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就像天文学研究离不开望远镜一样，生物学研究也离不开一种仪器，那就是显微镜。
传统光学显微镜观察物体借助的是可见光。可见光的波长范围在400～800纳米之间。1873年，德国物理学家阿贝得出结论：传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限，即不能分辨比所用光波波长一半更小的距离。这个极限后来被称为“阿贝分辨率”。所以对于传统的光学显微镜，两点之间的距离一旦小于200纳米，它就分辨不清了。
光学显微镜的分辨极限
为什么会有这么个极限？我们在高中都学过光的圆孔衍射实验：当一束光经过小孔之后，在对应位置上，会出现一个亮斑，亮斑周围，即光线被小孔边缘挡住的地方，则是暗的。如果小孔缩小，亮斑也会随着缩小。但当缩小到一定程度，一个奇怪的现象发生了。亮斑不但没变小，反而变大了，周围也不再完全是暗的，而是出现了一圈圈明暗交替的衍射条纹。这是因为光并非严格意义上的直线，而是一种电磁波的缘故。光遇到与其波长相当的物体（这里是圆孔）时会发生衍射，正是它的波动特性之一。
同样的道理，由于衍射的存在，光学显微镜无法把光线汇聚成无限小的点，而只会在像平面上形成有限大小的光斑。这样的结果是，当两点之间的距离小于光波波长一半的时候，在像平面上这两个点的光斑就交叠重合在一起，以至于让人无法区分。
很久以来，人们都认为这个极限是光学显微技术无法突破的。为了达到更高的分辨率，很多人选择了其他显微技术，如电子显微镜（分辨率能达到0.2纳米）。虽然电子也会发生衍射，也有其分辨率极限，但电子的波长不到可见光波长的1/1000，所以其分辨率比光学显微镜高1000多倍。
然而，电子显微镜有一个很明显的缺点：电子束对活细胞的杀伤力要比光波大得多，所以它很难用于活体生物样品的观察；相反，光学显微镜对于所观察的样品基本上是没有损害的。
给单个荧光蛋白定位
但是，另有一些人却倔强地设法让光学显微镜绕过这一极限。他们多年的努力终于得到了回报。2014年，美国物理学家威廉·莫纳、艾力克·贝齐格和德国物理学家斯特凡·赫尔，被授予诺贝尔化学奖，以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。物理学家获得化学奖，这说明物理学已经深入到化学领域，或者说，在微观领域，物理学已经在某种程度上取代了化学，这次获奖的三位物理学家，就是因为他们突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，帮助了化学的发展。他们是如何突破这一极限的呢？
首先登场的是美国物理学家莫纳。超分辨率荧光显微镜很重要的一个方面是荧光。荧光是日常生活中我们非常熟悉的一种发光现象，但不见得每个人都知道其原理，在此先做个介绍：荧光分子吸收了一种波长较短的光，比如紫外线之后，被激发到能量较高的状态，但高能态是不稳定的，很快会回到低能态。这一过程要放射出另一种波长较长的光，比如说可见光。
一种荧光分子叫荧光蛋白。在莫纳之前，人们看到荧光蛋白发光，是几百万乃至几千万个分子同时发光所得到的平均结果。莫纳是第一个探测到单个荧光蛋白发光的人。这对于超分辨率显微镜极其重要。虽然单个荧光蛋白成像后，形成的也是一个直径200纳米左右的光斑，但要是周围没有其他分子存在，那它的中心可以被精确地确定下来——最亮的地方一般就是中心。这就好比一座大山尽管绵延很广，但峰顶的位置是不难确定的，只要比较一下哪个地方最高就行了。在一定条件下，单个荧光蛋白的定位精度能达到1纳米。
各显神通的荧光显微技术
荧光分子有一定的寿命，持续发光一段时间后，将不能继续发光，这叫“光致褪色”现象。
