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化学奖：突破光学显微镜衍射极限
白兹格
白兹格
撰文/孙育杰（北京大学生物动态光学成像中心）
2014年10月8日，诺贝尔评选委员会宣布将化学奖授予德国科学家施泰方·海尔（Stefan Hell）和美国科学家埃里克·白兹格（Eric Betzig)、威廉姆·莫纳尔（William Moerner），以表彰他们在超高分辨率荧光显微技术领域的贡献。
常规荧光显微技术
我们人眼一般最小能看见大约0.1毫米的东西，而作为生物基本单元的细胞，其直径约为20微米（0.02毫米），所以对生物微观世界的观察需要使用显微镜。光学显微技术无需直接接触和破坏样品，更为真实地为我们放大了微观世界。它的另一大优点是可以特异地观察目标对象，这种特异性一般是通过荧光显微技术实现的。将要观察的对象用荧光物质进行标记，然后观察其发出的荧光。这样，只有我们要观察的目标才是"亮"的，它不会受到其他物体和环境背景的影响。
荧光是物质吸收光照后发出的一类光。物质分子中的电子分布在不同的能级上。当一束光打到分子，分子具有一定的几率吸收光子，处在基态的电子会跃迁到更高能量的激发态能级。处在激发态的电子有多种途径回到基态，其中一条途径就是发出一个光子（荧光），释放能量回到基态。发射光子的能量小于被吸收的光子，因此荧光的波长比激发光的波长要长。通常应用的荧光基本是从紫外、可见光到近红外光谱附近，波长处于300～800纳米。
根据所要观察的对象的不同，可以选择不同性质的荧光分子对其进行"标记"。常用的荧光分子主要有三类：有机染料分子、荧光蛋白（2008年诺贝尔化学奖）和基于半导体材料的量子点。这三类荧光分子的共同特征是其分子电子能级间的能量差与可见光光子的能量匹配。比如有机染料分子都有多个共轭的碳-碳双键，这种共轭效应减小了电子基态和激发态之间的能量差。
荧光显微镜利用了荧光发射光波长比吸收光波长更长这一重要原理，通过光路设计将激发光和发射光分开，从而大幅降低了成像的背景。结合灵敏的检测器件，在优化条件下，可以检测单个荧光分子发出的极其微弱的荧光。它成为单分子成像的最佳选择，其发展也奠定了这次诺贝尔化学奖的半壁江山。
但光学显微镜的分辨率是有极限的。由于光的衍射，即使一个无限小的光点在通过透镜成像时也会形成一个弥散图案，俗称"艾里斑"(Airy disk）。这样，即便两个物点相距较远，其弥散斑却可能很近，以致无法区分。
基于此原理，早在1873年，德国科学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）提出了阿贝光学衍射极限，并作为其重要成就刻于他的墓碑上。根据这个公式，光学显微镜的分辨率约为检测光波长的一半，即300纳米左右，是我们头发直径的1/300。
很多亚细胞结构都在微米到纳米尺度，衍射极限的存在限制了我们使用光学显微镜观察这些生物样品。比如细胞的骨架蛋白微丝非常密集，在荧光显微镜下其图像非常模糊，无法看到细节，而电子显微镜的分辨率可以达到1纳米左右，非常清楚地呈现了细胞骨架的细节。然而电子显微镜几乎不能用于观察活的样品，特异性也没有荧光显微镜好。因此，发展超高分辨率荧光显微技术对生物学研究意义非常重大。
生理学或医学奖：破解大脑的定位系统
挪威科学家夫妇梅-布利特•穆瑟（右）和爱德华•穆瑟（左）
挪威科学家夫妇梅-布利特•穆瑟（右）和爱德华•穆瑟（左）
撰文/侯晗 顾勇（中国科学院神经科学研究所）
我们是如何感知我们所在的空间的？又是如何感知、记忆并且规划机体自身在空间中的位置和运动的？这是所有"动"物都要面临和解决的问题。对于绝大多数需要在自然界中寻找食物和躲避天敌的动物来说，如果缺乏这一关乎生死存亡的能力，其后果可比我们人类严重依赖高科技例如GPS（全球定位系统）而导致的"路痴"要严重得多。
来自英国伦敦大学学院的约翰·奥杰夫（John O′Keefe）以及挪威的科学家夫妇梅-布利特·穆瑟（May-Britt Moser）和爱德华·穆瑟（Edvard Moser），在前后跨度40多年的一系列研究中，对这一问题给出了较为系统的解答。2014年诺贝尔生理学或医学奖颁发给了他们，以表彰他们"发现了构成大脑中定位系统的细胞"，并且"实现了理解细胞群体如何执行高级认知功能的一次范式转移（paradigm shift）"。
奥杰夫发现海马体中的位置细胞（Place Cells）
作为一名生理心理学家，奥杰夫对"大脑如何控制行为和决策"有浓厚的兴趣，并打算通过神经生理学实验来研究这些问题。上世纪60年代末，他开始在自由活动的大鼠上进行电生理记录。1971年，奥杰夫和同事在大鼠大脑的海马（hippocampus）的CA1区域发现了一类前所未见的神经细胞，只有当大鼠处于环境中某个特定位置时，这类细胞中特定的一部分才会被兴奋，并发放出一种宽度约为1/1000秒的电脉冲，即"动作电位"（action potential）。由于这类细胞的放电取决于大鼠所在的位置，因此被称作"位置细胞"(place cells）；对于某一个特定的位置细胞来说，能够引起它放电的空间位置，叫"位置野"(place field)，通常占据着空间中一个特定的局部区域。
