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本文標題："躍上顯微鏡輝煌歷史檯面的，是德國顯微鏡製造者"

宇宙中獨特的藍色星球
12 這個被我們人類稱為地球（Earth）的星球表面，存在著宇宙中近似獨一無
13 二的『生命』（Life），當地球出現生命跡象的那一刻，就已注定這個藍色星體的
14 與眾不同。經過數十億年的自然氣候淬煉與生態環境變化，從恐龍到人類的生物
15 霸主更迭，至今已為人知的生物物種約有200 萬種，加上尚未被鑑定出所有物
16 種，可能至少有1000 萬種以上，也就是說：未知的生命遠比現在所知悉、定義
17 或分類的生命多出很多（有學者指出已知的僅佔未知的約1/8），『生物多樣性』
18 （Biodiversity）儼然成為地球的重要生命特質及寶貴資產。即便如此，人類時至
19 今日卻從不放棄向地球外的宇宙各地、尋找類似地球具有生命的星體，包括離我
20 們最近的火星（Mars）<如數年前的鳳凰號、以及現今的克普勒計畫（美國太空
21 總屬NASA）。到底何謂生命（生命的定義）？而地球上生命的定義與宇宙中生
22 命的定義又是否相同呢？要探索這個問題，必須先從地球的生命本身開始。
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24 2. 初探生命科學
25 地球上所謂生命的最基本單位，現在被統一稱之為細胞（cell）。細胞依基本
26 的型態分為兩大類，一類是原核生物（Prokaryotes，細胞內物質鬆散卻亂中有序、
27 無明顯細胞核疆界）：如真細菌（Eubacteria）與古細菌（Archaebacteria）；另一
28 類則是真核生物（Eukaryotes，具有組織特化功能的隔間-胞器（organelle）、并將
29 遺傳物質條理有序的壓縮在細胞核中）：如原生生物（Protista）、真菌（Fungi）、
30 植物（Plant）、動物（Animal）。這些生命，有的是單一細胞個體就可以獨立生存
31 的（稱之為單細胞生物，如酵母菌yeast）、有的是需要許許多多同類細胞（具有
32 完全一樣的遺傳物質）的共同協力組成以維持活命狀態（稱之為多細胞生物）。
33 因為多細胞功能性的聚集形成組織系統、也使生命個體大小呈現人們視覺上可以
34 辨認（即眼見為憑）的程度（尺度從昆蟲的數公分到企鵝的公尺），從古代原人
35 于洞穴中的野牛壁畫可知：人類很早就有能力以觀察多細胞生物型態與行為、并
36 以歸納、定義等方式，去思考如何對同種或不同種物種加以辨認/分類（分類學
37 之父林奈Carolus Linnaeus、臺灣在地的生命科學先驅斯文豪Robert Swinhoe），
38 進而發展出各個重要生物學門，如動物行為學（俄國巴夫洛夫Ivan Pavlov 的狗
39 喂食口水制約實驗、奧地利勞倫茲Konrad Lorenz 的鵝媽媽印痕理論、以及奧地
40 利馮孚立Karl von Frisch 的蜜蜂舞蹈等等）、動植物生態與演化學（達爾文Charles
41 Robert Darwin）等等。
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43 3. 光學領域的早期發展：影像放大的無窮價值
44 然而對于比『明察秋毫』中的秋毫還要細微的細胞而言（以真核生物細胞為
45 例，大小約在15 至20 微米范圍內），由于尺度遠小于人類本身視力能分辨的最
46 小物體大小，亦即超過所謂的裸視極限（約在0.05 公釐或說50 微米【10-6 m】，
47 約是人類頭髮的一半粗），想要進一步去觀察、并瞭解細胞的各種特性，人類必
48 須突破這層視覺極限的障礙，才能達到『眼見為憑』的地步。以下就以人類在反
49 射（reflection）、折射（refrection），以及因折射而產生的影像放大（magnification）
50 的理解歷程，來敘述現代顯微光學的發展：約在2300 年前，希臘的歐基里得
51 （Euclid）的幾何知識，已觸及到光學的反射層面；2400 年前，春秋戰國時代的
52 墨翟則是藉由青銅鏡瞭解光的反射（《墨經》：臨鏡而立，景到。）；直到1000 年
53 前（11 世紀），阿拉伯人哈桑（Ibn-al-Haitham或稱Alhazen）才有光學反射定律
54 的提出。就折射與放大，雖然墨翟描述了『針孔成像』（《墨經》：景光之人煦若
55 射，下者之入也高，高者之入也下。）、韓非則在『豆莢映畫』（“筴＂是指豆莢
56 的內膜，呈半透明狀。《韓非子·外儲說左上》：客有為周君畫筴者，三年而成。
57 君觀之，與髹筴者同狀。周君大怒。畫筴者曰：筑十版之墻，鑿八尺之牖，而以
58 日始出時，加之其上而觀。周君為之，望見其狀，盡成龍蛇禽獸車馬，萬物之狀
59 備具。周君大悅。）中，道出最令人驚豔的幻燈技術與中國影戲可能的最早淵源，
60 但其中蘊含的物理意義與光學原理，卻隨著獨尊儒術而從此沈寂在中國的科學發
61 展史中，直到西方科學的解密之后！希臘數學家托勒密（Claudius Ptolemy）約
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62 在2200 年前，曾藉由棍子在水中影像的曲折描述過折射；2000 年前，羅馬賽尼
