探知无界·超级显微成像世界的探索

丛书简介： 在中国教育部的支持下，北京大学与国内外多所中学联合启动的“亚洲青少年交流计划”自2021年开始，接收来自国际高中学生共同参与线上课堂，相互学习、共同探讨。此项计划不仅凝聚了教育、科技界的智慧和资源，而且着眼于拔尖创新人才的培养，是一次大学与中学深度融合、共同育人的创新尝试，致力于在真实的科研课题学习与实践中，为中学生打造一个全方位、跨学科的学习体验。 北京大学的教授团队亲自设计并讲授的课程，不仅旨在巩固中学生的学科知识，更重要的是引导中学生培养跨学科思维和科学家精神，激发对科技前沿的热爱，并在科学探索的旅途中播下探究与创新的种子。 这些课程内容经过北大教授的严格审定，依托“北大A计划”青少年拔尖创新人才选拔与培养机制，再由北大附中的教师团队根据中学生的学习特点进行了适度的调整与拓展，包括增加了延伸阅读和实践活动，最终获得教育部的正式批准出版。本丛书暂定为“北大名师讲科普系列”。 本册内容简介： 《探知无界·超级显微成像世界的探索》主要以介绍如何能够清晰地观察生命活动中的精细结构动态的显微成像方法为核心内容，同时，也会探讨这些生命活动的观察如何能够改变我们的生活。希望通过阅读这本书，读者能够更深入地认识到各个学科之间其实并无人为划定的界限。数学、物理、化学、生物，甚至美学、哲学，这些学科都是紧密交织在一起的，它们共同帮助我们深入理解事物的本质，创造出认识自己的工具，并探索科学前沿的无限可能。

丛书主编： 方方，哲学博士，教授，博士生导师。北京大学心理与认知科学学院教授。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，北京大学博雅特聘教授。现任北京大学党委常委、副校长，兼任党委教师工作部部长、人事部部长、师资人才办公室主任等。曾任北京大学心理学系系主任，心理与认知科学学院院长等。 马玉国，教授，博士生导师。现任北京大学附属中学党委副书记、校长；北京大学分析测试中心主任，北京大学软物质科学与工程中心副主任。北京大学化学与分子工程学院教授，中国科协第九次代表大会代表，中国化学会理事。 本册主编： 陈良怡，北京大学长聘教授。西安交通大学生物工程与医学仪器本科学位（1995年），华中科技大学生物电子学硕士学位（1997年），生物医学工程博士学位（2001年）。2001至2004年，任美国西雅图华盛顿大学生理与生物物理系博士后。2004至2010年，入职中国科学院生物物理研究所任副研究员。2010年，入职北京大学分子医学研究所（后并入北京大学未来技术学院）任研究员、博士生导师。2020年起任博雅特聘教授，并担任北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心特聘研究员。研究领域为发展先进生物荧光成像方法，应用这些方法研究糖尿病相关的胰岛素分泌调控过程等。 郭长亮，北京大学未来技术学院、北京大学国家生物医学成像科学中心副研究员，研究方向为先进生物医学成像方法的开发。

