉颗粒。（1000倍）

放大到5000倍再看一看细节。

这皱皱巴巴的就是花丝。没想到吧，这么细细的一条花丝，表面还有这么多的花纹图案。（5000倍）

这是连翘花

这是迎春花

　　 

 

看下这两种花的区别，可不要把连翘花当作迎春花来欣赏哦。

连翘花的每一个叶片都有一个小柄，每一个小柄又长在粽色的茎上。叶片的正面和背面看上去颜色有些差别。不仅如此，电镜下看结构也有所不同。

颜色较绿的是叶片的正面，浅绿色的一面是叶片的背面。用记号笔在叶脉周围划出个方框来，取下来放到电镜里看看有啥不一样？OK

这是连翘花叶片的正面（300倍）。

有一簇簇似花纹的图案，是叶片"肉"的角质层上表皮细胞。呈长条状的是叶脉，是由维管束构成。有三个像钮扣状的东西是什么呢？看下张放大图：

这是连翘花叶片的正面（1000倍）。

左下角像纽扣的疙瘩是腺细胞，在叶片的背面也有分布。

连翘花叶片的背面（2000倍） 的腺细胞。

这是连翘花叶片的背面。（1620倍）

在每一个花簇状的角质层下表皮表面，有很多个呈梭形、中间有裂口的像张开的小嘴，又像一只小眼睛，这又是什么呢？原来这就是"气孔"。是叶片进行呼吸、光合作用及蒸腾作用中，空气和水蒸气的通道。

连翘花的气孔只分布在叶片的背面，正面没有气孔，这就大大减少了蒸腾作用，所以连翘花比较耐干旱。

这是将叶子的茎，沿长轴切开后在电镜下观察。（160倍）

可以从外到内观察到表皮、皮层、维管束和髓部的细胞组织结构。

连翘花叶茎放大的纵切面（2430倍）。

在中间稍靠左侧的一个柱形凹室里，有些小颗粒。用电镜带的能谱仪检测，是人体需要的无机盐-钾（K）元素。

把上图放大了再看看这些钾盐粒，测测有多大？用电镜里的"尺"量下，在颗粒上划个白色细线条，出来的结果显示在黑色框里，长度是2.5微米，只有细菌中较小的细菌那么大。（5050倍）

这张图是在下边提到的梅花叶茎横切面的维管束细胞内，也看到有很多这样的颗粒。（15000倍）

同样手段-用能谱仪一测就清楚了，原来也是人体需要的微量元素-钙（Ca）的结晶体。看来多吃些植物食材，就不用上药铺买钙片啦。

这是用能谱仪检测出来的谱图（右下角）和分析结果（左侧）。

只要在这个钙晶体上划个范围（粉色框内），1分钟就出结果了。

谱图中最高峰是金（Au）。别误会啊，这晶体里本身不含金，不是一块金砖。只是观察前，给叶茎横切表面镀了一层几十纳米厚的纯金，目的是为了增加生物样品的导电性，不然电镜下看不清楚滴。