63 卡（Lucius Annaeus Seneca）進而以裝滿水的球體描述折射放大，而1000 年前，
64 哈桑因深入知悉人眼球解剖學構造，領悟到視覺成像的原理；1267 年，英國培
65 根（Roger Bacon）預言透鏡為視力矯正的可能。而被學者譽為21 世紀最偉大的
66 發明：眼鏡，則在其出書的20 年后，于義大利佛羅倫斯（Florence）誕生了。最
67 后1621年荷蘭斯涅爾（Willebrord Snell）確立了折射定律。透鏡放大的好處、
68 光學原理的完整被闡述、加上玻璃、透鏡製造技術的日益進步，激勵了天文望遠
69 鏡（telescope）與顯微鏡（microscope）的發明，不但造福了人類的對極限視覺
70 的需求、同時也開啟了『天文物理學』與『細胞生物學』的蓬勃發展。
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72 4. 微觀生命的開始：顯微鏡的開拓應用
73 光學顯微鏡一般認為是在17 世紀初（1590 年），由荷蘭鏡片製造商詹森父
74 子（Zacharias Jansen與其父親）所發明，當時他是利用兩個透鏡組成一個有9
75 倍放大功能的儀器，隨之被一位義大利科學家命名為microscope。顯微鏡至今經
76 歷了長達300 年以上的演進，使得人們對于無論是微生物、植物、動物細胞，或
77 者是病理組織切片、在型態學上的各類知識累積，成就或墊基了許多生物醫學相
78 關的學門，如細胞生物學、組織學、胚胎學、血液循環學等等。而在顯微鏡剛被
79 發明的起初，對于生命科學的研究應用，有著許多著名的歷史故事，非常值得與
80 大家分享。包括命名細胞為cell 的英國虎克（Robert Hooke）與業馀科學家卻擁
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81 有專業水準的傳奇荷蘭布商：雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）等。虎克靠
82 著經過他改良的複式顯微鏡（具有三片透鏡的光路系統，有別于起初發明的兩片
83 透鏡，在當時具有極高的解析力），出版了啟發后世的巨作：Micrographia，然而
84 他選擇了軟木塞作為觀察生命的樣品之一，雖然在描述其內部結構，我們瞭解其
85 實是死去的植物細胞壁殘骸，人們卻從此稱所有生命的基本單位為cell。相對的，
86 荷蘭人雷文霍克雖然一個大學文憑也沒有，也不懂英文及會話（在攝影術尚未開
87 發普及的當時，科學家要將觀察到的顯微事物描述，需要精確的繪製技術），但
88 憑藉著高超的吹玻璃技巧、細心、耐心、與對生命科學求知的熱忱，他創造了至
89 少500 多具極簡的手持式簡式顯微鏡（只有鑰匙大小，就像是手持放大鏡一般），
90 自製、觀察與繪製記錄（他聘請畫家與翻譯家協助）了無數的生命樣本，其豐碩
91 的研究成果令后世驚歎不已。他更因為對微小細菌的描述發現，而被尊稱為細菌
92 學之父。此刻顯微鏡的解析力約在2 到5 個微米。
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94 5. 光學顯微鏡發展史：設計、製造與解析力優化（從愛比到蔡司）
95 人們對顯微鏡的三大愿景總括是：
96 甲、看清盡量小的物體；
97 乙、無損觀察物的活性；
98 丙、清晰對比的好成像。
99 上節所提及的年代約在顯微鏡發展的初期、也是正當其進入生命科學領域的
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100 應用時刻。接著，躍上顯微鏡輝煌歷史檯面的，是德國顯微鏡製造者、物理數學
101 家，以及玻璃化學家的共同合作、攜手突破當時的極限（由2 微米進步到0.2 微
102 米）。與雷文霍克一樣沒有上過大學的蔡司（Carl Zeiss），具有他人沒有的堅強意
103 志力與耐心，在因緣際會地與愛比（Ernst Abee）、肖特（Otto Schott）等人的相
104 知相遇，共同開始向複式顯微鏡（三片光路設計）的優化與極限挑戰。當時經過
105 愛比精確的計算推導，提出了新的解析力極限，即約2 微米（D=λ/n*sinθ）。蔡
106 司為製作出符合愛比訂出的理論，對于決定解析力的色差困擾找出了解決方法，
107 也使得他的顯微鏡公司異軍突起，屢創銷售佳績。至于透鏡的球面相差，則是由
108 另一位業馀的顯微鏡學家英國的李斯特（Joseph Jackson Lister）給解決了。至次，
109 現代顯微鏡的雛形大致底定。這個被認為不可能突破的愛比障礙，一直到近十年
110 間，才由另一位德國物理學家霍爾（Stefan Hell）在理論與實際硬體架構上所克
111 服（由0.2 微米更推進到0.01 微米，即10 奈米左右，nano【10-9 m】）。于眾人一
112 片驚嘆聲中，奈米鏡（nanoscope）的名稱被呼之欲出。儘管這種新式的架構目
113 前尚未普及，人們對于這新穎的超高解析工具仍寄予厚望，期待藉由這強大的『奈
114 米平臺』為我們帶來『更細小（如分子般）』、『更清晰』、『更無損細胞活性』的
115 『奈米影像』，且讓我們拭目以待吧（細胞顯影，下期待續）！