顯微鏡下的秘境:你絕對猜不出這在拍什麼

顯微鏡下的秘境：你絕對猜不出這在拍什麼

一個由NSF資助的團隊利用光學顯微鏡拍攝硅藻。在過去，蓋玻片、反光鏡和透鏡統治著顯微鏡的世界。如今，原子、離子和雷射束成為清晰拍攝細胞、分子和納米結構等微觀世界的關鍵組成部分。如今的顯微鏡學是藝術和科學、數據和設計的融合。美國國家科學基金會（NSF）的資助確保研究人員能夠繼續拓寬顯微鏡的極限。該基金會為學術實驗室提供了最先進的成像工具，支持開發全新的顯微鏡技術，並為該領域的年輕科學家和工程師提供培訓。一個由NSF資助的團隊利用光學顯微鏡拍攝硅藻（如圖）。硅藻是一種帶有玻璃狀外殼的微藻，這些外殼以單個細胞或小菌落的形式生長。一隊科學家在展開生物多樣性研究時，在蒙古擁有150萬年歷史的庫蘇古爾湖中發現了這些硅藻。硅藻是監測水質的主要工具，它們的化石有助於解釋這片區域的過往。

這仿佛是非常忙碌的中央車站，實際上這裡是大腦的海馬區，集結著樹突（黃色和橙色）、軸突（綠色）、突觸（紅色）、星形神經膠質（淺藍色）和小神經膠質（深棕色）。這些組成部分和通路負責神經衝動從一個細胞到另一個細胞的傳遞和接收。電子顯微鏡使用電子束作為光源，記錄原始數據並予以分析，最終生成這些結構的三維圖。研究人員計劃從不同的大腦區域和樣本中收集圖像，並開發一種全新電子顯微鏡，它將能夠窺視單個突觸的最小子結構的內部工作原理。他們還將構建新型計算模型工具，以了解這些微小結構如何輔助大腦功能。

這看起來像孩子的玩具球，實際上它是引發藍舌病的病毒，在過去二十年中這種病毒殺死了歐洲約200萬頭牛。研究人員使用低溫電子顯微鏡以詳盡的細節捕捉這種納米級病毒的三維圖。了解該病毒有助於研發抗病毒藥物以及新疫苗。低溫電子顯微鏡能夠前所未有地在原子尺度上觀察生命，並從根本上改變了生物學和生物化學。它讓電子束穿透包含數百萬種蛋白質的多層冷凍樣本，最終產生圖像。軟體把每種蛋白質的二維圖合併起來以重建三維結構。這種顯微鏡的發明者阿希姆·弗蘭克、理察·亨德森和雅克·杜波切特因此贏得了2017年諾貝爾化學獎。弗蘭克自1984年起就開始這方面的影像研究，並獲得美國國家科學基金會的資助。

這張展現了早期大腦發育的圖中，一隻僅出生五天的斑馬魚的神經纖維發著紅光、綠光和藍光。這張圖由FluoRender製作而成。FluoRender是一種對共聚焦顯微鏡數據進行可視化處理和分析的交互式軟體。神經生物學家使用該軟體來操縱和測量一系列生物（如，果蠅和老鼠）的結構解剖。共聚焦顯微鏡使用單個光點（通常是雷射束）把樣本掃描成一系列光學截面，再逐個像素地構建每張圖片。 螢光染料通過凸顯特定結構的輪廓以實現成像增強效果。

這個細長的結構是來自海馬區的單個腦細胞。海馬區是負責記憶形成、回憶和學習的大腦區域。我們可以看出細胞的輪廓和觸角（絲狀偽足），它們在腦細胞之間形成連接。研究人員使用超解析度共焦顯微鏡和綠色螢光蛋白來捕捉這張特寫。在一個年輕的、正在發育中的大腦中，一旦絲狀偽足與其他神經元形成連接，它們就會瓦解。然而，當發育出現問題，絲狀偽足會仍然存在。探索神經元如何成熟的研究有助於研究人員了解大腦發育疾病的原因。為了捕捉這張圖片，顯微鏡的雷射光源聚焦在含有綠色螢光蛋白的細胞上。光束激活了蛋白質，導致細胞發光。一個專門的成像檢測器收集所有的發射光，最終產生超清晰的解析度。

