科学之美.显微镜下的人体

本书图像是怎么拍摄的 大部分时间我们都看不到我们身体内部发生了什么——不是因为它娇气，而是因为它的内部系统极其复杂。我们可能会问，我们的机体如乐器般复杂又完美精细，是如何应对每天源源不断的“碰撞和摩擦”的？这些精密设计的零部件是如何应对日常使用的磨损，又是如何抵抗衰老的？ 很遗憾，我们的身体并不能阻止磨损和衰老的发生。身体的零件有时候不仅会出现磨损甚至会出现损坏，而且还经常需要修理和更换——这正是医生的工作，他们需要探究我们身体的“内部情况”。当然，不仅仅是医生，对于我们而言，了解我们的身体如何运作也是非常重要的。因为如果我们身有病痛但对病痛的原因毫无了解的话，真的是一件很糟糕的事。因此适当地了解我们的神经、消化和循环系统如何运作，对我们预防疾病、改善健康是很有帮助的。 同所有实践科学一样，医学也讲究观察和推理。在人类文明刚开始时，我们的祖先就观察到，一些植物在某些情况下具有药用价值。而公元前1600 年的埃及人就记载了当时战场上所使用的外科手术技术，这足以证明当时人们已经掌握关于人体主要器官的解剖学知识了。从那时起，我们一步步地对我们身体内部运行机制有了越来越深入的了解。当然，古埃及的先人们是无法想象本书图片所呈现的机体的微观图像的，而这些微观图像对于我们了解自己的身体却起到了前所未有的重要作用。 那么，我们如何看到人体内部的这些细节呢？你会看到本书中每张图片旁边都有一段注释/ 说明文字。如果仔细阅读这些注释的话，不难发现本书中绝大多数的图片都是显微图像，也就是通过显微镜对微小细节进行放大成像。而实际上，要想获得这各式各样的图片，我们有着很多不同的方法。 光学显微镜图像 光学显微镜图像是由传统的光学显微镜产生的图像。光学显微镜是16 世纪发明的一种传统的显微镜，它通过透镜把标本在自然光或人造光下进行放大。当光线照射到物体上时，光线会按照物体颜色、纹理和角度的状况被物体表面反射。而这些被反射的光线进入我们的眼睛或者（在一些情况下）再次通过透镜射入我们眼球并在视网膜的感光细胞上产生刺激信号。大脑处理这些细胞收集到的关于形状、大小以及颜色和纹理的信息，这就是我们*熟悉不过的感觉之一—— 视觉的成像过程。实际上，光学显微镜显示的和我们肉眼能看到的差不多，它只是起到了一个放大的作用。 17世纪晚期，显微镜成为科学研究的重要工具。显微镜是观察微观事物*简单的低技术、低成本的工具。显微镜自被发明的400 年以来，它的本质几乎没有什么变化。而其*主要的一些革新在于观察标本的光线。例如，将偏振光照射到标本上，就能像偏光太阳镜一样，显示出标本特定的颜色和结构图案。你可以从这本书里的一些药品图片中看到这些偏振光显微镜的显示效果。微分干涉相差显微镜则使用了两束偏振光，它们生成的对比度图像被结合在一起以显示标本细节。这对于研究透明材料有着更重要的意义。荧光可以帮助显示原本不可见的细节。生物样本中的特定成分可以被荧光化学物质标记染色，这些荧光化学物质在特别窄的波长的光线范围内可见，于是我们可以获得荧光显微图像。免疫荧光显像技术则是利用了机体免疫系统中的抗体反应给观察目标染上荧光。多光子荧光显微镜比通常的荧光显微镜使用波长更长的光——其能量更小，因此对被观察的细胞造成的损害更少，而这一优势在更长的观察周期，或在研究活细胞时就能够发挥出来。 当通过显微镜，特别是高倍镜观察厚的标本时，可能无法在一个焦距下观察到整个标本，但我们也有许多技术克服这个困难。共焦显微照相术能够将标本的失焦部分从图像中删除，这种技术被应用于荧光显微成像过程以避免模糊的背景荧光对图像的干扰。反卷积荧光显微成像术则采用了不同的方法，它并不舍弃虚化的图像成分，而是通过计算机计算出是什么形状导致了模糊，然后用数字技术“恢复”清晰的图片。 电子显微镜图像 20世纪初，科学家们研发出了一种技术含量极高的新型显微镜来替代传统的光学显微镜。**台电子显微镜于20 世纪30 年代问世，它不使用光束而是使用电子枪发出的电子流来“照射”目标。传统显微镜利用透镜来改变光的传播方向，而电子显微镜则用电磁体来改变电子束方向。如果电子束密度足够大，我们就有机会看到更多光学显微镜下不可见的细节——换句话说，人类**次有机会看到我们肉眼不可能看到的东西。 电子显微镜有两种类型：透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。如同它们的名字，透射电子显微镜发出的电子是透射的——也就是说，它们直接穿透被观察目标。正如可见光线通过彩色玻璃时会受到影响，电子穿透观察目标时也会受到目标材料的影响。就像需要让阳光透过彩色玻璃窗，我们才能看到设计师的匠心设计，电子透过被观察的目标并受其影响，*终形成了观察目标的图像。透射电子显微镜的图像是在材料的另一面通过照相机或荧光屏采集的。 与透射电子显微镜不同，扫描电子显微镜中的电子并不会穿透样本，而会像织网一样扫描样本。它们与材料中的原子相互作用，然后材料释放出其他电子。这些次级电子根据材料表面的形状和成分向各个方向发射，然后被探测到。将这些次级电子的信息与原始电子扫描的细节相互比对，就能建立扫描电子显微图像。 大多数扫描电子显微镜在真空环境中才能正常运作。