科研“遗珠”里藏着艺术之美
更新时间：2025-12-10 08:00 浏览量：1
显微镜下，微观世界里，细胞、神经突触、蛋白质，正在自由地生长。它们不仅是科学研究的对象，也是科研人员的“画笔”——在探索科学奥秘的过程中，科研人员将一些显微照片巧妙变成了赏心悦目的艺术作品。科学和艺术，在显微镜下得到融合。
李硕果和团队开拓出一片充满温度的艺术天地。
视角独特
以细胞结构作画 绘就“花好月圆”
在怀柔科学城，中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心（怀柔分部）技术团队，负责运维着数十台功能各异的大型科研显微成像设备。他们借助前沿技术手段，为有需求的国内外科研团队拍摄组织、细胞乃至蛋白质等生物大分子的微观结构，为他们后续的科研工作提供关键的图像数据支撑。
中国科学院生物物理所正高级工程师李硕果的日常工作，就是和这些探秘微观世界的科研设备打交道，从事超高分辨率荧光显微镜、冷冻电镜以及冷冻光电关联显微镜等的运行与维护。
将生物研究目标制备成满足成像需求的状态，再利用扫描电镜观察其表面形貌，或用透射电镜解析其内部高分辨率结构，都需要经历漫长的成像过程。科研工作的常态是枯燥的重复，但李硕果却和团队一起，在其中开拓出一片充满温度的艺术天地。
“面对一张科研图像，通常只有科研人员自己才能完全解读其中的科学含义，外人看起来都如同‘天书’。”不过，李硕果对此有自己的观点，“在科学性的基础上，这些图像也有独特的审美价值。”
一幅名为《花好月圆》的显微摄影作品，是李硕果的“得意之作”。它原本是科研用户实验过程中获得的一张“废片”。当时，李硕果团队接受其他科研团队的委托，在超高分辨率荧光显微镜下拍摄细胞有丝分裂过程中染色质结构的变化。在拍摄过程中，他们捕捉到一个细胞核内的染色质已经高度螺旋化，并折叠形成了染色体，细胞不再保有圆润紧实的细胞核结构。百纳米级的分辨率，让显微设备能清晰拍下染色体散落时宛如花瓣的画面。
“这个结构并不是科研用户想看到的结果，他们的科研目标是观察染色质的结构变化的关键过程，但图中的细胞核中的染色质已经完全变成了染色体，而且没有形成规律的排列。”李硕果说，从科研的视角来看，这张图片并不能为研究本身提供任何价值，她却和用户团队进行沟通，“让我拍下这张图吧，它实在是太美了。”
这是全新的艺术视角。图中，右上角的细胞核还处于分裂间期，圆润饱满如同“满月”，左下角则是已经散落的染色质结构，这些X染色体的外观又恰如一朵朵“桂花”，在同一幅画面中，呈现出“花好月圆”的场景。超高分辨率荧光显微镜拍摄的图像，原始素材来源于黑白高灵敏相机，李硕果将它“染”成金黄色，和“花好月圆”的意境相衬。
“除了考虑画面的和谐，其实图中这两种核内遗传物质结构的对比，背后也有着很深的科学意蕴。”李硕果说，“满月”结构中染色质弥散分布在细胞核内，为即将到来的分裂期积累所需的营养素，“桂花”结构是分裂期高度螺旋化所形成的染色体，二者“同框”，蕴含生命更迭、周而复始的过程，描绘出了微观世界的岁月静好、花好月圆，使得这张图片真正实现了科学与艺术的融合。
作品《花好月圆》呈现出染色体散落时的画面。李硕果 摄
六角形的冰晶仿佛一朵盛开的“希望之花”。 贾星 摄
技术精湛
拍摄“3D大片” 让微观世界“动”起来
要想更好地捕捉微观世界的奥妙，就需要拥有更强“视力”的显微设备，从而更好地“看清”生命的微观结构。显微摄影定格了静态的美丽，但二维平面图像无法完整展现细胞、组织和器官的立体结构和内部关联。
在这一领域，中国科学院自动化研究所研究员陈曦所在的微观重建与智能分析团队一直致力于发展体电子显微学技术，为显微设备赋予了全新能力，可以为细胞拍摄高分辨率的“3D大片”——在三维空间中，完整重构出细胞、组织乃至器官的精细结构。
但这个过程要下苦功夫。“我们要先用超薄切片机，将样品切成厚度达纳米级的薄片。用电镜对每一层进行拍摄后，再利用人工智能技术，将几万张二维图像重构成三维数据。”陈曦说，由于工作量巨大，拍摄一组大样品的周期通常要以年为单位。
