新型显微镜物镜的灵感来源于扇贝

文 张 闻

你吃过扇贝吗？这种双壳类软体动物肉质鲜美，是人们餐桌上的常见美食。但是鲜为人知的是，这个被人们熟知的生物居然是有眼睛的，而且多达200多只。

这些眼睛，启发了瑞士苏黎世大学的神经科学家，帮助他们开发了一种显微镜物镜。与传统显微镜相比，这种新的显微镜能更广泛地浸没在不同介质中，对组织和器官进行高分辨率成像。研究成果已于近期发表在《自然·生物技术》上。

扇贝的眼睛

在日常生活中，我们看到的大部分扇贝被当作美食食用。扇贝的眼睛由于长在外壳边缘的外套膜内，在加工的时候通常都会被去除，因此我们在吃的时候很难看到它们的眼睛。不过，如果我们撬开一只鲜活的扇贝，就会看到它的眼睛长在壳的边缘，就是它的“裙边”上面，由一个一个小亮点连起来，就像一串蓝色的珍珠。

早期研究已经证明，扇贝的眼睛结构非常复杂。每只眼睛都有一个晶状体、两个视网膜，后面还有一个反光镜般的结构。科学家们推测光线会穿透晶状体和透明的视网膜，并从反光镜反射回来，最终投射在视网膜上。但目前无人知晓这些反光镜是如何参与成像的，以及为什么大多数动物只需要一个视网膜，而扇贝则需要两个视网膜。

2017年，以色列魏兹曼科学研究所的研究人员本杰明·帕尔默博士及其同事使用了一种被称为冷冻电子显微镜的强大新工具来深入观察扇贝的眼睛。他们发现扇贝的眼睛中形成了一种自然界从未发现过的鸟嘌呤晶体结构：一种扁平的正方形。众所周知，鸟嘌呤是构成DNA的主要成分之一，但是在部分动物体内，鸟嘌呤被用来构成能够反射光线的结晶体。一些体内含有鸟嘌呤结晶物的鱼通体呈现银色。但是并没有人知道鸟嘌呤是如何帮助扇贝看到周围的一切的。“这令人非常吃惊，我们知道这将会是一个震惊世界的极有意义的事情。”本杰明·帕尔默说。

施密特望远镜

如何结合扇贝眼睛的特殊结构进行科研技术的创新？长期以来，科学家们始终在这一方向上不断开拓。从扇贝眼睛“晶状体（透镜）与反射镜”的组合中受到启发，苏黎世大学的神经科学家们联想到了在天文学中被广泛使用的施密特望远镜。

在这类天文望远镜中，用反射镜而非透镜来创造图像更为常见，因为这可以尽可能多地捕捉行星、恒星和星系的光线。但在用于研究生物微观世界的显微镜中，反射镜鲜少使用。大多数显微镜物镜都非常紧凑，可以轻易组装。但为了获得更高的图像质量，需要10到15片由不同类型的玻璃制成的透镜，并且所有这些透镜都必须精确抛光并相互对齐。因此，用于研究的显微镜物镜的成本可能相当于中型汽车的成本，占显微镜总成本的很大一部分。

除此之外，这类显微镜还有一个很大的缺点：它们通常只为一种特定的浸没介质设计，比如空气、水或者油。这意味着，每当面对需要不同浸没介质的样品时，就要购买新的物镜。

近年来，能够让生物组织样本变得透明的技术成为生物学和病理学领域的大势所趋。但是，大多数透明技术使用的是与传统显微镜物镜不兼容的浸没介质。为了规避传统显微镜物镜的局限性，同时受到扇贝眼睛的启发，苏黎世大学的科研人员意识到，可以用液体浸没介质填充施密特望远镜，并将它缩小到显微镜的大小。由此产生的物镜在任何均匀的液体及空气中都能提供出色的图像质量。在这一科研想法的支撑下，他们成功设计出了一台“迷你浸没施密特显微物镜”。

这种“迷你镜”在设计过程中使用了反射镜，因此无论浸在液体中还是在空气中，球面镜都能将光聚焦在同一位置。这意味着施密特物镜可以与许多不同的透明技术兼容。与包含十几片透镜的传统物镜相比，这种创新的物镜可以更经济地制造，而且成像质量更好,未来可能应用于对肿瘤组织的检查，或者对神经系统疾病的检测等。