当绘画捕捉显微科学图景

2019-09-06刘夕庆

知识就是力量 2019年11期

1906年诺贝尔生理学或医学奖得主、“现代神经科学之父”卡哈尔的油画肖像及其显微镜下的视网膜神经画作

显微图景的“写生”者

对于显微科学史具有跨时代意义的是显微镜的发明——1590 年前后，荷兰的眼镜制造匠人亚斯·詹森用一个凹镜和一个凸镜做成了放大倍数不超过10倍的显微镜。但当时显微镜并没有带来科学上的重大发现，直到英国科学家罗伯特·胡克的《显微术》出版之后，显微镜才在欧洲社会引起轰动，并激发了公众对自然界的好奇，进而推动了微生物学成为生物学的分支学科。

微生物是生物界中区别于植物和动物的一大类，形体微小、构造简单、繁殖迅速，广泛分布于自然界中，如细菌、真菌和病毒等。别因为它们小得看不见就低估其作用，从某种意义上讲，微生物才是地球生物界的主宰。如果没有它们，地球将会变成一个巨型垃圾场，生物链和生物圈将会被破坏，人类也终将灭亡。

1665年，罗伯特·胡克出版的《显微术》使人们观察世界的方式发生了革命性的变化，开启了神秘而又千姿百态的微观世界的大门。在书中，他手绘了60幅左右利用自制的复式显微镜观察到的以前肉眼看不见的微生物和其他物体。他是第一位观察并描绘了“细胞”的科学家（参看本刊2016年第12期《当绘画渗入生命元素》）。

青少年时期，罗伯特·胡克曾跟一位画家学习过，绘画经历使他能够非常详细地将微观世界描绘出来。在当时，这些栩栩如生的素描引发了人们关于神学的争论——人们开始思考这些微小的生物是不是曾被精心设计过。激烈的争论也激发了年轻的达尔文对生物学研究的兴趣，他想通过研究证明这类超自然的想法是否正确。

同一时期，对显微科学的发展做出突出贡献的还有荷兰显微镜学先驱列文虎克和昆虫分类学家简·施旺麦丹。

列文虎克生于荷兰的代尔夫特，是一位业余科学家。他曾为布商，研磨过玻璃透镜，以便放大织物进行观察，改进检验工作。1674年，通过自己制作的显微镜，列文虎克首次观察到红血球;1675年，在雨水中发现了“微小动物”（原生动物）;1683年，在口腔内的唾液和牙垢中发现了细菌;1688年，准确描述了血液回圈和血红细胞，记述并描述了骨骼、肌肉、皮肤等许多器官和组织的构造。

生于荷兰阿姆斯特丹的简·施旺麦丹，是一位自然学家，曾在菜顿大学学习医学，专门研究昆虫的生命循环，其研究成果汇集在《自然圣经》一书中——书中描绘了通过显微镜所观察到的多种生物现象，并按照形态对昆虫进行了分类。

生命微观图景的展现

有机生命体和无机物结构是微观世界科学与艺术图景展现的主要内容，我们首先来欣赏一下有机生命体的微观图景，它们的结构可以分为不同的层次，动植物的细部显微图景就展现了两幅处在宏观与微观临界处的生命微观图景。

而小脑神经元的微观图景就不同于动植物的显微图景了，因为动植物的显微图景的绘制部分基于显微镜的放大效果，部分结构肉眼可以区分——个体可见和不可见，比如跳蚤的个体肉眼可见，只有细节描绘需要借助显微镜，而小脑神经元的微观图景的获取则完全依靠显微镜。

在女儿的关注下捕捉显微科学图景的列文虎克（油画）

罗伯特·胡克的油画肖像（左）及其著作《显微术》中的手绘跳蚤图（右）

最先用显微镜发现微生物的列文虎克（1632-1723）肖像（左）（绘图/刘夕庆）及其自制的简易可调显微镜（右）（左画中列文虎克手持的观测仪器即是）

20世纪初，卡哈尔和高尔基对神经组织的研究为神经科学的发展奠定了基础，他们共同获得1906年诺贝尔生理学或医学奖。他们关于神经组织的画作有着很高的科学与艺术造诣，这些画作就像描绘宏观自然界的风景画，只是这些“风景”必须完全借助显微镜才能观察到。美国生物学家杰拉尔德·埃德尔曼因此将人脑形象地称为“第二自然”。

19世纪末20世纪初，人类在大脑精细結构及功能方面有了重要发现。如“神经生理学”概念的提出，“神经元学说”的创立，神经元是神经网络的重要组成部分并通过突触相互连接……这些理论为现代神经科学的发展奠定了基础。卡哈尔曾说过：“毫无疑问，没有艺术天分的人是无法领略科学之美的……我自己的（医学）画作肯定超过了1.2万张。对艺术无感的人来说，它们只是奇怪的图案，但是，大脑结构的神秘世界就在这些精准到1/1000毫米的细节中徐徐展现。”

DNA大分子结构的发现比大脑精细结构及功能的发现迟了半个多世纪，因为光凭一般显微镜是无法对其进行研究的;20世纪中叶，X射线衍射在DNA研究方面的应用和科学家的“艺术性”研究（比如“拼图”和“雕塑”等模型构建方法）使人们得以窥探DNA大分子结构的“尊荣”。

物质微观图景的展现

动植物的细部显微图景——左：蜜蜂内部器官图（绘图/简·施旺麦丹）;右：蒲公英根部剖面图，图中可以看到像人体静脉一样的导管，植物依靠这些导管吸取水分和养分（绘图/纳珊妮尔·格鲁，1682年）

小脑结构显微图景仿佛是两幅写生风景画：卡哈尔的小脑神经细胞结构画犹如河堤旁的花草树木（左）;高尔基的小脑显微结构图如同房屋周围的树木和围栏（右）

开普勒最为人熟知的是行星运动的三大定律，这些定律为牛顿建立经典力学体系奠定了基础。除了在宏观天体研究层面取得的卓著成就外，开普勒还有一篇研究无机物微观结构的论文：《六角雪花》。他对落在大衣翻领上的雪花进行思考：为什么看起来各异，却都是六边形的几何形状。虽然开普勒并没有发现冰“球”的基本构造与雪花六边形对称性的关系，即使他意识到这些规则的图案可能揭示了一些与雪花的基本构造和堆叠有关的机制，但他关于雪花几何形状的思考促进了现代晶体学的出现和后来DNA双螺旋结构的发现。后来，胡克也通过显微镜对雪花进行了观察、描绘。