一沙一天堂——趣说显微镜历史(二)

中国教育装备采购网2011-02-09 17:39围观326次我要分享

一沙一天堂——趣说显微镜历史

  超越光的极限——电子显微镜

  自从镜头下的物体第一次被光线照亮,光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔,分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55µm,这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 µm的细节。

  若想继续用可见光做显微镜的光源,必须缩短它们的波长,唯一的办法是让光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速这个定值,相对论则会被推翻,时间机器就会存在,电影《无极》中的情景可能成真,我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者……大家知道这是不可能的。

  这样,光学显微镜的发明使人们的目光从“一面墙”倏的一下集中到了墙上的“一块块砖头”;但由于光线无法提速,就无论如何敲不开砖头,看不到它们的内部去。随着时间的推移,天文学家望到越来越多的天体,只是不可触及;对生物学家来说,细胞尽在咫尺,然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。

  对可见光下不可见的微观世界猜了四百年,那时的人们自然地认为,细胞内部如同一锅稠粥,用专业的话讲,细胞就是一口袋“蛋白酶”。

  质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性,令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王,早年曾毕业于历史专业,却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚,不知是否启发了德布罗意对 “波”的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业,5年后,为他赢得了诺贝尔物理学奖,自此开创博士论文获得诺奖的先河;而它对本篇文章最有意义的贡献是:它提供了理论依据,说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”;利用德布罗意公式可以算出,电子的速度能被电场加到特别大,以至波长缩到光子的 1/100000。如果用电子做“光源”,那么显微镜分辨率则可以本质性地提高,就可以看到更加细微的物体了。

  1931年,一束轻盈的电子在一条一米多高的巨型金属柱中加速(下图为一台1933年制作的电镜),继而被汇聚在一些小网格样品上,将小格放大了14.4倍。这台试验品就被定义为“世上第一台电子显微镜”(电镜),尽管放大本领和一把手持放大镜差不多,但它却标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。电镜诞生后,电子被不断提速,其波长越来越短,能照出的细节也越来越精致—— 10年之内,电镜的理论分辨率已达10纳米(当然那时没有真正实现),是细胞膜的厚度。

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第一台电子显微镜

  然而,正当前途试探性地铺展开,二战的炮声打响,西门子刚刚兴建的实验室毁于空袭;两位重要的科学家失去生命,电镜史中留下辛酸一笔。

  镜头跳转至1945,细胞学为这个年头欢欣鼓舞。在纽约一间黑漆漆的屋子里,一个完整细胞第一次在墨色的电镜底片上留下它舒展的身影(图),其内部格局依稀可辨。在发表这幅照片的文献中,作者Porter好奇地对着这个宝贵的模特儿远观近瞧,并对每一条细小的分叉和每一处模糊的颗粒详加论述,留有15幅“明星照”为证——人们借助电镜首次清晰地看到,细胞内部原来不是“一锅粥”,而是分门别类码好的。Porter在随后的研究中依据无数电镜照片对细胞内部这些高度有序的门类加以命名,其中最著名的如“内质网”、“微管”、“纤毛”和“衣被小泡”。可惜在若干年后,诺贝尔奖在评选“细胞生物学先驱”时却略过了这位第一次近距离窥视完整细胞的科学家;不过,他留给当代和后代人那些电镜照片,则确实地见证了细胞生物学随电镜技术日渐完善而发展的脚步,使得Porter作为“细胞学之父”而被许多人记住。

  1945年的这张划时代照片标志人类从此获得进入细胞的门票,而将之记录下来的电镜元老来自美国RCA。可惜的是,这家独霸北美电镜市场的公司却在三十年打拼之后郑重决定:卖唱片将是一个更有“钱”途的买卖——它也确实做得很成功,自此RCA被每个古典音乐爱好者所铭记,而美国也再无电镜制造的后起之秀。

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人类首次看到的细胞内部

  今日,一般电镜分辨率已达1纳米,能将物体放大200万倍,细胞、细胞里的膜、膜上的分子世界豁然开朗;如果再让电子疯狂加速,加上软件的帮忙,不到1埃(=0.1纳米)的原子也能分辨清楚;全世界一共分布了10000台电子显微镜,想想在它发明之初人们做出的预测——“只要10台便已足够” ——不禁慨叹在科学领域,做预言真需要有夸海口的胆识。