导语 本课程为“超级显微成像世界的探索”，旨在向大家介绍显微成像技术的应用，分辨率的重要性，以及如何突破分辨率的极限。我们团队通过融合各个学科的知识，致力于解决“如何看得更清楚”的问题；致力于运用数学方法，提高图像分辨率，使大家能够更清晰地观察活细胞中的细节。 本课程将带领大家深入探索我们团队的研究领域，揭示显微成像技术的历史发展，以及如何在前人的研究基础上，通过创新的方法提高分辨率。尽管同学们在学校里学习的是一系列不同的学科，但当将其应用于解决现实生活问题时，学科之间的边界并不存在。不同领域的知识相互交融，只有全面理解并融会贯通，同学们才能从根本上解决问题中的关键难点。这也是本课程希望向同学们传达的主要内容。课程分为三讲，第一讲将介绍显微成像领域最基本的概念。通过显微成像技术，同学们可以欣赏生命本身所呈现出来的美，了解显微成像如何使视野更加清晰，观察到生命起源的奥秘以及疾病的演变过程。第二讲将探讨显微成像技术的发展历程，并探究如何定义分辨率以及如何提高分辨率。第三讲将探讨如何通过荧光显微成像技术与数学的结合，在活细胞中进一步提高物体的可见度，以及这项工作如何帮助同学们理解显微成像和物体成像的数学原理。 本课程通过我们团队的研究实例，展示了跨学科融合在显微成像领域中对突破分辨率的关键作用。提高分辨率的最终目标是揭示疾病发生和发展的机制，以便人类能够找到干预和治疗疾病的药物，从而改善患者的健康状况，延长生命质量，推动相关科学的进步。 第一讲 探索显微成像的意义 本讲将带领同学们直观感受荧光显微成像技术的魅力，了解通过荧光显微成像技术，我们能够观察到什么样的现象，这些现象又有着怎样的意义。 一、显微成像 与一般显微成像技术不同，荧光显微成像是将荧光蛋白标记在细胞内的不同分子上。当它们受到激发后，这些荧光分子会发出不同波长的光线，从而给细胞内分子标记不同的颜色。下图展示了各种荧光显微镜拍摄到的细胞内图像。一方面，我们可以通过上图中的图像观察到细胞内非常有趣且有时排列非常规则的结构；另一方面，这些规则的结构往往与许多艺术作品十分相似。因此，我们可以说荧光显微成像技术是科学与艺术相结合的技术。以下图为例，如果不仔细观察，大家可能认为这只是一个普通的中国结，但是如果再仔细看一下，就会发现左侧图像中间部分实际上是一个COS-7活细胞。我们使用红色荧光蛋白标记了这个细胞内精细的肌动蛋白（Actin）结构，也就是细胞骨架的一部分，并将图像的背景调成白色，随后在下方添加了吊穗的装饰。你会发现它确实像一个中国结的样式，但实际上这个结构的核心是一个COS-7活细胞，它的内部有着像蜂窝一样的密集骨架结构。 知识链接 1. COS-7活细胞来源于非洲绿猴肾的成纤维细胞并经SV40病毒基因转化的细胞系。 2. 肌动蛋白是真核细胞中含量丰富，构成肌动蛋白丝的一种蛋白质。它以单体和多聚体两种形式存在。 3. 细胞骨架是由蛋白质纤维组成的网架结构，维持着细胞的形态，锚定各个细胞器的位置，与细胞运动、分裂、分化以及物质运输、能量转化、信息传递等生命活动密切相关。组成细胞骨架的三类蛋白质纤维是微管、微丝和中间纤维系统。微管由微管蛋白构成，主要用于维持细胞形状，参与细胞运动、细胞分裂等过程中染色体的移动，以及细胞器和生物大分子的运送。微丝由肌动蛋白构成，用于维持或改变细胞形状，参与肌肉收缩、胞质环流、细胞运动和细胞分裂等生命过程。中间纤维系统的构成蛋白有多种，常见的有角蛋白、核纤层蛋白等，用于维持细胞形状，固定细胞核和细胞器，参与核纤层的形成。 通常我们会将显微镜与天文学中的望远镜进行比较，以展示不同尺度上的对比。望远镜可以观察到银河系中无数的星体，一次观察数量就能高达数十亿。与这个复杂的庞大星体系统相比，我们可以用新生儿大脑中的数十亿个神经元作为对比，如下页图所示。通过这个例子我们看到了一个非常有趣的类比关系。图（a）展示了望远镜观察到的银河系星体，而图（b）则展示了新生儿出生时的大脑神经元。这两幅图的尺度相差约1010或1020个数量级，但它们在人眼观察尺度下却看起来非常相似。新生儿大脑中的数十亿个神经元就像望远镜观察到的银河系中的数十亿个星体一样。 生命科学和医学研究往往是联系在一起的。以个人之见，我认为二者研究的根本目的是更好地了解人类自身。为什么这样说呢？因为我们进行研究的根本目标是希望人类过上更好、更健康的生活。要实现这一目标，就需要清晰地了解不同尺度下人体内的生命活动过程。换句话说，我们研究的目的是什么？我们希望更加清楚地了解生命活动的过程和疾病产生的原因，而这正是显微成像技术的必要性所在。以细胞分裂过程为例，如二维码中视频所示。细胞是生命活动的基本单元，一个细胞分裂成两个细胞，这代表着最基本的生命活动——细胞分裂。利用显微成像技术，我们可以同时观察视频中左侧、中间、右侧三个不同尺度下细胞内的细胞器。我们可以看到那些特别密集的细胞核，随后变成染色体，还有像小虫子一样的线粒体。那些特别亮的结构是储存能量的脂滴。微暗且较大的结构是细胞内的溶酶体，相当于细胞的垃圾站。 在细胞分裂过程中，不仅需要完成遗传物质的复制，还需要解决两个新细胞之间的细胞器分配问题，比如线粒体各分配多少，是不是平均分配，如果没有平均分配，将会产生什么影响。通过这项技术，我们可以看到一些最基本的生命活动的衍生意义。 之所以特别关心在活细胞里能够看到的事物，是因为只有在活细胞中，我们才能知道生命活动发生的顺序。以COVID-19病毒为例，大家都知道它的传染性很强。如果用电子显微镜（电镜）来观察，当然可以看得很清楚。但电镜只能显示静态的图像，我们只能确认病毒是否进入了细胞内部。然而，在活细胞中，我们可以观察到更多的信息。利用荧光显微成像技术，可以观察到 COVID-19假病毒进入细胞的过程，如下页图所示。我们用绿色荧光蛋白标记了HEK293 活细胞的细胞膜，用红色荧光蛋白标记了COVID-19假病毒。通过放大观察该细胞，可以看到红色假病毒与绿色细胞膜接触的过程，以及假病毒最终进入细胞的过程，并计算它们在细胞膜上停留的时间。 因此，我们可以将病毒进入细胞的过程扩展，大致分为三个步骤： （1）病毒与细胞膜结合的过程； （2）病毒停留在细胞膜上的过程； （3）病毒进入细胞的过程。 通过这种观察，我们不仅能了解病毒进入细胞的具体过程，还能知道病毒发生突变后对上述哪个步骤产生了影响。当使用药物来对抗病毒时，我们也能够精确地知道药物作用在哪个步骤上——是阻止病毒与细胞膜结合，还是影响它停留在细胞膜上的时间，又或者是干扰它最终进入细胞的过程。

导语 / 1 第一讲 探索显微成像的意义 / 5 一、显微成像 9 二、“看得更清楚”的重要性 27 第二讲 显微成像技术的发展 / 35 一、显微镜的发展 39 二、荧光 47 三、荧光分辨率 54 四、超分辨成像技术 58 五、结构光照明显微技术 67 第三讲 显微成像技术遭遇的挑战与解决方法 / 75 一、动态 79 二、捕捉动态的困境 81 三、稀疏性的利用 84 四、连续性的利用 98