1906年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主、“現(xiàn)代神經(jīng)科學之父”卡哈爾的油畫肖像及其顯微鏡下的視網(wǎng)膜神經(jīng)畫作

顯微圖景的“寫生”者

對于顯微科學史具有跨時代意義的是顯微鏡的發(fā)明——1590 年前后，荷蘭的眼鏡制造匠人亞斯·詹森用一個凹鏡和一個凸鏡做成了放大倍數(shù)不超過10倍的顯微鏡。但當時顯微鏡并沒有帶來科學上的重大發(fā)現(xiàn)，直到英國科學家羅伯特·胡克的《顯微術》出版之后，顯微鏡才在歐洲社會引起轟動，并激發(fā)了公眾對自然界的好奇，進而推動了微生物學成為生物學的分支學科。

微生物是生物界中區(qū)別于植物和動物的一大類，形體微小、構造簡單、繁殖迅速，廣泛分布于自然界中，如細菌、真菌和病毒等。別因為它們小得看不見就低估其作用，從某種意義上講，微生物才是地球生物界的主宰。如果沒有它們，地球將會變成一個巨型垃圾場，生物鏈和生物圈將會被破壞，人類也終將滅亡。

1665年，羅伯特·胡克出版的《顯微術》使人們觀察世界的方式發(fā)生了革命性的變化，開啟了神秘而又千姿百態(tài)的微觀世界的大門。在書中，他手繪了60幅左右利用自制的復式顯微鏡觀察到的以前肉眼看不見的微生物和其他物體。他是第一位觀察并描繪了“細胞”的科學家（參看本刊2016年第12期《當繪畫滲入生命元素》）。

青少年時期，羅伯特·胡克曾跟一位畫家學習過，繪畫經(jīng)歷使他能夠非常詳細地將微觀世界描繪出來。在當時，這些栩栩如生的素描引發(fā)了人們關于神學的爭論——人們開始思考這些微小的生物是不是曾被精心設計過。激烈的爭論也激發(fā)了年輕的達爾文對生物學研究的興趣，他想通過研究證明這類超自然的想法是否正確。

同一時期，對顯微科學的發(fā)展做出突出貢獻的還有荷蘭顯微鏡學先驅列文虎克和昆蟲分類學家簡·施旺麥丹。

列文虎克生于荷蘭的代爾夫特，是一位業(yè)余科學家。他曾為布商，研磨過玻璃透鏡，以便放大織物進行觀察，改進檢驗工作。1674年，通過自己制作的顯微鏡，列文虎克首次觀察到紅血球;1675年，在雨水中發(fā)現(xiàn)了“微小動物”（原生動物）;1683年，在口腔內的唾液和牙垢中發(fā)現(xiàn)了細菌;1688年，準確描述了血液回圈和血紅細胞，記述并描述了骨骼、肌肉、皮膚等許多器官和組織的構造。

生于荷蘭阿姆斯特丹的簡·施旺麥丹，是一位自然學家，曾在菜頓大學學習醫(yī)學，專門研究昆蟲的生命循環(huán)，其研究成果匯集在《自然圣經(jīng)》一書中——書中描繪了通過顯微鏡所觀察到的多種生物現(xiàn)象，并按照形態(tài)對昆蟲進行了分類。

生命微觀圖景的展現(xiàn)

有機生命體和無機物結構是微觀世界科學與藝術圖景展現(xiàn)的主要內容，我們首先來欣賞一下有機生命體的微觀圖景，它們的結構可以分為不同的層次，動植物的細部顯微圖景就展現(xiàn)了兩幅處在宏觀與微觀臨界處的生命微觀圖景。

而小腦神經(jīng)元的微觀圖景就不同于動植物的顯微圖景了，因為動植物的顯微圖景的繪制部分基于顯微鏡的放大效果，部分結構肉眼可以區(qū)分——個體可見和不可見，比如跳蚤的個體肉眼可見，只有細節(jié)描繪需要借助顯微鏡，而小腦神經(jīng)元的微觀圖景的獲取則完全依靠顯微鏡。

在女兒的關注下捕捉顯微科學圖景的列文虎克（油畫）

羅伯特·胡克的油畫肖像（左）及其著作《顯微術》中的手繪跳蚤圖（右）

最先用顯微鏡發(fā)現(xiàn)微生物的列文虎克（1632-1723）肖像（左）（繪圖/劉夕慶）及其自制的簡易可調顯微鏡（右）（左畫中列文虎克手持的觀測儀器即是）

