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這里。
超越光的極限——電子顯微鏡 自從鏡頭下的物體第一次被光線(xiàn)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(wú)可挑剔，分辨率最多也只能達到光波長(cháng)的一半。自然光的平均波長(cháng)為0.55?m，這就是為什么光學(xué)顯微鏡最多只能分辨0.275 ?m的細節。
若想繼續用可見(jiàn)光做顯微鏡的光源，必須縮短它們的波長(cháng)，唯一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，相對論則會(huì )被推翻，時(shí)間機器就會(huì )存在，電影《無(wú)極》中的情景可能成真，我們的世界里就會(huì )飛滿(mǎn)了來(lái)自未來(lái)的觀(guān)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(xiàn)無(wú)法提速，就無(wú)論如何敲不開(kāi)磚頭，看不到它們的內部去。隨著(zhù)時(shí)間的推移，天文學(xué)家望到越來(lái)越多的天體，只是不可觸及；對生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，細胞盡在咫尺，然而從某種意義來(lái)講卻同星系一樣遙遠。
對可見(jiàn)光下不可見(jiàn)的微觀(guān)世界猜了四百年，那時(shí)的人們自然地認為，細胞內部如同一鍋稠粥，用專(zhuān)業(yè)的話(huà)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(dòng)性，令人驚喜的是其波長(cháng)本身就比光子短。這位未來(lái)的法國公爵和德國親王，早年曾畢業(yè)于歷史專(zhuān)業(yè)，卻在剛剛萌發(fā)科學(xué)興致不久投身第一次世界大戰。戰中巴黎鐵塔上無(wú)數個(gè)與無(wú)線(xiàn)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(yíng)得了諾貝爾物理學(xué)獎，自此開(kāi)創(chuàng )博士論文獲得諾獎的先河；而它對本篇文章最有意義的貢獻是：它提供了理論依據，說(shuō)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(cháng)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（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“世上第一臺電子顯微鏡”（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(lèi)首次以電代光“照”出了物體的影像。執行這項工程的德國科學(xué)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(cháng)越來(lái)越短，能照出的細節也越來(lái)越精致——10年之內，電鏡的理論分辨率已達10納米（當然那時(shí)沒(méi)有真正實(shí)現），是細胞膜的厚度。
然而，正當前途試探性地鋪展開(kāi)，二戰的炮聲打響，西門(mén)子剛剛興建的實(shí)驗室毀于空襲；兩位重要的科學(xué)家失去生命，電鏡史中留下辛酸一筆。
鏡頭跳轉至1945，細胞學(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)完整細胞第一次在墨色的電鏡底片上留下它舒展的身影（圖），其內部格局依稀可辨。在發(fā)表這幅照片的文獻中，作者Porter好奇地對著(zhù)這個(gè)寶貴的模特兒遠觀(guān)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——人們借助電鏡首次清晰地看到，細胞內部原來(lái)不是“一鍋粥”，而是分門(mén)別類(lèi)碼好的。Porter在隨后的研究中依據無(wú)數電鏡照片對細胞內部這些高度有序的門(mén)類(lèi)加以命名，其中最著(zhù)名的如“內質(zhì)網(wǎng)”、“微管”、“纖毛”和“衣被小泡”?？上г谌舾赡旰?，諾貝爾獎在評選“細胞生物學(xué)先驅”時(shí)卻略過(guò)了這位第一次近距離窺視完整細胞的科學(xué)家；不過(guò)，他留給當代和后代人那些電鏡照片，則確實(shí)地見(jiàn)證了細胞生物學(xué)隨電鏡技術(shù)日漸完善而發(fā)展的腳步，使得Porter作為“細胞學(xué)之父”而被許多人記住。
1945年的這張劃時(shí)代照片標志人類(lèi)從此獲得進(jìn)入細胞的門(mén)票，而將之記錄下來(lái)的電鏡元老來(lái)自美國RCA?？上У氖?，這家獨霸北美電鏡市場(chǎng)的公司卻在三十年打拼之后鄭重決定：賣(mài)唱片將是一個(gè)更有“錢(qián)”途的買(mǎi)賣(mài)——它也確實(shí)做得很成功，自此RCA被每個(gè)古典音樂(lè )愛(ài)好者所銘記，而美國也再無(wú)電鏡制造的后起之秀。
