第496期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《超级显微镜》
讲座题目：透视新科技——超级显微镜
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李爱国，上海同步辐射光源研究员。
叶 盛，北京航空航天大学教授。
讲座时间：2023年10月2日～10月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——超级显微镜
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。新冠病毒造成了全球的公共健康危机，然而我们对于新冠病毒，还有很多的未解之谜，我国的科学家利用一种俗称是超级显微镜的大科学装置，去破解了新冠病毒关键的蛋白结构，这也为日后研究相关的药物提供了可能性。新冠疫苗的研制成功证明了我国在疫情防控中，取得了重大的成果，而这一切来源于我国科研人员对于新冠病毒关键蛋白结构的认识。想要了解蛋白质结构，少不了显微镜。16世纪诞生的显微镜，它是人类最伟大的发明之一。它把一个全新世界展现在人类的视野里，我们第一次看到了从未见到的微生物，显微镜的发明促进了生物学和医学的发展。随后出现的电子显微镜，再一次延伸了人类观察微观世界的能力，科学家看到了比细菌小得多的病毒。而今我们要建造一个超级显微镜，它能够帮助科学家解析病毒蛋白的晶体结构，破解它的生命密码。上海同步辐射光源就是这样一种特殊的大科学装置，那么除了能看清新冠病毒的蛋白结构之外，它还能干什么呢？介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，这位是上海同步辐射光源的研究员李爱国，李先生，欢迎您！另外一位是我们的老朋友了，是北京航空航天大学的教授叶盛。两位也给我们介绍一下，为什么把上海同步辐射光源称作是超级显微镜？它跟显微镜到底有没有关系？
我们如果是想要观察物质的话，你必须要有光，它波长越短，那么我们看到的物体就越小。如果用显微镜去看物体的时候，这个物体如果是小于200个纳米是看不见它的，你看到的是一个模糊的影像，但是同步辐射是不一样的，同步辐射的光的波长可以非常短，可以看到原子级的分辨（率）的一个东西。大家知道我们之所以能看见的东西是因为可见光。它有波长，然后还有X射线，那么X射线的波长就比可见光的波长要短得多，那一般的光学显微镜，我们能够看到细胞，看到细胞器就了不起了。还有现在可能比较热门那个词叫电子显微镜，可能很多喜欢科学的人都听说过电子显微镜，它们最终的目的都是对我们要观测的物体进行一个成像，都是为了让我们能够看到更加微观的世界。我们如果想看到更微小的东西，比如说像蛋白质分子，像核酸分子，我们就需要一种更加短波长的光，也就是X射线。那么同步辐射，它就是一种非常强大的这样一个人造的X射线光源，它能够产生这样的很强很亮的X射线，同时它也能产生比如说可见光，比如说红外，比如说紫外等等。可以应用到不同的这样的科学研究领域中，所以我们才说它是一个超级显微镜。我们能看到一个一个的原子，它们之间的排布的这样一个方式，就是把显微镜的概念给放大了。这么大的一个科学装置，它到底解决了哪些科学问题呢？帮我们做了什么事？
这个大科学装置，从某种意义上来讲，我们国家的很多研究的水平，依靠了大科学装置的支撑，起到了非常大的促进作用。比如说在催化领域，其他的科学手段很难去做，那么我们通过同步辐射吸收谱的办法，我可以研究催化剂的这个原子和另外一个原子的近邻（关系），那么这是一个非常独特的手段。那么这样的话，我们可以在，比如说高效利用能源，能源的高效利用，比如说未来氢能的储存等等，那都有非常巨大的作用。第二个就是在结构生物学上，在我们没有同步辐射光之前，它是利用了主要是核磁共振，波谱学来解（析），那么这个时间周期非常痛苦的，那么解一个（蛋白质晶体）结构大概要六个月甚至一年，那么同步辐射现在解一个结构，是需要十几分钟，甚至几分钟就能帮你解一个晶体结构，那么这个效率是飞速发展。这个效率能提高到什么程度呢？给大家举个很通俗的例子，在以前的话，如果我们用室内光源，早期的室内光源，我们可能把样品放上去，把机器开开，然后你就可以去吃个饭，回家睡个觉，可能再回来的时候，我们刚刚完成了一张片子的曝光。
