出品:科普中国
作者:郭菲(烟台大学)
监制:中国科普博览
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不久前,在斯坦福大学的实验室里,科学家们小心翼翼地将一种淡黄色的溶液涂抹在实验小鼠的皮肤上。短短几分钟后,令人难以置信的一幕发生了——小鼠的皮肤逐渐变得透明,体内跳动的心脏、蠕动的肠道清晰可见。更神奇的是,当他们用清水冲洗掉这种溶液时,皮肤又恢复如初。
这项突破性的发现于2024年9月6日发表在顶级学术期刊《科学》上,立即引起了全球科学界的轰动。这一发现不禁让人想起H.G.威尔斯1897年的科幻小说《隐形人》,更重要的是,它为生命科学研究开辟了一个全新的领域。
光线与皮肤的相互作用可以令皮肤变“透明”
(图片来源:参考文献1)
寻常物质中的非凡发现
这种能让生物组织变透明的神奇物质,竟是我们日常生活中随处可见的食用色素——柠檬黄,这种食品添加剂为许多食品、饮料甚至是化妆品和日用品带来鲜艳的色彩。谁能想到,这个平凡的色素分子竟藏着如此不平凡的秘密?
科学家们的第一个实验对象是普通的鸡胸肉。当他们将不同浓度的柠檬黄溶液滴在薄片的鸡胸肉上时,一个奇妙的变化开始发生:随着溶液的渗入,原本不透明的肉片逐渐变得通透,放在下面的字迹清晰可见。实验的初步成功给了研究团队极大的信心,也为后续的活体实验奠定了基础。
经过染料处理后的薄鸡肉片
(图片来源:参考文献1)
接下来的活体实验更是令人振奋,当柠檬黄溶液涂抹在小鼠的头部时,大脑表面纵横交错的血管网络清晰可见,科学家们可以直接观察到血液在血管中的流动;涂抹在腹部时,内脏器官的蠕动尽收眼底,甚至可以看到肠道的收缩运动;涂在四肢时,甚至能观察到肌肉纤维的精细结构。这种前所未有的观察方式,让科学家们仿佛获得了一双透视眼。
小鼠腹部皮肤在溶液处理后变得透明
(图片来源:参考文献1)
最令人惊喜的是,这种透明化效果是完全可逆的。用清水冲洗掉染料后,组织会在短时间内恢复原状。研究还发现,残留在组织中的染料会在48小时内随着新陈代谢自然排出体外,这意味着这项技术具有极高的生物安全性。这种可控性和安全性,是此前任何组织透明化技术都无法比拟的。
小小一滴柠檬黄,为何有如此神奇的魔力?
皮肤为什么是不透明的?这要从光的行为说起。我们的皮肤组织中充满了水分、脂肪和蛋白质等不同成分,它们就像镶嵌在一起的无数微小镜片,每种成分对光的折射程度都不同。当光线试图穿过皮肤时,会在这些不同“镜片”的交界处发生折射和散射,最终让皮肤呈现出不透明的状态。
而这项新技术的奇妙之处源于克拉默斯-克朗尼希关系,一个一百年前就被发现的物理定律:如果一种物质在某个波长的光下表现出强烈的吸收性,那它就能影响其他波长光的折射行为。
科学家们发现柠檬黄分子会强烈吸收蓝色光波段,调节水溶液折射率的本领。当柠檬黄溶解在组织的水分中后,就能巧妙地将水分的折射率调整到与周围脂肪、蛋白质的折射率相匹配。
这样一来,光线就能像穿过一块完整的玻璃那样,畅通无阻地穿过组织。这种源自物理学的精妙机制,在时隔百年后,终于在生命科学领域找到了革命性的应用。
小鼠皮肤变透明的原理示意图
(图片来源:参考文献1)
开创性的技术突破
这项发现之所以如此重要,在于它彻底改变了我们观察生命的方式。在此之前,科学家们想要观察生物体内部,要么需要进行手术切开组织,要么要依赖X射线、核磁共振等昂贵的医疗设备。即便是现有的组织透明化技术,也往往需要使用高浓度的化学试剂,如甘油、糖类或酸性溶液**。这些方法要么会造成细胞脱水和炎症,要么只能用于死亡的样本,无法观察活体内的动态过程。**
而这种基于柠檬黄的新技术,就像给生命装上了一扇魔法窗户。它不仅安全、可逆,而且操作简单,成本低廉。最重要的是,它能够在不影响生命活动的情况下,让我们直接观察活体内部的动态变化。这就好比我们过去只能通过快照了解生命,现在却可以观看一部生动的纪录片。该技术不需要复杂的设备,只需要一种普通的食用染料,就能让我们看到此前难以观察到的生命现象。
未来的无限可能
这项技术的发现犹如打开了一扇通向未来的大门。在基础研究领域,它将帮助科学家们更好地了解生命体内的各种过程。比如,研究人员可以直接观察神经元的活动,了解大脑如何处理信息;可以观察血管的形成和生长,研究癌症的转移机制;甚至可以追踪免疫细胞的运动,揭示免疫系统如何抵抗疾病。
如果这种新技术在人体上被证明有效,或许会在人手上呈现出此类效果
(图片来源:Keyi ‘Onyx’ Li/U.S. National Science Foundation)
**在医疗应用方面,**这项技术的前景更是令人期待。它可能帮助医生更准确地进行静脉注射,因为血管的位置将清晰可见;可能提高微创手术的精确度,因为医生将能够直接看到深层组织;甚至可能为癌症的早期诊断和治疗提供新的方法,因为它能让我们更容易发现异常的组织变化。
在药物研发领域,这项技术也可能带来革命性的变化。研究人员可以直接观察药物在活体内的分布和作用,了解药物如何影响各个器官,这将大大加快新药的开发过程。此外,这项技术还可能用于生物工程领域,帮助科学家们开发更好的组织工程产品。
前途光明但道路可能仍然漫长
当然,要将这项技术应用到人体上还需要克服不少挑战。人类的皮肤比小鼠厚得多,大约是其十倍,这意味着需要研究更有效的染料渗透方法。同时,**虽然柠檬黄作为食品添加剂已经被证明是安全的,但用于皮肤透明化时的安全性还需要更多研究。**此外,对于骨骼等硬组织的透明化效果如何,以及能否实现更深层组织的透明化,都还需要进一步探索。
一个世纪前的物理学定律在今天找到了崭新的应用一样,科学的魔力往往在意想不到的地方展现。从某种意义上说,这项技术实现了科幻小说中的一个梦想。也许在不久的将来,医生们就能通过这扇“生命之窗”,更好地了解和治疗各种疾病;科学家们也能借此揭示更多生命的奥秘。
参考文献:
1.ZIHAO OU et. al., Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules