Основной частью микроскопа являются оптические линзы. Искусство шлифовки оптических линз и первые попытки их применения уходят в глубокую древность.
В XVI—XVII вв. это искусство достигло значительного развития, особенно в Голландии и Италии. Потребность в очках вызвала и соответствующую промышленность. Очки практически могли появиться только тогда, когда научились шлифовать стекла с большим фокусным расстоянием (конец XIII века, предположительно 1285—1289 гг.). Вероятно, они были сконструированы под влиянием идей Роджера Бэкона (Roger Bacon, ок. 1214—1294) флорентийцем Сальвино дельи-Армати (Salvino d’Amarto degli Armati) или его соотечественником Александром делля Спина (Alessandro della Spina), хотя сведения об этом не считаются достаточно достоверными. Так или иначе, в первой половине XIV в. очки были уже распространены и широко употреблялись в Европе.
Но еще два столетия понадобилось для того, чтобы идея микроскопа, потенциально существовавшая, вероятно, со времени Бэкона, была реализована и оптические линзы начали применяться как прибор, дающий возможность видеть «невидимое». Лишь к концу XVI в. техника изготовления оптических линз и практика их использования дают условия для изготовления микроскопа, и лишь в XVII в. увеличительные стекла находят применение для исследования природы.
На рубеже XVI и XVII вв. почти одновременно были изобретены два прибора, оказавшие неоценимые услуги в науке: телескоп и микроскоп. История изобретения микроскопа выяснена до сих пор недостаточно и часто подменяется непроверенными сведениями.
До недавнего времени большинство историков считало изобретателями микроскопа голландских оптических мастеров Ганса и Захариаса Янсенов (Hans, Zacharias Janssen), занимавшихся в Миддельбурге изготовлением очков. Однако С. Л. Соболь (1941—1943, 1949) на основании критического анализа существующей исторической документации оспаривает это положение. По мнению С. Л. Соболя, изобретению микроскопа предшествовало изобретение телескопа. Первый прототип микроскопа, считает Соболь, был сконструирован Галилеем в 1609—1610 гг. путем удлинения подзорной трубы (изобретенной им несколько ранее) и увеличения расстояния между вогнутым окуляром и выпуклым объективом. Галилей, очевидно, заметил, что при этом зрительная труба увеличивает близко находящиеся мелкие объекты. Добиваясь в дальнейшем получения более короткофокусных линз, Галилей усовершенствовал первоначальную конструкцию микроскопа, уменьшив длину трубы.
Однако последующая конструкция микроскопа пошла по другому пути, на основе оптического инструмента, предложенного Кеплером, где были применены окуляр и объектив в виде одиночных выпуклых линз, что давало обратное (перевернутое) изображение. Идея такого инструмента была выдвинута Кеплером еще в 1611 г., а в 1613—1617 гг. впервые был сконструирован подобный телескоп.
Поэтому, считает С. Л. Соболь, изобретение микроскопа нужно отнести к 1617—1619 гг. Во всяком случае к 1619 г. относится один из первых микроскопов, о которых сохранились сведения, — микроскоп Дреббеля. Корнелиус Дреббель (Cornelius Drebbel, 1572—1634), крестьянин по происхождению, приобрел славу опытами, где незаурядное знание физики перемешивалось с магией, а наука — с шарлатанством. Прожив богатую приключениями жизнь, Дреббель стал астрологом при дворе английского короля Якова I. Дреббель занимался конструкцией ряда физических приборов, в том числе и микроскопов. Изготовленные Дреббелем микроскопы, изобретателем которых он себя выдавал, распространились в Европе, проникнув из Англии во Францию и Италию. Изображена реконструкция микроскопа Дреббеля, выполненная по указанию С. Л. Соболя на основании описания, относящегося к 1619 г. Труба этого микроскопа около полуметра длиной, при диаметре около 5 см; она была сделана из позолоченной меди и поддерживалась тремя медными дельфинами на круглой подставке из черного дерева. На подставку, пишет современник, «клались различные вещи, которые мы рассматривали сверху в увеличенном почти до невероятности виде».
Первые четыре десятилетия конструкция микроскопа прогрессировала медленно, однако вместо объективов типа очковых линз постепенно начинают применять более короткофокусные линзы. Кирхер (Atanasius Kircher, 1601—1680), немецкий естествоиспытатель, издал в Риме сочинение под названием «Великое искусство света и тени» (Ars magna lucis et umbrae), где дал перечень существовавших в то время микроскопов (С. Л. Соболь, 1949).
