同步辐射与生命组织结构研究

同步辐射是指由同步加速器产生的高速运动电子在做曲线运动时，因外加磁场作用于电子运动轨迹的切线方向而产生的电磁辐射。其光谱波段覆盖从远红外到硬X射线的范围。同步辐射装置属于大科学设施，目前全世界大约有70个左右，主要提供高品质的X射线。X射线与物质作用可发生散射/衍射、吸收/透射、光电作用等现象。由于同步辐射X射线具有亮度高、空间相干性好、光谱连续可调等特点，因而基于同步辐射的X射线晶体衍射/相干衍射、X射线小角散射、x射线影像（吸收、相衬成像/显微断层扫描）、X射线光谱学等方法及应用获得了长足的发展，为越来越多的科学研究提供了重要的技术支撑。

在生命科学中，生命组织是分层次的。从分子、细胞、组织、器官，进而个体、种群，“结构与功能”这一主题贯穿于各个层次。在微观层面，同步辐射X射线晶体学已经是蛋白质结构生物学研究中不可或缺的主要方法，而X射线相干衍射成像便于为观察细胞、病毒进行有益的探索。在宏观层面，以同步辐射显微CT为代表的同步辐射影像技术，展示了若干脏器的内部三维解剖结构和重要生理活动过程，而对化石物种精细解剖结构的揭示又为物种起源与演化提供了关键证据。本文对相关进展作一简略介绍。

在微观层次结构与功能研究中的应用

蛋白质、核酸等是实现生命活动的基本生物大分子，细胞是绝大多数生物的基本功能单位。同步辐射X射线晶体衍射和X射线小角散射（small-angle X-rayscattering，SAXS）是认识生物大分子结构之重要方法：前者提供原子坐标下的蛋白质分子三维结构，揭示原子分辨率水平的蛋白质分子中各结构域、蛋白质复合物或蛋白质靶点与药物小分子相互作用的细节：通过SAXS可观察溶液里生物大分子构象的变化，如蛋白质的组装、折叠等动态过程。而在细胞学研究中，X射线相干衍射成像等可能是对现有方法之有益补充。

X射线蛋白质晶体学是同步辐射在生命科学中的重要应用。在全世界的同步辐射装置中，共有130多条生物大分子晶体学线站在运行。由于高光子通量和高效探测器的应用，现在同步辐射X射线蛋白质晶体衍射实验已能在几分钟内完成，信号强度远高于常规X射线光源。蛋白质结构数据库（Protein Data Bank。简称PDB）是专门收录蛋白质及核酸三维结构资料的全球性数据库，如今数据库中超过85%的蛋白质晶体结构来自蛋白质晶体学研究。其中对ATP合酶、聚合酶II转录复合体以及钾离子通道蛋白质晶体结构的解析，提供了有关ATP合成机制、真核转录、跨细胞离子转运等重要微观生命活动的分子基础，相应的研究成果分别获得1997、2003、2006年度的诺贝尔化学奖。

利用我国唯一的第三代同步辐射大科学装置——上海光源。我国科学家自2009年5月以来解析的蛋白质晶体结构数已超过1000个，有30多篇论文发表在国际上的《自然》《科学》和《细胞》期刊上。例如，禽流感病毒外壳的血凝素蛋白介导了宿主识别，其进化与变异是导致禽流感病毒跨宿主传播之主要原因，Q226L氨基酸突变可导致宿主识别的转变。2013年2月我国暴发禽流感，我国科研人员对分离获得的H7N9高致病性禽流感病毒安徽株和上海株血凝素蛋白及其突变体分别进行了禽源、人源受体的复合蛋白质结构研究。结果显示。除Q226L氨基酸突变外还有其他多个氨基酸参与安徽毒株的人源受体结合能力，这种能力可能是其普遍性人际传播流行的重要原因之一。

蛋白质晶体学研究要求实验材料必须是晶体；非晶体样品的衍射图样是连续微弱的衍射信号，而不是离散布拉格衍射点，因此X射线晶体学不再适用。但基于对布拉格衍射峰之间信号过采样原理发展起来的x射线相干衍射成像（coherent diffraction imaging，CDI），可实现对非晶体样品几十纳米分辨率的成像。利用CDI方法，研究人员已获得22纳米分辨率的鼠疱疹病毒的电子密度图像、50纳米分辨率的酵母细胞的三维结构等。根据不同电子密度可清晰复原单个酵母内部细胞核、线粒体、液泡等细胞器。这对现有光学成像（如激光共聚焦显微镜）在z轴方向上分辨率较低导致单个细胞三维影像失真的现象是有益的补充。

