走近諾貝爾獎(jiǎng)

2015年1月，本刊曾在開年第1期開設(shè)專欄《走近諾貝爾獎(jiǎng)》，此后共連載15期，旨在介紹近年諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的一些獲獎(jiǎng)情況，讓廣大讀者朋友進(jìn)一步了解科學(xué)、愛科學(xué)，提高科學(xué)素養(yǎng)。

2015年10月，當(dāng)我們正在制作第12期專欄的時(shí)候，傳來了振奮人心的喜訊：我國科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。我們驚喜不已！似乎我們之前開設(shè)這個(gè)專欄都是為獲此獎(jiǎng)、報(bào)道此獎(jiǎng)所做的鋪墊。于是我們將第13期專欄《走近諾貝爾獎(jiǎng)》特設(shè)為2016年第1期特別策劃《呦呦之蒿，中國神藥》，介紹了屠呦呦研究青蒿素和獲諾貝爾獎(jiǎng)的艱難歷程。

之后，我們收到不少讀者來信，紛紛表示非常喜歡這個(gè)欄目。因此，從本期開始，我們將繼續(xù)連載這個(gè)欄目，用通俗的語言介紹諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的最新情況。

——編者

近100年來，激光是繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。激光自發(fā)明以來，科學(xué)家就在不斷提升其性能、開發(fā)其新功能，取得了一個(gè)又一個(gè)令人矚目的成果。美國科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭是激光研究領(lǐng)域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

把激光打造成鑷子

如何抓取單個(gè)細(xì)胞、細(xì)菌、分子等尺寸很小的東西？這是一件十分困難的任務(wù)，其難度超過我們的想象。這不僅是因?yàn)檫@些小東西小到我們?nèi)庋劭床坏?，連普通的光學(xué)顯微鏡也看不到，得依賴電子顯微鏡才能看到。更為令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個(gè)小范圍內(nèi)四處亂竄。因此，科學(xué)家要抓住它們很難，也就難以對(duì)它們做較為深入的研究。

要是在40年前，想抓住這些小東西，會(huì)讓人感覺比登天還難，至少那時(shí)候已經(jīng)有航天員登上了月球。然而，激光的發(fā)明卻讓人們捕捉這些小東西變得具有可能性。1917年，愛因斯坦提出，原子受激輻射會(huì)發(fā)光，他稱之為激光。1960年5月15日，美國科學(xué)家西奧多·梅曼制造出紅寶石激光器，并獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光。這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。

1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光做鑷子，科學(xué)家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個(gè)抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，光鑷實(shí)際上是安裝在顯微鏡上的一個(gè)輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無論外表還是使用原理，都大不相同。實(shí)際上，光鑷并非用兩道激光來夾小東西，而是用一道強(qiáng)度適宜的激光束形成一個(gè)陷阱（更加學(xué)術(shù)的說法是三維勢(shì)阱）。如果以激光束形成光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾微米方圓的區(qū)域，你將會(huì)觀察到一旦微小物體進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)迅速地墜落到光場(chǎng)的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學(xué)家又把困住其中把持物體的區(qū)域稱為“光阱”，相應(yīng)的技術(shù)稱作光學(xué)捕捉。光鑷將細(xì)胞、分子等小東西關(guān)在這個(gè)陷阱里，讓它們不能亂動(dòng)。此時(shí)，我們就可以對(duì)這些小東西進(jìn)行更進(jìn)一步的研究了。

光鑷有啥用

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個(gè)活的細(xì)菌，而且沒有對(duì)這個(gè)細(xì)菌帶來任何傷害。然后，他有時(shí)固定這個(gè)細(xì)菌進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)的研究，也可以移動(dòng)它到指定位置，以便研究細(xì)菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒有光鑷之前，科學(xué)家很難固定細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后進(jìn)行研究。有了光鑷，科學(xué)家可以操縱和移動(dòng)分子、病毒和其他活細(xì)胞，還有顯微世界中的其他小東西。

瑞典皇家科學(xué)院院士埃娃·林德羅特接受采訪時(shí)說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動(dòng)到你想要的地方，并對(duì)它們展開操作。這是非常實(shí)用的工具，事實(shí)上我們也經(jīng)常使用它?！?/p>

阿什金的發(fā)明對(duì)分子生物學(xué)家的幫助最大，讓科研人員可以在不破壞細(xì)胞膜的前提下，深入分析細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用的細(xì)胞器和分子器件，并探索細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化原理。2013年時(shí)，生物學(xué)家已能用激光鑷子夾住單個(gè)細(xì)胞。例如，從血液中分離出單個(gè)血紅細(xì)胞，用于鐮刀狀血紅細(xì)胞貧血癥或瘧疾治療研究。