一张照片胜过千言万语，但发明一种拍摄纳米级照片的方法价值300万美元。生物学家利用一种“超分辨率”显微镜技术来揭示细胞隐藏的分子结构，该技术的发明者是今年六位突破奖得主之一，突破奖是科学和数学领域最丰厚的奖项。获奖者于10月17日公布。
显微镜方法的主要发明者庄小威是马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的生物物理学家，也是马里兰州切维蔡斯市霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的研究员。她因开发随机光学重建显微镜（简称STORM）而获得了生命科学领域的四项奖项之一，该技术在十多年前问世。这项技术是最早突破传统光学显微镜基本分辨率限制的技术之一，现在已在生物学界广泛使用。
庄小威说：“获得这项重大奖项感觉非常欣慰。接到电话通知时我非常激动。”
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荷兰乌得勒支大学的光学物理学家和显微镜专家阿拉德·莫斯科说：“这是一项杰出的研究。庄小威的几项成果真正启动了生物显微镜领域的超分辨率革命。”（2014年诺贝尔化学奖颁发给了其他超分辨率方法的开发者。）
传统的光学显微镜的分辨率限制（与所用光学波长成正比）在19世纪首次被确定，这使得区分间隔小于200纳米的物体几乎不可能。“空间上重叠的两个物体的图像会模糊成一个斑点，那么如何将它们分离出来呢？”庄小威说。“我们用STORM给出的答案是在时间维度上将它们分离。”
这个诀窍包括用“光开关”荧光化合物标记重叠的分子，当被光照射时，这些化合物可能会发光，也可能不会发光。生物学家无法控制哪些特定的分子会发出荧光，每次都会随机发光不同的分子。
当用低强度激光照射标记过的生物样本时，只有一小部分随机的分子会发光，这使得研究人员能够获得该分子子集的清晰图像，从而可以精确地确定分子的位置。然后多次重复该过程，每一轮都专注于不同的随机子集。然后，生物学家可以叠加这些快照，从而构建完整的图像。
这项技术已经促成了一系列发现。其中，庄小威的团队利用STORM观察了神经元膜正下方的分子，并发现细胞的结构框架——细胞骨架由重复的元素组成。“这是一个美丽而令人惊讶的结构，”庄小威说，“几乎就像你在万圣节看到的真正的骷髅的肋骨一样。”
此后，她又开发了另一种成像技术，并最终目标是创建“我们体内每个细胞的谷歌地图，尤其是在大脑中”。
物理学和数学
基础物理学突破奖颁给了费城宾夕法尼亚大学的查尔斯·凯恩和尤金·梅勒，以表彰他们预测存在一种被称为拓扑绝缘体的奇异材料。这些材料的内部是电绝缘体，但其表面却能导电。它们有朝一日可用于制造更节能的电子设备和量子计算机。
凯恩回忆说，在2005年，他试图计算原子厚度的碳材料石墨烯的可能特性，并在理论上预测可能会出现这种违反直觉的效应。然而，预测的效应非常小，无法在石墨烯中通过实验证实，凯恩承认自己几乎放弃了这个想法。“我脑海中有一个声音说：‘这太愚蠢了’，”他回忆道。但是，这种效应后来在2007年被其他研究人员在碲化汞中证实，此后在其他材料中也发现了这种效应。“我想我很高兴我坚持了下来，”凯恩说。
“凯恩和梅勒从根本上改写了凝聚态物理学，”康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学研究拓扑绝缘体的朱迪·查说。她回忆说，当发现这些材料时，物理学界的“气氛令人兴奋”。今年的研究人员还发现，令人惊讶的是，多达四分之一的材料可能具有表现出拓扑特征的潜力。
染色体和免疫学
还公布了另外三项生命科学奖。加利福尼亚州卡尔斯巴德市的Ionis制药公司的C·弗兰克·贝内特和纽约冷泉港实验室的阿德里安·克雷纳因开发出一种有效的方法来沉默导致儿童神经退行性脊髓性肌萎缩症的基因而受到表彰。
马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的安吉丽卡·阿蒙和HHMI因确定染色体数量异常如何破坏细胞修复，导致唐氏综合症或流产等后果而获奖。德克萨斯州达拉斯市德克萨斯大学西南医学中心的HHMI研究员陈志坚因发现参与触发免疫和自身免疫反应的DNA传感酶cGAS而获奖。
法国格勒诺布尔法国国家科学研究中心（CNRS）的文森特·拉福格因其对朗兰兹纲领的贡献而获得突破数学奖。该纲领通常被称为“数学的大统一理论”，涉及推导出一组连接代数、数论和分析等广泛领域的猜想。
突破奖由一个委员会每年颁发一次，于2012年启动，由包括互联网企业家尤里·米尔纳和Facebook首席执行官马克·扎克伯格在内的企业家资助。今年的年度奖项的公布是在该委员会公布特别奖之后，该奖项于9月份授予英国牛津大学和杜伦大学的天体物理学家乔斯林·贝尔·伯内尔，以表彰她发现脉冲星。
本文经许可转载，并于2018年10月17日首次发表。