在生物医学研究中的应用

临床上，计算机x射线断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和正电子扫描（PET）成像等已广泛用于常规诊断：而基础研究中实验动物的空间尺寸和生理参数与人体有很大差异（如小鼠平均心跳频率约为600次/分，平均呼吸频率160次/分，分别是人对应频率的8-10倍），已不是临床影像学的简单延伸可以满足。以同步辐射显微CT（synchrotron radiation microtomography， SR-uCT）为代表的同步辐射影像具高时空分辨的特点。由于同步辐射X射线光子通量高于普通X射线2-3个数量级，大大降低了单次曝光时间，因而提高了帧频，实现了快速动态成像（现在对2048x2048像素大小的图像可做到几十赫的采样频率）；其空间分辨率在微米-亚微米级，远优于MRI。同步辐射X射线不但可进行高品质吸收成像，也可很好地实现相衬成像。x射线穿过样品后振幅和相位都会改变，把相位变化转化为强度并记录下来就是相位衬度成像（简称相衬成像）。图像衬度取决于X射线光子通量、相干性和样品的原子组成。原子序数越小则衬度越好，对生物软组织而言，相移截面约是吸收截面的1000倍，而同步辐射X射线的高光子通量和准相干特性使其在生物软组织相衬成像中独具优势。

利用同步辐射影像技术，国内外科研人员已在肺部结构与功能、脑血管构筑、肿瘤血管新生、骨组织病变和医用生物材料、药物新剂型等研究中取得显著进展。这里分别就二维动态相衬成像、SR-uCT、时间分辨的动态SR-uCT对肺部结构和功能的研究进行简介，其他方面的应用可参阅相关综述。

哺乳动物出生后第一个重要生理功能就是自主呼吸。新生动物从母体子宫的羊水环境脱离，肺和呼吸道中的羊水被排出，这一过程称作“肺充盈”；若肺部不能实现空气进入，则称作“肺不张”。它是很多早产儿夭折之主要原因。水溶液与生物软组织的吸收/相移截面相似，而空气与生物软组织吸收/相移截面差别明显。在肺充盈过程中，呼吸道内残存体液排出，外部空气进入，管腔内由液相变为气相，因此肺充盈前后的相衬影像有明显区别。据此原理，2007年研究人员利用相衬成像首次观察了新生兔的肺充盈过程：在出生后3分钟内肺部仍残存体液，呼吸道不可见；3分钟后随空气进入肺部，各级气管逐一显现，最终整个肺部清晰可见，同时伴随逐步开始的呼吸运动，功能残气量逐渐增加。临床上在对早产儿进行人工呼吸的抢救过程中，会产生气管塌陷，导致支气管肺发育不良。对新生兔进行模拟实验发现，在人工呼吸抢救过程中给予“呼气末正压”有助于增加功能残气量，减少支气管肺发育不良的发生概率。

肺泡是肺的基本功能单位：肺部支气管经多次分支成为细支气管，其末端膨大成囊。囊的四周由单层上皮细胞构成半球状囊泡，即肺泡。在肺癌、矽肺等肺部病变中，肺泡的功能形态都发生病理性改变。如肺大疱常继发于矽肺、肺炎和肺结核，而肺泡癌（一种周围型肺癌1则是由起源于支气管黏膜上皮的癌细胞沿细支气管肺泡管和肺泡壁生长形成的。我国科研人员在上海光源成像线站利用SR-uCT清晰地重建了一日龄新生小鼠整个肺的三维结构，并精确测定了单个肺泡结构，其平均直径约135.7±18.7微米，平均表面积0.044±0.017毫米。对肺部复杂精细解剖结构的揭示，为肺泡水平呼吸机制和呼吸系统疾病诊断的研究提供了一个新的视角。

