微观世界的极限穿越

和浩瀚的宇宙一样神秘难以看清的，是我们自身的微观世界。100多年前，科学家发现光的衍射极限，这一极限决定了我们无法看清比可见光波长一半更小的物体。今年诺贝尔化学奖的三名获奖科学家巧妙地绕开了这种极限，将一个**的世界带给世人。他们是怎样做到的？现在科学家能带领人类看到哪些细节清晰的微观变化过程？上周六，北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心研究员孙育杰做客小谷围科学讲坛，为观众讲述了今年诺奖背后的故事。

**难破的“衍射极限”

2014年的诺贝尔化学奖宣布授予美国科学家埃里克·白兹格(EricBetzig)、威廉姆·莫纳尔(WilliamMoerner)和德国科学家施泰方·海尔(StefanHell)，以表彰他们在超高分辨率荧光显微技术领域的突破性功效，将光学显微镜带入了纳米维度。

孙育杰介绍，我们人眼一般*小能看见大约0.1毫米的东西，而细胞的直径平均约为20微米或0.02毫米，其中控制细胞的关键部分———细胞核只有整个细胞千分之一大小，约20-30纳米。细胞是一个忙碌混乱却又井然有序的微观世界，内部每时每刻都在发生变化。科学家们一直希望能看到细胞内这些生命过程是如何发生的。

实现这一目标，科学家们的优先选择是光学显微镜。光学显微技术优点众多，对样品没有损害，可以观察到活的细胞和生理过程，并且可以特异地观察目标对象。但由于光的衍射极限，此前光学显微镜的分辨率只能达到300纳米左右。电子显微镜倒是能看到纳米大小的对象，而电子显微镜的视野是黑白的，只有对比度和灰度差别，没有特异性，基本不能观察活的样品。

为什么存在这一极限？孙育杰解释，由于光的衍射，即使一个无限小的光点在通过透镜成像时，也会形成一个弥散图案，俗称“艾里斑”。科学研究表明，两个点之间的距离小于300纳米，弥散斑便会重合，无法区分，也就难以通过数学计算还原两个点的位置。

1873年，德国科学家恩斯特·阿贝(ErnstAbbe)提出了阿贝光学衍射极限的公式，光学显微镜的分辨率约为检测光波长的一半。由于可见光的波长为400-700纳米，所以光学显微镜的*高分辨率只有300纳米左右，相当于人类头发直径的1/300。

极限之后的美丽世界

如何突破这一极限，看到更清晰的微观世界？目前科学家使用的两种思路，**种是用小于衍射极限的光斑来扫描样品，这种方法由这次获奖的德国科学家施泰方·海尔提出。利用了类似于产生激光的受激辐射原理，将一束形似面包圈的激光光斑套在用于激发荧光的激光光斑外，这个面包圈激光可以抑制区域内荧光分子发出荧光，就像橡皮擦一样。通过不断缩小面包圈的孔径，可以获得一个小于衍射极限的荧光发光点，通过扫描实现超高分辨率的图像，将光学显微镜分辨率提高了近10倍。

第二种思路，是通过用光控制每次“可见”的分子数目，使得相邻分子不同时发光，将单个荧光分子的“艾里斑”通过数学方式计算中心，由于每次发光的分子不同，重复几十次后，能叠加得到样品的超高分辨率图像。

孙育杰说，超高分辨率显微技术**以后，8年来科学家利用这种方法研究各种细胞结构，结合单分子与超分辨显微镜研究细胞内物质运输，看到细胞核内DNA如何复制，细胞骨架的蛋白如何运动，看到细胞核表面像小花篮结构的小孔。

超分辨成像还可以应用于神经生物学，也就是脑科学研究。人类大脑有100亿个神经细胞，每个神经细胞又有1万个连接。神经细胞突触附近分子是怎么分布，对这个神经细胞的功能是什么呢？孙育杰介绍，2010年哈佛大学庄小威团队，在200纳米的尺度内就看到神经突触左边和右边的各种蛋白在什么位置。*近他们又看到了神经细胞轴突的结构，解析神经细胞轴突中Actin周期结构，由一个微丝结构组成，*后得到了一个很漂亮的图案。

