看见“五维”生命

　　工作中的李栋（受访者供图）

　　绿色的是线粒体，紫色的是溶酶体，黄色的是微管。

　　线粒体顺着线状的微管轻快地移动，仿佛滑行在自己专属的轻轨上。倘若不是荧光标记鲜明地染出了每一种结构，你很容易忽略连接着它们的小小的溶酶体。这些不起眼的小家伙，才是招募微管为己所用的“大佬”，而大个头的线粒体，不过是搭了个便车而已。

　　这是一个哺乳动物细胞里的一幕。这个细胞贴在透明的小匣子壁上，被放置在掠入射结构光照明显微镜（GI-SIM）下。

　　中科院生物物理研究所研究员李栋坐在漆黑的实验室里，通过电脑屏幕，看着这个微小世界里熙熙攘攘的场景。他知道，这一场景前所未见。

　　看，生命！

　　多年来，李栋带领团队开发出多模态结构光超分辨显微镜、深度学习超分辨成像算法以及三维高时空分辨生物力显微镜等技术方法，通过与其他生物学家合作，不断地展示着生命隐秘角落里的奇观异景。

　　李栋本科就读于浙江大学光学工程专业，入学第一课，就是欣赏本系前辈们用自己研制的高速摄像机拍下的中国第一颗原子弹爆炸场面。

　　光学研究是一门“看见”的学问，它致力于拓展人类视野的极限：看见曾经看不见的，看清过去看不清的，留住转瞬即逝的影像，为没有生命的机器装上眼睛……

　　对光学研究者来说，一个影响一生的重要抉择就是：我要帮助这个世界看见什么？

　　李栋在香港科技大学攻读博士时，接触到了“生物光子学”这个交叉学科。博士毕业后，他远赴美国，在生命科学界赫赫有名的霍华德·休斯医学研究所做博士后，导师是后来凭借超分辨率荧光显微镜摘得诺贝尔化学奖的Eric Betzig。

　　在Betzig实验室，李栋取得了第一个重磅科研突破：成功开发高数值孔径非线性结构光照明显微镜，把活细胞高速成像的光学分辨率提高到了60纳米。这一成果登上了2015年《科学》杂志封面。

　　这项技术让科学家们有机会在活着的细胞中，清晰地看到生命活动的精细动态。《自然—方法学》评论道：“这是最终实现分子水平分辨率下观测生命过程的重要一步！”

　　在香港科技大学毕业的校友中，李栋的选择显得很小众：“我的朋友们有不少去做无人机了，很多人甚至没有听说过霍华德·休斯医学研究所。”但他对这个选择很笃定：“我逐渐意识到，生命科学是各个学科的一个交汇点，是一个蕴含着无限可能的大舞台。”

　　与“限制”共舞

　　刚开始做生物光学成像研究时，李栋常常困惑于一个问题：观测到的东西，并不是生物学家最需要的东西。很多时候，并不是越清晰，就越有价值。

　　细胞结构是三维的，但要观测生命体的动态变化，还需要拓展到“五维”——在x、y、z（空间维度）之外，增加时间维度和颜色维度。如果没有颜色维度，线粒体、溶酶体、微管等细胞器就无法鲜明地区分开来；如果没有时间维度，就无法捕捉到它们瞬息万变的活动。

　　“但这五个维度之间的关系是‘相生相克’的。”李栋说，“不可能每个维度的指标性能都高，在保障时间分辨率和颜色分辨率的同时，势必要牺牲一部分空间分辨率。”

　　这是一种平衡和妥协的艺术——要想观测到色彩缤纷的动态画面，就不得不让渡一些成像速度。怎样以尽可能小的代价，获得最好的综合效果，是李栋团队始终追求的目标。

　　像这样的客观规律限制，在研究中简直无处不在。

　　电子显微镜的局限，在于无法观测动态活体的对象。而当李栋把目光转向光学显微镜时，又遇到了难以突破的“阿贝极限”。

　　光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半。以可见光中波长最短的蓝紫光来计算，就是波长400纳米的一半——200纳米。这个分辨率，远不足以看清动辄几纳米，几十纳米的生物大分子。

　　最终，李栋从高中时候学过的公式中找到了灵感：两个正弦函数相乘，波函数的频率会增加。放在实践中，就是给出两个不同颜色的光源，让它们的波峰与波峰互相叠加，从而突破原有的极限，大大提高分辨率。

　　“阿贝极限依然存在，现有技术方法只能绕开它。”李栋微笑道。面对自然的规律和现实的缺陷，“绕”是一种不可或缺的智慧。在另一项研究中，李栋把在低信噪比拍摄条件下获得的图像，与高信噪比的图像进行了一一关联，通过让机器学习这种映射，就能从不理想的图像中转化出相对理想的结果。

　　两点之间，有时曲线最短。

　　是极致也是开始

　　李栋说，他利用的这些原理都并不是很难想到。真正的难点，在于如何完美地做到。

　　“11年了，我们开发、打磨的这套显微镜系统，能把这么多的照明模块集成在一起，每个模块都能达到最优指标，并且不损害其他模块的成像性能，这在世界上可能是独一份。”谈吐一向克制的李栋，说到这里，第一次流露出几分自豪。

　　在李栋的实验室里，你会看到完全不同于想象的“显微镜”。不是装配完整、光洁体面的成品，而是大量光学元件组成的环环相扣、千回百转的复杂链路。就像摊开的“五脏六腑”，乍一看让人眼晕。

　　每一个元件的位置、角度、高低，都经过了精心的调试，牵一发而动全身。不能错，一旦失之毫厘，就会谬以千里。

　　“每个光学元件都不是完美的，它存在一定的所谓‘像差’。诀窍不在于把每个环节的精度都通过复杂设计做到最优，而在于各个环节之间的误差能够互相抵消、互相补偿。”李栋说。

　　十年磨一剑而打造出的无比繁复精巧的显微成像系统，迎来各个机构、不同专业背景的合作者和研究生，迎来一拨又一拨满怀好奇、雄心勃勃的探索者。

　　但李栋很清醒，他知道这些成果只是为我国高端光学显微成像设备领域的“短板”和“卡脖子”问题提供潜在的技术贮备和支撑。“我们的一切工作，都有待在生物学研究中检验，有待市场规律的验证。我们真正的价值，终究要体现在助力生物学家取得前沿科学成果上。”

　　人类从开始利用荧光，到第一次把荧光蛋白融合进生命体的蛋白质中，再到把荧光广泛应用在生命科学研究和显微技术中，用去了八九十年的光阴。

　　科研创新的路，就是这样漫漫而修远。以攀登珠峰做比方，李栋认为自己只是刚刚出发，“可能还没有到达大本营，也许连大本营在哪里都有待探索”。

　　“但科研不同于登珠峰的是，我们没有已经形成的成熟线路，唯有通过自己摸索，去探明每一块岩石、每一道沟涧，去追寻更为理想的显微成像工具，去发现更加惊人的生命秘境。”他说。

　　（记者 李晨阳）