一鳴驚人貝齊格：超分辨熒光顯微的諾獎旅程

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2016年，應用物理學家埃里克·貝齊格 (Eric Betzig)獲選加州理工學院傑出校友。他曾因研製出「超解析度熒光顯微鏡」而獲得2014年諾貝爾化學獎。令人驚訝的是，他曾有十年時間並沒有從事科研。讓我們看看這位發明家一路如何走來。

原作Caltech Alumni

編譯凈涵

出品 知社學術圈

1994年的秋天，埃里克·貝齊格深深地思考了自己的科研追求。他有一個很美妙的想法，能夠打破當時的局限，在微小尺度下捕捉圖像。不過為了撫養新出生的孩子，他放棄了貝爾試驗優越的研究職位，從而也失去了推進自己研究的有利資源。

「我決定公布出我的想法，把它丟進科研圈裡。」 貝齊格表示，「我覺得自己很可能到此為止了，將和科學不再有瓜葛。」

二十年後，憑藉那篇論文，以及隨後的一系列重要成就，貝齊格走上了2014年諾貝爾獎的頒獎台。

貝齊格在美國底特律一帶長大。父親曾在汽車製造業工作，貝齊格認為正是這種環境的影響使他對工程學著迷，進而邁進了加州理工的大門。他這樣講道：「加州理工帶來的是浩如煙海的理論科學，我想本科期間是我人生中壓力最大的一段歲月。」作為新生，貝齊格在第二年就參加了暑期大學生研究項目 (SURF)，和當時從事飛機不穩定性研究的航空學教授Garry Brown一起工作。「通過SURF我才突然發現，對於真正探索實驗科學來說，我之前不過是在撓痒痒。」貝齊格講。

貝齊格隨後進入康奈爾大學，並首次接觸到日後深深影響其科研生涯的顯微鏡學——即通過顯微鏡觀測裸眼無法觀察的小尺度事物的科學。

顯微鏡技術有很多種，比如X光顯微鏡，電子顯微鏡，掃描顯微技術等，它們為微觀世界提供了不同尺度的窗口。傳統方法是光學顯微鏡，通過可見光穿過透鏡，使研究人員得以觀察微生物。不過這裡有個問題，在微小尺度下，光學顯微鏡會遇到障礙，即物理學上所謂的Abbe衍射極限。也就是說，任何小於半個光波長度或者0.2微米的物體，都無法被顯微鏡識別。

貝齊格加入了康奈爾的研究組，希望在Abbe極限上有所突破。「捕捉活體細胞圖像這樣的事簡直太誘人了，我必須加入其中。」 貝齊格開展了一系列實驗，並在早期取得了顯著成功。隨後他加入貝爾實驗室。1993年，已經能夠跨越衍射極限，在室溫條件下取得單個分子的圖像。

然而不久之後，他決定放棄。「我很沮喪，」貝齊格說，「我們的實驗方法遇到真正的物理學極限，科研經費也受到限制，而且從事這一領域研究的人已經太多了。我撞上了自己的極限。」 貝齊格開始把精力放到家庭上，在家發表了他的論文後，投身到私營企業當中。90年後期，他來到父親的汽車供應公司工作，並設計出一系列實驗性製造工具。「我是個優秀的工程師，但是個差勁的商人，」他開玩笑說，「我創造出一些很棒的工具，但並不能在汽車工業里施展拳腳。」

2003年，離開貝爾實驗室後時隔十年，科學的呼喚終於衝破牢籠，貝齊格在自己家中搭建了實驗室，拿起他塵封已久的科研，開始琢磨一些新想法。他重新和貝爾實驗室的同事兼導師Harald Hess取得了聯絡。「Harald和我想去旅行，比如去約書亞樹或者優勝美地國家公園，好好想想我們到底想做些什麼。」在去佛羅里達拜訪同事的時候，這兩個人突然有了一個主意——能夠聯繫起貝齊格1994年論文的主意。

Adaptive Optical Microscopy

那時候，貝齊格已經能夠獲取單個分子的圖像，但技術仍有局限。「如果能夠有一組分子，使它們的衍射極限斑點重疊，」貝齊格介紹，「我在1994年的想法是假如你有方法使它們各個區別開來——無論是什麼——你都可以將它們分離。然後，你就可以定位它們的坐標了。」不過該如何標記出這些分子？當時貝齊格並沒有答案。

時隔十年，貝齊格和Hess在佛羅里達學到了製造蛋白熒光的新技術。可以這樣講，研究人員現在能夠鎖定目標分子，使其「開關」自如——就像電燈開關一樣。

貝齊格終於找到了他要的標籤。只要每次對一小部分分子進行開關操作，他就能獲得孤立分子的圖像，儘管解析度較低，但每個都單獨地閃耀著。貝齊格說：「每個分子都好像一個模糊的燈泡。」不過這已經足夠了，他能夠藉此確定分子中心，並以高精度確定每個分子的位置。貝齊格認識到，通過結合上千幅這樣的小範圍圖像，他能夠編織出一個能夠突破Abbe極限，清晰顯現出納米尺度結構的超級圖像。

「我們都嚇到了，這看起來很顯而易見也很簡單，為什麼沒有人想出來？」 貝齊格回憶。

他們兩人很快在Hess家裡組建實驗室，不到半年，就在Hess家客廳地板上做出了顯微鏡原型。他們將其稱之為光催化定位顯微鏡 (photoactivated localization microscopy, PALM)，並於2006年在Science首先發表予以介紹。這距離他們就這一想法開始著手僅不到一年。

這一創造為這種新型顯微鏡帶來了巨大的關注。2014年，貝齊格因此獲得諾貝爾化學獎。同時獲獎的還有為單分子顯微鏡研發做出突破性貢獻的William E. Moerner和研究出使熒光分子發光方法的Stefan Hell。

時至今日，貝齊格依然在霍華德·休斯醫學研究所珍利亞農場研究園區推動著顯微鏡成像技術的發展。自2005年以來，他一直在這裡工作。

在獲得諾貝爾獎後僅僅幾周，貝齊格又在Science上展示了新的創造——點陣光學顯微鏡 (lattice light-sheet microscope)——能夠在顯微尺度下以驚人的解析度製作三點陣圖像視頻。

Lattice Light Sheet Microscopy

「就像我以PALM為驕傲一樣，我知道這件新工具是我的傑作，」貝齊格說，「我們終於有了一樣工具，能夠理解細胞的複雜性。」

貝齊格很希望其他科研人員能夠在他創造的工具基礎上，繼續前進，不畏風險，堅持不懈，取得他們自己的發現。

「人們總是被鼓勵要承擔風險，這很好。」貝齊格在諾貝爾演講的結尾說，「但如果你沒在大部分時間都失敗，那就不叫風險。對於所有那些以他們的財富、事業和聲譽做賭注，但最後失敗的人，請記住那種抗爭本身就是回報，你會擁有那種滿足，為了使這個世界更加美好，你已經付出了你的一切。」

http://www.alumni.caltech.edu/distinguished-alumni/2016/5/27/eric-betzig-bs-83-physics

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