圖片： Namita Nayyar (WF Team)
一直以來，科學(xué)界都認(rèn)為只有極少數(shù)的動物能感知到近紅外光，比如某些蛇, 昆蟲和蝙蝠。而人類則必須通過特殊設(shè)備才能觀測到近紅外光。如今，科學(xué)家通過注射人造的的納米顆粒，讓小鼠也獲得了感知近紅外光的能力。這項(xiàng)突破性的進(jìn)展于2月28日發(fā)表在國際期刊Cell上，作者是來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的薛天教授與美國馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的韓綱教授，他們將這些經(jīng)實(shí)驗(yàn)改造的嚙齒類動物稱為“超級鼠”。
撰文丨Angus Chen
翻譯丨劉沙
審校丨楊心舟
金屬改變眼睛光譜
同為哺乳動物，小鼠和人的眼球在自然狀態(tài)下都只能感知電磁波譜中極小的一段，準(zhǔn)確的說就是波長在400納米至700納米之間的光。像紫外、紅外這一類光波，不論小鼠還是人都看不到。薛天教授表示：“這主要是因?yàn)槲覀兛梢姽庾V范圍不包括紫外和紅外光，”由于我們眼球的特殊構(gòu)造，角膜和晶狀體會將光線中絕大部分的紫外光過濾掉，而紅外光又太弱，無法激發(fā)眼內(nèi)的感受器產(chǎn)生信號，“韓綱教授表示，他們一直在研究特殊的材料來打破這一限制。 ”
Chris Murray是賓夕法尼亞大學(xué)的材料學(xué)家，他解釋稱，實(shí)驗(yàn)里所指的是一種稱為“（光子）上轉(zhuǎn)換”的納米材料，其具有將低能量轉(zhuǎn)換為高能量的特性。也就是說，這種納米顆粒可以將低能量的不可見光（包括遠(yuǎn)紅外光）激發(fā)成高能量的可見光。之所以這種納米材料能實(shí)現(xiàn)特殊的作用，也是因?yàn)槠涫怯梢环N特殊的元素——稀土金屬構(gòu)成，而稀土金屬的一大特點(diǎn)就是能長期維持在激發(fā)態(tài)。
在經(jīng)典的激發(fā)模型中，原子吸收到來自光子碰撞產(chǎn)生的能量，原子核周圍規(guī)律旋轉(zhuǎn)的電子會被激發(fā)進(jìn)入高能態(tài)，但這種高能激發(fā)態(tài)只能維持很短的一瞬間。接著這個電子則再次回落到之前的軌道中，并釋放另一個攜帶能量的光子。對于絕大多數(shù)元素來說，這個激發(fā)態(tài)維持過程只有數(shù)十億分之一秒。
但是對稀土金屬而言，這個激發(fā)態(tài)可以持續(xù)百萬分之一秒甚或千分之一秒。這個時(shí)間看似也很短，但是已經(jīng)足以讓下一個光子進(jìn)入原子之中并激發(fā)更多能量，這樣能讓激發(fā)態(tài)持續(xù)下去。Murray說：“這就好像爬波浪狀的滑梯一樣，稀土金屬有更強(qiáng)的牽引力，因此你有足夠的時(shí)間呆在第二級臺階上等待下一波能量的到來。”也就是說，稀土金屬強(qiáng)大的牽引力，可以讓同一階梯上同時(shí)停留更多的光子，這些光子聚在一起，等到能量足夠時(shí)將再產(chǎn)生一次激發(fā)。這使得稀土金屬可以攝取多個遠(yuǎn)紅外這樣的低能態(tài)光子，然后以單個高能態(tài)的可見光子釋放出來。
構(gòu)建“超能力”顆粒
當(dāng)韓綱把稀土金屬的這一特性告訴薛天時(shí)，兩人一下就意識到這種金屬能解決一項(xiàng)大問題：假如這些稀土金屬能夠以納米材料的方式整合到動物的眼球中，那豈不是有可能讓原本不可見的紅外光變成可見光嗎？如果真能實(shí)現(xiàn)，紅外視覺信號就能直接投射到視網(wǎng)膜上，并且還可以依此原理生產(chǎn)實(shí)用機(jī)械眼。他們當(dāng)初也懷疑過這個想法的可行性，但是都堅(jiān)持開展了下一步研究計(jì)劃。
他們首先使用了鉺和鐿這兩種稀土金屬元素和ConA蛋白（刀豆蛋白A）一同制備成納米顆粒。韓綱表示：在這個組合中，鐿原子負(fù)責(zé)吸收紅外光，然后將能量傳遞給附近的鉺原子，鉺原子再以綠光的形式釋放出來。確切地說，當(dāng)納米顆粒進(jìn)入眼內(nèi)時(shí)，ConA蛋白吸附這些納米顆粒并導(dǎo)向眼內(nèi)光敏細(xì)胞或感光處，形成藤壺樣的表面殼。之后，納米材料吸收波長在980納米附近的紅外光線后（光譜上位于紅色可見光附近），然后就能夠通過可見光的形式釋放出來。
