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儀器， 廣泛地用于生物學、化學、物理學、冶金學、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)美國化學會《化學與工程新聞》（C&NS）周刊網(wǎng)站2014年3月28日報道，科學家已經(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（mitochondrial ribosome）的結構（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，對于結構生物學研究而言，無疑在技術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構圖示，與細菌核糖體(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)。

Fig. 1 The structure of the yeast mitochrondrial ribosome (shown) shares some features with the bacterial ribosome (blue) and with mammalian mitochondrial ribosomes (red). Some features are present only in yeast (yellow).Credit: Alan Brown

顯微鏡發(fā)展歷史

       盡管關于顯微鏡的發(fā)展歷史，甚至可以追溯到16世紀晚期，當時復式顯微鏡就已經(jīng)問世。如1595年，荷蘭的著名磨鏡師詹森（Zacharias Janssen， born 1585 - died pre-1632)發(fā)明了第一個簡陋的復式顯微鏡。這種顯微鏡是由3個鏡筒連接而成。當該顯微鏡的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。復式顯微鏡的發(fā)明，是科學史上的里程碑，人類從此開始認識微觀世界變得更加容易。不過，由于技術條件不成熟，16世紀的顯微鏡放大倍數(shù)都不高，因此在16世紀，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，單式顯微鏡的發(fā)展與其說是科學儀器，不如說是藝術品。盡管如此，列文?虎克(Avon Leeuwenhoek， 1632-1723)的單式顯微鏡還是值得一提，它被認為是單式顯微鏡發(fā)展的頂峰。

       列文?虎克是一位荷蘭科學家，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胞的核。1683年，他又在牙垢中看到了細菌。他把觀察的現(xiàn)象報告給英國皇家學會，得到英國皇家學會的肯定。

       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量，但他在掌握了高水平的磨制透鏡技術后，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博物館(University Museum of Utrecht)中的一架放大倍數(shù)為270倍，分辨力為1.4 μm。在當時，這個水平是很高的，直到19世紀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胞生物學的發(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，他的顯微鏡對于細胞生物學的研究，真正觀察活細胞仍然具有里程碑意義。

       17世紀制造和使用復式顯微鏡的除了列文?虎克之外，還有意大利物理學家、數(shù)學家、天文學家及哲學家伽利略((Galileo Galilei， 1564-1642)和英國博物學家、發(fā)明家羅伯特?胡克（Robert Hooke，1635-1703），他設計制造了真空泵、顯微鏡和望遠鏡，并將自己用顯微鏡觀察所得寫成《顯微術》一書；cell（細胞）一詞就是由他命名的，中文翻譯后稱為細胞。

       19世紀和20世紀初期，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。電子顯微鏡技術的開拓者之一恩斯特?奧古斯特?弗里德里希?魯斯卡（Ernst August Friedrich Ruska，1906-1988）特別值得一提。

       恩斯特?魯斯卡生于海德堡，是德國東方學家、科學歷史學家和教育家尤利烏斯?魯斯卡（Julius Ruska）的兒子，恩斯特?魯斯卡的弟弟赫爾穆特?魯斯卡（Helmut Ruska）是一名醫(yī)生，也是電子顯微鏡的先驅之一。恩斯特?魯斯卡在海德堡讀完中學后，1925年起在慕尼黑工業(yè)大學學習電子學，1927年轉到柏林工業(yè)大學，1931年4月7日，他和馬克斯?克諾爾（Max Knoll）成功用磁性鏡頭制成第一臺二級電子光學放大鏡，實現(xiàn)了電子顯微鏡的技術原理，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，當時被稱為“超顯微鏡”。因為電子的波長遠小于光線的波長，因此電子顯微鏡的分辨率明顯優(yōu)于光學顯微鏡。

       1933年恩斯特?魯斯卡完成論文《關于電子顯微鏡的磁性鏡頭》（über ein magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop）并獲得博士頭銜。由于電子顯微鏡的商業(yè)化開發(fā)不是大學研究所的任務，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（Berliner Fernseh AG）的研發(fā)部門工作，負責電視機接收發(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（Bodo von Borries）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，在柏林設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獎。他們設計制造的電子顯微鏡，其性能遠遠超過了光學顯微鏡。后來經(jīng)過人們的努力，電子顯微鏡的分辨率由最初的500 nm提高到現(xiàn)在的0.1 nm;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50年代開始，研究者們應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研究，特別是新興的數(shù)碼成像技術更是把顯微攝影技術推向了一個新高峰，使顯微科學與數(shù)字技術的發(fā)展牢固地結合起來，為人類的科學發(fā)展做出了重大貢獻。

低溫電子顯微鏡重振結構生物學領域研究

       低溫電子顯微鏡(cryo-EM)雖然是結構生物學研究中的重要工具，但其潛力還未充分發(fā)揮出來。近期的技術進步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振這一領域。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，以獲得一個三維結構。

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

       而最近英國分子生物學MRC實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的科學家，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構，0.32 nm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型圖像，其包括了39種蛋白質，其中有13中蛋白質是線粒體獨有的，而且還有擴張的線粒體多糖體RNA(mitoribosomal RNA)片段。得到如此龐大的(3 MD即3-megadalton)生物機器近原子水平的圖像，既不需要蛋白質結晶，也不需要廣泛凈化，所以這種分析方法被認為在電子顯微鏡發(fā)展史上具有里程碑意義。

       這種核糖體在真核線粒體（eukaryotic mitochondria）中發(fā)現(xiàn)。它不同于酵母細胞質中的核糖體和其他真核生物細胞中的核糖體，也不同于細菌核糖體。由2009年諾貝爾化學獎得主萬卡特拉曼?萊馬克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、托馬斯?施泰茨(Thomas A. Steitz)和阿達?尤納斯(Ada E. Yonath)曾經(jīng)得到了核糖體三維X-射線晶體結構。新的分辨率在0.32nm的線粒體核糖體結構是由萬卡特拉曼?萊馬克里斯南等人合作完成。