紅血細(xì)胞、細(xì)菌、酵母細(xì)胞和精子。當(dāng)17世紀(jì)的科學(xué)家第一次在光學(xué)顯微鏡下研究這些活的生物體時，他們看到了一個新的世界。微生物學(xué)誕生了，從此，光學(xué)顯微鏡成為研究生命科學(xué)的工具箱中最重要的工具之一。

　　但在很長一段時間，光學(xué)顯微鏡無法突破一個物理局限，即所謂的阿貝衍射極限——德國物理學(xué)家恩斯特·阿貝于1873年提出的公式證明，受光的波長等因素影響，顯微鏡的分辨率是有限的。在20世紀(jì)的大部分時間，科學(xué)家們都認(rèn)為，光學(xué)顯微鏡永遠(yuǎn)無法看到小于光的波長一半的物體，也就是說，分辨率超不過0.2微米。雖然某些細(xì)胞的細(xì)胞器如線粒體的輪廓在光學(xué)顯微鏡下清晰可見，但它難以分辨更小的物體，這類似于能夠看到一個城市的建筑，卻不知道居民們?nèi)绾紊?。要充分了解?xì)胞的功能，就需要具備跟蹤單個分子活動的能力。

　　阿貝衍射極限仍然成立，但美國科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學(xué)家斯特凡·黑爾借助熒光分子的幫助，巧妙地繞過了經(jīng)典光學(xué)的這一“束縛”，使光學(xué)顯微鏡發(fā)展到了一個新的層次——納米顯微鏡?，F(xiàn)在，科學(xué)家們可以監(jiān)控細(xì)胞內(nèi)單個分子之間的相互作用，觀察與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)如何聚集，并在納米水平上跟蹤細(xì)胞分裂過程。三位科學(xué)家也因在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域取得的成就而獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎殊榮。

　　斯特凡·黑爾：挑戰(zhàn)百年既定法則

　　自1990年獲得海德堡大學(xué)博士學(xué)位后，斯特凡·黑爾一直在尋找一種方法，希望能繞開阿貝定義了一個多世紀(jì)的衍射極限。挑戰(zhàn)一個既定法則的想法是誘人的，但他的熱情遭到了德國資深科學(xué)家的質(zhì)疑，因此，黑爾躲到了芬蘭，圖爾庫大學(xué)一位研究熒光顯微鏡的教授將他納入了自己的研究團(tuán)隊(duì)。

　　所謂熒光顯微鏡，就是一種利用熒光分子，比如可與特定細(xì)胞DNA（脫氧核糖核酸）耦合的熒光抗體，來對細(xì)胞的某個部分成像的技術(shù)。如果抗體與DNA耦合，它們會在細(xì)胞的中心發(fā)光。這種方法可讓科學(xué)家看到特定分子所處的位置，但他們找到的是一團(tuán)分子，比如糾纏的DNA的鏈，過低的分辨率使他們無法分清單個的DNA鏈。

　　1993年，當(dāng)黑爾在翻閱一本量子光學(xué)教科書上有關(guān)受激發(fā)射的內(nèi)容時，突然靈光乍現(xiàn)——受激發(fā)射可以讓熒光分子“熄滅”。1994年，黑爾發(fā)表文章闡述了自己的想法。他提出了所謂的受激發(fā)射損耗（STED）方法：利用一束光脈沖激發(fā)的所有熒光分子，而另一束光脈沖“熄滅”熒光，但每次保留一部分體積約納米大小分子發(fā)著光。用這樣一個納米“手電筒”沿著樣品掃描并連續(xù)地測量光強(qiáng)度，就能夠獲得一張綜合的圖像。每次掃描時保留的熒光分子體積越小，最終圖像的分辨率就越高，因此，從理論上來說，光學(xué)顯微鏡的分辨率再無任何限制了。

　　黑爾的理論文章并沒有立即引發(fā)轟動，但因足夠有趣，他得以進(jìn)入馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所工作。在隨后的幾年中，他研制出一個STED顯微鏡，并在2000年以光學(xué)顯微鏡從未達(dá)到的分辨率獲得了大腸桿菌的圖像，用實(shí)踐證明了自己的理論。

