人間がこれらの「小さなやつら」を見ることができるのは、この強迫性障害のグループのおかげです

人間の目の解像度は約0.1mmです。細菌、ウイルス、さらにはタンパク質の構造を段階的に見るにはどうすればよいでしょうか?これは「強迫性障害」のグループと切り離せないものです。

記者：段然 執筆：劉兆 編集：

ニューメディア編集者/李雲鋒

専門家へのインタビュー

張徳天（軍事医学科学院国立生物医学分析センター教授）

「水中にこんなにたくさんの小さな微生物が生きているのを見て、とても驚きました。とても美しく、動き回っていました。槍のように水を突き刺すもの、コマのようにその場で回転するもの、そして素早く群れをなして動くものなどがありました。飛んでいる蚊の群れを想像してみてください。」

1675年、オランダのデルフト市役所の下級公務員がロンドン王立協会に手紙を書き、自家製の顕微鏡で観察した素晴らしい光景を協会の会員に説明しました。当時ヨーロッパで最も権威のある学術組織に送られた学術討論書としては、この公務員は長くて厳密だが退屈な科学的議論を行ったわけではない。その代わりに、彼は平易な言葉を使って、行間から新しいものを発見したときの子供のような驚きと喜びを表現しました。

当時無名だったこの公務員は、微生物学と顕微鏡学の有名な先駆者であるアントニー・ファン・レーウェンフックに他なりません。レーウェンフックは50年以上にわたり、自らが作った顕微鏡を使って細菌、筋繊維、精子細胞などの微生物を観察し、新たな発見について議論するためにロンドン王立協会に300通以上の手紙を送りました。レーウェンフックの不断の努力のおかげで、人類はついに微生物レベルに到達して世界を観察することができたのです。

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最初の顕微鏡：微生物界の謎を解明

レーウェンフックはレンズ作りの才能のおかげで、微生物の色鮮やかな世界を発見することができました。彼は生涯で400台以上の顕微鏡を製作した。それらは、今日私たちがよく知っている顕微鏡とは非常に異なっていました。レーウェンフックの顕微鏡のほとんどは、小さな真鍮板のみで構成された単レンズ顕微鏡でした。これらを使用するときは、観察のためにプレートを太陽光に向けて仰向けに寝る必要がありました。レーウェンフックは、一連の驚くべき発見により、当時の科学界で急速に「ネットの有名人」となった。

▲レーウェンフックが17世紀に設計した顕微鏡の画像（写真提供：Visual China）

しかし、顕微鏡学の理論的基礎を築いたのは、同時代のイギリス人科学者ロバート・フックでした。 1665年、レーウェンフックがまだレンズ製造技術を研究していた頃、ロンドン王立協会で科学実験を担当していたフックが顕微鏡を製作しました。これはレーウェンフックが使用した単レンズ顕微鏡とは異なり、複合顕微鏡であり、その動作原理と外観は現代の光学顕微鏡に非常に近いものでした。

フックはこの顕微鏡を使って薄いコルク片を観察し、当時の修道士たちが住んでいた個室に似た密集した格子構造を発見しました。そのため、フックはこの構造を、英語で単一の部屋を意味する「セル」と名付けました。この単語は現代では「細胞」と翻訳されています。その後すぐに、フックはこの重要な観察結果を記録した「顕微鏡アトラス」という本を執筆しました。

フックの研究成果はすぐにレーウェンフックの注目を集め、レーウェンフックはフックの顕微鏡を研究しましたが、最終的には自家製の一眼レフ顕微鏡を観察に使用しました。その理由は、フック顕微鏡には深刻な色収差の問題があるからです。いわゆる色収差とは、光がレンズを通過するときに、屈折率の違いにより異なる色の光が異なる点に焦点を合わせ、サンプルの画像が色の斑点の層に囲まれ、鮮明度に重大な影響を与えることを意味します。

レーウェンフックが提案した解決策も非常にシンプルで、レンズ研磨の精度に力を入れ、単レンズを小さなガラスビーズにして、真鍮板の小さな穴に埋め込むというものでした。この方法により、倍率はフックの顕微鏡よりも低くないにもかかわらず、画像に対する色収差の干渉が最大限に回避されました。しかし、その代償として、太陽光に面して観察する必要があるため、観察者の目に非常に有害となります。

初期の顕微鏡には、色収差に加えて、球面収差の問題もありました。つまり、光がレンズを通して屈折すると、中心付近と端付近の光が画像を一点に焦点を合わせることができず、画像がぼやけてしまうのです。顕微鏡の誕生以来、色収差と球面収差は「先天性疾患」となり、人々がミクロの世界へ進むペースを制限してきました。 19 世紀になって初めて、産業革命の助けにより光学顕微鏡技術は大きな変革を遂げ、これら 2 つの問題が根本的に解決されました。

▲単一のレンズを使用して物体の画像を拡大する（画像提供元/Technology Networks）

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色収差と球面収差への挑戦：徐々に明らかになる微視的視点

まず、1830 年に、リスターというイギリスのアマチュア顕微鏡学者が初めて球面収差に挑戦しました。彼は特定の間隔で複数のレンズ群を創造的に使用し、球面収差の影響をうまく軽減しました。

その後、顕微鏡改良の主戦場は急速にドイツに移り、1846年に設立されたツァイス光学工場が次の世紀にリーダーとなりました。 1857年、ツァイス工場は最初の近代的な複合顕微鏡を開発し、市場に参入しました。しかし、開発と製造の過程で、ツァイスは色収差にも悩まされました。当時はレンズの数を増やすのが一般的でしたが、顕微鏡の倍率は上がるものの、色収差が画像の鮮明さに及ぼす影響を排除することはできませんでした。

1872年、ドイツのイエナ大学のエルンスト・アッベ教授は、光学顕微鏡の結像原理や開口数などの科学的問題を詳述した完全な顕微鏡理論を提唱しました。ツァイス社もすぐにアッベ教授を招き入れ、色収差の影響を一挙に排除したアポクロマートレンズなど、数々の画期的な光学部品を開発しました。

アッベ教授の技術的支援により、ツァイス工場で生産された顕微鏡は同種の製品の中でも最高のものとなり、すぐにヨーロッパやアメリカの主要研究所で人気商品となり、現代の光学顕微鏡の基本的な形の基礎を築きました。すぐに、ツァイスは有名な化学者オットー・ショットを社内に招き入れ、ショットが開発した新しい光学特性を持つリチウムガラスを自社製品に採用しました。 1884年、ツァイスはアッベおよびショットと提携し、顕微鏡用の専門レンズを製造するイエナガラス工場を設立しました。

▲1862年に製作された複合顕微鏡（写真／マンフレート・シュティッヒ）

顕微鏡技術の急速な発展により、さまざまな現代生物学理論も継続的に改善されるようになりました。高解像度のレンズを通して、ミクロの世界のさまざまな複雑な構造が、具体的な形で徐々に人間の目に提示されます。

顕微鏡レベルでの生物学的構造はほとんどが無色透明であるため、レンズの下ではっきりと見えるようにするために、当時の科学者は一般的に生物学的サンプルを染色してコントラストを高め、観察しやすくしていました。この方法の最大の制限は、染料自体の毒性により微生物の組織構造が破壊されることが多く、また、この時の染料の退色物質により特定の組織を染色することが不可能になることです。

オランダの学者ゼルニケが位相差の原理を発見し、それを顕微鏡に応用することに成功したのは 1935 年のことでした。この位相差顕微鏡技術は、透明な物体を通過する光によって生じる極めて微妙な位相差を利用して画像を作成し、顕微鏡で無色透明の生物学的サンプルを鮮明に観察できるようにします。ゼルニケ自身はこの発見により1953年のノーベル物理学賞を受賞した。

長年電子顕微鏡の研究に取り組んできた軍事医学アカデミー国立生物医学分析センターの張徳天教授は記者団にこう語った。「人間の目は約0.1ミリメートルしか分解できないが、光学顕微鏡は細菌や細胞を見ることができる0.2ミクロン（1ミリメートル＝1000ミクロン）まで分解できる。しかし、光の波動性のため、回折現象が光学顕微鏡の解像度のさらなる向上を制限している。」

