用 3D 方式呈現出細胞中的生命

生物成像科學家高古爾．烏帕亞尤拉說，若要了解生命如何運作，就必須要實際觀察它。透過這場演說，他要帶大家進入到細胞層級，看看這些能以 3D 方式捕捉和記錄活組織－從感染到的癌症細胞到緩緩移動的免疫細胞－複雜行為的先進顯微鏡能做什麼，以及它們能揭示出生物學的哪些動態。演說中的驚人視覺，會讓生命呈現在你眼前。

想要了解生命，卻沒有
清楚觀看生命怎麼運作，

就像是外星人只看幾張照片

就想要了解美式足球的規則。

我們從這些影像中能了解很多。

比如，有球員在場上，
也有球員在場外，有樂團，

甚至還有很享受看比賽的啦啦隊。

當然，儘管看這些照片

就能得到上述這些資訊，

我們仍然無法拼湊出比賽的規則。

想了解規則，

我們就得要真正看比賽進行。

我們對於生命如何運作的了解，

絕大部分來自於看這些照片。

科學家透過研究類似的照片，
已經得到了許多資訊，

但最終，若想要了解生命的原理，

還是得去看生命的實際運作。

基本上，這就是生命產生的地方，

試圖了解生命的基礎單位如何運作。

若要觀察這種基礎單位，

我們就得要了解生命是怎樣的。

和這隻螞蟻相比，

人類細胞的體積大約
是牠的一億分之一。

有看到螞蟻旁邊的
細胞嗎？就在那裡。

若要觀察這個細胞，

我們就得看見看不見的東西，

做法就是建造顯微鏡。

不是這種顯微鏡；

我們建造的顯微鏡是像這種的。

它對我很有幫助，
我算是某種狗仔隊，

只是我不拍人的照片，

我更感興趣的是去拍著名的細胞。

在這個時點之前，我的職涯之路

一路都很蜿蜒，

一開始是我童年時迷戀電腦科學，
這份熱情一直持續下去，

後來急轉彎，變成去研究工程學，

最近，

又是一個急轉彎，
去試圖了解細胞生物。

這種結合多學科的背景，

讓我走到今天這一步。

我可以針對一個清楚的目標，
進行跨學科的研究。

想法是將不同學科的專家集結起來，

讓創新與發現再向前推進，

同心協力解決個人無法解決的問題。

而我們很想要了解細胞。

細胞……它是什麼？
它是生命的基礎單位。

簡單來說，它只是個袋子。

袋子裡有數兆個無生命的分子，

可能是蛋白質、
碳水化合物、脂質或脂肪。

結果發現，在過去半個世紀，

分子生物學家和生物化學家

已經找出方法讓這些蛋白質發光。

它們會像螢火蟲一樣亮起來。

顯微鏡開發者也做出更好的儀器，

能夠捕捉到這些分子釋放出來的光，

而電腦科學家和數學家能夠了解

這些攝影機記錄到的訊號代表什麼。

將這些工具集合起來，

我們就能了解

這些分子在細胞內的如何組織，

了解它如何隨時間變化，

基本上，這就是我們想要做的，

試圖從根本上了解生命。

傳統呈現生命的方式，

是用二維成像，我們想要

做到用三維成像。

所以，要如何把二維影像
變成三維影像？

結果發現答案十分直接。

只要一邊把樣本上下移動，
一邊收集一系列的二維影像，

接著把這些影像堆疊起來，

就能創造出三維的體積。

這個方法的問題在於，傳統的顯微鏡

會把太多能量送入到系統中。

那就表示，各位在這裡看到的細胞

受到了相當大量的光所毒害，

那是個問題。

讓我進一步解釋。舉例來說，

比如，在地球上，生命
是在一個太陽下演化吧？

假設我想要觀察這條街上的購物者

以了解他們的購物習慣：
會在商店櫥窗前逗留多久、

會進入多少間商店、
在每一間商店花多少時間。

如果我坐在咖啡廳裡觀察這些人，

許多人不會注意到我在觀察他們。

如果，突然間，我開始發光，

發出的光等同於五個

或十個太陽的光，會如何？

他們仍然會繼續正常的行為嗎？

他們還是會在櫥窗邊逗留那麼久嗎？

我能相信他們的行為沒有因為

暴露在超強太陽光下而被改變嗎？

不能。現今大部分的顯微鏡

以及常見的顯微鏡

傾御的光都比生命在地球上
演化所接受的太陽光

強十倍到一萬倍。

因為這個理由，

嗯，結果發現我是
細胞狗仔隊的一員，

所以我們得非常注意
我們會投射多少光到細胞裡。

要不然，我們可能會得到油炸細胞。

結果發現，

去觀察行為已經大大改變的受損細胞，

實在是看不到什麼自然的行為。

咱們用這個細胞為例。

它位在一片玻璃上。

有看到到處都是亮點嗎？

這些點代表分子機器，

它們在細胞表面上集結，

目的是要將食物
從細胞外搬運到細胞內。

我們的實驗室使用
所謂的晶格層光顯微術，

這種顯微術會產生非常薄的層光，

能注意不要損傷到細胞，

或不要將大量的光帶入到系統中。

透過這麼做，我們就能

更長時間觀察這個過程動態，

同時不會讓這些細胞感到焦慮。

我們已經用這種顯微術和工具

來了解病毒如何感染細胞。

在這個例子中，我們
讓細胞接觸輪狀病毒。

一種感染力超強的病原體，

每年會造成二十萬人死亡。

透過觀察這些分子、這些病毒粒子、

它們如何在細胞表面擴散，

我們就能了解它們的遊戲規則。

若我們能了解這些規則，

我們就能以機智勝過它們，
也許是用智慧藥物治療，