韓綱認(rèn)為，理論上這應(yīng)該能讓眼睛將紅外光視為綠光，因?yàn)榧{米材料會發(fā)射出一個綠光子，這些綠光子有一半的概率會被眼內(nèi)的感受器捕捉到。納米材料構(gòu)造好后，他們決定用小鼠驗(yàn)證這一理論是否可行。首先，他們將納米顆粒注射進(jìn)小鼠的眼部，之后用紅外光照射改造眼并觀察小鼠瞳孔是否收縮。小鼠作出的反應(yīng)非常驚人，它們的改造眼能對紅外光有縮瞳反應(yīng)，而對照組，未改造的小鼠在紅外光刺激下則不會產(chǎn)生反應(yīng)。美國西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的研究員John Rogers也表示：“這實(shí)在太妙了，一系列的表型實(shí)驗(yàn)都證明了他們的猜想”。
此外，他們也對“超級鼠”開展了一項(xiàng)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。他們將改造過的小鼠放到一個池子中，在這個池子里有一個隱藏的平臺，除非小鼠能找到這個隱藏平臺，否則就會沉入水中。這些小鼠已經(jīng)被訓(xùn)練得可以識別LED信號，而這些信號將會從隱藏的平臺發(fā)出。小鼠想要活命，就得朝有信號的平臺處移動。接著他們將可見的LED換成不可見的近紅外燈，沒有接受納米顆粒注射的小鼠會在水池中漫無目的地亂撲騰，而“超級鼠”則能很快找到平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常好，薛天表示：“紅外信號就連人都無法識別，“超級鼠”卻可以依此找到正確方向，這看上去會有點(diǎn)奇怪?！?/p> 超能力改造剛起步
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)意味著，小鼠可以利用他們的近紅外視覺來識別周圍環(huán)境信號的形狀和模式。納米顆粒帶來的這些增強(qiáng)能力未來可以應(yīng)用于很多方面。因?yàn)槲覀冎車鸁o時(shí)無刻都會有紅外光的存在，尤其是在夜晚，擁有“超級鼠”的能力可以幫助我們看見更多平時(shí)見不到的東西?！斑@就是人們發(fā)明夜視儀的原理”。夜視儀可以將周圍的紅外光轉(zhuǎn)化成可見光并呈現(xiàn)出來，這樣可以達(dá)到在黑暗中可視的效果。韓綱認(rèn)為團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)也可能也有相似的應(yīng)用前景。他說到：“這些納米顆粒是放置在眼內(nèi)的，別人并不知道你用了什么設(shè)備，他們只會認(rèn)為你是超人?！?/p>
Murray也強(qiáng)調(diào)，要實(shí)現(xiàn)“超人夢”還有很長的路要走。這種納米顆?？赡軙x予生物體超凡的能力，就像科幻電影一樣。但是目前要應(yīng)用起來還有些勉強(qiáng)，最重要的原因就是材料還不夠高效。以目前夜間物體周圍的紅外光的強(qiáng)度來說，還并不足以激發(fā)這些納米顆粒產(chǎn)生連續(xù)清晰的圖像。并且，他們的納米顆粒如果想要商業(yè)化，還需要通過漫長的美國食藥監(jiān)局批準(zhǔn)流程。而這個流程必須經(jīng)過非人靈長動物的實(shí)驗(yàn)，以及一系列安全實(shí)驗(yàn)才符合標(biāo)準(zhǔn)，不是一兩年能完成的。
但是Murray 同樣也看到了潛在的應(yīng)用方向。紅外光可以穿透人體到達(dá)更深的地方發(fā)揮效用，因此他認(rèn)為這些納米顆粒可以被用來幫助激發(fā)光敏藥物，并對可見光無法輕易到達(dá)的地方產(chǎn)生治療效應(yīng)。或者，還可以被用來研究可見光是如何與我們體內(nèi)的器官發(fā)生相互作用的?！拔覀冞€不太清楚光在人體內(nèi)發(fā)揮的作用，因?yàn)轶w內(nèi)并沒有通常意義上的光敏感受器。這種由紅外光產(chǎn)生的深層穿透也是目前研究的熱點(diǎn)?！?/p>
