突破极限：看到纳米的世界

当地时间10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将2014年的诺贝尔医学奖授予美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔，以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜作出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。

他们的工作突破了什么呢？

伴随着黑暗的中世纪的结束，欧洲社会进入了文艺复兴时期。也正是在这期间，人类的第一台光学显微镜问世了。科学家们通过它看到了红血细胞，细菌，酵母细胞和精子，仿佛也看到了一个新的世界。著名的罗伯特·胡克先生就是在1665年用光学显微镜看了看红酒瓶的软木塞从而发现了细胞的存在。现代生物学和微生物学因为光学显微镜而诞生了，光学显微镜也成为研究生命科学的工具箱中最重要的工具之一。人们也开始心生疑问，光学显微镜到底能看多小？“能看多小”换成比较科学的说法就是“分辨率有多高”。分辨率，严格讲是光学分辨率。描述的是成像系统解析成像细节能力，或者说是成像系统能区分的两点之间的最小距离。1873年，物理学家恩斯特·阿贝得出结论：传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限，不可能获得比所用光的波长的一半更高的分辨率—0.2微米。但2014年这三位研究者却用自己的研究成果打破了这一预言。他们使用荧光分子，巧妙地绕开了这一限制，让科学家们看到一个从不曾看见的世界。

探索“荧光”的历程

超分辨率荧光显微镜很重要的一个方面是荧光。荧光是一种光致冷发光现象，荧光分子能够吸收一种波长的光，放射出另外一种波长的光。但荧光分子是有一定寿命的，其持续发光一段时间后，将因褪色不能继续发光。荧光分子可以是荧光蛋白质分子，也可以是有机分子。在莫纳之前，人们观测荧光分子时都是同时观测到几百万几千万个分子，得到的结果是其平均统计结果。而莫纳是第一个能够探测单个荧光分子的人，于1989年将技术推进到观测单个荧光分子。能够探测并观察单个荧光分子对于超分辨率显微镜极其重要，这是超分辨率显微镜的基础。莫纳的另一个贡献是发现了像控制电灯泡一样方便地控制荧光蛋白发光的方法：一些已褪色的荧光蛋白在照射405纳米激光后能够被激活，再照射其激发光即可重新发出荧光；这个方法称为“光激活”。

贝齐格发明的超分辨率显微镜叫光激活定位显微镜，其中所利用的就是莫纳发现的光激活方法。贝齐格利用微量的405纳米激光照射样品，使得其中极小部分荧光分子能够发出荧光。由于这些发光的荧光分子很稀疏从而相距较远，它们的位置能够精确地确定下来。等这些分子光致褪色后，再次照射405纳米激光而激活另一小部分荧光分子。重复这个过程即可将样品中的所有分子定位出来，从而得到整个样品的图像。

赫尔则另辟蹊径，他发明的是STED——受激发射损耗，荧光成像技术。在这个技术中，虽然激发光脉冲能够激发0.2微米区域内的所有荧光分子，但是另一种甜甜圈形状的激光能将其照射区域的所有分子的荧光消除，从而只留下中间的分子的荧光。通过扫描整个样品，从而实现对整个样品的成像。

三位科学家各自连接又独立所作出的成就，也使得人类因掌握超分辨率荧光显微技术而受益。

微观的天空更加广阔

如今，纳米显微技术已在各个领域特别是医学方面大显身手。科学家可以观察到更小的结构，也可以观测活细胞中不同分子的运动——他们能够看到脑部神经细胞间的突触是如形成何的，他们能够观察到与帕金森氏症、阿尔兹海默症和亨丁顿舞蹈症相关的蛋白聚集过程，他们也能够在受精卵分裂形成胚胎时追踪不同的蛋白质。伴随着这些微观世界奥秘的逐渐清晰，人类将更好地认识生命科学的现象和机理，也不断刷新对世界的认知。