获奖原因

很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限：无法获得比半光波长更好的分辨率。在荧光分子的帮助下，今年诺贝尔化学奖的几位获得者巧妙地绕开了这种极限。他们突破性的研究将光学显微镜带入了纳米维度。今天，纳米显微技术被世界广泛采用，新知识源源不断地产生，造福着人类。

显微镜为人们打开了观察微观世界的大门，但很长时间以来，人们都认为光学显微镜无法突破一条极限：它永远不可能获得比所用光半波长更高的分辨率——0.2微米，然而美国及德国三位科学家埃里克·贝齐格(Eric Betzig)、威廉·莫纳(William E.Moerner)、斯特凡·黑尔(Stefan Hell)巧妙绕过了这一极限，昨天，他们凭借研制出“超分辨率荧光显微镜”获2014年诺贝尔化学奖。

曾经的光学观测极限

长期以来，受到光学性质的限制，光学显微镜无法获得非常精确的分辨率。1873年，显微镜学家厄恩斯特（ErnstAbbe）根据衍射理论推导出用光学显微镜能看到的“极限”所在。即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半，那些直径小于可见光波波长（可见光波长在0.4微米-0.7微米之间）1/2的目标，对世人关上了大门。对生物学家来说，这也意味着只能观察到线粒体的轮廓，比这更小的细胞结构都无法观察，观察单个蛋白分子更是奢望。这就好像坐在飞机上看地面的城市，只能观察到大型建筑物，但不能看到奔驰的汽车和生活着的居民。这一著名的定律使得科学家们一直到20世纪都不敢奢望能提高光学显微镜的分辨率。

另辟蹊径绕过极限

20世纪90年代初的一个早晨，正躺在床上的黑尔突然有了灵感，如果用一种合适的激光激发一个荧光点发光，再用和反射光晕差不多波长的环形光束抑制反光，这样就极大缩小了人们的观察尺度。用复旦大学物理系教授谭砚文的话来说，就是在一张“大饼”上压一个“甜甜圈”，“甜甜圈”中心区域就是传统光学显微镜触及不到的地方。

黑尔给这项发明取名STED，即受激发射损耗显微镜，2000年该技术成功问世。

埃里克和威廉·莫纳则从另外方向绕了个弯，和黑尔倚重量子光学的方法不同，这种方法借助的是大量的计算。谭砚文告诉记者，早在1995年，埃里克就提出可以利用计算光晕中心点的方法定位人们想观察的那个细胞分子，问题是中心区域有两个挨着的分子，定位很容易“张冠李戴”，直到2006年特殊荧光分子的发现才解决了这个问题，在威廉·莫纳的帮助下，埃里克提出了棕榈树（PALM）模型，即对同一个区域多次成像，每次只让部分分子发出荧光。

两种方法殊途同归，让人们能观察到的世界进入纳米尺度，理论上已不存在不能被研究的结构。

基础发明改写生物细胞学教科书

谭砚文表示，今年和去年的诺贝尔化学奖有一个共同点，就是获奖研究非常基础。“或许把这个由物理学家做出来的研究命名为化学奖的根本原因在于它的主要应用领域是生物学，而化学和生物学关系密切。”他调侃说。

不过，高分辨率荧光显微镜的出现足可以让细胞生物学教科书改写，那个由纳米为单位大小物体构件的世界逐渐在人们眼前丰富起来，科学家能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触；他们可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况；他们还能跟踪关注受精卵在分化成胚胎时其内部蛋白质的变化情况。

然而，这项技术目前更多还是用在固定细胞上，国家蛋白质中心工作人员于洋告诉记者，这是由于两种方法的成像速度仍比较慢，即使是固定细胞也可能有不同程度的漂移现象，影响了其精确性。值得注意的是，科学家们正努力通过计算等方法减少漂移现象的影响，活细胞的超高分辨率成像也有了发展。

文汇报记者 沈湫莎

与显微镜有关的诺贝尔奖

■1925年诺贝尔化学奖授予德国胶体化学家理查德·席格蒙迪，以表彰他阐明胶体溶液的多相性质、在胶体化学领域所做出突破性的贡献。为了这项精密的研究，1903年，他与西登托夫发明了超显微镜，并利用超显微镜对胶体进行观察和研究，可观察到一亿分之一米的任何微粒的形状，看到生物的细微结构或胶体粒子的存在。

■1953年的诺贝尔物理学奖授予荷兰格罗宁根大学的泽尔尼克，以表彰他提出了相衬法，特别是发明了相衬显微镜。相衬显微镜是一种特殊的显微镜，特别适用于观察具有很高透明度的对象，例如生物切片、油膜和位相光栅等。

■1982年的诺贝尔化学奖颁给了英国化学家阿伦·克卢格，他利用高分辨电子显微镜技术和X光衍射分析技术对核酸与蛋白的复杂体系进行深入的研究。他研究了多种病毒的结构,提出了球状病毒的结构理论,搞清了棒状病毒——烟草花叶病毒(TMV)中蛋白和核酸两种组份并由此获得诺奖。

■1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院的恩斯特·鲁斯卡，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔，以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。