而有了同步射光之后，这个时间大概缩短到什么时候呢？可能就缩短到几分钟，这样的一个长度。实际上在我读书那个时候，大概就是需要几分钟，我们才能曝一张的这样的衍射的图片。而现在在上海光源是什么样一个水平呢？我们把晶体装上去之后，把机器开开，它会连续地旋转，然后那边就像录一个电影一样，就已经把几百张就已经曝光完成了。所以效率已经有了大大的提高，那就是说当初有这个同步光源辐射光源的话，您一年的学业可能一周就完成了。的确是这样，早期的时候可能一个蛋白质结构是一个诺贝尔奖，后来一个蛋白质结构，可能是一个博士学位，但是今天的话，我们可能几个蛋白质结构都未必能换回来一个博士学位。这是因为其实研究的效率大大提高了，时间成本、金钱成本都大大下降了，然后另外就是我自己从事的结构生物学，这应该也是说是同步辐射的一个大用户了。我自己从读博的时代开始，到处跑同步辐射。其实我们也有室内光源，我们有一个很小的，大概跟咱们的演播室这个台子，这么大的一个室内光源，但是那个光源产生的X光，比咱们在同步辐射上的X射线，要弱了好几个数量级，而且我们有一些其他的性质上的一些差异。所以我们大家现在都不爱用室内光，我们更愿意往上海跑去用同步辐射光源，那么用同步辐射光源，我们能够解析这些蛋白质结构之后，如果这个蛋白质跟某个疾病有关系。我们就相应地可以利用我们看到的结构，去设计出一个药物来，这个叫做基于结构药物设计，它实际上是现在药物研发中的一个非常重要的前沿的这样一个方向。
在自然界中，光可以分为可见光和不可见光。我们肉眼可见的光被称为可见光，比如太阳光，这是一种波长很长、能量很低的可见光。而我们熟悉的X射线，却是一种波长比太阳光短、能量较高的不可见光，上海同步辐射光源是一种人造光源。它可以产生超高亮度的X光，将病毒的蛋白质结构清晰地展现出来，这样一束具有超级穿透力的光，是如何被科学家制造出来的？作为一种人造的光源，它是怎么被制造出来的呢？这个东西一开始出现的时候，是在1947年的时候，在一个同步加速器上发现的，那科学家在做粒子物理的时候，他在侧壁上发现了同步（辐）射光。我们在真空中的电子，如果在做圆周运动，或者在加速运动的时候，它就会辐射出电磁波，那么光波的能量范围非常广。刚才叶老师说过，它从红外一直到软X线到硬X射线，一直到软X射线到硬X射线，一直到很高能量的接近伽马射线了。那么它光谱覆盖的范围非常广，发现了以后，在（20世纪）60年代，大家发现它的用处非常广泛，在（一九）六几年的时候，我们就基于同步辐射加速器，造了专用的第一代同步辐射光源。
我们想象一下这个设备吧，我觉得就是我们可能从理论上我们比较熟悉这个设备，知道它是怎么回事，可能对于普通的观众来说，不知道这个设备是什么样子。它就像一个巨大的体育场里面，在沿着跑道在绕圈的，这个绕圈的是什么？不是运动员不是人，而是一团一团的电子，那么这样的电子？它在绕圈的过程中，就像刚才李老师介绍的根据相对论的效应，它就会在这个过程中，其实是能够发出辐射的，那么我们又在里边加入了一些比较特殊的器件。比如说我们叫做波荡器等等的，通过改变磁场，让电子的路线变得更加地能够发射出强烈的这样的辐射光。那么这种辐射光，我们就叫同步辐射光，它有点像是什么？我不知道您滑不滑雪，我们在滑雪的时候最多做的是这种S形的转弯，那么你在S形转弯的时候，你的雪板会把雪推出来。那个雪往哪落？不会往两边跑，它都会往下落。那么电子在这个时候做的事情，有点跟这个形状有点类似，在电子不断转弯的过程中，它会向你前进的方向发射出辐射光，那么这个辐射光就是我们说的同步辐射光。通过我们去调节磁场，调节它转弯的半径，我们就能让辐射光处在不同的这样的波段，其中就包括我们刚才说到的红外光，X射线等等这些波段。