第二次世界大戦後、さまざまな新しい理論や技術が次々と導入され、光学顕微鏡は大きな進歩を遂げましたが、光学顕微鏡の潜在能力が限界まで探求されたのもこの時期でした。ツァイス工場、さらには顕微鏡全体に多大な貢献をしたアッベ教授は、「解像度限界理論」を提唱しました。これは、一般的な光学顕微鏡の解像度限界は 0.2 ミクロンであり、それより小さい対象物は顕微鏡の限界を超えているという理論で、この理論は「アッベ限界」とも呼ばれています。それは、人間がより深い微視的世界への扉を探索するのを阻む障壁のようなもので、科学者たちは他の方法を探すことを余儀なくされる。

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電子顕微鏡：発見への新たなアプローチ

可視光にはこのような欠点があるため、より波長の短い他の光線を使用して解像度を大幅に向上させることはできるでしょうか?張徳天氏はさらに次のように紹介した。「1924年以降、人々は物質分野でより波長の短い媒体である電子を発見し、分解能が0.1ナノメートルのレベルに達した電子顕微鏡を発明した。」

1931年、ドイツの科学者クノールと彼の弟子ルスカは、高電圧オシロスコープに放電電子源と3つの電子レンズを取り付けて世界初の電子顕微鏡を作り、人類による微視的世界の探究に新たな考え方を切り開きました。

▲1933年にルスカが開発した透過型電子顕微鏡（写真提供：ウィキメディア・コモンズ）

電子顕微鏡はアッベ限界に全く制限されず、その解像度は当時の光学顕微鏡の解像度をはるかに上回っていました。翌年、ルスカは電子顕微鏡を改良し、解像度はナノメートルレベル（1ミクロン＝1000ナノメートル）に達しました。この観測深度で、人類はついに細菌よりも小さな微生物、つまりウイルスを自らの目で見ることになった。 1938年、ルスカはタバコモザイクウイルスの存在が確認されてから40年後に、電子顕微鏡を使ってその真の姿を観察した。

▲透過型電子顕微鏡で見たタバコモザイクウイルス（写真提供／ノーベル賞）

電子顕微鏡技術の発明について、張徳天氏は次のようにコメントした。「電子顕微鏡は、人々が極微の世界を理解するための鍵でありツールです。光学顕微鏡が自然光の波長に制限されるという問題を解決し、人々の世界に対する理解を細胞レベルから分子レベルにまで高めます。」肉眼でしか観察できないミリメートルスケールから、光学顕微鏡で到達できるマイクロメートルスケール、そして電子顕微鏡でさらに探索できるナノメートルスケールまで、顕微鏡画像化技術は、ミクロの世界に対する人間の認識の限界を急速に突破しています。

しかし、電子顕微鏡自体の欠点がますます明らかになりつつあります。電子の加速は真空状態でのみ達成できるため、生物学的サンプルは真空環境で脱水および乾燥する必要があり、電子顕微鏡では生物学的サンプルを生きた状態で観察することはまったく不可能です。さらに、電子ビーム自体がサンプル表面の生物学的分子構造を容易に破壊し、サンプル自体が多くの重要な情報を失う原因となります。この根深い問題は何年もの間、科学者たちを悩ませ続けました。

1981 年になって初めて、IBM チューリッヒ研究所の 2 人の研究者、ベニッヒとローラーが、当時はかなり「異端」と思われた方法を使用して、サンプル構造に対する電子ビームの損傷の問題を初めて解決しました。彼らは量子物理学の「トンネル効果」を利用して走査型トンネル顕微鏡を開発しました。