莫纳的另一个贡献是发现了控制荧光蛋白发光的一种方法：比如一种绿色荧光蛋白，在褪色之后，如果用405纳米的激光照射它，就能够将其重新激活；再用其他波长的激光照射它，即可重新令其发出荧光。这个方法称为“光激活”。
在莫纳的基础上，美国物理学家贝齐格发明了一种超分辨率显微镜。他用微量的405纳米激光照射带有荧光蛋白的生物样品，使其中一小部分荧光蛋白发出荧光。由于这些发光的荧光蛋白很稀疏，从而相距较远，它们的位置能够被精确地确定下来。等这些分子光致褪色后，再激活另一小部分荧光蛋白。重复这个过程即可将样品中的所有分子定位出来，最后将所得到的多张扫描图像叠加，就形成了一张整个样品的纳米级分辨率的图像。
而德国物理学家赫尔则另辟蹊径，他发明的是一种“激光套激光”的STED显微镜。这种显微镜的扫描镜头里，装了两束激光：其中一束的光斑是一个直径大约为200纳米的圆斑，受其激发，被照到的所有荧光蛋白都要发荧光；第二束激光的光斑是中空的一个圆环，中空的直径只有20纳米；它发射后，处于两个光斑交叠的环状区域内的荧光蛋白，被抑制了发光。第二束激光就像“橡皮擦”那样，将第一束外圈的荧光消除了，单剩下中间直径20纳米区域内的荧光分子发出的荧光，这样就达到了纳米级成像的要求。然后对样品逐一扫描，就得到整个样品的高分辨率图像。
生物学家的得力助手
经过这样改进后的光学显微镜，分辨率提高了百倍，能看到2.5纳米，差不多可以看到一个蛋白质分子一半的大小。
这种超分辨率荧光显微镜，其分辨率足可与电子显微镜相媲美，同时又有着电子显微镜所不及的诸多优点。比如说，它不会杀伤活的生物样品，因此可以观察活细胞内的分子活动，对其进行“现场直播”。
如今，超分辨率荧光显微镜已经在生物和医学领域大展身手。借助它，科学家能够看到神经元之间的突触是如何形成的，能够观察到与帕金森症、老年痴呆症相关的蛋白质活动，甚至能够追踪胚胎发育时，各种蛋白的来龙去脉。这一切无疑极大地推动了人类从分子水平理解各种生命现象。
传统光学显微镜观察物体借助的是可见光。可见光的波长范围在400～800纳米之间。1873年，德国物理学家阿贝得出结论：传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限，即不能分辨比所用光波波长一半更小的距离。这个极限后来被称为“阿贝分辨率”。所以对于传统的光学显微镜，两点之间的距离一旦小于200纳米，它就分辨不清了。
光学显微镜的分辨极限
为什么会有这么个极限？我们在高中都学过光的圆孔衍射实验：当一束光经过小孔之后，在对应位置上，会出现一个亮斑，亮斑周围，即光线被小孔边缘挡住的地方，则是暗的。如果小孔缩小，亮斑也会随着缩小。但当缩小到一定程度，一个奇怪的现象发生了。亮斑不但没变小，反而变大了，周围也不再完全是暗的，而是出现了一圈圈明暗交替的衍射条纹。这是因为光并非严格意义上的直线，而是一种电磁波的缘故。光遇到与其波长相当的物体（这里是圆孔）时会发生衍射，正是它的波动特性之一。
同样的道理，由于衍射的存在，光学显微镜无法把光线汇聚成无限小的点，而只会在像平面上形成有限大小的光斑。这样的结果是，当两点之间的距离小于光波波长一半的时候，在像平面上这两个点的光斑就交叠重合在一起，以至于让人无法区分。
很久以来，人们都认为这个极限是光学显微技术无法突破的。为了达到更高的分辨率，很多人选择了其他显微技术，如电子显微镜（分辨率能达到0.2纳米）。虽然电子也会发生衍射，也有其分辨率极限，但电子的波长不到可见光波长的1/1000，所以其分辨率比光学显微镜高1000多倍。
然而，电子显微镜有一个很明显的缺点：电子束对活细胞的杀伤力要比光波大得多，所以它很难用于活体生物样品的观察；相反，光学显微镜对于所观察的样品基本上是没有损害的。