2009年4月，位于上海浦东张江高科技园区的上海同步辐射光源调试完成并正式开放使用。它也迅速成为了加速我国科技发展的大型基础设施，每年吸引了众多的课题组来这里开展科研工作。十多年来，上海光源已经帮助我们孕育出了一批，具有国际影响力的研究成果在多个领域取得突破。2012年，禽流感在中国南方暴发，我国的科研团队利用上海同步辐射光源这个大科学装置，迅速解析出了禽流感病毒的蛋白质结构，并发现了两个感染力和传播途径不同的病毒株。而这个重要结论帮助卫生部门在制定禽流感的预防机制上采取了更有针对性的策略，也因此禽流感被快速控制。2014年肆虐西非的埃博拉病毒等，上海同步辐射光源在解析病毒蛋白结构中，再次发挥了重要作用。除了破解病毒的蛋白结构之外，它还能应用于哪些科研领域呢？同步辐射光源还解决了哪些科学问题？
我讲一个稍微比较可能比较接近大家的，一般的认知的这么一个例子，很好玩的例子，其实也是就是考古学。我们知道在古生物研究中，有的时候我们会发现化石，但是我们在博物馆里面看到的骨架，其实已经是分离出来，复原之后的骨架，可是我们真正拿到手的第一手的化石材料是这个骨骼，是埋在石头里的。所以你如何把它清理出来，这其实是一个非常精细的技术活。而且有时候会损坏这些骨骼，而且还有时候你会丢失掉一些细节的信息，而现在有一种什么方法呢？我们可以把整个化石的一个板子，拿到同步辐射上去，然后做一个X射线的断层扫描，就好像我们人到医院去看病的时候做了一个CT一样，但是这个X射线是非常强大的，强大到它能够穿透这些化石材料，最终我们就能够在三维中重构出一个，埋在石头中的这样一个骨骼的情况。那么这种数字化的这样的一个骨骼的情况，其实是比我们真正把它挖出来之后，可能更精细而且更准确的这样的一个状态。比如说，我们在研究一些金属材料在凝固的过程中，那以前没有同步辐射光，这个例子比较典型，是在高铁的接触线上，它在凝固过程中你是不可见的。
那么以前相当于你不知道它里面到底发生什么，那我们可以同步辐射光的成像的办法把它观察出来，知道它是怎么样的，凝固过程你可以把它动态地体现出来，像这种例子还非常多。还有比如说在基础物理的领域里面，像外尔费米子。1929年就提出来了外尔费米子，这个神奇的粒子，找了80多年也没有找到。我们国家的科学家利用了上海同步辐射光源，就证实了外尔费米子的存在，在固体里面证实了外尔费米子存在。这是一个科学性的一个巨大的突破，这个也入选了2015年的一个十大科学进展，诸如此类的东西还是非常非常多的。在医药领域，缓释胶囊是最常见的药物种类之一。它需要合理地控制药物在人体内发挥药效的时间，这在没有同步辐射光的年代里是无法实现的。在上海同步辐射光源的帮助下，研究人员可以清晰地看到药物颗粒的释放过程。缓释胶囊的研究，仅仅是上海同步辐射光源对我国科技助力的冰山一角，它为我国基础科学的发展提供了更多便利。我们一说到科技的发展，我们总放眼光于国际，世界上其他的同步辐射光源是什么样的，给我们介绍一下吗。
目前来说在建的还有正在运行的同步辐射光源，大概有50多台，也就是说我们国家现在运行的大概有3台左右，一个是北京的光源，北京同步辐射装置，那么一个是合肥光源，一个是上海光源。那么国外这些大部分的同步辐射装置，主要集中在欧洲、日本和美国这些发达国家。从我们的科学发展上来讲，从高能物理这个时间一一过去以后，全世界各个国家都纷纷建造同步辐射，那么同步辐射，它其实是一个大型的科学仪器装备。那也就是说它对于物理、环境、材料、能源、化工等等各个学科、各个领域都（有）非常广泛的影响，也就是说这个工具，就代表了一个国家的科研水平，从整体起步上来讲，我们国家比国外起步稍晚一些。因为它的非常重要，所以建设这个目的，也就是说在科学技术上不能落后，因为这样的话，有一个非常好的工具，你才能进行前沿的科学研究。在以前的话，咱们国家在上海光源之前，其实是没有第三代同步辐射光源的，所以像我自己在读博士的时候，我们为了能够用到同步辐射光，我们就要出国到国外去做实验，像我自己的话，像法国，然后像美国，包括我们近邻韩国、日本都有同步辐射光源，我们都去跑过那个实验过程是非常痛苦的。
