2004年1月13日
显微技术的发展，让科学家能够更加便捷地深入微观世界。但在普通显微镜下，细胞的外形千篇一律，难以分辨。为此，科学家们发明了各种各样的方法：利用基因工程技术改造细胞、用染料给细胞染色……最终，在显微镜的视野中，细胞不再单调，而是一幅美丽的景象。
无论我们是否愿意，面对物体，眼睛总是会使用同一种方式收集信息：视网膜细胞捕捉光子。这些信息会传递到大脑，大脑将其还原为图像。如果物体太小，反射的光子也太小，人眼就无法看清它的结构。这时，我们就需要借助显微技术进行观察。本文展示的图片，不仅具有重要的学术价值，更有极强的艺术美感。这些图像代表了最先进的光学显微技术在生物研究中的应用。
目前，光学显微镜正在经历一场前所未有的变革。科学家利用新型荧光标记和基因工程技术修饰组织样本，让显微镜下的组织样本变得色彩缤纷，打开了通往“发现”的大门。这是一项由研究人员采取的全新技术。通过这项技术，小鼠大脑中的每根神经呈现出多种颜色，清晰易读，让我们能够在复杂的神经网络中追踪分析特定的轴突，还可以绘制完整的神经网络图谱——对于旧的成像技术来说，这是不可能完成的任务。
显微镜的精度也不断提高。我们可以在特定的蛋白质上做个标记，然后用显微镜在线观察其在组织中的活动；细胞分裂和分化过程中的每一个细节，也能一览无余。研究人员可以在强光下快速捕捉，捕捉细胞或组织内的瞬时事件，从而在微弱的光线下观察细胞内细微的生命过程。随着显微技术的发展，图像采集速度与分辨率之间的矛盾将得到解决。
目前，几种显微技术甚至可以对最细微的生物结构进行观察（并处理得到大量的观察数据），这些技术的广泛应用，为我们理解生命的本质奠定了坚实的基础。
复杂的大脑：加州大学圣地亚哥分校的托马斯·迪林克（Thomas Deerinck）利用双光子显微镜（2-photon microscopy），拍摄到一块仅400μm厚的小鼠小脑组织样本的精细显微结构（如上图所示），绿色是浦肯野细胞（Purkinje neuron），红色是星形胶质细胞（glial cell），蓝色是细胞核。哈佛大学的让·里维（Jean Livet）利用共聚焦显微镜（confocal microscopy），拍摄了一张经过基因改造的小鼠脑干组织切片（340μm）。由于基因改造，小鼠体内的每个神经元都呈现出不同的颜色（如下图所示）。通过赋予神经元不同的颜色（即“脑彩虹”），科学家将能够观察到复杂神经网络中单个轴突的方向。
小鼠内耳的组织结构
由于空间狭窄且不易分离，内耳结构观察起来非常困难。北卡罗来纳大学威尔明顿分校的索尼娅·皮奥特（Sonja pyott）捕获了小鼠内耳的毛细胞（左上图），这些细胞可以将声波机械地转换成电脉冲信号。图中，毛细胞呈绿色，毛细胞的细胞核呈红色和蓝色，然后是细胞核（共聚焦显微镜技术）。华盛顿大学的格伦·麦克唐纳（Glen MacDonald）也使用类似的染色方法捕捉了小鼠内耳的组织结构（共聚焦显微镜技术）。
果蝇的肌纤维
肌肉细胞构成坚韧的肌肉组织。上图展示了小鼠舌头肌肉的横截面，由加州大学圣地亚哥分校的托马斯·迪林克（Thomas Deerinck）拍摄。下图展示了德国明斯特大学的赫尔曼·埃伯利（Aberle Hermann）的手部肌肉，其中显示了果蝇肌肉纤维的扩张。由于基因变异，果蝇的肌肉纤维看起来杂乱无章（共聚焦显微镜）。
山羊骨 4 倍
鱼鳍和山羊骨：两张图片显示，它们是脊椎动物身体的致密组织结构。以色列拉马特甘的塞缪尔·西尔伯曼（Shamuel Silberman）把一根鱼鳍骨放大了一百倍，上面呈现出斑驳的秋色（使用光纤照明技术）。为了观察骨骼形成过程中骨密度的变化以及矿物质含量的增加程度，佛罗里达州坦帕市莫菲特癌症中心的马克·劳埃德（Mark Lloyd）和诺埃尔·克拉克（Noel Clark）把山羊骨放大了四倍（见图表，Hirono显微镜下观察）。
山羊骨 4 倍
鱼鳍和山羊骨：两张图片显示，它们是脊椎动物身体的致密组织结构。以色列拉马特甘的塞缪尔·西尔伯曼（Shamuel Silberman）把一根鱼鳍骨放大了一百倍，上面呈现出斑驳的秋色（使用光纤照明技术）。为了观察骨骼形成过程中骨矿物质密度的变化以及矿物质含量的增加程度，佛罗里达州坦帕市莫菲特癌症中心的马克·劳埃德（Mark Lloyd）和诺埃尔·克拉克（Noel Clark）把山羊骨放大了四倍（见图，Hirono显微镜）。微管在染色体周围形成（蓝色）。
这是哥伦比亚大学的Jan Schmoranza（Jan Sch-moranzer）拍摄的经血清饥饿处理的细胞的细胞膜和微管（绿色）的结构。从图上看，成纤维细胞的微管表现出了异常行为。微管的直径约为20nm，通常，当细胞膜出现间隙时，微管会在间隙处聚集，但这种情况并非如此。在间期细胞中，杜克大学的U. Serdar Tulu（U. Serdar Tulu）在138μm宽的视野中捕获了染色体（蓝色）周围正在形成的微管（黄色，下图）。
这些画面，让我不禁想起著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在《趣味故事》中讲述的一个故事。费曼的一位朋友曾认为，科学家对花之美的认识不如艺术家深刻，而且美丽的花朵开得乱七八糟，最终变成了无趣的东西。费曼并不认同这位朋友的观点，他说：“我觉得他这样说确实有点可笑。首先，他和我所看到的有什么区别？我相信，即使我没有像他一样受过审美训练，也能欣赏到一朵花的美……让我们想象一下在细胞运动中，其错综复杂的姿态何尝不是一种美？我的意思是，花的美不仅仅在于宏观形态，在微观世界里，它的内部结构也同样令人着迷。而花为了昆虫的天意而争艳斗艳，这本身就是一件很有趣的事情，从侧面说明昆虫或许也能分辨颜色。看到这些美丽的花朵，我很想探究一个问题：低等动物也懂得欣赏花的美吗？它们为什么有品尝的能力？这些有趣的问题已经证明，科学知识只会让花朵变得更加神秘、更加令人心动、更加令人敬畏。”