给单个荧光蛋白定位
但是，另有一些人却倔强地设法让光学显微镜绕过这一极限。他们多年的努力终于得到了回报。2014年，美国物理学家威廉·莫纳、艾力克·贝齐格和德国物理学家斯特凡·赫尔，被授予诺贝尔化学奖，以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。物理学家获得化学奖，这说明物理学已经深入到化学领域，或者说，在微观领域，物理学已经在某种程度上取代了化学，这次获奖的三位物理学家，就是因为他们突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，帮助了化学的发展。他们是如何突破这一极限的呢？
首先登场的是美国物理学家莫纳。超分辨率荧光显微镜很重要的一个方面是荧光。荧光是日常生活中我们非常熟悉的一种发光现象，但不见得每个人都知道其原理，在此先做个介绍：荧光分子吸收了一种波长较短的光，比如紫外线之后，被激发到能量较高的状态，但高能态是不稳定的，很快会回到低能态。这一过程要放射出另一种波长较长的光，比如说可见光。
一种荧光分子叫荧光蛋白。在莫纳之前，人们看到荧光蛋白发光，是几百万乃至几千万个分子同时发光所得到的平均结果。莫纳是第一个探测到单个荧光蛋白发光的人。这对于超分辨率显微镜极其重要。虽然单个荧光蛋白成像后，形成的也是一个直径200纳米左右的光斑，但要是周围没有其他分子存在，那它的中心可以被精确地确定下来——最亮的地方一般就是中心。这就好比一座大山尽管绵延很广，但峰顶的位置是不难确定的，只要比较一下哪个地方最高就行了。在一定条件下，单个荧光蛋白的定位精度能达到1纳米。
各显神通的荧光显微技术
荧光分子有一定的寿命，持续发光一段时间后，将不能继续发光，这叫“光致褪色”现象。
莫纳的另一个贡献是发现了控制荧光蛋白发光的一种方法：比如一种绿色荧光蛋白，在褪色之后，如果用405纳米的激光照射它，就能够将其重新激活；再用其他波长的激光照射它，即可重新令其发出荧光。这个方法称为“光激活”。
在莫纳的基础上，美国物理学家贝齐格发明了一种超分辨率显微镜。他用微量的405纳米激光照射带有荧光蛋白的生物样品，使其中一小部分荧光蛋白发出荧光。由于这些发光的荧光蛋白很稀疏，从而相距较远，它们的位置能够被精确地确定下来。等这些分子光致褪色后，再激活另一小部分荧光蛋白。重复这个过程即可将样品中的所有分子定位出来，最后将所得到的多张扫描图像叠加，就形成了一张整个样品的纳米级分辨率的图像。
而德国物理学家赫尔则另辟蹊径，他发明的是一种“激光套激光”的STED显微镜。这种显微镜的扫描镜头里，装了两束激光：其中一束的光斑是一个直径大约为200纳米的圆斑，受其激发，被照到的所有荧光蛋白都要发荧光；第二束激光的光斑是中空的一个圆环，中空的直径只有20纳米；它发射后，处于两个光斑交叠的环状区域内的荧光蛋白，被抑制了发光。第二束激光就像“橡皮擦”那样，将第一束外圈的荧光消除了，单剩下中间直径20纳米区域内的荧光分子发出的荧光，这样就达到了纳米级成像的要求。然后对样品逐一扫描，就得到整个样品的高分辨率图像。
生物学家的得力助手
经过这样改进后的光学显微镜，分辨率提高了百倍，能看到2.5纳米，差不多可以看到一个蛋白质分子一半的大小。
这种超分辨率荧光显微镜，其分辨率足可与电子显微镜相媲美，同时又有着电子显微镜所不及的诸多优点。比如说，它不会杀伤活的生物样品，因此可以观察活细胞内的分子活动，对其进行“现场直播”。
如今，超分辨率荧光显微镜已经在生物和医学领域大展身手。借助它，科学家能够看到神经元之间的突触是如何形成的，能够观察到与帕金森症、老年痴呆症相关的蛋白质活动，甚至能够追踪胚胎发育时，各种蛋白的来龙去脉。这一切无疑极大地推动了人类从分子水平理解各种生命现象。