1.发现的可能——显微镜的发明
短焦距单显微镜的发明有着漫长的历史，古罗马作家幸尼加（公元前4年～公元65年）曾提到，透过充水的玻璃球可以看到物体被放大了。古希腊和中世纪阿拉伯人都很了解放大镜和取火镜。在公元11世纪，中国人应用凸透镜的放大作用，制造了远视眼镜。
最早的复式显微镜，是荷兰德尔堡的眼镜匠詹森和他的父亲罕斯在1590年前后发明的。
据说，事情的经过是这样的：1590年，一个晴朗无风的早晨，詹森在楼顶上闲玩。无意中，他把两片凸玻璃片装到一个金属管子里，再用这个管子去看街道上的建筑物，结果他发现教堂高塔上大公鸡的雕塑比原来大了好几倍。这个意外的发现使詹森异常地兴奋，他高兴地跑下楼去，把父亲也拉上楼来观看，一起和他分享这种新发现带来的愉快。
当然，偶然性的发现代替不了科学上的发明。而这个偶然的瞬间却被詹森父子抓住了。后来两父子认真思索，反复实践，用大大小小的凸玻璃片做各种距离不等的配合，终于发明了显微镜。他们的显微镜由一个双凸透镜和一个双凹透镜组成，前者为物镜，后者为目镜。这台显微镜的镜筒大约长40厘米，直径约5厘米。放在显微镜支座上的小物体，当人们从镜筒看去时，显得大了许多。据说，詹森父子制造的显微镜至今仍保存在米德尔堡科学协会。
不过，这台显微镜只能称为显微镜家族中的“始祖”。以今天的技术标准来看，詹森父子制造的显微镜无论是放大倍数，还是分辨能力都是相当低的。
最早把复式显微镜用于科学研究的人是伽利略。1610年前后，他用显微镜研究了昆虫，观察到了昆虫的运动器官、感觉器官和复眼。
胡克制造的复式显微镜是早期最出色的显微镜。他在1665年出版的《显微术》是最早论述显微观察的专著。胡克的复式显微镜主要由物镜、目镜、镜筒、聚光器和一个照明灯组成。他用一个半球形单透镜作为物镜，一个平凸透镜作为目镜，镜筒长15厘米，可以拉长，底下还有一只灯用来照明，灯上附装有一个球形聚光器。胡克就是用这台显微镜发现了软木的细胞，并且清楚地观察到了蜜蜂的小针和小鸟羽毛的部分构造。
荷兰的列文虎克研制成功了高质量、高倍数的透镜。据说，其中有的透镜能将物体放大270倍。他制作的单透镜显微镜，可观察到泥土中的微生物、生存在牙齿上食物残留中的生物及蝌蚪体内的血液循环。1683年他在英国皇家学会的《哲学学报》上，发表了第一批细菌图，但当时他并不知道这些东西是细菌，只知道它们是活的，列文虎克称它们为“小动物”。
此后100多年间，显微镜的研究没有取得多少进展，究其原因主要是受色差的影响，色差现象是不同颜色（波长）的光线通过透镜的折射角度不同而引起的。直到1812年意大利的阿米其造出了消色差透镜的显微镜，1820年法国的休巴里埃对其作了进一步的改进。1830年英国的利斯特做出了既无色差又无球面像差的显微镜。
1880年德国的物理学家阿贝发明了油浸物镜，其可以放大物体2000多倍。阿贝生于爱森纳赫的一个纺织工人家庭，由于家境贫寒，靠别人资助才得以上完中学和大学。他于1861年在耶拿大学获得博士学位，1863年留校任教授，1866年与别人合作研制了光学仪器。
阿贝在光学仪器的理论上，做出的两项重要贡献之一就是波动光学的显微镜二次衍射成像理论：把物面视为复合的衍射光栅，在相对光照明下，由物面二次衍射成像。
1904年德国蔡司光学仪器厂制成了超倍显微镜，其原理是把胶体放在目镜正下方，从侧面加光照射，胶体粒子把光散射，这样用显微镜就可以看到耀眼的反射。
