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趣談顯微鏡歷史（二）
閱讀：2094 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《無極》中的情景可能成真，我們的世界里就會(huì)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(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(shí)間的推移，天文學(xué)家望到越來越多的天體，只是不可觸及；對(duì)生物學(xué)家來說，細(xì)胞盡在咫尺，然而從某種意義來講卻同星系一樣遙遠(yuǎn)。
對(duì)可見光下不可見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。這位未來的法國(guó)公爵和德國(guó)親王，早年曾畢業(yè)于歷史專業(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)中巴黎鐵塔上無數(shù)個(gè)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(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)越來越短，能照出的細(xì)節(jié)也越來越精致——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，二戰(zhàn)的炮聲打響，西門子剛剛興建的實(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(duì)細(xì)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?，諾貝爾獎(jiǎng)在評(píng)選“細(xì)胞生物學(xué)”時(shí)卻略過了這位*次近距離窺視完整細(xì)胞的科學(xué)家；不過，他留給當(dāng)代和后代人那些電鏡照片，則確實(shí)地見證了細(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)志人類從此獲得進(jìn)入細(xì)胞的門票，而將之記錄下來的電鏡元老來自美國(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：賣唱片將是一個(gè)更有“錢”途的買賣——它也確實(shí)做得很成功，自此RCA被每個(gè)古典音樂愛好者所銘記，而美國(guó)也再無電鏡制造的*。
人類看到的細(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200萬倍，細(xì)胞、細(xì)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(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(gè)細(xì)胞。在溫和無害的玻璃皿中，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肖像畫了。
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了精子尾巴）。
顯微鏡下的精子
用電鏡畫畫需要更復(fù)雜的過程。
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(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(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，天竺葵花的精子沒有尾巴，不會(huì)游泳。
精子的形成過程
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，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(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(jiǎn)化。有人說：電鏡學(xué)家是世界上zui相信“眼見為實(shí)”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(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)聽下回分解。（文中動(dòng)物精子照片由田萌提供）