  为精子画一幅素描

  精子:Sperm,来自希腊语,取“种子”之义,一颗“种子”就是一个细胞。在温和无害的玻璃皿中,每小时大约毙命5-10%;橡胶避孕套中这一数字达到60-80%。在他们自然死亡之前,我们就可以给他们画肖像画了。

  先复习一下简史(一)的内容。下图左所示为普通光学显微镜下的精子;右边是荧光照片,在这张照片中,蓝色是他们的头,显示里边塞满了遗传的全部家当——DNA;红色是不停扭动的长尾巴,因为这个颜色染出了尾巴中为精子提供长跑比赛巨大能量的结构——“线粒体”(下文图中会看到线粒体如何塞满了精子尾巴)。

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  显微镜下的精子

  用电镜画画需要更复杂的过程。

  首先要杀死他们。原因是精子在电镜内部电子的轰炸下会死得非常惨烈,因此先将它们安乐死是一种仁慈的做法——这当然是谎话(生物学家和心慈手软毫不沾边)。正解是,在电镜系统内,这颗可怜的小精子正如一个摊开的鸡蛋,软塌塌地禁不起蹂躏,为了让生物学家能够长时间观察它,它必须坚毅地挺住。让鸡蛋变硬,我们可以煎炒烹炸,对精子,只能用化学物质让它内部的结构原地不动。

  然后是细胞脱水。因为电镜内部几乎为真空,如果细胞里的水分持续不断地挥发到这个系统中,真空就会被打破。

  下边还得让精子变得更结实,方法是将它们泡进液态的树脂中,然后放在烤箱里烤,加速自然界树脂的硬化过程,最后一颗亮晶晶的“精子琥珀”就出炉了。到这一步,两天至少已经过去。但这颗琥珀对于电镜观察实在太厚,于是需要用极其精细的手段将之切成几十纳米薄的切片;琥珀很硬,因此用的武器是世间最硬的钻石制成的刀,刀尖锋利无比,价值上千美元。

  把切好的精子切片放到电镜里,用电子轰炸、成像,一张如铅笔素描一般的精子电镜照片就炼成了。这张照片所显示的是长长的精子的尾巴,相当于上图荧光照片中红色的部分,那一个个整齐排列的圆球便是前边提到的能量工厂“线粒体”了。精子“头脑简单,四肢发达”(指头部内容物精简,尾巴力量无穷),头部没什么东西好看,就不给大家展示了。

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精子尾部显微特写

  人最关心人的精子,实际上植物的精子一样美丽——它们被包裹在花粉之中。图示为天竺葵花粉,右下和左上分别为两颗细胞。其中右下的那个(被红笔框出)会在花粉落到柱头(雌性生殖器官)上之后一分为二,每一半都是一颗精子。和人的不同,天竺葵花的精子没有尾巴,不会游泳。

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精子的形成过程

  在大学那个眼不花手不抖的年纪,我曾带着自己最绚烂的热情和最纯真的眼睛做过几年电镜工作。前所未有的精度揭示出超乎预期的生物细节,细胞内曲线之完美和布局之平衡也随之向我袭来,这些都让我只有接招的份儿。满眼和满脑充斥着惊喜和感动,我相信自己看到的微观世界就是宏观的生命之美的本源。

  但是电镜操作复杂;更重要的是此项技术不能看活的细胞,这作为它致命的弱点,自六十年前“细胞学之父”首次描述细胞之时就承受起种种指摘,人们有理由怀疑,不管具有多少美学意义,电镜制样所必须的“致死”步骤或许改变了真实的细胞世界。现在,有些从前只能靠电镜来完成的工作已经能被其它手段取代;而电镜自己所配备的软件也使上边所描述的精密制样过程和那些精致的图片结果一再简化。有人说:电镜学家是世界上最相信“眼见为实”的人;还有人说,电镜是一门“正在死去的艺术”。

  但至少现在,我仍然相信“做科学就是做艺术”,电镜研究是这句话最直观的体现。而电镜学家就如同舞台上正襟危坐的演奏家,握着自己的提琴,心里执着一个艺术的和精准的世界,不会被台下观众的喧嚣或冷漠而撼动。

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  扫描显微镜

  精子还有另一种死法——它们可以被镀上金,变成一颗金精子,再拿到扫描电镜下边照相。下图一团乱麻就是扫描电镜下的精子。要知道为何镀金,如何照相,请听下回分解。(文中动物精子照片由田萌提供)

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来源:http://www.enorth.com.cn

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