相差显微镜是能将光通过物体时产生的相位差（或光程差）转变为振幅（光强度）变化的显微镜。人的眼睛一般只能鉴别可见光的波长（颜色）和振幅的变化，不能鉴别相位的变化。但是大多数生物标本高度透明，光波通过后振幅基本不变，却存在相位的变化，人的眼睛是感觉不到的。
19世纪30年代德国物理学家泽尼克首先设计并在1942年制造了第一台相差显微镜，它能将这种看不见的相位变化转变为看得见的振幅变化。由于此项发明，泽尼克于1953年获得了诺贝尔奖。
相差显微镜主要用于观察活细胞、不染色的组织切片或缺少反差的染色标本。
电子显微镜是利用波长较可见光短的电子产生影像的。1932年，德国科学家用电子替代可见光制成了透射式电子显微镜，其解像力是人眼的1万倍，放大倍率达到了25万倍或更多。一般使用穿透式电子显微镜的标本需要非常薄，需要在7.5～15纳米之间。
而扫描式电子显微镜的电子束不穿过标本，所以标本不需要切片处理，而代之在标本表面涂上一层铂金，当电子撞击标本表面各点时，便产生次级电子，呈现立体状态，人们就可以观察标本的形状及表面的特征。
2.艰难的抗战——细菌的发现
在十四世纪时期，饥饿、战争、瘟疫这些妖魔侵袭了欧、亚、非大地，特别是有“黑色妖魔”之称的鼠疫，肆虐着欧洲及欧洲以外的大陆。
在黑色妖魔的袭击下，许多昔日繁华的大城市变成了一个个寂静的坟场，往日车水马龙的街道变得杳无人迹。这个黑色的妖魔在全世界迅速蔓延，从一个国家传到另一个国家，从一个城市发展到另一个城市，从这个农村蔓延到另一个农村。昔日繁荣的城市一夜之间变得凄凉、恐怖，大片大片的农田开始荒芜。恐怖一再上演，在欧洲流行的“黑色妖魔”夺走了大约二千五百万人的生命。这场人类历史上空前阴森恐怖、耸人听闻的浩劫，给人们留下了至今难以抹去的伤痕。
在当时，除鼠疫以外，白喉、霍乱、天花、伤寒等多种传染病都在猖獗地吞噬着无数宝贵的生命。谁是这些疾病传播的黑手，这些杀人妖魔来自何方？在一代又一代科学家、医生艰苦而顽强的努力下，人类终于揭开了一个又一个千古之谜。
揭开细菌这微小世界秘密的第一位功臣首归于荷兰人列文虎克。列文虎克1632年出生于荷兰的德夫特。
列文虎克出生之时，家庭非常贫寒，为了养家糊口，他曾在首都阿姆斯特丹一家杂货铺当学徒，过着食不果腹的日子。艰苦的环境没有使列文虎克的顽强意志屈服。他如饥似渴地自学了许多科学书籍，并学会了磨制玻璃眼镜片的工艺，这为他日后伟大的发现打下了夯实的基础。然而就是这位出身于学徒，后来又因生活所迫当上了负责开放和关闭市政府大门的更夫小子——列文虎克揭开了微小世界的奥秘。
当列文虎克在他的第一架能放大300倍的显微镜下，第一次看到了人类此前从未看到过的世界，这一伟大的发现不仅震动了世界，也给日后科技发展提供了在当时可称得上最先进的一件武器。同时，它也给顽固的反科学的教会当头一击。这是科学由黑暗走向光明迈出的坚实的一步。
由此，这种被肉眼所不能看到的微小生命——微生物的概念出现了，微生物作为生物圈的一个重要组成部分也开始被人们所注意。在列文虎克写给英国皇家学会的200多封附有图画的书信里，他还第一次描绘了细菌的运动。
列文虎克可以说是全世界第一个观察到球形、杆状和螺旋形的细菌和原生动物的人。同时，微生物的发现对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学的研究和发展，起了奠基作用。