破百年光學束縛啟納米顯微時代德美3科學家奪化學諾獎
鉅亨網新聞中心 2014-10-09
The Nobel Prize in Chemistry 2014 was awarded jointly to Eric Betzig, Stefan W. Hell and William E. Moerner "for the development of super-resolved fluorescence microscopy".
顯微鏡讓人類得以窺探微觀世界，觀察微生物和細胞，但受制於光線和技術限制，一般光學顯微鏡無法分辨小於0.2微米（即0.0002毫米）的物體。美國科學家貝齊格、莫爾納爾及德國科學家黑爾，透過利用熒光分子成功打破界限，帶領人類從微米世界走進納米（奈米）世界，為科學研究向前邁進一大步。三人的貢獻昨日獲得肯定，共同榮獲本年度諾貝爾化學獎。評選委員會讚揚3人的突破性研究成果，巧妙地繞過了傳統光學的束縛，使顯微鏡能夠窺探納米世界。
香港《文匯報》綜合外電消息，瑞典皇家科學院昨（8）日公布，3人因為「發明超分辨率熒光顯微技術」得獎，將瓜分800萬瑞典克朗（約861萬港元）獎金。評審委員會表示，今次獲獎的兩種提升顯微鏡分辨率的方法，分別由貝齊格和黑爾研發，莫爾納爾的研究則對貝齊格成功取得突破有關鍵功勞，因此決定由3人共享殊榮。
顯微鏡技術早於數百年前已逐步成形，分辨率亦隨技術進步不斷提升，但受制於光線波長限制，0.2微米成為顯微鏡難以突破的樽頸。德國物理學家阿貝在1873年提出「繞射極限」（Diffraction limit）概念，稱0.2微米是傳統光學顯微技術解像度的物理極限。很多人就這樣接受現實，但亦有小部分科學家堅定不移，矢志打破界限。
1990年完成博士學位後，黑爾一直尋找突破「繞射極限」的方法，更不惜從德國前赴芬蘭，結果遇上當時仍處於研究階段的熒光顯微學。黑爾靈機一觸，想到設計一種「納米電筒」，可在納米範圍內掃描目標樣本，並以此為基礎構建「受激發射損耗」（STED：Stimulated emission depletion microscopy）顯微技術。雖然他的理論未有即時引起哄動，但已引來學界關注。黑爾其後製作STED顯微鏡，更在2000年實際展示其功能，聲名大噪。
而在大西洋對岸的美國，莫爾納爾1989年成為全球首位量度單分子光吸收量的科學家，並在8年後受到「綠色熒光蛋白」（GFP）啟發，發展出能夠開關GFP發光功能的方法。「綠色熒光蛋白」是2008年化學諾獎得獎研究，當年得獎者包括已故「中國導彈之父」錢學森堂侄、美國華裔科學家錢永健。
莫爾納爾為科學家觀察單一分子打開大門，更成為貝齊格的突破口。貝齊格多年來為突破「繞射極限」費盡腦筋，他利用莫爾納爾對可開關熒光分子的研究，研發出「單分子顯微技術」，透過重覆掃描目標樣本，並在每次拍攝時只讓少量分子發光，最後把所得圖像重疊在一起，得出解像度突破「繞射極限」的顯微影像。
雖然目前也有電子顯微鏡等能提供高分辨率顯微，然而這些方法的準備過程會殺死細胞，因此無法用於觀察活細胞的活動。
諾獎評審委員會指出，得獎者的研究容許人類觀察病毒以至細胞內的蛋白質，對了解有關物質的功能作出重大貢獻，例如可用於觀察柏金遜症、腦退化症和亨廷頓症患者體內的蛋白變化等。委員會讚揚3人的研究不僅為人類未來探求知識打下重要基礎，他們現在仍然站在科研的最前線，透過科學研究為人類社會謀福祉。
香港《明報》援引外媒報導，貝齊格（Eric Betzig）是熒光顯微技術領域科學家，現就職於霍華德休斯醫學研究中心。莫爾莫納（William E. Moerner）是光譜領域著名學者，現為美國史丹福大學講座教授。黑爾（Stefan W. Hell）則是德國哥廷根大學教授，現為馬克斯‧普朗克生物物理化學研究所長。