展望未来，孙育杰认为超高分辨率显微镜还有待进一步发展，未来的方向是更高的分辨率、更快的成像速度，***能看到更大的活体样品区域。

八一八

华人科学家庄小威为何擦肩诺奖？

2006年，哈佛大学庄小威教授、这次的诺贝尔奖得主埃里克·白兹格以及萨缪尔·海斯三个研究组分别同时*立**，通过用光控制每次仅有少量随机离散的单个荧光分子发光，并准确定位单个荧光分子艾里光斑的中心，把多张图片叠加形成一幅超高分辨率图像。这种“以时间换空间”的思路，把荧光成像的分辨率一下子提高了20倍，几乎达到电子显微镜的分辨率。

而威廉姆·莫纳尔的得奖，是因为他是超高分辨率显微成像领域的**人，早在1989年任职于美国IBM研究中心时，他在世界上*次在超低温下用光学手段观测到单个分子的光谱，相当于看到了单个分子。后来1997年，莫纳尔又与因为绿色荧光蛋白获得2008年诺贝尔化学奖的罗杰·*合作，发现了绿色荧光蛋白的光转化效应。

“如果这次诺贝尔化学奖只颁给一个人，那么拿奖的一定是海尔。”孙育杰介绍，海尔在1994年*先提出了这个学名为“受激发射损耗”的方法(简称STED)来打破光学衍射极限，然而当时掌握科研资金的机构不相信这一想法，海尔拿不到科研经费资助，论文也被大的学术杂志拒绝了，只能发表在一本小杂志上。直到2000年，海尔才*终通过实验实现这一想法。

埃瑞克·白兹格的学术之路也是坎坷。他早在1995年就有了基于单分子信号实现超高分辨率成像的想法，但因为拿不到足够的科研经费和学术职位，1995年至2002年期间跟父亲开工厂赚*去，但心里一直放不下学术梦想。因为一个偶然的机会，有两个科学家愿意资助他，他们就在其中一个科学家的厨房里面搭建光学设备进行研究，*后2006年终于成功把实验做出来。

孙育杰戏言，“海尔和白兹格的得奖都可以说是‘物理博士的逆袭’。”

而此届诺贝尔化学奖*大的争议是华人科学家庄小威教授为何无缘。孙育杰认为，今年诺贝尔化学奖是按照两方面突破来颁奖，**个思路颁给海尔没有争议，第二个单分子成像，评奖委员会把奖给了做出单分子研究的莫纳尔和提出这方面思想比较早的白兹格。

莫纳尔是在1989年**个做单分子研究，就资历来说，他与庄小威的导师是一代人，不过他在超高分辨率成像技术的实质性工作不多。白兹格早在1995年提出思想，2006年做出来，他的论文比庄小威投稿早了四个月，发表早了一个星期。行内普遍认为，庄小威教授在单分子成像技术的**、改进和应用等多方面来说，贡献*大，就这个奖而言，她完全有实力有资格分享。“她本人对获奖的事无所谓，以她的实力，过了十年后可能又有更重要的新东西出来。”

现场问答

观众：有没有考虑过自己以后拿到诺贝尔化学奖？

孙育杰：我们经常聊这个话题。比如说庄小威在北大兼职，他们有希望(拿的)他们都不愿意聊，我们没希望得的人就聊。其实真正做科学的人，冲着诺贝尔奖去的话肯定做不出来，诺贝尔奖偶然性特别高，每年也会有很大的争议。我能做的就是多参加这样的科普活动，培养下一代。

观众：为什么这么多年来没有一个中国人拿到诺贝尔奖？

孙育杰：我们中国人开始做科学也就是上世纪七八十年代，现在其实才做了三四十年，不用着急，日本做了五六十年才拿到诺贝尔奖。

观众：怎么样才能做到每次控制某几个分子发光？

孙育杰：我刚才强调了随机，科学家现在做不到指定哪几个分子发光，只能控制在某个时刻发光的分子数量，用光的强度控制。

观众：荧光分子的蛋白是本身具有的吗？

孙育杰：荧光分子是人为加进去，实际上用的就是转基因技术。

听众：你说的这两个实现超分辨荧光的技术，一个是扫描的方式，一个是随机的，都需要时间，同时显现是不是更好一些？

孙育杰：庄小威的这个技术可以做到一秒钟一帧，所以她的分辨率现在很高。现在用这些超分辨成像只能观察到比较慢的变化，几十秒或分钟级，时间短的生理过程还需要研究。

采写：摄影：统筹：陈实严慧芳