偏光顯微鏡在觀察甘油表面時捕捉到了迷幻的「液晶膜」。圖中的液晶與智慧型手機和電視顯示器中的液晶是同一類型。液晶改變了顯示屏技術，但關於液晶如何在空間和時間上排列的全新認識讓下一代無需配備機械部件就可實現對焦和變焦的相機成為可能。藉助對液晶的全新知識，科學家們正在研發一種由蜘蛛狀聚合物製成的材料，這種材料可以產生電力讓我們通過鞋子就可為智慧型手機供電。偏光顯微鏡最初是為礦物學開發的，現在被用於檢測液晶和聚合物。偏光鏡把入射光引導到單一方向。當這種光線照射液晶時，它可以傳輸有關局部晶體取向的關鍵細節。

圖中展現的是DNA，由原子力顯微鏡（AFM）拍攝。DNA是人類生活的基因藍圖。深粉色波浪線中的深色陰影是DNA螺旋結構的橫檔。它們與DNA的大溝和小溝相對應，其中的蛋白質與DNA相互作用以執行一系列生物過程，如，調控基因表達。研究連接蛋白質和未連接蛋白質的DNA結構使研究人員能夠更了解人類基因組的奧秘。為了能夠觀察DNA結構，原子力顯微鏡需要實現的解析度大約是原子大小的十倍或大約十億分之一米，該顯微鏡在分子表面上輕刺一個小孔後，就可拍攝到該分子的局部解剖圖。 這種顯微鏡也可用來測量分子的強度。

一次性尿布與顯微鏡有什麼關係？ 目前，吸收尿液的聚合物成為一種新型成像儀器——擴展顯微鏡（expansion microscopy）的主要元件。利用這種聚合物和發光染料處理小鼠腦細胞，可幫助研究人員找出單個細胞並追蹤神經通路。這一過程類似在氣球上畫畫，然後把氣球吹起來。擴展顯微鏡的一個重要優勢是，當逐漸遠離彼此，分子和分子之間的距離是均勻的。這類觀測有助於研究人員繪製引發疾病的「肇事」細胞。這些繪製圖接下來可成為有系統的目標細胞清單，醫生可以有針對性地實施治療方案。

這是個彩色甜甜圈？這張體現紅細胞外膜變化的圖由空間光幹涉顯微鏡（SLIM）製作而成。隨著時間的推移對外膜的不斷變化展開測量，研究人員發現隨著紅細胞老化，外膜會變硬，從而阻礙細胞的正常功能。 從表面上看，這些細胞看起來很健康，但隨著時間的推移它們的功能會慢慢減退。這一發現可為血庫的工作帶來積極影響。在美國，每年採集和儲存的血液將近1400萬單位，保存期約為42天。 SLIM成像方法可用以在患者接受血液之前對儲存血液展開檢測。

蝴蝶翅膀上有著各種圖案和色彩。把它們的翅膀放大，我們可以看到錯綜複雜的納米結構（圖中藍色和紅色蜂窩狀的柱子）。研究人員正在研究蝴蝶在發育過程中如何形成這些豎立的納米結構，以及昆蟲如何修改生長過程使翅膀上呈現繽紛的彩色。這類研究有望創造一些通過生物過程定製設計的納米結構，並比機械或化學方法更經濟適用。光學、醫學等領域都可以從中獲益。為了觀察這些微小的結構，研究人員使用了離子顯微鏡。當由氦或氖離子構成的光束撞擊樣品，會發出電子並被探測器記錄，結果就會產生細節詳盡的清晰圖像。

健康的紅細胞（上排）和感染瘧疾的細胞（下排）的光學特徵為偏遠地區提供了一種快速診斷疾病的方法。研究者使用3D列印而成的可攜式全息野外顯微鏡拍攝了原始細胞的全息圖，再從中提取出這些光學特徵。在獲得全息圖之後，用戶將數據通過網際網路傳輸到遠程計算機進行分析。為了對細胞進行分類，系統算法將樣本與已知的健康細胞和病變細胞的特徵進行比對。這種檢測方法只需幾分鐘，而傳統方法需要數天時間。除了現場診斷外，全息顯微鏡還可在醫院和其他臨床環境中用於分析與癌症、肝炎、心臟病等疾病相關的細胞。

這張膠原纖維的3D視圖由熱噪聲成像技術製作而成。2001年該技術問世，但此後一些技術難題阻礙了它的發展。為了獲得該圖像，研究人員將一些納米級珠子添加到組織樣本中並向樣本照射雷射。珠子反射了光線，探測器通過光學顯微鏡以極快的速度拍攝納米珠子。這種成像技術能夠以高解析度拍攝軟質的納米結構，這使觀測膠原蛋白成為可能，有助於啟發研究人員改進對人造皮膚或組織的設計。（惜辰）