瑞典皇家科學院的聲明說﹕「他們的突破性成就讓光學顯微技術達到可觀察納米結構的程度。」評委指出，光學顯微鏡以前能觀測到整個細胞和某些細胞器輪廓，但無法看到蛋白質分子在細胞內的相互作用。這就相當於只能看到城市的建築，卻無法看清在這些建築中生活的人們。
黑爾得知自己獲獎後說：「我非常驚訝，不敢相信得獎。還好我認得諾馬克（Nordmark，瑞典皇家科學院常任秘書）的聲音，知道這是真的。」在巴西參加研討會的莫納則是接到妻子報喜才知獲獎。
黑爾於2000年開發出「受激發射損耗（STED）顯微鏡」。他用一束激光激發熒光分子發光，再用另一束激光消除掉納米尺寸以外的所有熒光，通過兩束激光交替掃描樣本，呈現出「納米級」圖像。
貝齊格和莫納則為另一種顯微鏡技術——單分子顯微鏡的發展奠定了基礎。這一方法讓單個熒光分子在不同時機發光，再匯集到同一個影像上來實現更清晰的成像。莫納1995至98年間在加州大學聖迭戈分校擔任教授時，曾向後來在2008年獲諾貝爾化學獎的華裔科學家錢永健「取經」。2006年，貝齊格第一次應用了這種方法。因此，這項成果和STED顯微技術同獲今年諾貝爾化學獎。
最近幾年，熒光顯微技術已相當成熟，科學界廣泛地運用超解析度熒光顯微鏡，一一檢視過去光學顯微鏡所看不到的東西，衍生出許多新的發現，拆解生命奧秘。例如科學家可深入了解細胞內的運作，理解病理成因。黑爾就曾觀測活的神經細胞，以了解腦部運作；莫納研究細胞蛋白與無法控制四肢的「亨廷頓舞蹈症」的關係；貝齊格則追蹤胚胎的細胞分裂過程。
隨著化學獎揭盅，4名本被看好的華裔科學家均與獎項無緣，包括港產「OLED之父」鄧青雲。
香港《文匯報》報導，今屆諾貝爾化學獎3名得主研發超高分辨率熒光顯微技術，成功突破傳統光學顯微鏡限制。香港中文大學細胞及發育生物學研究中心主任姜里文教授表示，以往觀察小於0.2微米的微生物時，只能使用電子顯微鏡，但仍無法觀測活的細胞活動，熒光顯微技術的出現令這變得可能，例如觀察病毒入侵細胞的微細過程等，對於了解疾病成因很有幫助。
姜里文指，電子顯微鏡體積巨大，而且無法觀察活細胞活動，但熒光顯微鏡與一般光學顯微鏡大小差不多。他表示，中大理學院也有引入熒光顯微鏡，一台成本約500萬港元左右。
化學獎得獎者之一的黑爾表示，諾貝爾委員會來電時正在查核一份科學論文，最初以為是惡作劇電話，之後才知是真的。他形容得獎完全出乎意料，但沒有過分激動，聽完電話後繼續看論文，看完後才打電話給妻子和幾位親友通知喜訊。他又笑說要反鎖在房中，避開蜂擁而至的採訪要求和連環電話轟炸。
黑爾稱雖然研究最初遇到學界極力反對，「不過物理學在20世紀取得這麼多進步，我肯定一定有些東西，可帶領我們突破障礙」。
正身處德國慕尼黑準備授課的貝齊格則表示，對得獎感到非常震驚，「我過去1小時在慕尼黑的美好天氣下漫無目的地遊走，感到人生迎來重大轉變。」
正在巴西出席會議的莫爾納爾稱，起初認為自己有可能得獎，但並沒太大期望，形容喜訊令他心跳加速。
黑爾Stefan W. Hell，51歲
出生地：羅馬尼亞
背景：現為德國公民，1990年在德國海德堡大學畢業。現任德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所所長、海德堡德國癌症研究中心部門主管。
貝齊格Eric Betzig，54歲
出生地：美國密歇根州
背景：1988年在美國康奈爾大學畢業。現任美國霍華德休斯醫學研究所JFRC小組組長。
莫爾納爾（莫納）William E. Moerner，61歲
出生地：美國加州
背景：1982年在美國康奈爾大學畢業。現任美國史丹福大學化學講座教授、應用物理學禮任教授。
資料來源：香港文匯報
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