超越極限，他們看到了“看不見(jiàn)的世界”

楊先碧

自從1665年羅伯特·胡克用自制的光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)了生命的基本組成單位—— 細(xì)胞，人們的視野就拓展到了肉眼看不到的微小世界。細(xì)胞看似十分微小，其實(shí)還包含更加細(xì)小的“零件”，科學(xué)家得借助“眼神超好”的超分辨率顯微鏡才能看到它們。

在這些科學(xué)家中，有3個(gè)杰出代表獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們分別是來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納，還有來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家斯特凡·赫爾，正是他們的發(fā)現(xiàn)，打破了光學(xué)顯微的極限。

光波的限制

自從顯微鏡發(fā)明以來(lái)，科學(xué)家就不斷對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，期待獲得更大的放大倍數(shù)和更高的分辨精度，這樣就能透過(guò)細(xì)胞膜看到細(xì)胞內(nèi)部的構(gòu)造。1873年，德國(guó)顯微鏡學(xué)家恩斯特·阿貝通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于光波相互干擾的原因，光學(xué)顯微鏡不能無(wú)限度地放大微小物質(zhì)，最多只能“看到”光波波長(zhǎng)一半的物質(zhì)，即尺寸不超過(guò)200納米的物質(zhì)。這就是有名的“阿貝極限”。

“阿貝極限”公布之后，科學(xué)家感到十分沮喪，因?yàn)榉肿雍驮拥某叽绱蠖嘣?00納米以下。也就是說(shuō)，光學(xué)顯微鏡似乎難以“看到”分子和原子所活動(dòng)的納米世界了。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，如果生命是一座城市，那么細(xì)胞就是城市中的每一個(gè)房間。我們?nèi)庋壑荒芸吹缴俺鞘小焙推鞴?、組織等“建筑”，光學(xué)顯微鏡只能看到細(xì)胞“房間”，卻難以看到“房間”內(nèi)的物品。

由于科學(xué)研究越來(lái)越多地從分子和原子的層面來(lái)揭示自然界物質(zhì)的變化規(guī)律，科學(xué)家一度認(rèn)為光學(xué)顯微鏡沒(méi)有什么前途了。因此，科學(xué)家開(kāi)始發(fā)明多種能“看清”納米世界的電子顯微鏡。這些顯微鏡居然可以看到最小尺寸為0.2納米的原子，是光學(xué)顯微鏡精度的1 000倍！

讓分子發(fā)光

在電子顯微鏡熱熱鬧鬧地大展身手的時(shí)候，光學(xué)顯微鏡只能躲在實(shí)驗(yàn)室的角落里，默默地忍受被科學(xué)家冷落的命運(yùn)。難道光學(xué)顯微鏡真的就這樣成了“過(guò)氣明星”嗎？然而，分子生物學(xué)的發(fā)展給予了光學(xué)顯微鏡新的機(jī)遇。分子生物學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)和化學(xué)研究中得心應(yīng)手的電子顯微鏡，到了分子生物學(xué)研究中往往有些“水土不服”。因?yàn)殡娮语@微鏡不能研究活物，它們必須把細(xì)胞“殘忍地殺死”后才能進(jìn)行觀察。這樣一來(lái)，生物學(xué)家就難以研究分子在活細(xì)胞中的正?；顒?dòng)。

于是，相關(guān)科學(xué)家就得重新考慮如何研制出精度超越200納米的光學(xué)顯微鏡。顯然，按照傳統(tǒng)的方法繼續(xù)研究，那就是“鉆牛角尖”了，必須換種思路來(lái)突破極限。這種新思路還真被科學(xué)家想到了，那就是不再用外來(lái)的光源觀察細(xì)胞，而是讓細(xì)胞中的分子發(fā)出熒光。因此，目前生物學(xué)家所用的超分辨率顯微鏡也叫熒光顯微鏡。

如何讓細(xì)胞中的分子發(fā)出熒光呢？赫爾發(fā)明了熒光手電來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。赫爾先利用成熟的分子染色技術(shù)給細(xì)胞注射熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)像染料一樣沾染到細(xì)胞中的生物大分子上。然后，利用熒光手電發(fā)出極細(xì)的激光束照射生物大分子，大分子上的熒光物質(zhì)被激發(fā)而發(fā)出熒光，就像是生物大分子本身發(fā)光一樣。

突破極限

為何發(fā)出熒光的細(xì)胞就可以讓光學(xué)顯微鏡突破極限呢？因?yàn)樵谥車h(huán)境黑暗的情況下，顯微鏡就可以看到細(xì)胞中發(fā)光的分子。有一個(gè)很好的例子可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。在明亮的白天，我們很難看到幾百米外的一盞燈泡；如果是在漆黑的夜晚，這盞燈泡亮起來(lái)之后，我們就可以看到它了。

如果夜晚遠(yuǎn)處只有一盞燈，我們可以很好地分辨出這盞燈。如果夜晚遠(yuǎn)處有一大片燈，甚至有一座明亮的城市，我們就很難分辨其中的一盞燈，這是因?yàn)楣饩€相互干擾，“阿貝極限”又在起作用了。因此，赫爾得想辦法消除光線干擾，他改進(jìn)了熒光手電，讓它可以發(fā)出一束激光讓生物分子發(fā)光，再用另一束激光消除其他熒光，通過(guò)兩束激光交替掃描細(xì)胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫納和貝齊格進(jìn)一步想出了一些辦法，消除或?yàn)V掉細(xì)胞中多余的熒光，結(jié)果讓顯微鏡居然成功地“看到”單個(gè)的生物分子。這被稱為單分子熒光顯微鏡。

活生生的納米世界

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)認(rèn)為，“理論上講，如今沒(méi)有什么物質(zhì)結(jié)構(gòu)小得無(wú)法研究?！痹陔娮语@微鏡時(shí)代，納米世界就像沙漠一樣死寂，其中的所有物質(zhì)靜靜地躺在那里。然而，超分辨率光學(xué)顯微鏡讓我們可以看到活生生的納米世界，所有的生物分子按照它們?cè)镜摹吧罘绞健崩^續(xù)活動(dòng)。

有了超分辨光學(xué)顯微鏡，科學(xué)家就可以從分子層面看到生命體生老病死所帶來(lái)的變化。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，醫(yī)學(xué)家可以對(duì)我們的健康進(jìn)行“精細(xì)”護(hù)理和治療。他們可以發(fā)現(xiàn)我們身體中的哪些細(xì)胞哪些分子出了問(wèn)題，然后有針對(duì)性地施放藥物，最大限度保護(hù)健康的細(xì)胞和組織不受到藥物的傷害。