見所未見

你見過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。但是對科學(xué)研究來說，這種程度遠遠不夠。

在歐洲文藝復(fù)興時期，自然科學(xué)得到了很大的發(fā)展，第一臺光學(xué)顯微鏡就在那個時候誕生了。有了這個神奇的東西，科學(xué)家們就像打開了新世界的大門，沒事就用顯微鏡來瞅瞅這，瞧瞧那，發(fā)現(xiàn)了很多原來根本看不到的東西。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)了細胞的存在?，F(xiàn)代生物學(xué)以及微生物學(xué)都是因為光學(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”。隨著科技的進步，顯微鏡越來越厲害，人們觀測到的東西也越來越小，那么一個問題也就來了：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)的話說出來就是“分辨率有多高”，分辨率指的是成像系統(tǒng)解析成像細節(jié)的能力，或者說成像系統(tǒng)能區(qū)分兩點之間的最小距離。1873年，物理學(xué)家恩斯特·阿貝給光學(xué)顯微鏡下了個結(jié)論：光學(xué)顯微鏡分辨率有一個極限值，大概是0.2微米。這個極限值是什么概念呢？也就是說科學(xué)家們只能用顯微鏡觀察到單個細胞，再小就不行了。長久以來，人們都認為光學(xué)顯微鏡沒法突破這個極限，不過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明顯的缺點：它必須在真空環(huán)境下觀察，所以很難用于活的生物樣本。對了，還有一個缺點，那就是貴！一臺電子顯微鏡可是超貴的！

顯微鏡能看到的極限真的沒辦法突破了嗎？就像游戲中再困難的關(guān)卡也一定會有人通關(guān)一樣，科學(xué)上的難題也總會有人來解鎖。時間進入1989年，我的同行莫納先生發(fā)現(xiàn)了一個突破極限的重要物質(zhì)——熒光分子（9月號我們講過有關(guān)熒光蛋白的知識，可以去復(fù)習(xí)一下）。熒光能吸收一種波長的光，并且放射出另一種波長的光。莫納觀察到了單個熒光分子，可以精確地定位它的中心位置。熒光在發(fā)光一段時間后，便不再持續(xù)發(fā)光，你可以把它想象成一個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，我的另一個同行貝齊格利用莫納的熒光研究成果發(fā)明出了一臺“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)這個過程就可以把樣品中所有的分子都定位出來，得到整個圖形。你玩過連線畫圖的游戲吧？一些標記數(shù)字的小點，按照數(shù)字的順序連起來就會得到一幅完整的圖，其實這個顯微鏡就和這個游戲差不多。這個發(fā)明讓人們可以從更微小的分子細節(jié)來研究活細胞，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，他是一個極具個性的科學(xué)家。他最初加入了大名鼎鼎的貝爾實驗室，里面高手云集，出了好幾個諾貝爾獎得主，可以說是科學(xué)家非常理想的一個工作地方。但是貝齊格在里面干了幾年后，突然覺得搞科研沒意思，于是離開了。他可不愁找不到工作，因為他還有一個身份是富二代，他爸爸有一家很大的公司，不差錢。貝齊格去了他爸爸的公司上班，順手搞出了好幾個發(fā)明專利，賺了大把的錢。這個時候呢，他又覺得上班沒意思了，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。有人問他獲獎的感受，這位牛人滿不在乎地說：“諾貝爾獎沒什么意思，做有趣的科研才有意思?！闭媸怯胁湃涡园?！

同時我也要臭美一下，我在顯微鏡的發(fā)展中也做出了一些貢獻，要不然怎么會頒獎給我呢？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突破極限，為了這個研究，我還賣掉了4Pi顯微鏡的專利。和我在前面提過的同行一樣，我也成功地研究出了熒光顯微鏡，只是方法稍微有點不同罷了。

在這一領(lǐng)域，還有一個值得一提的人——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，他沒能分享諾貝爾獎。不過對科學(xué)家來說，研究成果才是最重要的，獎項只是一個附加的鼓勵罷了。

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