那么现在我们有了上海同步辐射光源之后，其实在很大程度上带动了相关的一系列的学科的发展，就是我们至少最基本的做实验，不用到全世界去跑了，我们实验效率变高了。而且我们在单位时间内能有更多的产出，那么实际上像我自己所从事的结构生物学领域，我们现在就是在上海同步辐射光源，收了很多的这样的X射线的衍射数据。然后解析了很多蛋白质的结构，其中也不乏有一些达到了国际顶级的学术水平的这样的成果。人造光源的出现并不是一蹴而就，同步辐射光源的发展，也经历了几十年的漫长过程。1961年，美国建造了第一个紫外辐射的同步辐射光源，科学家很快就见识到了它的优势。随后，欧洲、苏联等国家也相继建立同步辐射光源，几年后能力更强的第二代同步辐射光源，也在世界范围内建造。这个科学装置，为药物开发提供了帮助。上海光源是第三代同步辐射的光源，也是目前世界上性能较强的同步辐射光源之一。然而，随着量子科技等多个领域的发展，科学家对人造光源有了更高的要求。未来的同步辐射光源，又将如何发展呢？那最后它会朝着一个什么样的方向去发展呢？
随着技术的进步，我们从(上世纪）80年代末，90年代初，第三代同步辐射光源开始兴建以后，那么我们近五年来说，出现了第四代同步辐射光源，比第三代同步辐射光源，它的亮度还要“亮”1000倍左右。也就是说，我们这个“亮”也是打引号的，那么这个就是说能力更强了。能力更强，一个是亮。另外一个是它有非常好的聚焦效果，那么我们可以把它聚焦到非常小的一个尺度上。常规的光源其实是做不到的，因为它的很多物理特性它做不到，也就是说从准直性上或其他方面来讲，同步辐射已经从原来的一个三代到一个四代的转变。那么目前来讲，在三代出现以后，还有一个分支是做自由电子激光，那么在第五代怎么做，大家现在不是很清楚。上海光源也有科学家，我们提出来了一个新的想法，就是把自由电子激光的好处，和同步辐射光源的好处结合起来，就是四代以后的一个可预期的一个光源。我之前的话，我们知道中国有一位就是在同步辐射领域非常著名的这样一位院士，冼鼎昌院士。我以前曾经很有幸在现场聆听过冼院士的这么一个讲座，他在讲座中说了这么一句有趣的话，他说也许以后我们到各地去旅游，我们看的不再是名胜古迹，而是要看看当地的同步辐射光源。当然这个话有一定开玩笑的成分了，像刚才李老师所说的，我们可能需要很多的同步辐射光源来支持我们的前沿科学的研究。
那么像刚才您问到说全世界的同步辐射光源，其实像我自己的话，像欧洲同步辐射设施，像英国的DIAMIOND（英国同步辐射光源），像美国的APS（美国先进光子源），美国的NSLS（美国国家同步辐射光源）。那么像日本的SPring－8（日本大型同步辐射光源），这些我们都去过，那个感觉就是我去世界上这些地方都没有旅游。我都是直接奔着同步辐射光源去做实验了，然后做完实验就回来了，那么这个同步辐射装置，应该说对我们的科学的推动，是有一个非常重要的作用，那么下一代的同步辐射光源会怎么发展？我觉得因为我不是技术上的专家，我很难预测，但是我想就像您刚才说的，一个是变得更“亮”，另外一个有一个很重要的特质是什么？您肯定听说过激光这个词，我想很多观众都听说过激光这个词，其实激光不仅是更亮的光，而且它是有一些特殊性质的光。比如说里面的光子是具有相干性的，那么刚才李老师也提到了，未来的像自由电子激光等等，这些其实就是同步辐射光，未来的一个发展方向，就是产生像激光一样具有特殊性质的X射线，那么这样的射线会带给我们什么呢？
其实很难预测，我们现在知道有一些科学领域可能会在这样的光线下，会有新的一个革命式的发展。那么我相信等这种光真的来了，也许我们会发现它还有更多的应用。我想在前沿科学这个领域，我们永远不知道明天会发生什么。在许多科研领域中，要面对化学反应等分子间变化十分迅速的过程，第四代同步辐射光源能够开展更快的时间分辨研究，可以更好地捕捉到化学反应的瞬间，帮助科学家了解机理过程。第四代同步辐射能够利用其更高亮度和更好的相干特性，开展更快速的动态研究工作，这将有助于在更小尺度上开展更快速的测量，帮助科学家更深入了解动态变化的微观世界，将推动在能源、药物等众多领域的高速发展。真正给普通人带来福祉，未来将会是什么？是这样，就是同步辐射光，它促进了技术的发展，那么前沿技术它很快，它就会影响我们的生活。比如说那么同步辐射，如果四代光源甚至五代光源，那么在量子材料上，那么量子材料现在来说只是刚刚才开始研究，那么利用全相干的特性，或者是它本身的特性，那么我们可能会在量子材料的研发，超导材料的研发，还有一些催化剂的单原子的，催化剂的精准设计。这些领域里面，都会产生巨大的影响，那么这个可能在科学技术上突破，就不是像我们现在想象的，因为它有个门槛子，你已经看到门槛，看到一个壁垒。
