生物学观测的神器，冷冻电镜是什么？科学家靠它连续斩获6次诺奖

相信大家都有过体检的经历，在这一过程中，存在着一个重要的环节，那就是“验血”，这也是确定人体血液健康的唯一方式。

而血液之所以能完成检测，则就要归功于显微镜这种检测设备的存在，让医生能够以更为“细微”的视野，去对人体血液进行观测，进而得到更准确的结果。

由此，显微镜也成为了人类最伟大的发明之一。

不过，令人大为震惊的是，这项发明的延伸物，竟接连斩获了六次诺贝尔奖。

显微镜家族：六次诺贝尔获奖

显微镜，其最早的诞生时间，可以追溯到十六世纪末期的荷兰。

当时，一位名叫亚斯·詹森的眼镜商人，与同为荷兰人的科学家汉斯·利珀希，共同在透镜的基础上，制作出了现代显微镜的雏形------------一个由两枚透镜构成的光学放大设备。

不过，二人虽然研制出了显微镜，但却没有任何实质性的运用，只当是一个功能更强大的放大镜。

直到十七世纪时，又一位荷兰人列文虎克，在经过对透镜的打磨后，也得到一个相同功能的显微镜。

而且，身为亚麻织品商人的列文虎克，并没有埋没显微镜的意义，他使用这个设备，对店里售卖的绸布进行了观测，发现了更为清晰的布纹。

这一发现，迅速打开了列文虎克的求知欲，他开始用显微镜对跳蚤、绿植，甚至是自己的精子，进行一系列细致的观察，得到更为细微的研究发现。

在一众研究数据的支撑下，列文虎克还撰写了，一篇名为《列文虎克用自制的显微镜，观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录》的荷兰语论文。

值得一提的是，这篇文章，最终在其好友格拉夫的举荐之下，还被寄送给了英国皇家学会，由此掀起了一场科学界的震动。

当然，也正是在这次发明之后，显微镜家族的谱系，开始在诺贝尔奖里“开枝散叶”了。

比如，1953年的诺贝尔物理学奖，就授予给了荷兰科学家弗里茨·塞尔尼克，此人在20世纪30年代时，在传统显微镜的基础上，研发了相位差显微镜。

简单来说，相位差显微镜的本质，就是一个拥有光学相位板的传统显微镜，在相位板的影响下，传统显微镜的不可见的光相位，就能转变为可见的振幅变化。

如此一来，相位差显微镜就能观察活性透明物质，这对于活细胞的检测，可谓是质的飞跃。

之后，在1983年时，诺贝尔化学奖则颁给了英国科学家克卢格，因为他将电子显微镜，与X-射线晶体学进行了完美整合，研究出了新的学科--------晶体电子显微技术。

在这种技术的支撑下，人类终于观测到了病毒染色质中的DNA和蛋白质，这让人类对病毒的研究，进入到了全新的领域中。

也或许是受到这次研究的启发，诺贝尔奖评选组在1986年时，将诺贝尔物理学奖，颁发给了德国物理学家鲁斯卡，以表彰此人研发第一台电子显微镜的卓越功勋。

不过，严格来说，这是一次“补发”的表彰，因为电子显微镜早在二十世纪三十年代就已研发而出，但奖项却是在五十年后才颁发的，以至于鲁斯卡在授奖两年后，就因病去世了。

而且，值得一提的是，这一年的物理学奖，除了颁发给鲁斯卡外，还授予了德国物理学家宾宁和瑞士物理学家罗雷尔。

这两人在电子显微镜的基础上，融入了微电子学的运用，开发出了隧道扫描显微镜，让电子显微镜的观测单位，正式达到了纳米级别。

当然，需要注意的是，此“隧道”并不是工程意义上的隧道，而是指量子物理学中的“隧道效应”。

简单来说，就是当电子从这细微的缝隙中穿过时，就会形成一股微弱的电流，而且这条电流的强弱，还会根据电子与障碍的距离变化而变化。

如此一来，人们就能通过观测电流的强弱，来判断测定物的大小形状。

同时，因为是微弱电子的探测，这意味着，这种观测方式，并不会破坏观测物的外表，这使得电子显微镜，在生物领域的观测，得到了全新的发展。

至于传统显微镜的观测单位升级，则要后推到2014年，由赫尔、贝齐格，以及莫纳三位科学家，共同研发出的超分辨率荧光显微镜。

这一发明，在传统显微镜的基础上，融入了一门全新的学科--------超分辨率荧光显微技术。

在该技术的加持下，传统显微镜的观测等级，正式步入到纳米级的高度，而如此的技术突破，也让上述的三位科学家，获得了2014年的诺贝尔化学奖。

就这样，显微镜家族就成功夺得了五次诺贝尔奖，让无数人深感震惊。

不过，就在众人认为，显微镜技术几乎达到巅峰时，该家族中又走出了一位强者，那就是冷冻电子显微镜技术。

值得一提的是，也正是在这项技术的加持下，让显微镜在诺贝尔奖领域中，成功取下了“六连冠”。

冷冻电子显微镜技术：生物学观测的神器

冷冻电子显微镜技术，顾名思义，这是一项基于电子显微镜，又在融入冷冻概念的全新观测技术。

而且，它的工作原理也极为先进，就是将需要观测蛋白质，保存在非常薄的液体层中，然后又将其进行冷藏。

待样本完成了冷冻后，再通过电子枪发射出的光速电子来穿透观测样本，并使用一旁的专业相机进行记录，由此得到完整的观测结果。

这样的观测模式，不仅能够保证观测蛋白质的活性，还能让紊乱活跃的分子趋于稳定，如此一来，就能让观测结果变得更加准确，其观测过程也变得简便。

至于该技术为什么能拥有这些特性，其发明者约阿基姆·弗兰克进行了完整的阐述。

首先是快速冷冻的环境，能够欺骗需要观测的分子，再具体阐述，就是只要温度过冷，那分子甚至还会认为，自己仍在原生环境中，这让科学家们，能够更好地记录分子的原生属性。

另外，该技术之所以要使用速冻原理，还在于无形冰的筛选。

原来，如果使用速冻的话，那水体结冰就会形成无形冰，而非晶体冰。

这主要是因为，晶体冰的体积比液态水大，这意味着，如果晶体冰一旦形成，那它就会挤压甚至是破坏保存其中的分子结构，进而也就无法取得直观的观测结果。

而且，正如前文所介绍的，冷冻电子显微镜的观测过程中，需要有一台专业相机参与，而这台相机的目的，其实是为了能够完全记录下观测反应。

之后，科学家们就能将这些数据上传到计算机中，并通过计算机的三维重构算法，来获得分子的三维模型，这使得分子观测变得更为具体和准确。

这一质变式的突破，让参与研究的三位科学家（约阿基姆·弗兰克、理查德·亨德森，以及雅克·迪波什），获得了2017年的诺贝尔化学奖，造就了显微镜家族的新传奇。

参考资料： 《冷冻电镜：在原子尺度上观察生命｜2017年诺贝尔奖专题 》--------中国物理学会期刊网 《冷冻电镜是如何观测到原子级别的生命结构的》-------行业资讯网 《冷冻电镜：引爆生物学进入新时代的工具》---------人民资讯 《袁岚峰对话诺奖得主约阿希姆·弗兰克（二）冷冻电镜：只要我冻得足够快，分子就以为自己在家里》---------知乎