上述两例分别是肺部的二维动态影像和静态三维结构影像，那么是否可将两者结合起来，获得四维影像呢？在做CT实验时，需样品沿垂直于水平面的Z轴在180°或360°的范围内做等角度旋转，从而获得一系列含有样品信息的数字化X射线投影图（radiography）。这一系列投影图经过滤波反投影等算法，重建得到相应的CT断层扫描图，而后者再经过重构则可获得三维复原图像。在实验过程中，样品不能出现移动或变形，否则无法重建断层扫描图。现在，利用快速旋转样品台配以毫秒级读取速度的高性能探测器，在高光子通量的基础上已实现在5秒以内获得一套SR-uCT。

乙酰甲胆碱（MCh）激发试验是临床哮喘检查的常用手段。利用M胆碱能受体激动剂MCh可诱发气道狭窄，测定第一秒用力肺活量（FEVl），进而确诊或排除哮喘。新近基于PET、MRI的临床影像研究显示，哮喘病人在气道受刺激时出现非均匀性局部通气反应，这是FEVl测量所无法反映的。家兔的呼吸频率38～60次，分，欧洲一研究小组在0.35毫米像素分辨率条件下实现1.1-2.2秒内获取一套SR-～CT数据，进而对麻醉的兔肺部进行三维动态成像，发现吸入性MCh给药后出现了非均匀性局部通气缺陷（VD），并认为是由于集群性外周气道狭窄或阻塞造成的。通过比较吸人性给药与静脉注射给药发现，前者给予MCh引起显著VD，使其增加25%-49%，但对中央气道影响较少，中央气道截面仅降低13%-22%：而静脉给药VD的对应值仅为13%左右，中央气道截面降低40%左右；预先静脉给予MCh可降低随后吸人性MCh激发引起的通气缺陷的非均匀性表现。这一工作利用动态SR-uCT，率先在实验动物中确认了临床现象，进而实现了对气道反应性机制的基础研究。

在古生物学研究中的应用

生物学研究中的另一重要问题是物种起源与演化。古生物学通过对漫长地史年代中化石物种的形态特征分析、分类地位及系统发育关系判断，来认识物种起源和环境变迁。SR-uCT以无损方式揭示了化石内部的精细结构，成为古生物学研究中越来越受欢迎的方法，为一系列重大问题上的突破性进展提供了关键技术支撑。

寒武纪大爆发是早期生命演化中的一个重要事件，是指在45亿年的地球历史中，约5.3亿年前的寒武纪时期短短2000万年里集中出现各类动物的化石.记录了后生动物快速起源和演化的历程。我国云南澄江生物群和贵州翁安生物群是有关寒武纪大爆发的重要化石记录。在翁安生物群中保存有大量200-700微米的多细胞微体化石，可能包括后生动物胚胎、多细胞藻类和休眠卵以及大型带刺疑源类等。其中动物胚胎化石作为迄今最古老的后生动物化石记录，受到全球科学界的极大关注。但由于缺乏可信的动物成体化石，因而对具体微体化石类群的动物胚胎属性常存在质疑。

借助于SR-uCT亚微米级的空间分辨率，科研人员揭示了多类微体化石具有动物胚胎性质，为其所属类型的诠释提供了重要支持。对一些三分体微体化石的三维重建显示，其三个细胞结构中AB球与CD球内部完全被细胞壁结构分隔，而CD球与另一PL球内部有瓶颈状结构联通，PL球具有极叶性质结构。这为三分体化石是由不对称分裂产生极叶而形成的动物胚胎观点提供了直接证据。而在一些拉长的橄榄状微体化石中，发现标本内部均显示两个完整的卵裂球，并且在不同标本中，两个卵裂球之间接触的紧密程度随其长短轴比的不同而有相应变化，这一特征与动物胚胎在首次有丝（细胞）分裂不同阶段的形态相吻合。

此外，2015年报道的“贵州始杯海绵”经SR-uCT研究显示，是与现代海绵动物非常相似的原始多细胞动物，其大小约2-3毫米，整体外观呈缠绕的管状，三维重建显示其由三个独立的腔室共用一个实体基座组成，每一腔室都有一个向上的开口。这些小孔和腔室一起形成了简单的水沟系统，为生物体提供了与外界进行物质交换的通道。而标本表面的扁平细胞和现代海绵表面的扁平细胞在细胞形态和细胞间连接方式上十分一致。这明确回答了翁安生物群中存在多细胞动物成体化石。

