白石

1665年，罗伯特·胡克用自制的光学显微镜发现了生命的基本组成单位——细胞。从此，显微镜让人们的视野可以拓展到肉眼看不到的微小世界。获得2014年诺贝尔化学奖的3位科学家用超分辨率显微镜把这个微小世界更神奇地展现出来。

光波的限制

早在公元前1世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时可以使其放大成像。1665年前后，英国生物学家胡克发明了类似现代的显微镜，并通过它看到了软木中网格状的结构，胡克称之为细胞。这是人类历史上最伟大的发现之一，大大推动了生物学的发展。

自从显微镜发明以来，科学家就不断对它进行改进，期待获得更大的放大倍数和更高的分辨精度，这样就能透过细胞膜而看到细胞内部的构造。1873年，德国显微镜学家恩斯特·阿贝通过计算发现，由于光波相互干扰的原因，光学显微镜不能无限度地放大微小物质，最多只能“看到”光波波长一半的物质，即尺寸不小于200纳米的物质。这就是有名的“阿贝原则”，200纳米也被称为光学显微镜的“绕射极限”。

“阿贝原则”公布之后，科学家感到十分沮丧，因为分子和原子的尺寸大多在200纳米以下。也就是说，光学显微镜似乎难以“看到”分子和原子所活动的纳米世界了。

可是，现代科学研究越来越多地从分子和原子的层面来揭示物质变化规律，光学显微镜逐渐被冷落，能“看清”纳米世界的电子显微镜开始炙手可热。要知道，它们可以看到最小尺寸为0.2纳米的原子，是光学显微镜精度的1 000倍！

让分子发光

难道光学显微镜真的就成了“过气明星”吗？很快，分子生物学的发展给予了光学显微镜新的机遇。

分子生物学家发现，在物理学和化学研究中得心应手的电子显微镜，到了分子生物学研究中就有些“水土不服”了。因为电子显微镜不能研究活物，它们必须把细胞“残忍地杀死”后才能进行观察。这样一来，生物学家就难以研究分子在活细胞中的正常活动。

于是，生物学家就得重新考虑如何研制出精度超越200纳米的光学显微镜。可是，怎么才能突破“阿贝原则”呢？

被逼无奈，就要换种思路。新思路还真被科学家找到了，那就是不再用外来的光源观察细胞，而是让细胞中的分子发出荧光来观察它们。因此，目前生物学家所用的超分辨率显微镜也叫荧光显微镜。

如何让细胞中的分子发出荧光呢？德国科学家赫尔发明了荧光手电。他先利用成熟的分子染色技术给细胞注射荧光物质，荧光物质像染料一样沾染到细胞中的生物大分子上，然后利用荧光手电发出极细的激光束照射生物大分子，大分子上的荧光物质被激发而发出荧光，就像是生物大分子本身发光一样。

突破极限

可是，问题总是不断出现。让大分子发光就像在漆黑的夜晚，闪亮的灯泡可以一眼看得到，可是如果夜晚远处有一大片灯，甚至有一座明亮的城市，我们就很难分辨其中的一盏灯，这是因为光线相互干扰，“阿贝原则”又起作用了。这又该怎么办呢？

赫尔想办法消除光线干扰。他改进荧光手电，让它可以发出一束激光让生物分子发光，再用另一束激光消除其他荧光，通过两束激光交替扫描细胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

美国科学家莫纳和贝齐格进一步想出了办法，消除或滤掉细胞中多余的荧光，结果显微镜居然成功地“看到”单个的生物分子。这种显微镜被称为单分子荧光显微镜。

活生生的纳米世界

在电子显微镜时代，纳米世界就像沙漠一样一片死寂，其中的所有物质静静地躺在那里。然而，超分辨率光学显微镜让我们可以看到活生生的纳米世界，所有的生物分子按照它们原本的“生活方式”继续活动，就像显微镜、荧光染料、激光这些东西不存在一样。

有了超分辨率光学显微镜，科学家就可以从分子层面看到生命生老病死所带来的变化，为研究疾病机理和开发药物提供了一个新的视野。

随着超分辨率光学显微镜的推广和应用，未来医学专家可以对我们的健康进行“精细”护理和治疗。他们可以发现我们身体中哪些细胞哪些分子出了问题，然后有针对性地在这个地方施放药物，这样不仅可以治疗疾病，还可以最大限度保护健康的细胞和组织不受到药物的伤害。