20世紀初，卡哈爾和高爾基對神經(jīng)組織的研究為神經(jīng)科學的發(fā)展奠定了基礎，他們共同獲得1906年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。他們關于神經(jīng)組織的畫作有著很高的科學與藝術造詣，這些畫作就像描繪宏觀自然界的風景畫，只是這些“風景”必須完全借助顯微鏡才能觀察到。美國生物學家杰拉爾德·埃德爾曼因此將人腦形象地稱為“第二自然”。

19世紀末20世紀初，人類在大腦精細結構及功能方面有了重要發(fā)現(xiàn)。如“神經(jīng)生理學”概念的提出，“神經(jīng)元學說”的創(chuàng)立，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡的重要組成部分并通過突觸相互連接……這些理論為現(xiàn)代神經(jīng)科學的發(fā)展奠定了基礎。卡哈爾曾說過：“毫無疑問，沒有藝術天分的人是無法領略科學之美的……我自己的（醫(yī)學）畫作肯定超過了1.2萬張。對藝術無感的人來說，它們只是奇怪的圖案，但是，大腦結構的神秘世界就在這些精準到1/1000毫米的細節(jié)中徐徐展現(xiàn)?！?/p>

DNA大分子結構的發(fā)現(xiàn)比大腦精細結構及功能的發(fā)現(xiàn)遲了半個多世紀，因為光憑一般顯微鏡是無法對其進行研究的;20世紀中葉，X射線衍射在DNA研究方面的應用和科學家的“藝術性”研究（比如“拼圖”和“雕塑”等模型構建方法）使人們得以窺探DNA大分子結構的“尊榮”。

物質微觀圖景的展現(xiàn)

動植物的細部顯微圖景——左：蜜蜂內部器官圖（繪圖/簡·施旺麥丹）;右：蒲公英根部剖面圖，圖中可以看到像人體靜脈一樣的導管，植物依靠這些導管吸取水分和養(yǎng)分（繪圖/納珊妮爾·格魯，1682年）

小腦結構顯微圖景仿佛是兩幅寫生風景畫：卡哈爾的小腦神經(jīng)細胞結構畫猶如河堤旁的花草樹木（左）;高爾基的小腦顯微結構圖如同房屋周圍的樹木和圍欄（右）

開普勒最為人熟知的是行星運動的三大定律，這些定律為牛頓建立經(jīng)典力學體系奠定了基礎。除了在宏觀天體研究層面取得的卓著成就外，開普勒還有一篇研究無機物微觀結構的論文：《六角雪花》。他對落在大衣翻領上的雪花進行思考：為什么看起來各異，卻都是六邊形的幾何形狀。雖然開普勒并沒有發(fā)現(xiàn)冰“球”的基本構造與雪花六邊形對稱性的關系，即使他意識到這些規(guī)則的圖案可能揭示了一些與雪花的基本構造和堆疊有關的機制，但他關于雪花幾何形狀的思考促進了現(xiàn)代晶體學的出現(xiàn)和后來DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)。后來，胡克也通過顯微鏡對雪花進行了觀察、描繪。

基于沃森和克里克的研究的A型DNA（左上）與B型DNA（左下）X光照片和DNA雙螺旋結構“顯微圖景”（右）（繪圖/奧迪勒·克里克）

左上：羅伯特·胡克所著《顯微術》中的雪花圖;左下：開普勒“六邊形堆疊”猜想——雪是由許多球體緊密堆積而成的;右：開普勒（繪圖/劉夕慶）

顯微鏡下的柞木結構

《長了這么大，第一次看到不洗的手上有這么多看不見的“小東西”！》（繪圖/劉夕慶）

20世紀90年代，應江蘇省漫畫協(xié)會之邀，我的作品《長了這么大，第一次看到不洗的手上有這么多看不見的“小東西”！》在科普美術作品展覽中展出，我由此思考，描繪微觀世界的科學家其實就是借助顯微技術進行“寫生”創(chuàng)作的藝術家，他們捕捉到的藝術畫面對人類文明的發(fā)展進步發(fā)揮了舉足輕重的作用。

（責任編輯/江盼 美術編輯/張小穗）