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趣談顯微鏡歷史（二）
閱讀：2142 發(fā)布時(shí)間：2011-4-7
超越光的極限——電子顯微鏡
自從鏡頭下的物體*次被光線照亮，光學(xué)顯微鏡的分辨率就被套上了極限枷鎖。即使透鏡組合被制作得無(wú)可挑剔，分辨率zui多也只能達(dá)到光波長(zhǎng)的一半。自然光的平均波長(zhǎng)為0.55µm，這就是為什么光學(xué)顯微鏡zui多只能分辨0.275 µm的細(xì)節(jié)。
若想繼續(xù)用可見(jiàn)光做顯微鏡的光源，必須縮短它們的波長(zhǎng)，*的辦法是讓光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速這個(gè)定值，相對(duì)論則會(huì)被推翻，時(shí)間機(jī)器就會(huì)存在，電影《無(wú)極》中的情景可能成真，我們的世界里就會(huì)飛滿(mǎn)了來(lái)自未來(lái)的觀光者……大家知道這是不可能的。
這樣，光學(xué)顯微鏡的發(fā)明使人們的目光從“一面墻”倏的一下集中到了墻上的“一塊塊磚頭”；但由于光線無(wú)法提速，就無(wú)論如何敲不開(kāi)磚頭，看不到它們的內(nèi)部去。隨著時(shí)間的推移，天文學(xué)家望到越來(lái)越多的天體，只是不可觸及；對(duì)生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，細(xì)胞盡在咫尺，然而從某種意義來(lái)講卻同星系一樣遙遠(yuǎn)。
對(duì)可見(jiàn)光下不可見(jiàn)的微觀世界猜了四百年，那時(shí)的人們自然地認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)部如同一鍋稠粥，用專(zhuān)業(yè)的話講，細(xì)胞就是一口袋“蛋白酶”。
質(zhì)的飛躍發(fā)生在1924年。32歲的德布羅意證明電子也和光子一樣具有波動(dòng)性，令人驚喜的是其波長(zhǎng)本身就比光子短。這位未來(lái)的法國(guó)公爵和德國(guó)親王，早年曾畢業(yè)于歷史專(zhuān)業(yè)，卻在剛剛萌發(fā)科學(xué)興致不久投身*次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)中巴黎鐵塔上無(wú)數(shù)個(gè)與無(wú)線電發(fā)射器為伴的夜晚，不知是否啟發(fā)了德布羅意對(duì)“波”的奇思妙想。上述研究使德布羅意馬上博士畢業(yè)，5年后，為他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，自此開(kāi)創(chuàng)博士論文獲得諾獎(jiǎng)的先河；而它對(duì)本篇文章zui有意義的貢獻(xiàn)是：它提供了理論依據(jù)，說(shuō)明電子為何能像光子一樣做顯微鏡的“光源”；利用德布羅意公式可以算出，電子的速度能被電場(chǎng)加到特別大，以至波長(zhǎng)縮到光子的1/100000。如果用電子做“光源”，那么顯微鏡分辨率則可以本質(zhì)性地提高，就可以看到更加細(xì)微的物體了。
1931年，一束輕盈的電子在一條一米多高的巨型金屬柱中加速（下圖為一臺(tái)1933年制作的電鏡），繼而被匯聚在一些小網(wǎng)格樣品上，將小格放大了14.4倍。這臺(tái)試驗(yàn)品就被定義為“世上*臺(tái)電子顯微鏡”（電鏡），盡管放大本領(lǐng)和一把手持放大鏡差不多，但它卻標(biāo)志人類(lèi)以電代光“照”出了物體的影像。執(zhí)行這項(xiàng)工程的德國(guó)科學(xué)家盧斯卡也因此在55年后被頒予諾貝爾獎(jiǎng)。電鏡誕生后，電子被不斷提速，其波長(zhǎng)越來(lái)越短，能照出的細(xì)節(jié)也越來(lái)越精致——10年之內(nèi)，電鏡的理論分辨率已達(dá)10納米（當(dāng)然那時(shí)沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)），是細(xì)胞膜的厚度。
