當繪畫捕捉顯微科學(xué)圖景

1906年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主、“現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)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(xué)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(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，直到英國科學(xué)家羅伯特·胡克的《顯微術(shù)》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(xué)成為生物學(xué)的分支學(xué)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(gòu)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?qū)兂梢粋€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(shù)》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(fù)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(xué)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(xué)習(xí)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(guān)于神學(xué)的爭論——人們開始思考這些微小的生物是不是曾被精心設(shè)計過。激烈的爭論也激發(fā)了年輕的達爾文對生物學(xué)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(xué)的發(fā)展做出突出貢獻的還有荷蘭顯微鏡學(xué)先驅(qū)列文虎克和昆蟲分類學(xué)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(xué)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(nèi)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(gòu)造。

生于荷蘭阿姆斯特丹的簡·施旺麥丹，是一位自然學(xué)家，曾在菜頓大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，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(jié)構(gòu)是微觀世界科學(xué)與藝術(shù)圖景展現(xiàn)的主要內(nèi)容，我們首先來欣賞一下有機生命體的微觀圖景，它們的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)注下捕捉顯微科學(xué)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(shù)》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(diào)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(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，他們共同獲得1906年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們關(guān)于神經(jīng)組織的畫作有著很高的科學(xué)與藝術(shù)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(xué)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(jié)構(gòu)及功能方面有了重要發(fā)現(xiàn)。如“神經(jīng)生理學(xué)”概念的提出，“神經(jīng)元學(xué)說”的創(chuàng)立，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。卡哈爾曾說過：“毫無疑問，沒有藝術(shù)天分的人是無法領(lǐng)略科學(xué)之美的……我自己的（醫(yī)學(xué)）畫作肯定超過了1.2萬張。對藝術(shù)無感的人來說，它們只是奇怪的圖案，但是，大腦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)比大腦精細結(jié)構(gòu)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(yīng)用和科學(xué)家的“藝術(shù)性”研究（比如“拼圖”和“雕塑”等模型構(gòu)建方法）使人們得以窺探DNA大分子結(jié)構(gòu)的“尊榮”。

物質(zhì)微觀圖景的展現(xiàn)

動植物的細部顯微圖景——左：蜜蜂內(nèi)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(dǎo)管，植物依靠這些導(dǎo)管吸取水分和養(yǎng)分（繪圖/納珊妮爾·格魯，1682年）

小腦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)畫猶如河堤旁的花草樹木（左）;高爾基的小腦顯微結(jié)構(gòu)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(xué)體系奠定了基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)的論文：《六角雪花》。他對落在大衣翻領(lǐng)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(gòu)造與雪花六邊形對稱性的關(guān)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(gòu)造和堆疊有關(guān)的機制，但他關(guān)于雪花幾何形狀的思考促進了現(xiàn)代晶體學(xué)的出現(xiàn)和后來DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)“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(shù)》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(jié)構(gòu)

《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(yīng)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(shù)作品展覽中展出，我由此思考，描繪微觀世界的科學(xué)家其實就是借助顯微技術(shù)進行“寫生”創(chuàng)作的藝術(shù)家，他們捕捉到的藝術(shù)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(shù)編輯/張小穗）