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趣談顯微鏡歷史（二）
閱讀：2063 發(fā)布時間：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可挑剔，分辨率zui多也只能達到光波長的一半。自然光的平均波長為0.55µm，這就是為什么光學顯微鏡zui多只能分辨0.275 µm的細節(jié)。
若想繼續(xù)用可見光做顯微鏡的光源，必須縮短它們的波長，*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定值，相對論則會被推翻，時間機器就會存在，電影《無極》中的情景可能成真，我們的世界里就會飛滿了來自未來的觀光者……大家知道這是不可能的。
這樣，光學顯微鏡的發(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”；但由于光線無法提速，就無論如何敲不開磚頭，看不到它們的內(nèi)部去。隨著時間的推移，天文學家望到越來越多的天體，只是不可觸及；對生物學家來說，細胞盡在咫尺，然而從某種意義來講卻同星系一樣遙遠。
對可見光下不可見的微觀世界猜了四百年，那時的人們自然地認為，細胞內(nèi)部如同一鍋稠粥，用專業(yè)的話講，細胞就是一口袋“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性，令人驚喜的是其波長本身就比光子短。這位未來的法國公爵和德國親王，早年曾畢業(yè)于歷史專業(yè)，卻在剛剛萌發(fā)科學興致不久投身*次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)中巴黎鐵塔上無數(shù)個與無線電發(fā)射器為伴的夜晚，不知是否啟發(fā)了德布羅意對“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獎，自此開創(chuàng)博士論文獲得諾獎的先河；而它對本篇文章zui有意義的貢獻是：它提供了理論依據(jù)，說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加到特別大，以至波長縮到光子的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。這臺試驗品就被定義為“世上*臺電子顯微鏡”（電鏡），盡管放大本領(lǐng)和一把手持放大鏡差不多，但它卻標志人類以電代光“照”出了物體的影像。執(zhí)行這項工程的德國科學家盧斯卡也因此在55年后被頒予諾貝爾獎。電鏡誕生后，電子被不斷提速，其波長越來越短，能照出的細節(jié)也越來越精致——10年之內(nèi)，電鏡的理論分辨率已達10納米（當然那時沒有真正實現(xiàn)），是細胞膜的厚度。
*臺電子顯微鏡
然而，正當前途試探性地鋪展開，二戰(zhàn)的炮聲打響，西門子剛剛興建的實驗室毀于空襲；兩位重要的科學家失去生命，電鏡史中留下辛酸一筆。
鏡頭跳轉(zhuǎn)至1945，細胞學為這個年頭歡欣鼓舞。在紐約一間黑漆漆的屋子里，一個完整細胞*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)表這幅照片的文獻中，作者Porter好奇地對著這個寶貴的模特兒遠觀近瞧，并對每一條細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，細胞內(nèi)部原來不是“一鍋粥”，而是分門別類碼好的。Porter在隨后的研究中依據(jù)無數(shù)電鏡照片對細胞內(nèi)部這些高度有序的門類加以命名，其中zui的如“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)”、“微管”、“纖毛”和“衣被小泡”?？上г谌舾赡旰螅Z貝爾獎在評選“細胞生物學”時卻略過了這位*次近距離窺視完整細胞的科學家；不過，他留給當代和后代人那些電鏡照片，則確實地見證了細胞生物學隨電鏡技術(shù)日漸完善而發(fā)展的腳步，使得Porter作為“細胞學之父”而被許多人記住。
1945年的這張劃時代照片標志人類從此獲得進入細胞的門票，而將之記錄下來的電鏡元老來自美國RCA?？上У氖?，這家獨霸北美電鏡市場的公司卻在三十年打拼之后鄭重決定：賣唱片將是一個更有“錢”途的買賣——它也確實做得很成功，自此RCA被每個古典音樂愛好者所銘記，而美國也再無電鏡制造的*。
人類看到的細胞內(nèi)部