今日，一般電鏡分辨率已達1納米，能將物體放大200萬(wàn)倍，細胞、細胞里的膜、膜上的分子世界豁然開(kāi)朗；如果再讓電子瘋狂加速，加上軟件的幫忙，不到1埃（=0.1納米）的原子也能分辨清楚；全世界一共分布了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(xué)領(lǐng)域，做預言真需要有夸?？诘哪懽R。
插圖：為精子畫(huà)一幅素描 精子：Sperm，來(lái)自希臘語(yǔ)，取“種子”之義，一顆“種子”就是一個(gè)細胞。在溫和無(wú)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字達到60-80%。在他們自然死亡之前，我們就可以給他們畫(huà)肖像畫(huà)了。
先復習一下
簡(jiǎn)史（一）的內容。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，藍色是他們的頭，顯示里邊塞滿(mǎn)了遺傳的全部家當——DNA；紅色是不停扭動(dòng)的長(cháng)尾巴，因為這個(gè)顏色染出了尾巴中為精子提供長(cháng)跑比賽巨大能量的結構——“線(xiàn)粒體”（下文圖中會(huì )看到線(xiàn)粒體如何塞滿(mǎn)了精子尾巴）。
用電鏡畫(huà)畫(huà)需要更復雜的過(guò)程。
首先要殺死他們。原因是精子在電鏡內部電子的轟炸下會(huì )死得非常慘烈，因此先將它們安樂(lè )死是一種仁慈的做法——這當然是謊話(huà)（生物學(xué)家和心慈手軟毫不沾邊）。正解是，在電鏡系統內，這顆可憐的小精子正如一個(gè)攤開(kāi)的雞蛋，軟塌塌地禁不起蹂躪，為了讓生物學(xué)家能夠長(cháng)時(shí)間觀(guān)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(xué)物質(zhì)讓它內部的結構原地不動(dòng)。
然后是細胞脫水。因為電鏡內部幾乎為真空，如果細胞里的水分持續不斷地揮發(fā)到這個(gè)系統中，真空就會(huì )被打破。
下邊還得讓精子變得更結實(shí)，方法是將它們泡進(jìn)液態(tài)的樹(shù)脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界樹(shù)脂的硬化過(guò)程，最后一顆亮晶晶的“精子琥珀”就出爐了。到這一步，兩天至少已經(jīng)過(guò)去。但這顆琥珀對于電鏡觀(guān)察實(shí)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最硬的鉆石制成的刀，刀尖鋒利無(wú)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(cháng)長(cháng)的精子的尾巴，相當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(chǎng)“線(xiàn)粒體”了。精子“頭腦簡(jiǎn)單，四肢發(fā)達”（指頭部?jì)热菸锞?jiǎn)，尾巴力量無(wú)窮），頭部沒(méi)什么東西好看，就不給大家展示了。
人最關(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(méi)有尾巴，不會(huì )游泳。
在大學(xué)那個(gè)眼不花手不抖的年紀，我曾帶著(zhù)自己最絢爛的熱情和最純真的眼睛做過(guò)幾年電鏡工作。前所未有的精度揭示出超乎預期的生物細節，細胞內曲線(xiàn)之完美和布局之平衡也隨之向我襲來(lái)，這些都讓我只有接招的份兒。滿(mǎn)眼和滿(mǎn)腦充斥著(zhù)驚喜和感動(dòng)，我相信自己看到的微觀(guān)世界就是宏觀(guān)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(diǎn)，自六十年前“細胞學(xué)之父”首次描述細胞之時(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)的細胞世界?，F在，有些從前只能靠電鏡來(lái)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(guò)程和那些精致的圖片結果一再簡(jiǎn)化。有人說(shuō)：電鏡學(xué)家是世界上最相信“眼見(jiàn)為實(shí)”的人；還有人說(shuō)，電鏡是一門(mén)“正在死去的藝術(shù)”。
但至少現在，我仍然相信“做科學(xué)就是做藝術(shù)”，電鏡研究是這句話(huà)最直觀(guān)的體現。而電鏡學(xué)家就如同舞臺上正襟危坐的演奏家，握著(zhù)自己的提琴，心里執著(zhù)一個(gè)藝術(shù)的和精準的世界，不會(huì )被臺下觀(guān)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(tīng)下回分解。