*臺(tái)電子顯微鏡
然而，正當(dāng)前途試探性地鋪展開(kāi)，二戰(zhàn)的炮聲打響，西門(mén)子剛剛興建的實(shí)驗(yàn)室毀于空襲；兩位重要的科學(xué)家失去生命，電鏡史中留下辛酸一筆。
鏡頭跳轉(zhuǎn)至1945，細(xì)胞學(xué)為這個(gè)年頭歡欣鼓舞。在紐約一間黑漆漆的屋子里，一個(gè)完整細(xì)胞*次在墨色的電鏡底片上留下它舒展的身影（圖），其內(nèi)部格局依稀可辨。在發(fā)表這幅照片的文獻(xiàn)中，作者Porter好奇地對(duì)著這個(gè)寶貴的模特兒遠(yuǎn)觀近瞧，并對(duì)每一條細(xì)小的分叉和每一處模糊的顆粒詳加論述，留有15幅“明星照”為證——人們借助電鏡清晰地看到，細(xì)胞內(nèi)部原來(lái)不是“一鍋粥”，而是分門(mén)別類(lèi)碼好的。Porter在隨后的研究中依據(jù)無(wú)數(shù)電鏡照片對(duì)細(xì)胞內(nèi)部這些高度有序的門(mén)類(lèi)加以命名，其中zui的如“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)”、“微管”、“纖毛”和“衣被小泡”。可惜在若干年后，諾貝爾獎(jiǎng)在評(píng)選“細(xì)胞生物學(xué)”時(shí)卻略過(guò)了這位*次近距離窺視完整細(xì)胞的科學(xué)家；不過(guò)，他留給當(dāng)代和后代人那些電鏡照片，則確實(shí)地見(jiàn)證了細(xì)胞生物學(xué)隨電鏡技術(shù)日漸完善而發(fā)展的腳步，使得Porter作為“細(xì)胞學(xué)之父”而被許多人記住。
1945年的這張劃時(shí)代照片標(biāo)志人類(lèi)從此獲得進(jìn)入細(xì)胞的門(mén)票，而將之記錄下來(lái)的電鏡元老來(lái)自美國(guó)RCA?？上У氖?，這家獨(dú)霸北美電鏡市場(chǎng)的公司卻在三十年打拼之后鄭重決定：賣(mài)唱片將是一個(gè)更有“錢(qián)”途的買(mǎi)賣(mài)——它也確實(shí)做得很成功，自此RCA被每個(gè)古典音樂(lè)愛(ài)好者所銘記，而美國(guó)也再無(wú)電鏡制造的*。
人類(lèi)看到的細(xì)胞內(nèi)部
今日，一般電鏡分辨率已達(dá)1納米，能將物體放大200萬(wàn)倍，細(xì)胞、細(xì)胞里的膜、膜上的分子世界豁然開(kāi)朗；如果再讓電子*加速，加上軟件的幫忙，不到1埃（=0.1納米）的原子也能分辨清楚；*一共分布了10000臺(tái)電子顯微鏡，想想在它發(fā)明之初人們做出的預(yù)測(cè)——“只要10臺(tái)便已足夠”——不禁慨嘆在科學(xué)領(lǐng)域，做預(yù)言真需要有夸?？诘哪懽R(shí)。
為精子畫(huà)一幅素描
精子：Sperm，來(lái)自希臘語(yǔ)，取“種子”之義，一顆“種子”就是一個(gè)細(xì)胞。在溫和無(wú)害的玻璃皿中，每小時(shí)大約斃命5-10%；橡膠避孕套中這一數(shù)字達(dá)到60-80%。在他們自然死亡之前，我們就可以給他們畫(huà)肖像畫(huà)了。
先復(fù)習(xí)一下簡(jiǎn)史（一）的內(nèi)容。下圖左所示為普通光學(xué)顯微鏡下的精子；右邊是熒光照片，在這張照片中，藍(lán)色是他們的頭，顯示里邊塞滿(mǎn)了遺傳的全部家當(dāng)——DNA；紅色是不停扭動(dòng)的長(zhǎng)尾巴，因?yàn)檫@個(gè)顏色染出了尾巴中為精子提供長(zhǎng)跑比賽巨大能量的結(jié)構(gòu)——“線粒體”（下文圖中會(huì)看到線粒體如何塞滿(mǎn)了精子尾巴）。
顯微鏡下的精子
用電鏡畫(huà)畫(huà)需要更復(fù)雜的過(guò)程。
