超越极限，他们看到了“看不见的世界”

杨先碧

自从1665年罗伯特·胡克用自制的光学显微镜发现了生命的基本组成单位—— 细胞，人们的视野就拓展到了肉眼看不到的微小世界。细胞看似十分微小，其实还包含更加细小的“零件”，科学家得借助“眼神超好”的超分辨率显微镜才能看到它们。

在这些科学家中，有3个杰出代表获得了2014年诺贝尔化学奖。他们分别是来自美国的科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳，还有来自德国的科学家斯特凡·赫尔，正是他们的发现，打破了光学显微的极限。

光波的限制

自从显微镜发明以来，科学家就不断对它进行改进，期待获得更大的放大倍数和更高的分辨精度，这样就能透过细胞膜看到细胞内部的构造。1873年，德国显微镜学家恩斯特·阿贝通过计算发现，由于光波相互干扰的原因，光学显微镜不能无限度地放大微小物质，最多只能“看到”光波波长一半的物质，即尺寸不超过200纳米的物质。这就是有名的“阿贝极限”。

“阿贝极限”公布之后，科学家感到十分沮丧，因为分子和原子的尺寸大多在200纳米以下。也就是说，光学显微镜似乎难以“看到”分子和原子所活动的纳米世界了。打个比方来说，如果生命是一座城市，那么细胞就是城市中的每一个房间。我们肉眼只能看到生命“城市”和器官、组织等“建筑”，光学显微镜只能看到细胞“房间”，却难以看到“房间”内的物品。

由于科学研究越来越多地从分子和原子的层面来揭示自然界物质的变化规律，科学家一度认为光学显微镜没有什么前途了。因此，科学家开始发明多种能“看清”纳米世界的电子显微镜。这些显微镜居然可以看到最小尺寸为0.2纳米的原子，是光学显微镜精度的1 000倍！

让分子发光

在电子显微镜热热闹闹地大展身手的时候，光学显微镜只能躲在实验室的角落里，默默地忍受被科学家冷落的命运。难道光学显微镜真的就这样成了“过气明星”吗？然而，分子生物学的发展给予了光学显微镜新的机遇。分子生物学家很快就发现，在物理学和化学研究中得心应手的电子显微镜，到了分子生物学研究中往往有些“水土不服”。因为电子显微镜不能研究活物，它们必须把细胞“残忍地杀死”后才能进行观察。这样一来，生物学家就难以研究分子在活细胞中的正常活动。

于是，相关科学家就得重新考虑如何研制出精度超越200纳米的光学显微镜。显然，按照传统的方法继续研究，那就是“钻牛角尖”了，必须换种思路来突破极限。这种新思路还真被科学家想到了，那就是不再用外来的光源观察细胞，而是让细胞中的分子发出荧光。因此，目前生物学家所用的超分辨率显微镜也叫荧光显微镜。

如何让细胞中的分子发出荧光呢？赫尔发明了荧光手电来解决这个问题。赫尔先利用成熟的分子染色技术给细胞注射荧光物质，荧光物质像染料一样沾染到细胞中的生物大分子上。然后，利用荧光手电发出极细的激光束照射生物大分子，大分子上的荧光物质被激发而发出荧光，就像是生物大分子本身发光一样。

突破极限

为何发出荧光的细胞就可以让光学显微镜突破极限呢？因为在周围环境黑暗的情况下，显微镜就可以看到细胞中发光的分子。有一个很好的例子可以说明这个问题。在明亮的白天，我们很难看到几百米外的一盏灯泡；如果是在漆黑的夜晚，这盏灯泡亮起来之后，我们就可以看到它了。

如果夜晚远处只有一盏灯，我们可以很好地分辨出这盏灯。如果夜晚远处有一大片灯，甚至有一座明亮的城市，我们就很难分辨其中的一盏灯，这是因为光线相互干扰，“阿贝极限”又在起作用了。因此，赫尔得想办法消除光线干扰，他改进了荧光手电，让它可以发出一束激光让生物分子发光，再用另一束激光消除其他荧光，通过两束激光交替扫描细胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫纳和贝齐格进一步想出了一些办法，消除或滤掉细胞中多余的荧光，结果让显微镜居然成功地“看到”单个的生物分子。这被称为单分子荧光显微镜。

活生生的纳米世界

诺贝尔化学奖评委会认为，“理论上讲，如今没有什么物质结构小得无法研究。”在电子显微镜时代，纳米世界就像沙漠一样死寂，其中的所有物质静静地躺在那里。然而，超分辨率光学显微镜让我们可以看到活生生的纳米世界，所有的生物分子按照它们原本的“生活方式”继续活动。

有了超分辨光学显微镜，科学家就可以从分子层面看到生命体生老病死所带来的变化。在不远的将来，医学家可以对我们的健康进行“精细”护理和治疗。他们可以发现我们身体中的哪些细胞哪些分子出了问题，然后有针对性地施放药物，最大限度保护健康的细胞和组织不受到药物的伤害。