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走近諾貝爾獎

2015年1月，本刊曾在開年第1期開設專欄《走近諾貝爾獎》，此后共連載15期，旨在介紹近年諾貝爾自然科學獎的一些獲獎情況，讓廣大讀者朋友進一步了解科學、愛科學，提高科學素養(yǎng)。

2015年10月，當我們正在制作第12期專欄的時候，傳來了振奮人心的喜訊：我國科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。我們驚喜不已！似乎我們之前開設這個專欄都是為獲此獎、報道此獎所做的鋪墊。于是我們將第13期專欄《走近諾貝爾獎》特設為2016年第1期特別策劃《呦呦之蒿，中國神藥》，介紹了屠呦呦研究青蒿素和獲諾貝爾獎的艱難歷程。

之后，我們收到不少讀者來信，紛紛表示非常喜歡這個欄目。因此，從本期開始，我們將繼續(xù)連載這個欄目，用通俗的語言介紹諾貝爾自然科學獎的最新情況。

——編者

近100年來，激光是繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。激光自發(fā)明以來，科學家就在不斷提升其性能、開發(fā)其新功能，取得了一個又一個令人矚目的成果。美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭是激光研究領域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學獎。

把激光打造成鑷子

如何抓取單個細胞、細菌、分子等尺寸很小的東西？這是一件十分困難的任務，其難度超過我們的想象。這不僅是因為這些小東西小到我們?nèi)庋劭床坏剑B普通的光學顯微鏡也看不到，得依賴電子顯微鏡才能看到。更為令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個小范圍內(nèi)四處亂竄。因此，科學家要抓住它們很難，也就難以對它們做較為深入的研究。

要是在40年前，想抓住這些小東西，會讓人感覺比登天還難，至少那時候已經(jīng)有航天員登上了月球。然而，激光的發(fā)明卻讓人們捕捉這些小東西變得具有可能性。1917年，愛因斯坦提出，原子受激輻射會發(fā)光，他稱之為激光。1960年5月15日，美國科學家西奧多·梅曼制造出紅寶石激光器，并獲得了波長為0.6943微米的激光。這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。

1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光做鑷子，科學家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，光鑷實際上是安裝在顯微鏡上的一個輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無論外表還是使用原理，都大不相同。實際上，光鑷并非用兩道激光來夾小東西，而是用一道強度適宜的激光束形成一個陷阱（更加學術(shù)的說法是三維勢阱）。如果以激光束形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區(qū)域，你將會觀察到一旦微小物體進入這個區(qū)域，就會自動迅速地墜落到光場的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學家又把困住其中把持物體的區(qū)域稱為“光阱”，相應的技術(shù)稱作光學捕捉。光鑷將細胞、分子等小東西關(guān)在這個陷阱里，讓它們不能亂動。此時，我們就可以對這些小東西進行更進一步的研究了。

光鑷有啥用

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個活的細菌，而且沒有對這個細菌帶來任何傷害。然后，他有時固定這個細菌進行細菌內(nèi)的研究，也可以移動它到指定位置，以便研究細菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒有光鑷之前，科學家很難固定細胞、細菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后進行研究。有了光鑷，科學家可以操縱和移動分子、病毒和其他活細胞，還有顯微世界中的其他小東西。

瑞典皇家科學院院士埃娃·林德羅特接受采訪時說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動到你想要的地方，并對它們展開操作。這是非常實用的工具，事實上我們也經(jīng)常使用它?！?/p>

阿什金的發(fā)明對分子生物學家的幫助最大，讓科研人員可以在不破壞細胞膜的前提下，深入分析細胞內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用的細胞器和分子器件，并探索細胞內(nèi)部物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化原理。2013年時，生物學家已能用激光鑷子夾住單個細胞。例如，從血液中分離出單個血紅細胞，用于鐮刀狀血紅細胞貧血癥或瘧疾治療研究。