在17世纪时，微生物学的先驱Antonie van Leeuwenhoek利用透镜来聚集光线，并且非常惊讶地看到了细胞在眼前游动；自此以后，显微镜就成为了探索研究的核心技术。今年的诺贝尔化学奖（Nobel Prize in Chemistry）被授予给了三名征服光学显微镜局限性的科学家，以奖励他们从分子水平上揭示活细胞的精细结构。
Stefan Hell、William Moerner和Eric Betzig在1990年代和2000年代时就取得了这一进展，从而使生物学家们能够实时地观测蛋白质在细胞（例如神经元之间的连接或正在分裂成胚胎的受精卵）内的分布情况以及进入细胞的方式。
Stefan Jakobs在哥廷根的马克斯.普朗克生物物理化学研究院（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）内利用超高分辨率显微技术进行研究工作，他指出，这对于生命科学领域而言确实是一场大革命，因为我们现在能够看到以往无法看到的细胞结构了。或者用诺贝尔奖委员会的话来说，“显微镜已经变成了纳米显微镜（nanoscopy）了”。
正如德国物理学家Ernst Abbe在1873年时所认识到的那样，不论光学显微镜的镜片有多清洁，它也只能够让我们模模糊糊地看到细胞内的分子。物理定律指出，如果物体之间的间距低于200纳米（大约为可见光波长的一半）的话，那么可见光就无法对这些物体进行区分，它们看上去就是一个团块。人们将这一分辨率称为Abbe衍射极限（Abbe’s diffraction limit），该分辨率能够较好地展现细胞内的细胞器，但是却无法让人看清楚细胞器的详细结构。电子显微镜利用电子束而不是光线，因此其分辨率较高，但是它们只能在真空状态中使用，从而限制了其在坏死组织观测方面的应用价值。
我们无法克服Abbe衍射极限，但是2014年诺贝尔奖的获得者则利用荧光团（fluorophore）（或称为荧光分子），开创了一系列解决该问题的新方法。目前，研究者们经常将荧光团应用到生物成像领域中，荧光团在被一定波长的激光激发之后可以发出荧光。
William Moerner现就职于加利福尼亚州的斯坦福大学（Stanford University），他在1989年时曾经就职于圣何塞的IBM阿尔马登研究中心（IBM Almaden Research Center），当时他就检测到了单个荧光分子所发出来的微弱荧光。1997年，他就职于圣地亚哥的加利福尼亚大学（University of California），当时他找到了一种新方法，既能够控制荧光，也能够像电灯一样“打开和关闭”荧光分子。尽管如此，研究者们还是无法有效地区分这些单分子，除非它们之间的间距大于200纳米。
Eric Betzig在两年前曾就职于新泽西州默里希尔市的贝尔实验室（Bell Labs），当时他提出建议：如果能够让细胞内的不同分子发出不同颜色的光，那么研究者们就能够通过拍摄一系列快照来增加分辨率——首先是红色荧光分子，其次是绿色荧光分子，然后是蓝色荧光分子。具有相同颜色的荧光团之间的间距必须大于200纳米，但是重叠图像就能够给出分辨率更精细的分子结构。Moerner进一步发现，他们可以让相同的荧光分子在不同的时间点上发出荧光——这一发现最终使Betzig的设想成为现实。
十年后，Betzig在实践中进一步展示了自己的设想。2006年，他就职于弗吉尼亚州阿什本市的霍华德.休斯医学研究所珍妮莉娅法姆研究学院（Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Farm research campus），他拍摄了一张分辨率超高的、用绿色荧光分子标记的溶酶体蛋白的照片。Markus Sauer在德国维尔茨堡大学（University of Würzburg）里研究超高分辨率显微镜；他指出，这项技术的分辨率目前已经增高至20纳米了。
与此同时，在芬兰图尔库大学（University of Turku）任职的Stefan Hell利用另一种不同的技术，发现了一个克服Abbe极限的方法，其工作原理也依赖于荧光分子的“打开和关闭”。他在1994年时提议：利用一束激光来激发染料分子发出荧光，随后再用另一束具有不同波长的激光来“关闭”其中的一些荧光。
Hell所研发的技术是利用第二束激光来“描绘”第一束激光所“照亮”的分子，从而保证只有那些“夹缝中”的分子才能够发射荧光。虽然最终得到的图像仍然是非常模糊的，因为光线仍然无法突破Abbe极限，但是很显然的是：只要第二束激光所界定的狭窄中心点能够发出荧光，研究者们就能够确定荧光的来源。
通过构建一系列诸如此类的微小荧光点，就能够生成一副高分辨率的图片。Sauer指出，从理论上而言，研究者们能够构建出直径仅为几个纳米的中心点，但是在活体细胞中，中心点的直径极限大约为30纳米，这是因为如果直径低于30纳米的话，荧光团通常都会被第二束激光的强度破坏掉。
Hell目前就职于马克斯.普朗克生物物理化学研究院，他告诉诺贝尔奖委员会，“至少在我看来，20世纪出现了如此多的物理学事件，总会有一些现象能让你克服衍射极限。”
许多生物学家都在使用这些诺贝尔奖获得者发明的显微技术。哈佛大学（Harvard University，位于马萨诸塞州剑桥市）的化学家庄小威发明了一种名为随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy）的新显微技术，并且利用这一技术展示了actin蛋白的微丝是如何环绕在神经细胞上的。Hell指出，将来还会出现很多新的超高分辨率显微镜。
原文检索：
Richard Van Noorden. (2014) Insider view of cells scoops Nobel. Nature, 514(7522):286.
Dee/编译
转自生命奥秘
