超越極限，他們看到了“看不見的世界”

楊先碧

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

在這些科學家中，有3個杰出代表獲得了2014年諾貝爾化學獎。他們分別是來自美國的科學家埃里克·貝齊格、威廉·莫納，還有來自德國的科學家斯特凡·赫爾，正是他們的發現，打破了光學顯微的極限。

光波的限制

自從顯微鏡發明以來，科學家就不斷對它進行改進，期待獲得更大的放大倍數和更高的分辨精度，這樣就能透過細胞膜看到細胞內部的構造。1873年，德國顯微鏡學家恩斯特·阿貝通過計算發現，由于光波相互干擾的原因，光學顯微鏡不能無限度地放大微小物質，最多只能“看到”光波波長一半的物質，即尺寸不超過200納米的物質。這就是有名的“阿貝極限”。

“阿貝極限”公布之后，科學家感到十分沮喪，因為分子和原子的尺寸大多在200納米以下。也就是說，光學顯微鏡似乎難以“看到”分子和原子所活動的納米世界了。打個比方來說，如果生命是一座城市，那么細胞就是城市中的每一個房間。我們肉眼只能看到生命“城市”和器官、組織等“建筑”，光學顯微鏡只能看到細胞“房間”，卻難以看到“房間”內的物品。

由于科學研究越來越多地從分子和原子的層面來揭示自然界物質的變化規律，科學家一度認為光學顯微鏡沒有什么前途了。因此，科學家開始發明多種能“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，是光學顯微鏡精度的1 000倍！

讓分子發光

在電子顯微鏡熱熱鬧鬧地大展身手的時候，光學顯微鏡只能躲在實驗室的角落里，默默地忍受被科學家冷落的命運。難道光學顯微鏡真的就這樣成了“過氣明星”嗎？然而，分子生物學的發展給予了光學顯微鏡新的機遇。分子生物學家很快就發現，在物理學和化學研究中得心應手的電子顯微鏡，到了分子生物學研究中往往有些“水土不服”。因為電子顯微鏡不能研究活物，它們必須把細胞“殘忍地殺死”后才能進行觀察。這樣一來，生物學家就難以研究分子在活細胞中的正常活動。

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

如何讓細胞中的分子發出熒光呢？赫爾發明了熒光手電來解決這個問題。赫爾先利用成熟的分子染色技術給細胞注射熒光物質，熒光物質像染料一樣沾染到細胞中的生物大分子上。然后，利用熒光手電發出極細的激光束照射生物大分子，大分子上的熒光物質被激發而發出熒光，就像是生物大分子本身發光一樣。

突破極限

為何發出熒光的細胞就可以讓光學顯微鏡突破極限呢？因為在周圍環境黑暗的情況下，顯微鏡就可以看到細胞中發光的分子。有一個很好的例子可以說明這個問題。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，這盞燈泡亮起來之后，我們就可以看到它了。

如果夜晚遠處只有一盞燈，我們可以很好地分辨出這盞燈。如果夜晚遠處有一大片燈，甚至有一座明亮的城市，我們就很難分辨其中的一盞燈，這是因為光線相互干擾，“阿貝極限”又在起作用了。因此，赫爾得想辦法消除光線干擾，他改進了熒光手電，讓它可以發出一束激光讓生物分子發光，再用另一束激光消除其他熒光，通過兩束激光交替掃描細胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫納和貝齊格進一步想出了一些辦法，消除或濾掉細胞中多余的熒光，結果讓顯微鏡居然成功地“看到”單個的生物分子。這被稱為單分子熒光顯微鏡。

活生生的納米世界

諾貝爾化學獎評委會認為，“理論上講，如今沒有什么物質結構小得無法研究。”在電子顯微鏡時代，納米世界就像沙漠一樣死寂，其中的所有物質靜靜地躺在那里。然而，超分辨率光學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原本的“生活方式”繼續活動。

有了超分辨光學顯微鏡，科學家就可以從分子層面看到生命體生老病死所帶來的變化。在不遠的將來，醫學家可以對我們的健康進行“精細”護理和治療。他們可以發現我們身體中的哪些細胞哪些分子出了問題，然后有針對性地施放藥物，最大限度保護健康的細胞和組織不受到藥物的傷害。