让陈曦最为自豪的一部“3D大片”，拍摄对象是斑马鱼。他和团队使用特制的钻石刀，将斑马鱼幼鱼的全脑样本均匀、连续地切分成了两万余片，每片的厚度仅有30纳米。电镜逐一扫描拍摄，获取的原始数据量多达200万亿字节。而在后续长达4年的图像分割、识别过程中，处理产生的数据量又翻了几番。
“直到现在，我们也只分析完成了其中的部分数据。”陈曦说，此次拍摄的斑马鱼幼体大脑小于1立方毫米，但它可谓是“五脏俱全”，拥有与人类高度相似但相对简化的脑结构。控制行为、感觉、生理反应的核心脑区，在斑马鱼大脑里都能找到“迷你版”。
于是，经过数据重建，细胞、神经元、突触等构成脑部的微观结构，在镜头下“动”了起来。此后，为了让“3D大片”清晰度更高，陈曦团队还研发了生物切片的平行离子束减薄设备，能将“生鱼片”切得更薄，样品厚度从30纳米降至10纳米。更加精确的成像，能帮助科研人员精准解读各种细胞之间的关联，从而发现它们所具有的功能。
“当我们解析出斑马鱼大脑所有‘零件’的连接方式，就有可能在超级计算机里初步构建一个数字版的斑马鱼大脑，模拟信号处理过程。”陈曦对此充满期待，工程师可以依据这些连接规则，在物理芯片上设计仿生神经网络，“未来，也许我们能够拥有具有生物直觉和反应能力的‘电子斑马鱼’，甚至进一步解析小鼠乃至人类的组织结构，为新一代的类脑智能，提供经过亿万年进化验证的底层智慧方案。”
作品《归巢》显示的是形如蜂巢的结构。贾星 摄
构思巧妙
打开新思路 用艺术视角“变废为宝”
“记录下科研工作中带给我们触动的瞬间，是一种很好的调剂。”在所内，李硕果不仅是工程师，也是“摄影师”和“策展人”。她组织举办过多次显微摄影比赛，收到了不少充满巧思的作品。
在分裂过程中出现异常的细胞，不再呈现两个圆润的半球状，而是组成了一颗“心”；有的细胞在运动过程中伸出了长长的触角，看上去形似一把吉他，被取名为“细胞也爱摇滚”；在液氮环境下，水蒸气遇到载网会结成小冰晶，六角形的冰晶仿佛一朵盛开的“希望之花”……
“这些图片大多是实验中的非常态结果，无法用于发表论文，却能反映出拍摄者当时的心境与想象力。”李硕果曾收到过一名研究生的投稿，这名学生拍下了形状如摇篮的细胞结构，为图片取名《归巢》，“他选择将这张照片拍下并保存下来，看得出，孩子当时或许想家了。”
生物学实验的失败率很高，工作一整天却一无所获，是科研人员的常态。在李硕果看来，虽然没有得到理想的结果，但一些美丽瞬间依然能让这些图像“变废为宝”。同时，如何对得到的科学图像进行构图、解读、展示，让更多的人能理解背后的含义，也是科研人员成长过程中的重要能力之一。
而要实现这一点，就需要培育发现美的眼睛。现在，科学与艺术在越来越多的平台得到融合呈现，《科学》《细胞》等顶级科学期刊的封面，就更加青睐经过艺术化处理的科学图像。而我国科研人员向杂志投稿时，也更愿意选用“中国风”与科研成果相结合的图片设计思路：老年雌性猴子追求“不老泉”中的年轻卵细胞，对应灵长类卵巢衰老研究的成果；米色脂肪经历热疗发生棕色化转变，迸发出能量从而减轻肥胖并改善代谢紊乱，仿佛凤凰涅槃；脚踩的风火轮是核小体，乾坤圈模拟放大镜，展现了科研团队用电镜看到30纳米染色质结构的过程……
李硕果希望借助显微摄影，为科普工作提供一个新的思路。在生物成像中心的建设中，她就为放置着不同类型设备的实验室，设计了对应的“腰线”图案——扫描电镜实验室内装饰着由扫描电镜拍摄出的大肠杆菌“证件照”，透射电镜实验室则展示了它拍摄出的蛋白质的三维精细结构。
“不需要讲太多技术参数，直观的图像就能一下子抓住大家的注意力。”李硕果还计划为更多显微摄影作品提供展示的平台。“图片是更加直观的科普形式，特别是面对中小学生，先通过浅显的方式激发兴趣，再解读背后的科学原理，正是开展科普的有效途径。”本报记者 刘苏雅
名词解释
显微摄影
显微摄影即利用专业的显微设备，将显微镜下看到的视野范围以照片的形式表现出来。它可以记录下人类肉眼无法看到的微小结构和微观过程，在科学研究中起着至关重要的作用。