綠色的是線粒體，紫色的是溶酶體，黃色的是微管。

　　線粒體順著線狀的微管輕快地移動(dòng)，仿佛滑行在自己專屬的輕軌上。倘若不是熒光標(biāo)記鮮明地染出了每一種結(jié)構(gòu)，你很容易忽略連接著它們的小小的溶酶體。這些不起眼的小家伙，才是招募微管為己所用的“大佬”，而大個(gè)頭的線粒體，不過(guò)是搭了個(gè)便車而已。

　　這是一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞里的一幕。這個(gè)細(xì)胞貼在透明的小匣子壁上，被放置在掠入射結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（GI-SIM）下。

　　中科院生物物理研究所研究員李棟坐在漆黑的實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)電腦屏幕，看著這個(gè)微小世界里熙熙攘攘的場(chǎng)景。他知道，這一場(chǎng)景前所未見(jiàn)。

　　看，生命！

　　多年來(lái)，李棟帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出多模態(tài)結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡、深度學(xué)習(xí)超分辨成像算法以及三維高時(shí)空分辨生物力顯微鏡等技術(shù)方法，通過(guò)與其他生物學(xué)家合作，不斷地展示著生命隱秘角落里的奇觀異景。

　　李棟本科就讀于浙江大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，入學(xué)第一課，就是欣賞本系前輩們用自己研制的高速攝像機(jī)拍下的中國(guó)第一顆原子彈爆炸場(chǎng)面。

　　光學(xué)研究是一門“看見(jiàn)”的學(xué)問(wèn)，它致力于拓展人類視野的極限：看見(jiàn)曾經(jīng)看不見(jiàn)的，看清過(guò)去看不清的，留住轉(zhuǎn)瞬即逝的影像，為沒(méi)有生命的機(jī)器裝上眼睛……

　　對(duì)光學(xué)研究者來(lái)說(shuō)，一個(gè)影響一生的重要抉擇就是：我要幫助這個(gè)世界看見(jiàn)什么？

　　李棟在香港科技大學(xué)攻讀博士時(shí)，接觸到了“生物光子學(xué)”這個(gè)交叉學(xué)科。博士畢業(yè)后，他遠(yuǎn)赴美國(guó)，在生命科學(xué)界赫赫有名的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所做博士后，導(dǎo)師是后來(lái)憑借超分辨率熒光顯微鏡摘得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的Eric Betzig。

　　在Betzig實(shí)驗(yàn)室，李棟取得了第一個(gè)重磅科研突破：成功開發(fā)高數(shù)值孔徑非線性結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡，把活細(xì)胞高速成像的光學(xué)分辨率提高到了60納米。這一成果登上了2015年《科學(xué)》雜志封面。

　　這項(xiàng)技術(shù)讓科學(xué)家們有機(jī)會(huì)在活著的細(xì)胞中，清晰地看到生命活動(dòng)的精細(xì)動(dòng)態(tài)?！蹲匀弧椒▽W(xué)》評(píng)論道：“這是最終實(shí)現(xiàn)分子水平分辨率下觀測(cè)生命過(guò)程的重要一步！”

　　在香港科技大學(xué)畢業(yè)的校友中，李棟的選擇顯得很小眾：“我的朋友們有不少去做無(wú)人機(jī)了，很多人甚至沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所。”但他對(duì)這個(gè)選擇很篤定：“我逐漸意識(shí)到，生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的一個(gè)交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊(yùn)含著無(wú)限可能的大舞臺(tái)?！?/p>

　　與“限制”共舞

　　剛開始做生物光學(xué)成像研究時(shí)，李棟常常困惑于一個(gè)問(wèn)題：觀測(cè)到的東西，并不是生物學(xué)家最需要的東西。很多時(shí)候，并不是越清晰，就越有價(jià)值。

　　細(xì)胞結(jié)構(gòu)是三維的，但要觀測(cè)生命體的動(dòng)態(tài)變化，還需要拓展到“五維”——在x、y、z（空間維度）之外，增加時(shí)間維度和顏色維度。如果沒(méi)有顏色維度，線粒體、溶酶體、微管等細(xì)胞器就無(wú)法鮮明地區(qū)分開來(lái)；如果沒(méi)有時(shí)間維度，就無(wú)法捕捉到它們瞬息萬(wàn)變的活動(dòng)。

　　“但這五個(gè)維度之間的關(guān)系是‘相生相克’的。”李棟說(shuō)，“不可能每個(gè)維度的指標(biāo)性能都高，在保障時(shí)間分辨率和顏色分辨率的同時(shí)，勢(shì)必要犧牲一部分空間分辨率?！?/p>

　　這是一種平衡和妥協(xié)的藝術(shù)——要想觀測(cè)到色彩繽紛的動(dòng)態(tài)畫面，就不得不讓渡一些成像速度。怎樣以盡可能小的代價(jià)，獲得最好的綜合效果，是李棟團(tuán)隊(duì)始終追求的目標(biāo)。