首先要?dú)⑺浪麄?。原因是精子在電鏡內(nèi)部電子的轟炸下會(huì)死得非常慘烈，因此先將它們安樂(lè)死是一種仁慈的做法——這當(dāng)然是謊話（生物學(xué)家和心慈手軟毫不沾邊）。正解是，在電鏡系統(tǒng)內(nèi)，這顆可憐的小精子正如一個(gè)攤開(kāi)的雞蛋，軟塌塌地禁不起蹂躪，為了讓生物學(xué)家能夠長(zhǎng)時(shí)間觀察它，它必須堅(jiān)毅地挺住。讓雞蛋變硬，我們可以煎炒烹炸，對(duì)精子，只能用化學(xué)物質(zhì)讓它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原地不動(dòng)。
然后是細(xì)胞脫水。因?yàn)殡婄R內(nèi)部幾乎為真空，如果細(xì)胞里的水分持續(xù)不斷地?fù)]發(fā)到這個(gè)系統(tǒng)中，真空就會(huì)被打破。
下邊還得讓精子變得更結(jié)實(shí)，方法是將它們泡進(jìn)液態(tài)的樹(shù)脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界樹(shù)脂的硬化過(guò)程，zui后一顆亮晶晶的“精子琥珀”就出爐了。到這一步，兩天至少已經(jīng)過(guò)去。但這顆琥珀對(duì)于電鏡觀察實(shí)在太厚，于是需要用極其精細(xì)的手段將之切成幾十納米薄的切片；琥珀很硬，因此用的武器是世間zui硬的鉆石制成的刀，刀尖鋒利無(wú)比，價(jià)值上千美元。
把切好的精子切片放到電鏡里，用電子轟炸、成像，一張如鉛筆素描一般的精子電鏡照片就煉成了。這張照片所顯示的是長(zhǎng)長(zhǎng)的精子的尾巴，相當(dāng)于上圖熒光照片中紅色的部分，那一個(gè)個(gè)整齊排列的圓球便是前邊提到的能量工廠“線粒體”了。精子“頭腦簡(jiǎn)單，四肢發(fā)達(dá)”（指頭部?jī)?nèi)容物精簡(jiǎn)，尾巴力量無(wú)窮），頭部沒(méi)什么東西好看，就不給大家展示了。
精子尾部顯微特寫(xiě)
人zui關(guān)心人的精子，實(shí)際上植物的精子一樣美麗——它們被包裹在花粉之中。圖示為天竺葵花粉，右下和左上分別為兩顆細(xì)胞。其中右下的那個(gè)（被紅筆框出）會(huì)在花粉落到柱頭（雌性生殖器官）上之后一分為二，每一半都是一顆精子。和人的不同，天竺葵花的精子沒(méi)有尾巴，不會(huì)游泳。
精子的形成過(guò)程
在大學(xué)那個(gè)眼不花手不抖的年紀(jì)，我曾帶著自己zui絢爛的熱情和zui純真的眼睛做過(guò)幾年電鏡工作。的精度揭示出超乎預(yù)期的生物細(xì)節(jié)，細(xì)胞內(nèi)曲線之和布局之平衡也隨之向我襲來(lái)，這些都讓我只有接招的份兒。滿(mǎn)眼和滿(mǎn)腦充斥著驚喜和感動(dòng)，我相信自己看到的微觀世界就是宏觀的生命之美的本源。
但是電鏡操作復(fù)雜；更重要的是此項(xiàng)技術(shù)不能看活的細(xì)胞，這作為它致命的弱點(diǎn)，自六十年前“細(xì)胞學(xué)之父”描述細(xì)胞之時(shí)就承受起種種指摘，人們有理由懷疑，不管具有多少美學(xué)意義，電鏡制樣所必須的“致死”步驟或許改變了真實(shí)的細(xì)胞世界?，F(xiàn)在，有些從前只能靠電鏡來(lái)完成的工作已經(jīng)能被其它手段取代；而電鏡自己所配備的軟件也使上邊所描述的精密制樣過(guò)程和那些精致的圖片結(jié)果一再簡(jiǎn)化。有人說(shuō)：電鏡學(xué)家是世界上zui相信“眼見(jiàn)為實(shí)”的人；還有人說(shuō)，電鏡是一門(mén)“正在死去的藝術(shù)”。
但至少現(xiàn)在，我仍然相信“做科學(xué)就是做藝術(shù)”，電鏡研究是這句話zui直觀的體現(xiàn)。而電鏡學(xué)家就如同舞臺(tái)上正襟危坐的演奏家，握著自己的提琴，心里執(zhí)著一個(gè)藝術(shù)的和的世界，不會(huì)被臺(tái)下觀眾的喧囂或冷漠而撼動(dòng)。
掃描顯微鏡
精子還有另一種死法——它們可以被鍍上金，變成一顆金精子，再拿到掃描電鏡下邊照相。下圖一團(tuán)亂麻就是掃描電鏡下的精子。要知道為何鍍金，如何照相，請(qǐng)聽(tīng)下回分解。（文中動(dòng)物精子照片由田萌提供）