В начале XVII века к микроскопу относились преимущественно как к любопытной игрушке, с помощью которой, забавы ради, можно рассматривать мелких насекомых и вообще различные мелкие предметы, но который мало кто считал серьезным научным инструментом. «Микроскопы» того времени представляли собой трубку с двумя стеклами по концам; их называли «блошиными» или «комариными стеклами» (vitrium pulicarium), в чем отражалось характерное для этого периода легкомысленное отношение к инструменту, служившему обычно для изумления наблюдателей величиной изображения. Гевелиус (Jan Heveliusz, 1611-—1687), выдающийся польский астроном, в своей «Селенографии», изданной в Гданьске, так описывает подобный «микроскоп»: «Микроскоп, который обычно называют комариным стеклом, показывает маленькие тельца и едва ли заметных зверьков в величину верблюда или слона, так что это вызывает большое удивление и забаву. Он состоит из двух стекол и трубки, около дюйма длиной, перед которой располагается объект. Одно стекло, расположенное около глаза, выпуклое, вышлифованное из сегмента небольшого шара, не более двух дюймов в диаметре; другое стекло, лежащее у основания, где располагаются рассматриваемые предметы, — простое плоское стекло, назначение которого пропускать свет». Таким образом, служившие для забавы «микроскопы» представляли собою чаще всего простые лупы, или, как их позже стали называть, «простые микроскопы». Но наряду с этим Гевелиус описывает и «сложный микроскоп» из двух выпуклых линз типа микроскопа Дреббеля, в отношении которого он замечает, что «при этом способе предстоящие мельчайшие объекты, которые ускользают от глаз, явятся более ясными и отчетливыми, чем в первом микроскопе» (т. е. в «блошином стекле»).
Применение микроскопа с научными целями впервые было начато по инициативе Федерико Чези (Federico Cesi, 1585—1630) в римской Academia dei Lincei (к ее составу принадлежал и Галилей). По-видимому, итальянский натуралист Стеллути (Francesco Stelluti, 1577—1646) одним из первых применил микроскоп для изучения биологического объекта — пчелы.
Первые микроскопы никаких осветительных приспособлений и приспособлений для изменения фокуса не имели. Объекты рассматривались в них при дневном освещении в падающем свете. Естественно, что эти микроскопы давали весьма плохое и искаженное изображение.
Первое усовершенствование микроскопа и пропаганда этого прибора в качестве научного инструмента связаны с именем выдающегося английского физика Роберта Гука (Robert Hooke, 1635—1703), впервые обнаружившего при помощи своего микроскопа «клетки» у растений. Таким образом, возникновение понятия о клетке почти совпадает с периодом появления микроскопа и зарождения микроскопии.
Гук был знаком с микроскопом, привезенным Дреббелем в 1619 г. в Англию. Будучи по складу ума изобретателем, Гук заинтересовался новым прибором и поставил перед собой цель реконструировать микроскоп Дреббеля. Гуку удалось создать инструмент, обладавший рядом преимуществ по сравнению с существовавшими микроскопами. В «Микрографии» (1665) Гук дал подробное описание и изображение своего микроскопа. Тубус имел около 8 см в диаметре и около 18 см длины и был снабжен приспособлениями для некоторого изменения расстояния объектива от объекта и изменения наклона трубы. Существенным изменением оптической части микроскопа было введение третьей двояковыпуклой линзы, помещенной между окуляром и объективом; уменьшая изображение, эта линза делала его более отчетливым и увеличивала поле зрения. Объект располагался на небольшом круглом диске или его нанизывали на штифт, расположенный на диске сбоку. К микроскопу был приспособлен осветительный аппарат, состоявший из источника света, наполненного водой стеклянного шара и двояковыпуклой линзы, концентрировавшей свет на объект. Таким образом, и в микроскопе Гука объект рассматривался в падающем свете. При помощи этого микроскопа Гук сделал поразительные по тонкости наблюдения, описание которых в его «Микрографии» сопровождается прекрасными иллюстрациями, показывающими тонкость наблюдений этого первого микроскописта.
Одновременно с Гуком над усовершенствованием микроскопа работал в Риме Эвстахий Дивини (Divini, 1667), внесший существенное улучшение введением окуляра, составленного из двух плосковыпуклых линз, выпуклые поверхности которых были направлены друг к другу. Это создавало плоское поле зрения и более равномерное увеличение различных частей рассматриваемого предмета. Линзы Дивини увеличивали от 41 до 143 раз. Конструкцией микроскопов занимались в Италии еще несколько мастеров, способствовавших распространению нового прибора.
В 1672 г. немецкий оптик Штурм (Sturm) ввел в микроскоп новое улучшение: вместо объектива с одной линзой, он изготовил объективы из двух линз: плосковыпуклой и двояковыпуклой или из двух двояковыпуклых линз с различной кривизной («дублеты»). Таким образом, в практику вводятся микроскопы с комбинацией нескольких линз в окуляре и в объективе. Венский инженер Гриндель фон Ах (Griendel von Ach) сконструировал в 1685 г. микроскоп с 6 линзами. Общий вид этого микроскопа очень схож с описанием микроскопа Дреббеля.