來減輕、管理，甚至預防病毒，

打從一開始就不要
讓病毒與細胞結合。

我們已經看見看不見的東西了，

但問題還在：我們何時
才能相信我們所看見的？

目前我給大家看的一切

都來自被困在玻璃上
或培養皿中的一個細胞。

結果細胞在一片玻璃上
並不會演化吧？

細胞在孤立狀態下或生理環境
以外的地方，都不會演化，

要真正了解細胞的自然行為，

我們必須要觀察它們

在自家地盤上怎麼活動。

所以，咱們來看看這個複雜的系統。

這是在發展中的斑馬魚胚胎，

可以看到這些細胞在自我組合，

目的是要形成組織，
再形成器官系統。

再看一次，在大約第二十小時處

可看到斑馬魚的眼睛和尾巴成形。

我們可以觀察這個過程，
且不是低解析度，

有精緻的細節，

且我們希望能用三維的影片

觀看數分鐘、數秒、數小時，
或甚至數天的過程。

這些複雜系統的問題在於

我們擾亂了光，

或者它們擾亂了
我們用來照射它們的光，

導致我們記錄到非常模糊的影像。

結果發現，天文學家
也有類似的問題，

但，對他們來說，問題是發生在

他們要用地球上的望遠鏡

來記錄遙遠星體發出的光。

他們的問題是，光行進了數千光年，

突然撞到我們擾動的大氣，

光就被擾亂了。

他們也很幸運在半個世紀前
找到了解決方案。

他們的做法是製造一個人工星體，

放在地球表面上方九十公里處，

人工星體的光

也會和遠方星體的光一樣，
穿過同樣的擾動大氣，

他們就能了解光會如何被擾亂，

他們使用一面能改變形狀的鏡子，

來補償或還原大氣造成的擾亂。

我們的做法是，我們把那些想法

用在我們的顯微鏡系統中。

這麼做或多或少可以
將擾亂的複雜度減低，

也能減少複雜系統造成的模糊。

我們用斑馬魚來實驗。

我們喜歡斑馬魚是因為
牠們跟我們一樣是脊椎動物。

而牠們是透明的，這點和我們不同。

那就表示，當我們用光照射牠們時，

我們可以看到細胞
和亞細胞的動態細節，

讓我舉個例子。

在這支影片呈現的是
斑馬魚的脊椎和肌肉。

我們可以看到細胞怎麼結合——

有數百個細胞在這個體積中——

包括有調適光學
和沒有調適光學的情況。

有了這些工具，

我們就能觀察得比以前更清楚。

非常明確的例子就是能夠看到
斑馬魚的眼睛如何發展，

真的可以看到這個發展中的
斑馬魚胚胎中發生什麼騷動。

可以看到細胞跳來跳去。

在其中一個例子中，
可以看到細胞分裂。

另一個例子，

可以看到細胞為了移動
到某處而擠過其他細胞。

在最後一個例子中，可以看到
細胞對它的鄰居非常粗暴，

直接揍它的鄰居。

對吧？

這種科技讓我們能夠
看得更深、更清楚，

幾乎就像是在觀察被困在

一片玻璃上的單一細胞，

為了展示這種科技的前景，

我們和全世界頂尖的科學家合作。

我們開始問許多基本的問題，

現在我們開始聯手要解決。

比如，癌症如何在體內擴散？

在這個例子中的是人類的乳癌細胞，

基本上，它們正在轉移，

它們會使用圖上洋紅色的血管，

它們用血管來當高速公路，

在艙中四處移動。

基本上可以看見它們擠過血管。

若空間足夠，可以看到它們滾動。

有一個例子看起來很像雷利史考特

下一部《異形》電影的預告片。

癌症細胞是真的想要破血管而出，

去入侵身體的其他部分。

最後一個例子是我們想了解
耳朵是怎麼發展的。

在這個例子中，緩緩移動的
嗜中性白血球搶盡了鏡頭。

基本上，這些免疫細胞
時時刻刻都在巡邏。

基本上，它們不休假。

它們不停地工作，以了解
是否有陌生人危險存在，

試圖了解是否有感染發生。

它們在感測環境，不停地四處移動。

我們看到的這些影像和影片，

細節細緻度都是以前不可能達成的，

直到現在才實現。

有了這些新科技，

新能力會帶來新的挑戰，

對我們來說，其中一大挑戰
就是要如何處理資料。

這些顯微鏡會產生出極大量的資料。

產生的資料量在每小時
1TB~3TB 之間。

用更清楚的方式來說，每小時
可以裝滿兩百萬張軟碟片，

這是說給資深觀眾聽的比喻。

（笑聲）

大約等同於五百張 DVD，

或者，用 Z 世代能懂的方式來說，

大約每小時能裝滿
十多台 iPhone 11s。

我們有一大堆資料。

我們得找新方法來呈現它們。

我們得找新方法

來從這些資料集中粹取出
有生物意義的資訊。

更重要的是，我們希望
能將這些先進的顯微鏡

送到世界各地科學家的手中。

我們免費提供這些顯微鏡的設計。

但，關鍵點在於，

我們必須要更團結，來產生影響力。

我們將能夠開發生物化學
新工具的科學家集結在一起。

我們和資料科學家
及儀器科學家合作，

來建造和管理這些資料。

因為我們免費提供這些儀器

給所有學術圈和非營利組織，

因此我們也在建造先進的
成像中心供他們使用，

能組成一個團體，包括顯微學家、

生物學家，及做計算的人，

並成立一個團隊，來解決
我們個人無法解決的問題。

因為有這些顯微鏡，
科學的邊境再次開放了。

咱們一起去看看吧。

謝謝。

（掌聲）