見(jiàn)所未見(jiàn)

你見(jiàn)過(guò)最小的東西是什么呢？一只小螞蟻？一顆沙子？或者是一粒小得不能再小的塵埃？就算我們視力再好，這些應(yīng)該也是我們?nèi)庋勰芸吹降臉O限小東西了。但是對(duì)科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，這種程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

在歐洲文藝復(fù)興時(shí)期，自然科學(xué)得到了很大的發(fā)展，第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡就在那個(gè)時(shí)候誕生了。有了這個(gè)神奇的東西，科學(xué)家們就像打開(kāi)了新世界的大門(mén)，沒(méi)事就用顯微鏡來(lái)瞅瞅這，瞧瞧那，發(fā)現(xiàn)了很多原來(lái)根本看不到的東西。著名的羅伯特·胡克先生就是在1665年用顯微鏡隨便看了看紅酒瓶的軟木塞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的存在。現(xiàn)代生物學(xué)以及微生物學(xué)都是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡而誕生的，顯微鏡也成了生物學(xué)家不可缺少的“神器”。隨著科技的進(jìn)步，顯微鏡越來(lái)越厲害，人們觀測(cè)到的東西也越來(lái)越小，那么一個(gè)問(wèn)題也就來(lái)了：光學(xué)顯微鏡究竟能看到多小的物體呢？

“能看到多小的物體”用比較科學(xué)的話說(shuō)出來(lái)就是“分辨率有多高”，分辨率指的是成像系統(tǒng)解析成像細(xì)節(jié)的能力，或者說(shuō)成像系統(tǒng)能區(qū)分兩點(diǎn)之間的最小距離。1873年，物理學(xué)家恩斯特·阿貝給光學(xué)顯微鏡下了個(gè)結(jié)論：光學(xué)顯微鏡分辨率有一個(gè)極限值，大概是0.2微米。這個(gè)極限值是什么概念呢？也就是說(shuō)科學(xué)家們只能用顯微鏡觀察到單個(gè)細(xì)胞，再小就不行了。長(zhǎng)久以來(lái)，人們都認(rèn)為光學(xué)顯微鏡沒(méi)法突破這個(gè)極限，不過(guò)能看到的微觀世界也足夠科學(xué)家們研究上一陣子了。

追求更高分辨率的人們發(fā)明了電子顯微鏡，但是電子顯微鏡也要遵循光的物理規(guī)則，它只比光學(xué)顯微鏡看得更清楚，卻并不能看到更小的東西。而且電子顯微鏡有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：它必須在真空環(huán)境下觀察，所以很難用于活的生物樣本。對(duì)了，還有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是貴！一臺(tái)電子顯微鏡可是超貴的！

顯微鏡能看到的極限真的沒(méi)辦法突破了嗎？就像游戲中再困難的關(guān)卡也一定會(huì)有人通關(guān)一樣，科學(xué)上的難題也總會(huì)有人來(lái)解鎖。時(shí)間進(jìn)入1989年，我的同行莫納先生發(fā)現(xiàn)了一個(gè)突破極限的重要物質(zhì)——熒光分子（9月號(hào)我們講過(guò)有關(guān)熒光蛋白的知識(shí)，可以去復(fù)習(xí)一下）。熒光能吸收一種波長(zhǎng)的光，并且放射出另一種波長(zhǎng)的光。莫納觀察到了單個(gè)熒光分子，可以精確地定位它的中心位置。熒光在發(fā)光一段時(shí)間后，便不再持續(xù)發(fā)光，你可以把它想象成一個(gè)電能被用完了的電筒。莫納還發(fā)現(xiàn)了可以控制熒光發(fā)光的方法：一些不能發(fā)光的熒光在照射激光后，能被重新激活，再次發(fā)光，這個(gè)方法叫做“光激活”，就像電筒的電池充滿了電，就又可以使用了。

接著，我的另一個(gè)同行貝齊格利用莫納的熒光研究成果發(fā)明出了一臺(tái)“光激活定位顯微鏡”，就是用激光照射樣品，激發(fā)一部分熒光分子發(fā)光，等這部分熒光褪色后，再去照其他部分的熒光分子。重復(fù)這個(gè)過(guò)程就可以把樣品中所有的分子都定位出來(lái)，得到整個(gè)圖形。你玩過(guò)連線畫(huà)圖的游戲吧？一些標(biāo)記數(shù)字的小點(diǎn)，按照數(shù)字的順序連起來(lái)就會(huì)得到一幅完整的圖，其實(shí)這個(gè)顯微鏡就和這個(gè)游戲差不多。這個(gè)發(fā)明讓人們可以從更微小的分子細(xì)節(jié)來(lái)研究活細(xì)胞，大大突破了光學(xué)顯微鏡的極限。

我在這里順便八卦一下貝齊格，他是一個(gè)極具個(gè)性的科學(xué)家。他最初加入了大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室，里面高手云集，出了好幾個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)得主，可以說(shuō)是科學(xué)家非常理想的一個(gè)工作地方。但是貝齊格在里面干了幾年后，突然覺(jué)得搞科研沒(méi)意思，于是離開(kāi)了。他可不愁找不到工作，因?yàn)樗€有一個(gè)身份是富二代，他爸爸有一家很大的公司，不差錢(qián)。貝齊格去了他爸爸的公司上班，順手搞出了好幾個(gè)發(fā)明專(zhuān)利，賺了大把的錢(qián)。這個(gè)時(shí)候呢，他又覺(jué)得上班沒(méi)意思了，想回去搞科研了。于是他就在家里自己鼓搗，結(jié)果就發(fā)明了上面提到的熒光顯微鏡。在2014年，他與我和莫納一起獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。有人問(wèn)他獲獎(jiǎng)的感受，這位牛人滿不在乎地說(shuō)：“諾貝爾獎(jiǎng)沒(méi)什么意思，做有趣的科研才有意思。”真是有才任性啊！

同時(shí)我也要臭美一下，我在顯微鏡的發(fā)展中也做出了一些貢獻(xiàn)，要不然怎么會(huì)頒獎(jiǎng)給我呢？我在1990年發(fā)明了一種光學(xué)顯微鏡，叫4Pi顯微鏡，可以將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微的效果提高三至七倍。之后我也想到了利用熒光來(lái)突破極限，為了這個(gè)研究，我還賣(mài)掉了4Pi顯微鏡的專(zhuān)利。和我在前面提過(guò)的同行一樣，我也成功地研究出了熒光顯微鏡，只是方法稍微有點(diǎn)不同罷了。

在這一領(lǐng)域，還有一個(gè)值得一提的人——華人科學(xué)家莊小威。他幾乎是和貝齊格同時(shí)發(fā)明出了超分辨率顯微鏡，而且原理都差不多，但遺憾的是，他沒(méi)能分享諾貝爾獎(jiǎng)。不過(guò)對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，研究成果才是最重要的，獎(jiǎng)項(xiàng)只是一個(gè)附加的鼓勵(lì)罷了。

今天的科學(xué)家能做到前人無(wú)法想象的事，他們能看到腦部神經(jīng)細(xì)胞間的突觸是如何形成的；能觀察到一些疾病相關(guān)的蛋白聚集過(guò)程，他們能看到更小也更廣闊的世界。也許有后來(lái)人會(huì)繼續(xù)突破我們的極限。見(jiàn)所未見(jiàn)，也許這就是科學(xué)帶給我們最好的禮物。