生命科学百年之旅（二）<br/>——电子显微镜下的科学革命

生命科学百年之旅（二）
——电子显微镜下的科学革命

2016-08-12李一一

初中生 2016年19期

生命科学百年之旅（二）
——电子显微镜下的科学革命

还记得用显微镜观察洋葱表皮细胞的实验吗？还记得被显微镜下的洋葱表皮细胞惊艳到的感觉吗？

整个20世纪，威尔逊的细胞学说影响了半个世纪；电子显微镜的出现，使细胞结构的研究“柳暗花明”；在电子显微镜下，科学家看到了细胞中有在光学显微镜下看不到的细胞器；电子显微镜技术的应用揭示出惊人的细胞亚显微世界，科学家可以更清楚地认识微观世界的面貌。生命科学爆发了革命性的变化。

我们一起走进电子显微镜下的科学革命 —— 细胞生物学。

威尔逊及其著作

威尔逊（ 1856—1939），美国细胞生物学家。在欧洲期间，年轻时的威尔逊对细胞生物学产生了极大的兴趣，后又受朋友波弗利（瑟顿-波弗利染色体遗传理论创始人之一）的影响，威尔逊做过具有独创意义的细胞学研究（创用了细胞谱系这一名词），他将当时对细胞、染色体的知识进行了出色的综合，撰写了专著《发育和遗传中的细胞》，这一专著在细胞学与孟德尔学说的综合上起到了重要作用。威尔逊的多篇经典性文章大大推进了人类对染色体的研究和理解。

威尔逊

威尔逊绘制的染色体

威尔逊的《发育和遗传中的细胞》是对19世纪中后期以来有关细胞学研究的总结。他绘制的光学显微镜下的细胞模式图：细胞膜、细胞核、细胞质以及主要的细胞器和内含物等，一直沿用到1950年。

“科学之眼”——电子显微镜

普通光学显微镜的放大能力受制于光的波长。为了看到物体，物体的大小必须大于光的波长，否则光就会 “绕”道而行。

1931年，恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透射电子显微镜。透射电子显微镜以电子束透过样品，经过聚焦与放大后产生物像，投射到荧光屏上或照相底片上，可以观察、分析样品内部的显微组织结构。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片。其制备过程与石蜡切片（观察及判断细胞组织形态变化的主要方法）相似，但要求极严格。要在机体（有生命的个体）死亡后的数分钟内取材，组织块要小（1立方毫米以内），用特制的超薄切片机切下，再进行电子染色。这样，电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子衍射。

1939年，西门子公司生产了第一批商品透射电子显微镜，约40台，分辨能力比光学显微镜提高了20倍。

电子显微镜的出现，使细胞结构的研究变得“柳暗花明”。

恩斯特·卢斯卡

第一台透射式电子显微镜

马克斯·克诺尔

惊人的细胞亚显微世界

电子显微镜的发明，使人们对细胞的结构有了新的认识，产生了细胞生物学这一新的分支学科，细胞形态的研究达到了空前的高潮。20世纪50年代，电子显微镜技术的应用揭示出惊人的细胞亚显微世界，发现了一些光学显微镜下看不见的细胞器及其结构。

通过瑞典生物学家舍斯特兰德、美国物理学家罗伯逊等各自用电子显微镜所作的研究，于1959年得出结论：多数细胞膜是由暗—明—暗，即蛋白质—磷脂—蛋白质三层组成的“三合板”式结构，这种细胞膜的模型具有普遍性，故称单位膜。

单位膜模型

1934年，美国解剖学家本斯利和霍尔成功分离了豚鼠肝脏的线粒体（真核细胞内产生生命活动所需能量的细胞器），开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1956年，罗马尼亚裔美国细胞生物学家帕拉德，改进了电子显微镜样品固定技术，并应用于动物细胞超微结构的研究，发现了核糖体和线粒体结构。不仅如此，帕拉德还将对细胞结构和功能的静态描述引向动态研究，他通过大胆想象作出推测，再用同位素示踪技术加以证实，这个实验后来成为生物学史上最精彩的实验之一。他提出线粒体由外膜、内膜、嵴、外室、内室和基质等组成，不久就得到了普遍的认同。