脊椎动物可分为有颌类与无颌类，鱼类是最早出现的脊椎动物，其进化包含了颌的起源等重大事件。颌的出现大大提高了脊椎动物主动进食与适应的能力。“异位移动”假说认为颌的起源与有颌类双鼻孔的起源密切相关.无颌类的两个鼻囊彼此分离并从垂体系统脱离出来，是颌起源的先决条件。现生无颌类物种稀少（仅七鳃鳗和盲鳗）且特化严重，在古生代却繁盛着无颌类“甲胄鱼类”，因此是检验假说的重要化石材料。

利用连续磨片方法，20世纪早期对甲胄鱼类群中“骨甲鱼类”脑颅的研究仅发现了一个位于头顶中央的鼻垂体复合器官。由于连续磨片耗时费力并彻底破坏标本，因此无法对甲胄鱼各类群进行较为系统的比较。近年利用SR-uCT，我国学者对在浙江长兴志留系地层中发现的甲胄鱼类群中“盔甲鱼类”曙鱼标本进行了研究，在指甲盖大小的标本中（约10×10毫米）复原了脑颅内部精细三维结构，发现其鼻垂体系统已经发生关键重组：垂体管向前延伸开口于口腔；成对鼻囊位于口鼻腔的两侧，完全脱离垂体管，与骨甲鱼类的鼻垂体复合体完全不同，而与有颌类的非常相似。这一结果为颌起源“异位移动”假说提供了直接的化石证据。

生物演化的另一方面来源于对现生物种的系统发育研究，通过对保守基因DNA序列或同源结构的比较分析，来认识特定类群中各物种的形成与相互关系。由于分子生物学和测序技术的发展，分子系统发育是现在的主流方法；而SR-uCT则为基于形态的经典研究注入了新活力，甚至可与功能探索相结合。

昆虫是最大的动物类群，已知有100多万种。其呼吸系统由遍布全身的气道组成，利用相衬成像已观察到甲虫、蟋蟀、蚂蚁等各体节气道在长度不变情况下的自主膨大一收缩活动，提示昆虫具有主动呼吸的机制。而对4种体型大小相差10倍的拟步甲气道占全身体积比例的分析显示，随着体型增大，其气道比呈异速增长，腿部气道尤其明显。结合已有现生甲虫资料和所拟合的异速增长曲线，推测现生甲虫的最大尺寸不超过16厘米，这一理论值与已知最大现生甲虫约16～17厘米十分吻合，提示甲虫腿部气道比可能是限制其体型大小的重要因素之一。理论推导还显示，足够高的氧分压可降低甲虫的气道比，使得巨型昆虫成为可能。在古生代石炭纪一二叠纪的地层中发现过多种巨型昆虫化石，当时大气环境处于30千帕高氧分压（现在大气氧分压约21千帕）。上述研究为解释这一现象提供了可能假说。实际上，同步辐射影像已被越来越多地应用于昆虫学研究，获得了甲虫咀嚼式口器、蚊刺吸式口器和蝴蝶虹吸式口器的精细三维结构和取食的动态过程；还用于多类保存在不透明琥珀中的古昆虫比较解剖研究、仿生学的苍蝇飞行运动时胸部肌群的三维动态展示。一些昆虫学家认为，同步辐射技术可能会引导昆虫形态学研究的再次复兴。

新技术的出现与应用往往是生物学研究中相关领域前进的重要推动力。就同步辐射而言，一方面X射线晶体衍射已成为蛋白质晶体结构研究中的主要方法，PDB数据库中超过85%的蛋白质结构来自X射线蛋白质晶体学研究；SR-uCT为基于化石材料的生物起源演化研究提供关键技术支撑。另一方面同步辐射CDI成像在细胞生物学中的尝试，可能是对现有研究方法的有益补充；而SR-uCT对内部精细解剖结构的无损揭示，为传统功能形态学研究注入了新的活力，在昆虫学研究中则有力促进了昆虫功能进化、仿生和古昆虫学的进展。生命科学浩瀚繁杂，本文希望通过所介绍的一些应用实例，为广大科技人员和相关渎者提供一个了解同步辐射的窗口，或能因为新的技术手段而促使新思路的出现。