従来の光学顕微鏡や電子顕微鏡とは異なり、この顕微鏡にはレンズすらありません。操作中、プローブはサンプルに近づき、両者の間に電圧が印加されます。プローブがサンプルからわずかナノメートル離れると、トンネル効果が発生し、電子がこの小さな隙間を通過して弱い電流が形成されます。この電流はプローブとサンプル間の距離によって変化します。電流の変化を測定することで、サンプルのおおよその形状を間接的に知ることができます。走査トンネル顕微鏡では、プロセス全体に電子ビームが関与しないため、加速された電子による生物学的サンプルの表面への損傷が根本的に回避されます。

走査型トンネル顕微鏡は現在では「原子間力顕微鏡」とも呼ばれています。 「マイクロメートル、さらにはナノメートルレベルで、原子間力顕微鏡は生物サンプルの表面形態や構造の変化を動的に観察できるという独自の利点がある」と張徳天氏は記者団に説明した。 「条件が許せば、生体高分子間の相互作用力の大きさも検出でき、構造と機能の関係の研究に便利となる。」

1986年、ビニッヒとローラーは走査型トンネル顕微鏡の発明によりノーベル物理学賞を受賞した。興味深いことに、彼らは電子顕微鏡を発明したルスカと栄誉を分かち合いました。当時、彼はすでに80代で、師であるノール氏はずっと前に亡くなっていました。新世代と旧世代の電子顕微鏡技術の画期的な人物が同じ舞台で受賞したことは、当時の物理学界では良い話題となった。

▲1981年、ベニッヒとローラーは走査型トンネル顕微鏡を開発しました。 5年後、彼らはノーベル物理学賞を受賞した（画像提供：ノーベル賞）

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古い木から新しい芽が出てくる: 「アッベ限界」を破る光学顕微鏡

電子顕微鏡は発明されてから数十年にわたり、生物学、化学、材料、物理学などの分野における人類の知識の限界を大きく広げてきました。ルスカ、ビニング、ローラーのいずれの貢献も、彼ら自身を世界的に有名にしただけでなく、他の分野の学者が栄誉の頂点に到達するのに貢献しました。

例えば、イギリスの化学者アラン・クルーグは、核酸とタンパク質の複雑なシステムの研究で1982年のノーベル化学賞を受賞しましたが、彼の科学的研究成果は、高解像度の電子顕微鏡技術とX線回折分析技術を頼りに達成されました。クルーゲ氏がこの賞を受賞した同じ年に、イスラエルの化学者ダニエル・シェヒトマン氏が電子顕微鏡を使って準結晶の存在を発見し、2011年のノーベル化学賞を単独で受賞した。

現在、電子顕微鏡は金属、半導体、超伝導体の研究の主力となっています。しかし、生物学や医学の分野では、電子顕微鏡による生物サンプルへの損傷は依然として克服できない技術的問題となっています。そのため、多くの科学者は次の 2 つの方法で解決策を模索し始めました。

1つはクライオ電子顕微鏡技術の開発です。この技術は、電子顕微鏡の全体的な動作モードを変更するのではなく、生物学的サンプル自体から始めて、それを超低温で凍結します。この状態では、真空環境下でもサンプルは本来の形態特性と生物学的活性を維持することができます。 「観察温度が低いため、生物サンプルは水和状態にあり、分子は自然状態にあるため、サンプルの放射線耐性が向上します。サンプルをさまざまな状態で凍結し、分子構造の変化を観察できます」と張徳天氏は記者団に説明した。

スイスの物理学者ジャック・デュボシェ、アメリカの生物学者ヨアヒム・フランク、イギリスの生物学者リチャード・ヘンダーソンは、この技術により2017年のノーベル化学賞を共同受賞した。新型コロナウイルスの流行が始まって以来、クライオ電子顕微鏡技術は人類の研究と感染症との闘いに多大な貢献を果たしてきました。 2020年、西湖大学の周強研究室はこの技術を使い、新型コロナウイルスの受容体ACE2の全長構造を初めて解析することに成功し、新型コロナウイルスに対する人類の理解に重要な一歩を踏み出した。

▲ACE2-B0AT1複合体のクライオ電子顕微鏡密度マップ（画像出典/biorxiv）

もう 1 つのアプローチは、従来の光学顕微鏡から始めることです。電子顕微鏡の黄金時代には、多くの科学者が超高解像度の光学顕微鏡の開発に取り組み始め、光学顕微鏡を常に悩ませてきた「アッベ限界」を突破しようとさえし始め、「蛍光技術」がこれらすべてを達成するための鍵となりました。