当然也有一些例外，比如，一些材料在真空中可能会变得非常不稳定，这时候我们可以在气体或是液体中用环境扫描电子显微镜（ESEM）来观测。另外，离子磨损扫描电子显微镜能利用聚焦的离子束剥离一层薄薄的物质，如去除细胞的外膜，如同在考古挖掘现场轻轻拂去出土物表面的泥土一样。这使得对单个细胞内微小结构的分析成为可能。 因为电子必须通过材料，所以透射电子显微镜只能处理非常薄的材料样本。扫描电子显微镜则可以处理体积更大的材料，所得的图像可以传达景深。然而，透射电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，其具体数值是难以想象的，它可以显示宽度小于50 皮米（50万亿分之一米）的细节，并将它们放大超过5000 万倍。扫描电子显微镜可以“看到”一纳米（1000皮米）的细节，并将其放大50万倍。相比之下，普通的光学显微镜只能显示大于200 纳米的细节（比透射电子显微镜能显示的大4000倍），并仅提供2000倍的有效的、不失真的放大倍数。 为了应用显微镜观察人体组织，我们必须把组织从身体里取出来，做成切片，但这在很多情况下是不可能的。因此，为了观察完整身体里的器官、组织，我们还需要其他技术。 X 光照片 X 射线成像是检查人体内部结构*常用的技术了。X射线由德国物理学家威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）于1895 年发现。当我们用这种频率大于紫外线的电磁波照射身体时，大部分射线能穿过身体，在另一侧被收集，*终形成X光照片。而一些X射线会被器官等高密度的部位吸收，或是被骨骼完全阻断。这些部分*终在X光照片中以阴影的形式呈现出来。 X 光照片*常用于观察骨折或是意外吞食异物的状况。虽然X 光照片显示的信息有限，但有时也可以用来诊断一些基础的疾病。如通过观察X 光照片中肺部的透明度是否降低来诊断病人是否患有肺结核和肺炎。 在拍摄X 光照片前，病人有时需要服用“钡餐”。这是因为，在X 射线下，胃肠道内的钡剂能够阻断X 射线，这样通过对比就可以帮助显示出肠道内的异常情况。血管造影成像技术的原理与此类似，如同病人服用“钡餐”一样，造影剂被注入血液，它们可以阻断X射线，从而使动脉、静脉和其他血管呈现出清晰的网络，在这些血管网中可以识别出狭窄或阻塞之类的异常 病变。 在某种意义上，闪烁扫描法的原理与X射线成像恰恰相反。闪烁扫描是通过使用放射性同位素显像的。不同于X射线，同位素从体内发出辐射。身体周围的摄像头可以探测到这些排放物，从而揭示出这些同位素传递的路径。辐射浓度高则表明该部位狭窄或出现梗阻。 电子计算机断层扫描和核磁共振扫描 20世纪70年代，计算机技术被应用于X射线成像术中，由此产生了电子计算机断层扫描技术（CT）。CT用各个方向的X 射线扫描物体，再通过计算机编译，*终显示出人体的横截面。由于包含人体各个角度的信息，CT 照片能够比X光照片显示出的信息多得多。但是CT 中高剂量的X 射线会对身体造成一定的损害。相较而言，20 世纪80 年代出现的核磁共振成像技术（MRI）则消除了人们的担忧。当然，一些身体内有特定金属植入物的患者是不能进行该项检查的。MRI 扫描仪使用磁场强的电磁体刺激身体水分中的氢原子，通过扫描人体各个横截面，检测氢原子的辐射频率和再次稳定后的速度，然后就可以描绘出一幅详细的人体“地图”。CT和MRI使我们不用打开病人的肚子就可以找到身体内的病变，这为患者和医生都带来了很大的便利。 MRI 中的一些特殊弥散成像方法能够更进一步追踪水分子的运动。这些技术通过制作我们大脑神经通路的图像，使我们对大脑的工作机制研究得更加透彻。 染色 如果你见过人体结构的“真实面目”，你就会发现它们的颜色与这些图像所呈现出的截然不同。我们都是由血和肉构成的，而事实上，人体有许多细胞结构是透明的，没有颜色。因此，这里的许多图像都是通过人为染色标记特定组织来显示其结构的。比如，虽然有专业背景的人知道肺部的膜和空腔是粉色的，但对普通读者来说，对颜色进行一些“编辑”则更有助于理解。 利用电脑，我们可以轻松地给图像赋予不同的颜色。但有时候，我们也可以直接用染色剂给标本染色。除了用来制作荧光显微图像的荧光染料外，生物学家还引入了各种各样的染色剂，以突出样品中不同的成分，并*终在图像中呈现出来。特定的颜色可以用来显示特定的蛋白质，比如，只对作为研究对象的蛋白质染色（称为阳性染色），或对此蛋白质以外的物质染色（称为阴性染色）。在一般情况下，我们更喜欢阴性染色，这是因为在显微镜下，即使是少量的阳性染色也可能模糊一些细节。不过无论应用哪种方式，染色都是一个非常实用的方法，能够帮助专业人士和大众了解人体内微小复杂的结构。 运用以上技术手段，我们能够对我们的机体一探究竟。追根溯源，这是因为我们渴望了解人体内部的运转机制，在其出现故障时能够及时对其修复。我们常说人体如同一台完美的机器，很多时候它能修复损坏的“零件”，能有规律地运转，能决策出*佳的运行方案，能够保护自己免受各种外敌的“入侵”。除了适应各种外部环境，这台“机器”还懂得欣赏艺术、感知爱。人体是这样一个复杂而又美妙的存在，正如本书所试图证明的那样，人体的科学如此美丽！