谱图中的第二高峰才是钙（Ca）啊。

十里春风吹过之后，百花争妍。"忽如一夜春风来，千树万树梨花开"。这盛开的梅花和连翘花，在马路边恰似一条长长的花墙，迎送着南来北往的路人。

《早梅》　宋·李公明

　　东风才有又西风，群木山中叶叶空。

　　只有梅花吹不尽，依然新白抱新红。

春雨贵如油啊，终于把春雨"求"下来了。淅淅沥沥的小雨下了一个上午，洗净了梅花"一身的铅华"，晶莹的雨珠挂在枝桠和花瓣上。

雨后"洗尽一身铅华"的花，落下一地的花瓣，竟然也是那么的美哟。

梅花叶片正面。

图中那些小条状物是表皮附生的细毛，所以叶片摸上去，有种软软的茸茸的手感。

叶柄里的结构也很多，我们只看点有趣的结构吧。

先看一张芹菜的叶柄纵切面图。这是芹菜叶柄切片后染色放到普通的显微镜下观察，标注有这纹那纹的。

那么在电镜下看这些纹到底长什么样子呢？

这是梅花叶柄的表面和纵切面。（164倍）

上面部分显示的是叶柄的上表皮及附生的小细毛毛。

下半部分是叶柄的纵切面的结构。靠表皮层细胞大、方形。中间的细胞长管型排列较致密。

这是把上图中部放大到749倍后，里边的结构就看的清楚了。

里边弯弯曲曲都是啥？有的像弹簧，有的像方便面的面条。这些都是维管束里的导管、筛管之类的东西。

维管束主要存在植物的茎和叶脉中，维管束相互连接构成维管系统，主要作用是为植物体输送水分、无机盐和有机养料等，也有支持植物体的作用。常成束存在，排列成环状。

把中间有一块排列整齐的管再放大到7000倍看看。管上边的纹路都看清楚了。

这张漂亮吧！叶柄里边的"弹簧管"跑出来了，正好可以和柄外边的附生毛比较一下直径的粗细。那个附生毛，恐怕眼神不好还看不见，那就想象一下那个"弹簧管"有多细呀。（489倍）

杏树

 杏叶柄纵切面（300倍）。

杏叶柄纵切面（1290倍）。上图中间部位放大。

一束束"弹簧"管排列有序，各种液体物质，通过肉眼无法看见的细丝，有条不紊的在植物体内循环，绽放着生命的奇异。

四季梅花

四季梅花叶柄纵切面

四季梅花叶柄横切面。（112倍）

只有1个毫米直径的叶柄，其切面如此之精美。宛如一朵盛开的花，又恰似巧手仙女钩针编织出来的美丽图案。

上图 叶柄横切面的半径放大图（300倍）。

上图 叶柄横切面的边缘部分放大图（2490倍）。

　　一根细细的叶茎和叶柄，在电镜下竟有这么复杂的结构，不得不感慨上天造物的神奇！

------------------------------------

后记

如果从上世纪1984年底开始筹建电镜室的工作，到2018年，本人从事这项工作也有34个年头了。使用过老式的和新式的（计算机控制的）两种电镜。有幸见证了科技进步在电镜领域的发展。

在时间的长河里，本人还有幸跟随着电镜工作的需要，分别在大学、科研机构、企业单位，分别接触到各种各样的样品、材料进行电镜下观察。所以对微观世界的奇妙感叹不已！

由于大多数人对超显微结构是陌生的，因此本篇只能采用人们熟知的生物材料，用低倍的、三维立体结构的图像展示妙不可言的微观世界。

每当我在微观世界里遨游，陶醉在每一个发现和一个新的认知里时，对电镜的发明者卢斯卡等科学家们不禁肃然起敬！并铭记他们为人类的文明做出的巨大贡献！同时也感谢《美篇》提供的平台，使我在即将与结缘30多年的电镜告别之时，把开在超微观世界里的灿烂之花～最后一篇心得写作，让她永远绽放在《美篇》的花园里。

　　

这是本人在大学里使用的老式、手动操作的老式电镜。这是一台透射带扫描附件的一机两用的电镜。（现在还在使用中）

这是学校的一期招生广告图片。

这也是学校的一期招生广告图片。

这是在科研机构工作中使用的计算机控制的透射电子显微镜。

又要和本人的"搭档"告别了，合影留存吧。

　　

这是本人在企业里使用的扫描电子显微镜的工作照。

这是在科研机构工作时使用的另外一台透射电子显微镜。这是一个对外开放的科普公众日里，接待各界群众参观活动的场景。（嗯，红色的T恤衫可是单位统一发下来的接待服装）

这是本人的摄影作品，在欧波同公司2017年举办的第一届"欧波同杯"材料显微摄影图片大赛中，荣获三等奖的荣誉证书。

这本证书代表了本人曾有的经历，也是从事电镜工作几十年的结业证书。也一并封藏在《美篇》里吧。