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，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”，而大個頭的線粒體，不過是搭了個便車而已。

　　這是一個哺乳動物細胞里的一幕。這個細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驗室里，通過電腦屏幕，看著這個微小世界里熙熙攘攘的場景。他知道，這一場景前所未見。

　　看，生命！

　　多年來，李棟帶領(lǐng)團隊開發(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空分辨生物力顯微鏡等技術(shù)方法，通過與其他生物學(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拍下的中國第一顆原子彈爆炸場面。

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

　　對光學(xué)研究者來說，一個影響一生的重要抉擇就是：我要幫助這個世界看見什么？

　　李棟在香港科技大學(xué)攻讀博士時，接觸到了“生物光子學(xué)”這個交叉學(xué)科。博士畢業(yè)后，他遠赴美國，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)師是后來憑借超分辨率熒光顯微鏡摘得諾貝爾化學(xué)獎的Eric Betzig。

　　在Betzig實驗室，李棟取得了第一個重磅科研突破：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。

　　這項技術(shù)讓科學(xué)家們有機會在活著的細胞中，清晰地看到生命活動的精細動態(tài)。《自然—方法學(xué)》評論道：“這是最終實現(xiàn)分子水平分辨率下觀測生命過程的重要一步！”

　　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人機了，很多人甚至沒有聽說過霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所?！钡麑@個選擇很篤定：“我逐漸意識到，生命科學(xué)是各個學(xué)科的一個交匯點，是一個蘊含著無限可能的大舞臺?！?/p>

　　與“限制”共舞

　　剛開始做生物光學(xué)成像研究時，李棟常常困惑于一個問題：觀測到的東西，并不是生物學(xué)家最需要的東西。很多時候，并不是越清晰，就越有價值。

　　細胞結(jié)構(gòu)是三維的，但要觀測生命體的動態(tài)變化，還需要拓展到“五維”——在x、y、z（空間維度）之外，增加時間維度和顏色維度。如果沒有顏色維度，線粒體、溶酶體、微管等細胞器就無法鮮明地區(qū)分開來；如果沒有時間維度，就無法捕捉到它們瞬息萬變的活動。

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

　　這是一種平衡和妥協(xié)的藝術(shù)——要想觀測到色彩繽紛的動態(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，獲得最好的綜合效果，是李棟團隊始終追求的目標(biāo)。

　　像這樣的客觀規(guī)律限制，在研究中簡直無處不在。

　　電子顯微鏡的局限，在于無法觀測動態(tài)活體的對象。而當(dāng)李棟把目光轉(zhuǎn)向光學(xué)顯微鏡時，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，大約是可見光波長的一半。以可見光中波長最短的藍紫光來計算，就是波長400納米的一半——200納米。這個分辨率，遠不足以看清動輒幾納米，幾十納米的生物大分子。

　　最終，李棟從高中時候?qū)W過的公式中找到了靈感：兩個正弦函數(shù)相乘，波函數(shù)的頻率會增加。放在實踐中，就是給出兩個不同顏色的光源，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?。面對自然的規(guī)律和現(xiàn)實的缺陷，“繞”是一種不可或缺的智慧。在另一項研究中，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行了一一關(guān)聯(lián)，通過讓機器學(xué)習(xí)這種映射，就能從不理想的圖像中轉(zhuǎn)化出相對理想的結(jié)果。

　　兩點之間，有時曲線最短。

　　是極致也是開始

　　李棟說，他利用的這些原理都并不是很難想到。真正的難點，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，每個模塊都能達到最優(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一份。”談吐一向克制的李棟，說到這里，第一次流露出幾分自豪。

　　在李棟的實驗室里，你會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。

　　每一個元件的位置、角度、高低，都經(jīng)過了精心的調(diào)試，牽一發(fā)而動全身。不能錯，一旦失之毫厘，就會謬以千里。

　　“每個光學(xué)元件都不是完美的，它存在一定的所謂‘像差’。訣竅不在于把每個環(huán)節(jié)的精度都通過復(fù)雜設(shè)計做到最優(yōu)，而在于各個環(huán)節(jié)之間的誤差能夠互相抵消、互相補償。”李棟說。

　　十年磨一劍而打造出的無比繁復(fù)精巧的顯微成像系統(tǒng)，迎來各個機構(gòu)、不同專業(yè)背景的合作者和研究生，迎來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高端光學(xué)顯微成像設(shè)備領(lǐng)域的“短板”和“卡脖子”問題提供潛在的技術(shù)貯備和支撐。“我們的一切工作，都有待在生物學(xué)研究中檢驗，有待市場規(guī)律的驗證。我們真正的價值，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。以攀登珠峰做比方，李棟認(rèn)為自己只是剛剛出發(fā)，“可能還沒有到達大本營，也許連大本營在哪里都有待探索”。

　　“但科研不同于登珠峰的是，我們沒有已經(jīng)形成的成熟線路，唯有通過自己摸索，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。

　　　　（記者 李晨陽）