　　威廉·莫納：探測單個熒光分子的第一人

　　大多數(shù)的化學(xué)方法，例如測量熒光，科學(xué)家需要同時研究數(shù)百萬個分子。很長一段時間里，他們都在夢想能夠測量單個分子，因?yàn)楂@得的認(rèn)知越豐富、越詳盡，理解就越深入，比如疾病是發(fā)展的。因此，1989年，當(dāng)在IBM研究中心工作的威廉·莫納成功地測量了單個分子的光吸收時，他也為單分子顯微鏡的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他的實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了許多化學(xué)家們將目光投向單個分子，其中就包括埃里克·貝齊格。

　　1997年，莫納進(jìn)入加州大學(xué)圣地亞哥分校，開始了讓綠色熒光蛋白呈現(xiàn)彩虹的所有顏色的研究。他發(fā)現(xiàn)，綠色熒光蛋白的一個變體發(fā)出的熒光可被隨意地開啟和關(guān)閉——當(dāng)受到波長488納米的光激發(fā)時，蛋白開始發(fā)出熒光，但不久就會逐漸熄滅。他將這些蛋白質(zhì)分散到凝膠中，并讓它們之間的距離大于0.2微米的阿貝衍射極限。在常規(guī)光學(xué)顯微鏡下，可以看到單個分子的光，它們就像一盞盞帶開關(guān)的小燈。

　　通過這項(xiàng)研究，莫納證明，可以對單個分子的熒光進(jìn)行光學(xué)控制。而這解決了埃里克·貝齊格1995年構(gòu)想出來的一個問題。

　　埃里克·貝齊格：通過疊加圖像超越阿貝衍射極限

　　就像斯特凡·黑爾一樣，埃里克·貝齊格也一心想要找到繞過阿貝衍射極限的方法。在20世紀(jì)90年代初，他在貝爾實(shí)驗(yàn)室里，致力于研究一種被稱為近場顯微鏡的新型光學(xué)顯微鏡。這種顯微鏡可以規(guī)避阿貝衍射極限，但也有很多重大缺陷，比如很難看到細(xì)胞表面下的結(jié)構(gòu)。他最終放棄了這個研究方向，轉(zhuǎn)而設(shè)想，能否利用不同顏色的熒光分子來避開衍射極限？

　　2005年的一次實(shí)驗(yàn)過程，令貝齊格回想起莫爾納爾的研究，當(dāng)下茅塞頓開。他意識到，根本不需要不同顏色的熒光分子，通過“開關(guān)”控制，這些分子就可以在不同的時間里發(fā)出不同熒光。

　　僅僅過了一年，貝齊格成功了。他的研究團(tuán)隊(duì)將熒光蛋白與包裹溶酶體的膜耦合，并用微弱的光脈沖激活熒光蛋白，使其中的少量蛋白發(fā)光。由于數(shù)量少，幾乎所有蛋白之間的距離都超過了阿貝衍射極限的0.2微米。每個熒光蛋白的位置都可以在顯微鏡下精確地記錄下來。待熒光黯淡之后，研究人員又用光脈沖激活另一小群蛋白，如此反復(fù)。當(dāng)貝齊格將所有圖像疊加在一起，他得到了具有超高分辨率的溶酶體膜圖像。

　　方法技術(shù)從來都是科學(xué)進(jìn)步的推動力，三位獲獎?wù)叩难芯砍晒l(fā)展出了多項(xiàng)納米顯微技術(shù)，目前已被世界各地廣泛使用。功能強(qiáng)大的納米顯微鏡所展示的微小世界，也產(chǎn)生了很多前沿認(rèn)知。斯特凡·黑爾看到了活神經(jīng)細(xì)胞的內(nèi)部，這能幫助更好地理解大腦突觸；威廉·莫納研究了與亨廷頓氏病相關(guān)的蛋白質(zhì)；而埃里克·貝齊格對胚胎中的細(xì)胞分裂進(jìn)行了跟蹤。類似的例子不勝枚舉。毫無疑問，2014年諾貝爾化學(xué)獎得主們所作出的成就，將對全人類的福祉作出重大貢獻(xiàn)。