整个加快我们各个学科的这种（发展）速度，这个速度会，我个人认为会越来越快，对于普通老百姓的影响，可能你会发现科技进步。我们原来就是说从科学发现要到产品，可能要五六十年，那么现在可能只要十几年，甚至更快，只有五六年，迭代的速度会越来越快。比如说现在生命的杀手，癌症等等，包括我们带来的这些环境的污染等等这些，有了这个大科学装置，将来我们攻克的时间会越来越短吗？这个肯定是这样的，我觉得我可能举两个，具体的学科的例子，比如说刚才李老师提到了高铁，实际上我们现在很多的大的仪器设备或者大的装置，比如说像高铁或者大飞机等等，我们卡在哪儿了呢？往往卡在材料领域了，而材料领域其实更多的需要的是不断地尝试。而且我们得知道我们每一次尝试的结果之间有什么样的差异，那么你就需要一种微观的探查手段，所以我们今天的题目叫《超级显微镜》。其实同步辐射，在材料研究中也是有着巨大的贡献的，就是能够让我们在非常非常微观的这样的尺度上，去知道材料内部的差异。而材料和材料之间的差异，往往就在这样微观的一个尺度上。
我自己做的结构生物学方向的话，也是同步辐射能够给大家直接带来福利的这样一个方向，就是我们刚才说到，我们通过同步辐射的X射线解析到蛋白质结构，其实是为了让我们能够了解细胞是如何运作的，生命是如何运作的，更重要的是如果这些蛋白质跟某一个疾病相关。或者它就来自某个病原体身上，比如这次的新冠病毒，其实也有通过同步辐射光，去研究新冠病毒上的蛋白质的三维结构，那么这样的研究就能够给我们后面的药物的研发带来这样一个福音。也就是有了这样的结构信息，能够指导药物的一个研究，所以这个肯定是跟大家的福祉，是直接相关的。科学家在研究新的材料的时候，有很多东西是没办法预测的，那么这个时候，比如说现在的科学，它已经到了这个阶段，那么它在时间尺度上，我们需要非常快，那么原来是比如说我们只要一个静态的就可以了，那么现在不行，现在的话它不但要研究静态的，还要研究动态。因为材料，一个是材料本身我需要在动态的情况去观察它，那么这个特别是它已经深入到原子分子这个层面。比如说化学键的结合，它非常快，在纳秒级以下的尺度，也就说非常非常短的时间内，那么这个时候如果你想要看到它，你必须要有飞鸟事件的一个东西来看它，就是像尺子一样，你才能想到它，那么这个时候，像比如说第五代的光源，它就有可能去做这件事情。
还有比如再讲一个例子，就说你在研究蛋白的时候，我们现在很难做动态地研究蛋白，蛋白它在生命过程中它是动的，它在动的过程中发挥它的功能。这个时间尺度也非常短，以前我们的光不够强，或者能力不够的时候，你大部分把它冷冻住才去做这个。但是我们现在的想办法，是在常温下怎么去看它，在动的过程怎么去看它，那么这可能就要四代的，同步辐射光源。可以帮你解决这个事情，我可以在微秒级的时间内就把它看到，它的动态过程，我能观察到它，那这个就是显然是以前不具有的这种能力。这个能力会帮助我们的科学家，以前他没有这个能力的时候，他没办法想象中间的过程，那么我们帮他补齐这个短板。给我们科学家一双新的眼睛，去发现这个世界。今天非常感谢两位，跟我们共同来探讨超级显微镜这样的话题，我相信两位的话也更让我们电视机前的科学爱好者，看到了未来的科学之光，看到了未来的希望。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们更多的节目内容，您可以下载央视频去收看更多的节目。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
