十七世紀(jì)，最早的微生物學(xué)家安東尼.范.列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）利用聚光下的透鏡看到了游動(dòng)的細(xì)胞，并為之驚嘆不已。自那時(shí)起，顯微鏡便開辟了新的研究前景。今年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家。他們突破光學(xué)顯微鏡的極限，展現(xiàn)了活細(xì)胞分子級(jí)結(jié)構(gòu)的清晰圖像。
斯特凡.赫爾（Stefan Hell）、威廉姆.莫爾納爾（William Moerner）和埃里克.白茲格（Eric Betzig）在上世紀(jì)九十年代與本世紀(jì)頭十年內(nèi)所取得的進(jìn)展，意味著如今生物學(xué)家可以對(duì)蛋白質(zhì)分散、進(jìn)入細(xì)胞的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。該技術(shù)可應(yīng)用于研究神經(jīng)元間如何連接，以及受精卵如何分裂成胚胎等問題。
“這真是生命科學(xué)的革命，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以看到從前看不到的結(jié)構(gòu)。”斯特凡.赫爾說道。（斯特凡.赫爾在位于哥廷根的馬克斯？普朗克學(xué)會(huì)生物物理化學(xué)研究所從事超分辨率技術(shù)的研究工作。）或如諾貝爾委員會(huì)所說：“顯微（微米）技術(shù)已然變?yōu)轱@納（納米）技術(shù)了。”
正如德國物理學(xué)家恩斯特.阿貝（Ernst Abbe）于1873年所意識(shí)到的那樣，無論透鏡有多干凈，光學(xué)顯微鏡所呈現(xiàn)的細(xì)胞分子圖像總是模糊不清的。物理定律決定：當(dāng)物體間距小于約200納米（約為可見光波長的一半）時(shí)，可見光將無法分辨不同物體，而這些物體將會(huì)呈現(xiàn)為一點(diǎn)。這稱作阿布衍射極限。在這種分辨率下，人們可以看到細(xì)胞中的細(xì)胞器，卻看不到細(xì)胞器的具體結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡的分辨率高，但只限于真空條件下使用，故僅能用于研究已死的組織。
阿布極限是客觀存在的，無法克服。于是，2014年的諾貝爾獎(jiǎng)得主們轉(zhuǎn)而運(yùn)用熒光團(tuán)（熒光分子）技術(shù)。所謂熒光團(tuán)技術(shù)，即激光器發(fā)射出特定波長的激光，沖擊熒光團(tuán)使其發(fā)光。這一技術(shù)現(xiàn)常用于生物成像。
威廉姆.莫爾納爾
戰(zhàn)勝模糊
威廉姆.莫爾納爾現(xiàn)就職于加利福尼亞州斯坦福大學(xué)。他于1989年在位于圣荷西的IBM阿爾馬登研究中心工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了單個(gè)分子會(huì)發(fā)出微弱的熒光。1997年，他在加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校任職期間，又找到了控制熒光的辦法，從而可以像開關(guān)燈一樣改變分子。但仍舊需要這些單個(gè)分子間距大于200納米才能分辨出來。
1995年，新澤西默里山貝爾工作室的埃里克.白茲格提議：如果使細(xì)胞中異種分子發(fā)出不同顏色的光，研究人員應(yīng)當(dāng)可以通過順序拍攝紅分子、綠分子、藍(lán)分子的照片來提高分辨率。雖然同色熒光團(tuán)仍需相距200納米以上，但通過圖層疊加的方法的確可以做出擁有更高分辨率的結(jié)構(gòu)圖。接下來，莫爾納爾證明了各類同種分子可在不同時(shí)刻發(fā)光。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最終將白茲格的想法變成了現(xiàn)實(shí)。
埃里克.白茲格
白茲格歷經(jīng)近十年才將他的想法付諸實(shí)踐。他曾離開科學(xué)學(xué)術(shù)界，到他父親在密歇根的醫(yī)療設(shè)備公司工作。2006年，他效力于弗吉尼亞州阿什本地區(qū)霍華德？休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮利亞農(nóng)業(yè)研究院。他運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)拍攝了一張溶酶體蛋白的超分辨率照片，溶酶體蛋白上遍布著帶有綠色熒光標(biāo)記的分子。德國維爾茨堡大學(xué)超分辨率顯微技術(shù)研究員馬庫斯.薩澳（Markus Sauer）說：這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)可達(dá)到20納米的分辨率。
此時(shí)，正在芬蘭圖爾庫大學(xué)工作的斯特凡.赫爾發(fā)現(xiàn)了一種可以避開阿布極限的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)同樣依賴于對(duì)熒光分子的控制。1994年，他提出：使用激光器制造有色熒光團(tuán)，然后再次使用激光器使部分熒光團(tuán)停止發(fā)光。其實(shí)早在1917年，愛因斯坦就描述了這一過程。
赫爾的方法是運(yùn)用第二次激光照射沖擊被照亮的熒光團(tuán)，如此一來只剩下極少熒光點(diǎn)在發(fā)光。而由于無法戰(zhàn)勝阿布極限，最后的圖像還是模糊的。但有一點(diǎn)可以肯定，第二次照射后剩下的極少熒光點(diǎn)可以幫助研究人員確定光源。
將一系列這樣的熒光點(diǎn)集合起來，就可以得到一幅高分辨率的圖像。理論上，這些熒光點(diǎn)可以達(dá)到僅幾納米的間距。但在活細(xì)胞中，30納米左右已然是極限了。薩澳說：這是由于現(xiàn)階段第二次激光強(qiáng)度太大而常常破壞熒光團(tuán)。
斯特凡.赫爾
細(xì)胞的世界
“至少在我看來，二十世紀(jì)那么多的物理發(fā)現(xiàn)一定能幫我們克服衍射難題。”現(xiàn)就職于哥根廷馬克斯？普朗克學(xué)會(huì)生物物理化學(xué)研究所的赫爾，在得知獲獎(jiǎng)消息時(shí)這樣對(duì)諾貝爾委員會(huì)說道。
“的確如此，赫爾運(yùn)用的所有量子物理原理都在二十世紀(jì)二十年代末被發(fā)現(xiàn)。”托馬斯.卡拉爾指出。托馬斯.卡拉爾（Thomas Klar）是奧地利約翰.開普勒林茲大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)研究所負(fù)責(zé)人，曾在2000年與赫爾合著原理論證的論文。
赫爾接到諾貝爾委員會(huì)打來的電話時(shí)正在讀一篇科學(xué)論文。之后，他說：“我讀完了想看的那段，然后打電話給我的妻子和一些親友。”
今年諾貝爾獎(jiǎng)得主們的發(fā)明尚未成為常規(guī)技術(shù)，但已有許多生物學(xué)家運(yùn)用此技術(shù)拍攝出了很好的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。赫爾還發(fā)布了間距40納米的小泡在神經(jīng)元內(nèi)游動(dòng)的視頻。莊小威是馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的一名化學(xué)家。她自己則另有發(fā)明——隨機(jī)光學(xué)重建顯微法。該顯微法可用于展現(xiàn)肌動(dòng)蛋白纖維如何沿軸突橫截面周長呈環(huán)狀包裹軸突。“將來會(huì)出現(xiàn)許多新版的超分辨率顯微鏡。”赫爾說道。
