显微镜里的黑科技

吴宝俊

2017年的诺贝尔奖颁给了冷冻电镜技术，什么是冷冻电镜？它在分子生物物理学领域产生了哪些技术革命？想要了解冷冻电镜，先要从它的祖先显微镜说起。说到显微镜就不能不提到伟大的罗伯特·胡克（Robert Hooke）。

胡克的显微镜与《显微图谱》

胡克是一位牧师的儿子，少年时进入伦敦威斯敏斯特公学学习，随后进入了牛津大学，并很快凭借自身的聪颖成为了波义耳的助手。从1662年起，胡克担任英国皇家学会的实验室主任职务，他的主要任务是在皇家学会的会议上准备几个实验，供会员们观察、讨论、分析、猜想。这个职位起初是无偿的，后来随着胡克出色的工作逐渐变成了带薪职位，于是他就成为了第一个“职业”科学家。胡克在这个位置上干了40年，一直到1703年去世。

胡克是一位极具天赋的仪器制造家。在他所处的时代，流行的显微镜结构非常简单，只有一个球形透镜，而且放大倍数很低。胡克瞧不上这样的设备，亲手设计制作了一台拥有目镜、物鏡和载物台的复合光学显微镜。

胡克用自己制造的这台显微镜对身边的一切事物进行细致地观察，亲手将肉眼看不到的物体的微小细节描绘下来，并在1665年出版了他的名著《显微图谱》（Micrographia）。这部著作将公众带进了一个肉眼看不见的全新的精彩世界。

光学显微镜与电子显微镜

胡克的显微镜属于光学（Optical）显微镜，Optical这个词原意为“眼球的”，所以这种显微镜就是可以直接用眼睛来观察的显微镜。

17世纪光学显微镜的发明极大地推动了微观生物学的诞生与发展，而在三百多年后的今天，电子显微镜则推动了材料学、化学、结构生物学的发展。

电子显微镜使用的并不是可见光，而是放出电子，与被测样品发生相互作用（散射、透射），利用接收器接收相互作用后的电子，并根据建立在量子力学基础之上的相关理论反推出被测样品的结构。电子显微镜并不能直接用眼睛进行观测，它的图像是电脑生成的，但它的放大倍数却比光学显微镜要大1000倍，可以观测原子尺度的样品结构。我们今天经常谈论的纳米材料、纳米技术，其背后的科学工具都离不开电子显微镜。

黑科技—冷冻电镜技术

2017年，诺贝尔化学奖授予了雅克·杜波谢（Jacques Dubochet）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），因为他们共同提出了冷冻电子显微镜技术。这项技术诞生的背景是：科学家在使用电子显微镜观察普通材料时得心应手，但是当用电子显微镜观察生物蛋白质时，会出现如下问题：1.电子显微镜中的电子在遭遇被测样品之前，需要在真空中运动，这样才能保证初始状态的稳定，可是蛋白质存在于溶液中，溶液会挥发至仪器中，破坏测量环境；2.有活性的蛋白质不会一动不动，很难清晰、精准地捕捉到；3.电子显微镜中电子能量较高，击中蛋白质之后会破坏蛋白质的结构。

为了解决这几个难题，科学家想到了使用“急速冷冻”的方法，用液态的乙烷、液氮等快速冷冻含有水分的样品，这样既可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态，使蛋白质结构保持其天然结构状态，也有利于显微镜捕捉到蛋白质的位置和结构。

冷冻电镜技术的发明，让人类以原子级的分辨率，观察到了接近生理状态下的生物大分子，为人类在原子尺度下观测生物体提供了有利的技术工具。今后，冷冻电镜技术在解析蛋白质结构并针对性设计药物，以及在原子层面认清生物活性起源方面都将大有可为。

延伸阅读：胡克与列文虎克

胡克对后人的启迪也不容小觑。荷兰商人、科学家安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）是《显微图谱》的忠实读者。他受这部著作启发，开始自己研制镜片，使用高倍单透镜显微镜，深入地投身于微观世界，观察、描述和绘制了诸如原生动物和细菌这样的单细胞生物。由于胡克和列文虎克发音相近，国内有些著作将他们当作了同一个人，引起了不小的误会。