见所未见

你见过最小的东西是什么呢？一只小蚂蚁？一颗沙子？或者是一粒小得不能再小的尘埃？就算我们视力再好，这些应该也是我们肉眼能看到的极限小东西了。但是对科学研究来说，这种程度远远不够。

在欧洲文艺复兴时期，自然科学得到了很大的发展，第一台光学显微镜就在那个时候诞生了。有了这个神奇的东西，科学家们就像打开了新世界的大门，没事就用显微镜来瞅瞅这，瞧瞧那，发现了很多原来根本看不到的东西。著名的罗伯特·胡克先生就是在1665年用显微镜随便看了看红酒瓶的软木塞，结果发现了细胞的存在。现代生物学以及微生物学都是因为光学显微镜而诞生的，显微镜也成了生物学家不可缺少的“神器”。随着科技的进步，显微镜越来越厉害，人们观测到的东西也越来越小，那么一个问题也就来了：光学显微镜究竟能看到多小的物体呢？

“能看到多小的物体”用比较科学的话说出来就是“分辨率有多高”，分辨率指的是成像系统解析成像细节的能力，或者说成像系统能区分两点之间的最小距离。1873年，物理学家恩斯特·阿贝给光学显微镜下了个结论：光学显微镜分辨率有一个极限值，大概是0.2微米。这个极限值是什么概念呢？也就是说科学家们只能用显微镜观察到单个细胞，再小就不行了。长久以来，人们都认为光学显微镜没法突破这个极限，不过能看到的微观世界也足够科学家们研究上一阵子了。

追求更高分辨率的人们发明了电子显微镜，但是电子显微镜也要遵循光的物理规则，它只比光学显微镜看得更清楚，却并不能看到更小的东西。而且电子显微镜有一个明显的缺点：它必须在真空环境下观察，所以很难用于活的生物样本。对了，还有一个缺点，那就是贵！一台电子显微镜可是超贵的！

显微镜能看到的极限真的没办法突破了吗？就像游戏中再困难的关卡也一定会有人通关一样，科学上的难题也总会有人来解锁。时间进入1989年，我的同行莫纳先生发现了一个突破极限的重要物质——荧光分子（9月号我们讲过有关荧光蛋白的知识，可以去复习一下）。荧光能吸收一种波长的光，并且放射出另一种波长的光。莫纳观察到了单个荧光分子，可以精确地定位它的中心位置。荧光在发光一段时间后，便不再持续发光，你可以把它想象成一个电能被用完了的电筒。莫纳还发现了可以控制荧光发光的方法：一些不能发光的荧光在照射激光后，能被重新激活，再次发光，这个方法叫做“光激活”，就像电筒的电池充满了电，就又可以使用了。

接着，我的另一个同行贝齐格利用莫纳的荧光研究成果发明出了一台“光激活定位显微镜”，就是用激光照射样品，激发一部分荧光分子发光，等这部分荧光褪色后，再去照其他部分的荧光分子。重复这个过程就可以把样品中所有的分子都定位出来，得到整个图形。你玩过连线画图的游戏吧？一些标记数字的小点，按照数字的顺序连起来就会得到一幅完整的图，其实这个显微镜就和这个游戏差不多。这个发明让人们可以从更微小的分子细节来研究活细胞，大大突破了光学显微镜的极限。

我在这里顺便八卦一下贝齐格，他是一个极具个性的科学家。他最初加入了大名鼎鼎的贝尔实验室，里面高手云集，出了好几个诺贝尔奖得主，可以说是科学家非常理想的一个工作地方。但是贝齐格在里面干了几年后，突然觉得搞科研没意思，于是离开了。他可不愁找不到工作，因为他还有一个身份是富二代，他爸爸有一家很大的公司，不差钱。贝齐格去了他爸爸的公司上班，顺手搞出了好几个发明专利，赚了大把的钱。这个时候呢，他又觉得上班没意思了，想回去搞科研了。于是他就在家里自己鼓捣，结果就发明了上面提到的荧光显微镜。在2014年，他与我和莫纳一起获得了诺贝尔化学奖。有人问他获奖的感受，这位牛人满不在乎地说：“诺贝尔奖没什么意思，做有趣的科研才有意思。”真是有才任性啊！

同时我也要臭美一下，我在显微镜的发展中也做出了一些贡献，要不然怎么会颁奖给我呢？我在1990年发明了一种光学显微镜，叫4Pi显微镜，可以将传统的光学显微的效果提高三至七倍。之后我也想到了利用荧光来突破极限，为了这个研究，我还卖掉了4Pi显微镜的专利。和我在前面提过的同行一样，我也成功地研究出了荧光显微镜，只是方法稍微有点不同罢了。

在这一领域，还有一个值得一提的人——华人科学家庄小威。他几乎是和贝齐格同时发明出了超分辨率显微镜，而且原理都差不多，但遗憾的是，他没能分享诺贝尔奖。不过对科学家来说，研究成果才是最重要的，奖项只是一个附加的鼓励罢了。

今天的科学家能做到前人无法想象的事，他们能看到脑部神经细胞间的突触是如何形成的；能观察到一些疾病相关的蛋白聚集过程，他们能看到更小也更广阔的世界。也许有后来人会继续突破我们的极限。见所未见，也许这就是科学带给我们最好的礼物。