今日，一般電鏡分辨率已達1納米，能將物體放大200萬倍，細胞、細胞里的膜、膜上的分子世界豁然開朗；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臺電子顯微鏡，想想在它發(fā)明之初人們做出的預測——“只要10臺便已足夠”——不禁慨嘆在科學領(lǐng)域，做預言真需要有夸?？诘哪懽R。
為精子畫一幅素描
精子：Sperm，來自希臘語，取“種子”之義，一顆“種子”就是一個細胞。在溫和無害的玻璃皿中，每小時大約斃命5-10%；橡膠避孕套中這一數(shù)字達到60-80%。在他們自然死亡之前，我們就可以給他們畫肖像畫了。
先復習一下簡史（一）的內(nèi)容。下圖左所示為普通光學顯微鏡下的精子；右邊是熒光照片，在這張照片中，藍色是他們的頭，顯示里邊塞滿了遺傳的全部家當——DNA；紅色是不停扭動的長尾巴，因為這個顏色染出了尾巴中為精子提供長跑比賽巨大能量的結(jié)構(gòu)——“線粒體”（下文圖中會看到線粒體如何塞滿了精子尾巴）。
顯微鏡下的精子
用電鏡畫畫需要更復雜的過程。
首先要殺死他們。原因是精子在電鏡內(nèi)部電子的轟炸下會死得非常慘烈，因此先將它們安樂死是一種仁慈的做法——這當然是謊話（生物學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攤開的雞蛋，軟塌塌地禁不起蹂躪，為了讓生物學家能夠長時間觀察它，它必須堅毅地挺住。讓雞蛋變硬，我們可以煎炒烹炸，對精子，只能用化學物質(zhì)讓它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原地不動。
然后是細胞脫水。因為電鏡內(nèi)部幾乎為真空，如果細胞里的水分持續(xù)不斷地揮發(fā)到這個系統(tǒng)中，真空就會被打破。
下邊還得讓精子變得更結(jié)實，方法是將它們泡進液態(tài)的樹脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界樹脂的硬化過程，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)過去。但這顆琥珀對于電鏡觀察實在太厚，于是需要用極其精細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，刀尖鋒利無比，價值上千美元。
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長的精子的尾巴，相當于上圖熒光照片中紅色的部分，那一個個整齊排列的圓球便是前邊提到的能量工廠“線粒體”了。精子“頭腦簡單，四肢發(fā)達”（指頭部內(nèi)容物精簡，尾巴力量無窮），頭部沒什么東西好看，就不給大家展示了。
精子尾部顯微特寫
人zui關(guān)心人的精子，實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胞。其中右下的那個（被紅筆框出）會在花粉落到柱頭（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，天竺葵花的精子沒有尾巴，不會游泳。
精子的形成過程
在大學那個眼不花手不抖的年紀，我曾帶著自己zui絢爛的熱情和zui純真的眼睛做過幾年電鏡工作。的精度揭示出超乎預期的生物細節(jié)，細胞內(nèi)曲線之和布局之平衡也隨之向我襲來，這些都讓我只有接招的份兒。滿眼和滿腦充斥著驚喜和感動，我相信自己看到的微觀世界就是宏觀的生命之美的本源。
但是電鏡操作復雜；更重要的是此項技術(shù)不能看活的細胞，這作為它致命的弱點，自六十年前“細胞學之父”描述細胞之時就承受起種種指摘，人們有理由懷疑，不管具有多少美學意義，電鏡制樣所必須的“致死”步驟或許改變了真實的細胞世界?，F(xiàn)在，有些從前只能靠電鏡來完成的工作已經(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程和那些精致的圖片結(jié)果一再簡化。有人說：電鏡學家是世界上zui相信“眼見為實”的人；還有人說，電鏡是一門“正在死去的藝術(shù)”。
但至少現(xiàn)在，我仍然相信“做科學就是做藝術(shù)”，電鏡研究是這句話zui直觀的體現(xiàn)。而電鏡學家就如同舞臺上正襟危坐的演奏家，握著自己的提琴，心里執(zhí)著一個藝術(shù)的和的世界，不會被臺下觀眾的喧囂或冷漠而撼動。
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。下圖一團亂麻就是掃描電鏡下的精子。要知道為何鍍金，如何照相，請聽下回分解。（文中動物精子照片由田萌提供）