Новое изменение в конструкцию микроскопа ввел (около 1665 г.) итальянец Камяани (Giuseppe Campani), микроскоп которого имел в предметном столике отверстие и зажимы для стеклянных или слюдяных пластинок с объектами. Его микроскоп состоял из двух линз. Ту же конструкцию Тортона (Carl Anton Tortona) применил для своего трехлинзового микроскопа (около 1685 г.). Микроскоп Тортоны состоял из трубки, в верхний конец которой был вставлен окуляр, далее располагалась собирательная линза, а внизу был укреплен объектив. Все линзы представляли собой двояковыпуклые чечевицы. На трубку навинчивалось кольцо, соединенное с объектодержателем, состоящим из двух стекол, между которыми помещался предмет, рассматриваемый в проходящем свете.
Изображена модель микроскопа Бонануса (Bonannus) — одна из наиболее сложных моделей конца XVII в. За основу взят микроскоп Тортоны, дополненный рядом приспособлений. Микроскоп Бонануса сконструирован так, чтобы, прочно фиксировав положение инструмента, освободить руки наблюдателя (микроскопы Тортоны, как и первые микроскопы Бонануса, надо было держать в руках) и сконцентрировать на объекте максимум света. Микроскоп состоит из тубуса (АВ), несущего линзы. Винт Z зажимает вертикальную подачу тубуса, укрепленного в держателе У. Приспособление RTG, деталь которого изображена отдельно, позволяет передвигать тубус вперед и назад, т. е. менять фокусное расстояние. Это первая попытка механического приспособления для установки фокуса при неподвижной фиксации объекта. Объект помещается в особый держатель CD, зажатый между двумя стеклами, вделанными в деревянные пластинки I. Освещается объект лампой Q, свет которой концентрируется конденсором О; конденсор может двигаться по горизонтальной и вертикальной плоскости. В микроскопе Бонануса есть уже зачатки основных механических частей и приспособлений позднейшего микроскопа: механическая подача тубуса, осветитель и предметный столик. Объект рассматривался в проходящем свете; Бонанус снова ввел для этой цели искусственное освещение.
Оптические части его микроскопа состояли из трех или четырех линз, дававших увеличение в 200—300 раз.
Несмотря на все эти нововведения, микроскоп оставался очень несовершенным инструментом, так как при употреблении комбинированных систем линз резко ощущались сферическая и хроматическая аберрации, сильно искажавшие изображения при сколько-нибудь большом увеличении. В этом приходится искать причину того, что некоторые выдающиеся исследователи XVII и XVIII вв. не применяли сложного микроскопа.
Сваммердам — замечательный зоотом XVII в., прославившийся искусством препаровки мелких объектов, особенно насекомых, употреблял лишь простую лупу. Он сконструировал прибор, где можно было быстро сменять лупы разных увеличений, и при помощи этого прибора последовательно переходил от слабых линз к сильным, не прибегая к их комбинированию.
Лёвенгук, второй замечательный голландский микроскопист, также не пользовался настоящим сложным микроскопом. «Микроскопы» Лёвенгука были в действительности лупами. Изображен один из подобных инструментов Лёвенгука. Он представлял собой две серебряные пластинки, имеющие отверстие, в которое вделана линза; позади помещается держатель для объекта. Наблюдатель брал «микроскоп» за особую ручку и рассматривал объекты в проходящем свете. Для различных объектов Лёвенгуку приходилось делать разные держатели, и он делал с этой целью новые инструменты. По собственному заявлению, Лёвенгук обладал 200 «микроскопами», дававшими увеличение от 40 до 270 раз. Только исключительное мастерство в шлифовке стекол позволило Левенгуку изготовлять линзы с таким поразительным увеличением (ведь увеличение в 270 раз достигалось одной линзой), а зоркость наблюдателя позволила Лёвенгуку сделать поразительные открытия.
Таковы инструменты, с которыми работали и сделали выдающиеся открытия микроскописты XVII в. Достойно удивления, как с такими примитивными приборами можно было описывать те порой поразительные по точности детали, которые мы находим в их работах. Очевидно, настойчивость, перспектива открытия новых, никому не известных фактов, помогали преодолевать трудности, которые ставил перед наблюдателем микроскоп в ранний период своего возникновения.
К сказанному нужно добавить, что изучаемые объекты рассматривались без всякой обработки, прямо в воздухе, помещенными на стекло (иногда между двумя стеклами) или наколотыми на иголку. Резкая разница между показателями преломления воздуха и объекта создавала дополнительные трудности для изучения. Наконец, несмотря на исключительное мастерство в шлифовке линз, стекла того времени давали резкую хроматическую аберрацию, особенно чувствительную в сложных микроскопах, где недостатки одной системы стекол усиливались второй системой — окуляром.
Едва ли кто-либо из современных опытных микроскопистов, избалованных новейшими ахроматическими микроскопами, мог бы при помощи инструментов, которыми пользовались в XVII в., рассмотреть то, что видели выдающиеся микроскописты того времени. Простой современный школьный микроскоп представляет собой шедевр, с которым эти старинные микроскопы нельзя сравнивать. И тем не менее с их помощью открывали замечательные факты. Одним из них явилось открытие в XVII в. клеточного строения растений.