綠色的是線(xiàn)粒體，紫色的是溶酶體，黃色的是微管。

　　線(xiàn)粒體順著(zhù)線(xiàn)狀的微管輕快地移動(dòng)，仿佛滑行在自己專(zhuān)屬的輕軌上。倘若不是熒光標記鮮明地染出了每一種結構，你很容易忽略連接著(zhù)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(xiàn)粒體，不過(guò)是搭了個(gè)便車(chē)而已。

　　這是一個(gè)哺乳動(dòng)物細胞里的一幕。這個(gè)細胞貼在透明的小匣子壁上，被放置在掠入射結構光照明顯微鏡（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)驗室里，通過(guò)電腦屏幕，看著(zhù)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)團隊開(kāi)發(fā)出多模態(tài)結構光超分辨顯微鏡、深度學(xué)習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(zhù)生命隱秘角落里的奇觀(guān)異景。

　　李棟本科就讀于浙江大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)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(chǎng)面。

　　光學(xué)研究是一門(mén)“看見(jiàn)”的學(xué)問(wèn)，它致力于拓展人類(lèi)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，留住轉瞬即逝的影像，為沒(méi)有生命的機器裝上眼睛……

　　對光學(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，他遠赴美國，在生命科學(xué)界赫赫有名的霍華德·休斯醫學(xué)研究所做博士后，導師是后來(lái)憑借超分辨率熒光顯微鏡摘得諾貝爾化學(xué)獎的Eric Betzig。

　　在Betzig實(shí)驗室，李棟取得了第一個(gè)重磅科研突破：成功開(kāi)發(fā)高數值孔徑非線(xiàn)性結構光照明顯微鏡，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(huì )在活著(zhù)的細胞中，清晰地看到生命活動(dòng)的精細動(dòng)態(tài)。《自然—方法學(xué)》評論道：“這是最終實(shí)現分子水平分辨率下觀(guān)測生命過(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)人機了，很多人甚至沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)霍華德·休斯醫學(xué)研究所。”但他對這個(gè)選擇很篤定：“我逐漸意識到，生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的一個(gè)交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊含著(zhù)無(wú)限可能的大舞臺。”

　　與“限制”共舞

　　剛開(kāi)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(guān)測到的東西，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。

　　細胞結構是三維的，但要觀(guān)測生命體的動(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(xiàn)粒體、溶酶體、微管等細胞器就無(wú)法鮮明地區分開(kāi)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)維度的指標性能都高，在保障時(shí)間分辨率和顏色分辨率的同時(shí)，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(guān)測到色彩繽紛的動(dòng)態(tài)畫(huà)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，是李棟團隊始終追求的目標。

　　像這樣的客觀(guān)規律限制，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(guān)測動(dòng)態(tài)活體的對象。而當李棟把目光轉向光學(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(cháng)的一半。以可見(jiàn)光中波長(cháng)最短的藍紫光來(lái)計算，就是波長(cháng)400納米的一半——200納米。這個(gè)分辨率，遠不足以看清動(dòng)輒幾納米，幾十納米的生物大分子。

　　最終，李棟從高中時(shí)候學(xué)過(guò)的公式中找到了靈感：兩個(gè)正弦函數相乘，波函數的頻率會(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，現有技術(shù)方法只能繞開(kāi)它。”李棟微笑道。面對自然的規律和現實(shí)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(jìn)行了一一關(guān)聯(lián)，通過(guò)讓機器學(xué)習這種映射，就能從不理想的圖像中轉化出相對理想的結果。

　　兩點(diǎn)之間，有時(shí)曲線(xiàn)最短。

　　是極致也是開(kāi)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(kāi)發(fā)、打磨的這套顯微鏡系統，能把這么多的照明模塊集成在一起，每個(gè)模塊都能達到最優(yōu)指標，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(shuō)到這里，第一次流露出幾分自豪。

　　在李棟的實(shí)驗室里，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、千回百轉的復雜鏈路。就像攤開(kāi)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)了精心的調試，牽一發(fā)而動(dòng)全身。不能錯，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)節的精度都通過(guò)復雜設計做到最優(yōu)，而在于各個(gè)環(huán)節之間的誤差能夠互相抵消、互相補償。”李棟說(shuō)。

　　十年磨一劍而打造出的無(wú)比繁復精巧的顯微成像系統，迎來(lái)各個(gè)機構、不同專(zhuān)業(yè)背景的合作者和研究生，迎來(lái)一撥又一撥滿(mǎn)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。“我們的一切工作，都有待在生物學(xué)研究中檢驗，有待市場(chǎng)規律的驗證。我們真正的價(jià)值，終究要體現在助力生物學(xué)家取得前沿科學(xué)成果上。”

　　人類(lèi)從開(kāi)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，李棟認為自己只是剛剛出發(fā)，“可能還沒(méi)有到達大本營(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(xiàn)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)現更加驚人的生命秘境。”他說(shuō)。

　　　　（記者 李晨陽(yáng)）