新型顯微鏡物鏡的靈感來源于扇貝

文 張 聞

你吃過扇貝嗎？這種雙殼類軟體動物肉質鮮美，是人們餐桌上的常見美食。但是鮮為人知的是，這個被人們熟知的生物居然是有眼睛的，而且多達200多只。

這些眼睛，啟發了瑞士蘇黎世大學的神經科學家，幫助他們開發了一種顯微鏡物鏡。與傳統顯微鏡相比，這種新的顯微鏡能更廣泛地浸沒在不同介質中，對組織和器官進行高分辨率成像。研究成果已于近期發表在《自然·生物技術》上。

扇貝的眼睛

在日常生活中，我們看到的大部分扇貝被當作美食食用。扇貝的眼睛由于長在外殼邊緣的外套膜內，在加工的時候通常都會被去除，因此我們在吃的時候很難看到它們的眼睛。不過，如果我們撬開一只鮮活的扇貝，就會看到它的眼睛長在殼的邊緣，就是它的“裙邊”上面，由一個一個小亮點連起來，就像一串藍色的珍珠。

早期研究已經證明，扇貝的眼睛結構非常復雜。每只眼睛都有一個晶狀體、兩個視網膜，后面還有一個反光鏡般的結構。科學家們推測光線會穿透晶狀體和透明的視網膜，并從反光鏡反射回來，最終投射在視網膜上。但目前無人知曉這些反光鏡是如何參與成像的，以及為什么大多數動物只需要一個視網膜，而扇貝則需要兩個視網膜。

2017年，以色列魏茲曼科學研究所的研究人員本杰明·帕爾默博士及其同事使用了一種被稱為冷凍電子顯微鏡的強大新工具來深入觀察扇貝的眼睛。他們發現扇貝的眼睛中形成了一種自然界從未發現過的鳥嘌呤晶體結構：一種扁平的正方形。眾所周知，鳥嘌呤是構成DNA的主要成分之一，但是在部分動物體內，鳥嘌呤被用來構成能夠反射光線的結晶體。一些體內含有鳥嘌呤結晶物的魚通體呈現銀色。但是并沒有人知道鳥嘌呤是如何幫助扇貝看到周圍的一切的。“這令人非常吃驚，我們知道這將會是一個震驚世界的極有意義的事情。”本杰明·帕爾默說。

施密特望遠鏡

如何結合扇貝眼睛的特殊結構進行科研技術的創新？長期以來，科學家們始終在這一方向上不斷開拓。從扇貝眼睛“晶狀體（透鏡）與反射鏡”的組合中受到啟發，蘇黎世大學的神經科學家們聯想到了在天文學中被廣泛使用的施密特望遠鏡。

在這類天文望遠鏡中，用反射鏡而非透鏡來創造圖像更為常見，因為這可以盡可能多地捕捉行星、恒星和星系的光線。但在用于研究生物微觀世界的顯微鏡中，反射鏡鮮少使用。大多數顯微鏡物鏡都非常緊湊，可以輕易組裝。但為了獲得更高的圖像質量，需要10到15片由不同類型的玻璃制成的透鏡，并且所有這些透鏡都必須精確拋光并相互對齊。因此，用于研究的顯微鏡物鏡的成本可能相當于中型汽車的成本，占顯微鏡總成本的很大一部分。

除此之外，這類顯微鏡還有一個很大的缺點：它們通常只為一種特定的浸沒介質設計，比如空氣、水或者油。這意味著，每當面對需要不同浸沒介質的樣品時，就要購買新的物鏡。

近年來，能夠讓生物組織樣本變得透明的技術成為生物學和病理學領域的大勢所趨。但是，大多數透明技術使用的是與傳統顯微鏡物鏡不兼容的浸沒介質。為了規避傳統顯微鏡物鏡的局限性，同時受到扇貝眼睛的啟發，蘇黎世大學的科研人員意識到，可以用液體浸沒介質填充施密特望遠鏡，并將它縮小到顯微鏡的大小。由此產生的物鏡在任何均勻的液體及空氣中都能提供出色的圖像質量。在這一科研想法的支撐下，他們成功設計出了一臺“迷你浸沒施密特顯微物鏡”。

這種“迷你鏡”在設計過程中使用了反射鏡，因此無論浸在液體中還是在空氣中，球面鏡都能將光聚焦在同一位置。這意味著施密特物鏡可以與許多不同的透明技術兼容。與包含十幾片透鏡的傳統物鏡相比，這種創新的物鏡可以更經濟地制造，而且成像質量更好,未來可能應用于對腫瘤組織的檢查，或者對神經系統疾病的檢測等。