19 世紀半ばにはすでに、科学者たちは、特定の物質が光源を吸収すると、波長が短くエネルギーの高い光 (紫外線など) をより長い波長の可視光に変換できることを発見していました。この現象は後に「蛍光現象」として定義されました。

蛍光は自然界に遍在しており、この現象の原理は 20 世紀に光学顕微鏡に急速に応用されました。 1911 年、ドイツの科学者が、蛍光顔料を使用してサンプルを染色し、紫外線を使用してサンプル内の蛍光物質を励起して発光させる、最初の蛍光顕微鏡装置を開発しました。しかし、造影効果は良くなく、蛍光物質は染料として使われていました。初期の染料と同様に、染料自体の毒性が生きたサンプルに害を及ぼすことになります。

1974年になって初めて、日本の科学者下村脩氏が緑色蛍光タンパク質を発見しました。緑色蛍光タンパク質は、従来の蛍光物質よりもはるかに毒性が低く、生きた標本の蛍光標識に最適な材料です。この発見は、将来、科学者が「アッベ限界」を突破するための強力な武器となった。

1989年、米国のIBMリサーチセンターに勤務していた科学者モルナー氏が、初めて単一分子の蛍光検出に成功し、光学顕微鏡でナノメートルの精度で検出することが可能になった。その後、モルナーの研究に基づいて、アメリカの科学者ベッツィグは、サンプル内の蛍光分子を制御し、少数の分子が光を発するようにすることで分子の中心と各分子の位置を決定し、複数の観察を通じてナノスケールの画像を提示するという新しい顕微鏡画像化法を開発しました。この方法を使用して、ベッツィグは光学顕微鏡のアッベ限界を簡単に突破しました。

▲哺乳類の結合組織で最も一般的な細胞の一つである線維芽細胞が、光活性化局在顕微鏡法（PALM）のプロトタイプによって示されています。細胞核（青）、ミトコンドリア（緑）、細胞骨格（赤）の DNA がはっきりと見える（画像提供元/NIH）

ほぼ同じ頃、ドイツの科学者シュテファン・ヘルは光学研究中に突然アイデアを思いつきました。蛍光現象の原理によれば、レーザー光を使ってサンプル内の蛍光物質を励起して発光させ、別のレーザー光を使ってサンプル内のより大きな物体の蛍光を除去すれば、ナノスケールの分子だけが蛍光を発して検出されるというものでした。理論的には、0.2 ミクロンを超える解像度の顕微鏡画像を取得することはできないのでしょうか?

彼はすぐに実験を開始し、光学顕微鏡の解像度を 0.1 ミクロンまで下げた新しい顕微鏡を製作しました。 1 世紀にわたって光学顕微鏡技術を悩ませてきたアッベ限界問題は、数世代にわたる科学者の懸命な努力の末、今世紀初頭にようやく解決されました。モルナー、ベツィグ、ハルの3人の科学者は、「超解像度蛍光顕微鏡技術」の功績により2014年のノーベル化学賞を共同受賞した。

今日まで、ミクロの世界を探究する旅の中で、光学顕微鏡と電子顕微鏡はそれぞれ長所と短所を持ち、互いに補完し合ってきました。もちろん、実際の応用においては、科学者は複数の顕微鏡画像化技術を組み合わせることにますます依存するようになっています。例えば、今年5月、英国のフランシス・クリック研究所は、石灰化イメージング技術や体積電子顕微鏡技術など、さまざまな顕微鏡イメージング技術を駆使して、人間の脳の神経ネットワークの細胞内マップを取得することに成功しました。今後は、それぞれの長所を生かした複数の顕微鏡画像技術を組み合わせることで、生物学、医学、化学、材料の分野における知識構造がさらに向上し、この包括的で素晴らしい世界が私たちの目の前にさらに完全に現れるようになるでしょう。 ■