奥杰夫和同事发现，海马CA1中每个不同的位置细胞具有不同的位置野，而从总体上来看，这些不同的位置野能够像拼图一样覆盖整个动物活动的空间，从而可以编码动物在这个空间里的所有位置。同时，通过调整实验中环境的参数，奥杰夫证明，位置细胞的特殊性质并非仅仅来源于直接的感觉输入，它所反映的是大脑内部环路对外部环境的一种抽象理解。这就是说，即使有人换了一幅新窗帘或者搬进来一张新桌子，你仍然可以知道你正坐在房间的哪个位置。
有趣的是，这种抽象的拼图并非一成不变。在之后的工作中，奥杰夫和同事发现，在大鼠进入一个新的环境并探索一段时间后，它之前的位置细胞拼图将会改变，甚至会加入一些新的位置细胞来重新形成一张新的拼图，他们称这一动态过程为"重新映射"（remapping）。这就像你从书房走到客厅后，之前存在于你大脑中的"书房拼图"会很快切换为"客厅拼图"，然后继续编码你在客厅里的位置一样。重新映射不仅可以通过在新环境中的探索而学习形成，还具有记忆功能。之所以你能在书房拼图和客厅拼图之间迅速切换，正是因为这两套拼图早已存在于你的记忆当中。
因此，奥杰夫认为，海马的位置细胞能够为动物提供一个抽象的、动态的"认知地图"(cognitive map），这一地图使得动物能够感知并记忆不同的外部空间，并时刻获取自身在空间中的位置，从而形成了大脑空间记忆与定位系统的基础。
物理学奖：蓝光LED成就全新高效光源
赤崎 勇
中村修二
撰文/王军喜 魏同波（中国科学院半导体研究所）
10月7日，诺贝尔物理学奖评审委员会在瑞典首都斯德哥尔摩宣布，3名日本出生的科学家因发明高亮度蓝光发光二极管（LED）而获得2014年度诺贝尔物理学奖。3名获奖者分别为85岁的日本名城大学教授赤崎勇、54岁的名古屋大学教授天野浩和60岁的美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二。
LED是由PN结组成的二极管，当加上正向电压后，从P区注入的空穴和从N区注入的电子，在PN结附近微米尺度范围内复合，产生自发辐射的荧光。不同禁带宽度的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，导致电子和空穴复合时释放出的能量不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。LED是通过电子空穴复合成光子，所以能耗低、效率高，而其他光源（如白炽灯）中大部分能量都会转化为热。
红光LED和黄光LED在20世纪60年代就已经发明，但制造蓝光LED却是长期以来的一个难题。而缺少了白光三基色中的蓝色，就无法造出让我们感受舒适的白光LED光源。当时，蓝光LED的研究热点集中在II-IV族的ZnSe（硒化锌）蓝光材料，而覆盖整个可见光波段的宽禁带氮化物蓝光LED的研制被人们认为不具备可行性。这是因为GaN（氮化镓）材料的制备存在着诸多难点：高质量GaN材料的外延生长技术；在GaN产生空穴的P型掺杂技术；氮化物异质结构的制备。由于以上种种困境，GaN材料的研究基本被产业界放弃，仅仅在几个大学和研究机构作为一种研究方向而存在着。而正是获奖的三位科学家经过十几年不懈的努力，解决了这一世界性难题，成功制备了蓝色LED。
1973年，当时在日本松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究，而后他到了名古屋大学，与他的博士生天野浩继续为制备高质量GaN材料而努力。1986年，他们在蓝宝石衬底上利用AlN缓冲层生长出连续成膜的GaN材料，打开了氮化物半导体材料制备的大门。而同一时期，中村修二奋战在日亚化学公司的实验室里，从事着用于红光LED的GaAlAs单晶的拉制工作。一次偶然的机会，中村获得了去美国佛罗里达大学进修并从事材料生长研究的机会。在满一年的客座研究结束回到日本后，中村展开了GaN蓝光LED的研究。
1989年，天野浩利用低能电子辐照Mg掺杂的GaN，首次实现了P型GaN的激活，从而制备了第一个蓝色LED。1990年，中村利用自己研制的双束流外延设备生长出高质量的GaN薄膜晶体，改进了GaN材料的生长方式，利用GaN做缓冲层替代赤崎勇发明的AlN缓冲层，极大地改善了材料质量。1992年，中村在一次实验测试中偶然发现，仅利用热退火的方式就可以获得Mg掺杂GaN的P型激活，实现了不借助电子辐照就可以获得高空穴浓度的材料的方法，为产业化开辟了道路。1993年，中村修二进一步开展InGaN/GaN异质结LED的研究，成功制备出第一个P-GaN/N-InGaN/N-GaN双异质结蓝光LED，GaN异质结蓝光LED的亮度是同期基于碳化硅蓝光LED的100倍。该成果发表在1993年11月30日的《日经产业新闻》上并获得了极大轰动，媒体、用户以及同行蜂拥而至，日本东北大学的校长甚至主动要求授予中村博士称号。至此，中村用GaN材料制作了真正意义上的蓝光LED，并打破了产业界认为的不可能实现的神话，开辟了利用LED实现照明的新时代。
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