　　像這樣的客觀規(guī)律限制，在研究中簡(jiǎn)直無(wú)處不在。

　　電子顯微鏡的局限，在于無(wú)法觀測(cè)動(dòng)態(tài)活體的對(duì)象。而當(dāng)李棟把目光轉(zhuǎn)向光學(xué)顯微鏡時(shí)，又遇到了難以突破的“阿貝極限”。

　　光學(xué)顯微鏡分辨率的極限，大約是可見(jiàn)光波長(zhǎng)的一半。以可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最短的藍(lán)紫光來(lái)計(jì)算，就是波長(zhǎng)400納米的一半——200納米。這個(gè)分辨率，遠(yuǎn)不足以看清動(dòng)輒幾納米，幾十納米的生物大分子。

　　最終，李棟從高中時(shí)候?qū)W過(guò)的公式中找到了靈感：兩個(gè)正弦函數(shù)相乘，波函數(shù)的頻率會(huì)增加。放在實(shí)踐中，就是給出兩個(gè)不同顏色的光源，讓它們的波峰與波峰互相疊加，從而突破原有的極限，大大提高分辨率。

　　“阿貝極限依然存在，現(xiàn)有技術(shù)方法只能繞開它?！崩顥澪⑿Φ馈Ｃ鎸?duì)自然的規(guī)律和現(xiàn)實(shí)的缺陷，“繞”是一種不可或缺的智慧。在另一項(xiàng)研究中，李棟把在低信噪比拍攝條件下獲得的圖像，與高信噪比的圖像進(jìn)行了一一關(guān)聯(lián)，通過(guò)讓機(jī)器學(xué)習(xí)這種映射，就能從不理想的圖像中轉(zhuǎn)化出相對(duì)理想的結(jié)果。

　　兩點(diǎn)之間，有時(shí)曲線最短。

　　是極致也是開始

　　李棟說(shuō)，他利用的這些原理都并不是很難想到。真正的難點(diǎn)，在于如何完美地做到。

　　“11年了，我們開發(fā)、打磨的這套顯微鏡系統(tǒng)，能把這么多的照明模塊集成在一起，每個(gè)模塊都能達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)，并且不損害其他模塊的成像性能，這在世界上可能是獨(dú)一份?！闭勍乱幌蚩酥频睦顥?，說(shuō)到這里，第一次流露出幾分自豪。

　　在李棟的實(shí)驗(yàn)室里，你會(huì)看到完全不同于想象的“顯微鏡”。不是裝配完整、光潔體面的成品，而是大量光學(xué)元件組成的環(huán)環(huán)相扣、千回百轉(zhuǎn)的復(fù)雜鏈路。就像攤開的“五臟六腑”，乍一看讓人眼暈。

　　每一個(gè)元件的位置、角度、高低，都經(jīng)過(guò)了精心的調(diào)試，牽一發(fā)而動(dòng)全身。不能錯(cuò)，一旦失之毫厘，就會(huì)謬以千里。

　　“每個(gè)光學(xué)元件都不是完美的，它存在一定的所謂‘像差’。訣竅不在于把每個(gè)環(huán)節(jié)的精度都通過(guò)復(fù)雜設(shè)計(jì)做到最優(yōu)，而在于各個(gè)環(huán)節(jié)之間的誤差能夠互相抵消、互相補(bǔ)償?！崩顥澱f(shuō)。

　　十年磨一劍而打造出的無(wú)比繁復(fù)精巧的顯微成像系統(tǒng)，迎來(lái)各個(gè)機(jī)構(gòu)、不同專業(yè)背景的合作者和研究生，迎來(lái)一撥又一撥滿懷好奇、雄心勃勃的探索者。

　　但李棟很清醒，他知道這些成果只是為我國(guó)高端光學(xué)顯微成像設(shè)備領(lǐng)域的“短板”和“卡脖子”問(wèn)題提供潛在的技術(shù)貯備和支撐?！拔覀兊囊磺泄ぷ?，都有待在生物學(xué)研究中檢驗(yàn)，有待市場(chǎng)規(guī)律的驗(yàn)證。我們真正的價(jià)值，終究要體現(xiàn)在助力生物學(xué)家取得前沿科學(xué)成果上?！?/p>

　　人類從開始利用熒光，到第一次把熒光蛋白融合進(jìn)生命體的蛋白質(zhì)中，再到把熒光廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)研究和顯微技術(shù)中，用去了八九十年的光陰。

　　科研創(chuàng)新的路，就是這樣漫漫而修遠(yuǎn)。以攀登珠峰做比方，李棟認(rèn)為自己只是剛剛出發(fā)，“可能還沒(méi)有到達(dá)大本營(yíng)，也許連大本營(yíng)在哪里都有待探索”。

　　“但科研不同于登珠峰的是，我們沒(méi)有已經(jīng)形成的成熟線路，唯有通過(guò)自己摸索，去探明每一塊巖石、每一道溝澗，去追尋更為理想的顯微成像工具，去發(fā)現(xiàn)更加驚人的生命秘境?！彼f(shuō)。

　　　　（記者 李晨陽(yáng)）