新型顯微鏡物鏡的靈感來(lái)源于扇貝

文 張 聞

你吃過(guò)扇貝嗎？這種雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物肉質(zhì)鮮美，是人們餐桌上的常見(jiàn)美食。但是鮮為人知的是，這個(gè)被人們熟知的生物居然是有眼睛的，而且多達(dá)200多只。

這些眼睛，啟發(fā)了瑞士蘇黎世大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家，幫助他們開(kāi)發(fā)了一種顯微鏡物鏡。與傳統(tǒng)顯微鏡相比，這種新的顯微鏡能更廣泛地浸沒(méi)在不同介質(zhì)中，對(duì)組織和器官進(jìn)行高分辨率成像。研究成果已于近期發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》上。

扇貝的眼睛

在日常生活中，我們看到的大部分扇貝被當(dāng)作美食食用。扇貝的眼睛由于長(zhǎng)在外殼邊緣的外套膜內(nèi)，在加工的時(shí)候通常都會(huì)被去除，因此我們?cè)诔缘臅r(shí)候很難看到它們的眼睛。不過(guò)，如果我們撬開(kāi)一只鮮活的扇貝，就會(huì)看到它的眼睛長(zhǎng)在殼的邊緣，就是它的“裙邊”上面，由一個(gè)一個(gè)小亮點(diǎn)連起來(lái)，就像一串藍(lán)色的珍珠。

早期研究已經(jīng)證明，扇貝的眼睛結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。每只眼睛都有一個(gè)晶狀體、兩個(gè)視網(wǎng)膜，后面還有一個(gè)反光鏡般的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們推測(cè)光線(xiàn)會(huì)穿透晶狀體和透明的視網(wǎng)膜，并從反光鏡反射回來(lái)，最終投射在視網(wǎng)膜上。但目前無(wú)人知曉這些反光鏡是如何參與成像的，以及為什么大多數(shù)動(dòng)物只需要一個(gè)視網(wǎng)膜，而扇貝則需要兩個(gè)視網(wǎng)膜。

2017年，以色列魏茲曼科學(xué)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(chēng)為冷凍電子顯微鏡的強(qiáng)大新工具來(lái)深入觀(guān)察扇貝的眼睛。他們發(fā)現(xiàn)扇貝的眼睛中形成了一種自然界從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的鳥(niǎo)嘌呤晶體結(jié)構(gòu)：一種扁平的正方形。眾所周知，鳥(niǎo)嘌呤是構(gòu)成DNA的主要成分之一，但是在部分動(dòng)物體內(nèi)，鳥(niǎo)嘌呤被用來(lái)構(gòu)成能夠反射光線(xiàn)的結(jié)晶體。一些體內(nèi)含有鳥(niǎo)嘌呤結(jié)晶物的魚(yú)通體呈現(xiàn)銀色。但是并沒(méi)有人知道鳥(niǎo)嘌呤是如何幫助扇貝看到周?chē)囊磺械??！斑@令人非常吃驚，我們知道這將會(huì)是一個(gè)震驚世界的極有意義的事情?！北窘苊鳌づ翣柲f(shuō)。

施密特望遠(yuǎn)鏡

如何結(jié)合扇貝眼睛的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行科研技術(shù)的創(chuàng)新？長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們始終在這一方向上不斷開(kāi)拓。從扇貝眼睛“晶狀體（透鏡）與反射鏡”的組合中受到啟發(fā)，蘇黎世大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家們聯(lián)想到了在天文學(xué)中被廣泛使用的施密特望遠(yuǎn)鏡。

在這類(lèi)天文望遠(yuǎn)鏡中，用反射鏡而非透鏡來(lái)創(chuàng)造圖像更為常見(jiàn)，因?yàn)檫@可以盡可能多地捕捉行星、恒星和星系的光線(xiàn)。但在用于研究生物微觀(guān)世界的顯微鏡中，反射鏡鮮少使用。大多數(shù)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(zhì)量，需要10到15片由不同類(lèi)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(duì)齊。因此，用于研究的顯微鏡物鏡的成本可能相當(dāng)于中型汽車(chē)的成本，占顯微鏡總成本的很大一部分。

除此之外，這類(lèi)顯微鏡還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：它們通常只為一種特定的浸沒(méi)介質(zhì)設(shè)計(jì)，比如空氣、水或者油。這意味著，每當(dāng)面對(duì)需要不同浸沒(méi)介質(zhì)的樣品時(shí)，就要購(gòu)買(mǎi)新的物鏡。

近年來(lái)，能夠讓生物組織樣本變得透明的技術(shù)成為生物學(xué)和病理學(xué)領(lǐng)域的大勢(shì)所趨。但是，大多數(shù)透明技術(shù)使用的是與傳統(tǒng)顯微鏡物鏡不兼容的浸沒(méi)介質(zhì)。為了規(guī)避傳統(tǒng)顯微鏡物鏡的局限性，同時(shí)受到扇貝眼睛的啟發(fā)，蘇黎世大學(xué)的科研人員意識(shí)到，可以用液體浸沒(méi)介質(zhì)填充施密特望遠(yuǎn)鏡，并將它縮小到顯微鏡的大小。由此產(chǎn)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(zhì)量。在這一科研想法的支撐下，他們成功設(shè)計(jì)出了一臺(tái)“迷你浸沒(méi)施密特顯微物鏡”。

這種“迷你鏡”在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了反射鏡，因此無(wú)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(shù)兼容。與包含十幾片透鏡的傳統(tǒng)物鏡相比，這種創(chuàng)新的物鏡可以更經(jīng)濟(jì)地制造，而且成像質(zhì)量更好,未來(lái)可能應(yīng)用于對(duì)腫瘤組織的檢查，或者對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的檢測(cè)等。