涂上它，皮膚竟然變透明，血管肌肉清晰可見…

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

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不久前，在斯坦福大學(xué)的實驗室里，科學(xué)家們小心翼翼地將一種淡黃色的溶液涂抹在實驗小鼠的皮膚上。短短幾分鐘后，令人難以置信的一幕發(fā)生了——小鼠的皮膚逐漸變得透明，體內(nèi)跳動的心臟、蠕動的腸道清晰可見。更神奇的是，當(dāng)他們用清水沖洗掉這種溶液時，皮膚又恢復(fù)如初。

這項突破性的發(fā)現(xiàn)于2024年9月6日發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，立即引起了全球科學(xué)界的轟動。這一發(fā)現(xiàn)不禁讓人想起H.G.威爾斯1897年的科幻小說《隱形人》，更重要的是，它為生命科學(xué)研究開辟了一個全新的領(lǐng)域。

光線與皮膚的相互作用可以令皮膚變“透明”

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

尋常物質(zhì)中的非凡發(fā)現(xiàn)

這種能讓生物組織變透明的神奇物質(zhì)，竟是我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的食用色素——檸檬黃，這種食品添加劑為許多食品、飲料甚至是化妝品和日用品帶來鮮艷的色彩。誰能想到，這個平凡的色素分子竟藏著如此不平凡的秘密？

科學(xué)家們的第一個實驗對象是普通的雞胸肉。當(dāng)他們將不同濃度的檸檬黃溶液滴在薄片的雞胸肉上時，一個奇妙的變化開始發(fā)生：隨著溶液的滲入，原本不透明的肉片逐漸變得通透，放在下面的字跡清晰可見。實驗的初步成功給了研究團(tuán)隊極大的信心，也為后續(xù)的活體實驗奠定了基礎(chǔ)。

經(jīng)過染料處理后的薄雞肉片

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

接下來的活體實驗更是令人振奮，當(dāng)檸檬黃溶液涂抹在小鼠的頭部時，大腦表面縱橫交錯的血管網(wǎng)絡(luò)清晰可見，科學(xué)家們可以直接觀察到血液在血管中的流動；涂抹在腹部時，內(nèi)臟器官的蠕動盡收眼底，甚至可以看到腸道的收縮運動；涂在四肢時，甚至能觀察到肌肉纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這種前所未有的觀察方式，讓科學(xué)家們仿佛獲得了一雙透視眼。

小鼠腹部皮膚在溶液處理后變得透明

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

最令人驚喜的是，這種透明化效果是完全可逆的。用清水沖洗掉染料后，組織會在短時間內(nèi)恢復(fù)原狀。研究還發(fā)現(xiàn)，殘留在組織中的染料會在48小時內(nèi)隨著新陳代謝自然排出體外，這意味著這項技術(shù)具有極高的生物安全性。這種可控性和安全性，是此前任何組織透明化技術(shù)都無法比擬的。

小小一滴檸檬黃，為何有如此神奇的魔力？

皮膚為什么是不透明的？這要從光的行為說起。我們的皮膚組織中充滿了水分、脂肪和蛋白質(zhì)等不同成分，它們就像鑲嵌在一起的無數(shù)微小鏡片，每種成分對光的折射程度都不同。當(dāng)光線試圖穿過皮膚時，會在這些不同“鏡片”的交界處發(fā)生折射和散射，最終讓皮膚呈現(xiàn)出不透明的狀態(tài)。

而這項新技術(shù)的奇妙之處源于克拉默斯-克朗尼希關(guān)系，一個一百年前就被發(fā)現(xiàn)的物理定律：如果一種物質(zhì)在某個波長的光下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收性，那它就能影響其他波長光的折射行為。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)檸檬黃分子會強(qiáng)烈吸收藍(lán)色光波段，調(diào)節(jié)水溶液折射率的本領(lǐng)。當(dāng)檸檬黃溶解在組織的水分中后，就能巧妙地將水分的折射率調(diào)整到與周圍脂肪、蛋白質(zhì)的折射率相匹配。

這樣一來，光線就能像穿過一塊完整的玻璃那樣，暢通無阻地穿過組織。這種源自物理學(xué)的精妙機(jī)制，在時隔百年后，終于在生命科學(xué)領(lǐng)域找到了革命性的應(yīng)用。

小鼠皮膚變透明的原理示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

開創(chuàng)性的技術(shù)突破

這項發(fā)現(xiàn)之所以如此重要，在于它徹底改變了我們觀察生命的方式。在此之前，科學(xué)家們想要觀察生物體內(nèi)部，要么需要進(jìn)行手術(shù)切開組織，要么要依賴X射線、核磁共振等昂貴的醫(yī)療設(shè)備。即便是現(xiàn)有的組織透明化技術(shù)，也往往需要使用高濃度的化學(xué)試劑，如甘油、糖類或酸性溶液。這些方法要么會造成細(xì)胞脫水和炎癥，要么只能用于死亡的樣本，無法觀察活體內(nèi)的動態(tài)過程。

而這種基于檸檬黃的新技術(shù)，就像給生命裝上了一扇魔法窗戶。它不僅安全、可逆，而且操作簡單，成本低廉。最重要的是，它能夠在不影響生命活動的情況下，讓我們直接觀察活體內(nèi)部的動態(tài)變化。這就好比我們過去只能通過快照了解生命，現(xiàn)在卻可以觀看一部生動的紀(jì)錄片。該技術(shù)不需要復(fù)雜的設(shè)備，只需要一種普通的食用染料，就能讓我們看到此前難以觀察到的生命現(xiàn)象。

未來的無限可能

這項技術(shù)的發(fā)現(xiàn)猶如打開了一扇通向未來的大門。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，它將幫助科學(xué)家們更好地了解生命體內(nèi)的各種過程。比如，研究人員可以直接觀察神經(jīng)元的活動，了解大腦如何處理信息；可以觀察血管的形成和生長，研究癌癥的轉(zhuǎn)移機(jī)制；甚至可以追蹤免疫細(xì)胞的運動，揭示免疫系統(tǒng)如何抵抗疾病。

如果這種新技術(shù)在人體上被證明有效，或許會在人手上呈現(xiàn)出此類效果

（圖片來源：Keyi ‘Onyx’ Li/U.S. National Science Foundation）

在醫(yī)療應(yīng)用方面，這項技術(shù)的前景更是令人期待。它可能幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地進(jìn)行靜脈注射，因為血管的位置將清晰可見；可能提高微創(chuàng)手術(shù)的精確度，因為醫(yī)生將能夠直接看到深層組織；甚至可能為癌癥的早期診斷和治療提供新的方法，因為它能讓我們更容易發(fā)現(xiàn)異常的組織變化。

在藥物研發(fā)領(lǐng)域，這項技術(shù)也可能帶來革命性的變化。研究人員可以直接觀察藥物在活體內(nèi)的分布和作用，了解藥物如何影響各個器官，這將大大加快新藥的開發(fā)過程。此外，這項技術(shù)還可能用于生物工程領(lǐng)域，幫助科學(xué)家們開發(fā)更好的組織工程產(chǎn)品。

前途光明但道路可能仍然漫長

當(dāng)然，要將這項技術(shù)應(yīng)用到人體上還需要克服不少挑戰(zhàn)。人類的皮膚比小鼠厚得多，大約是其十倍，這意味著需要研究更有效的染料滲透方法。同時，雖然檸檬黃作為食品添加劑已經(jīng)被證明是安全的，但用于皮膚透明化時的安全性還需要更多研究。此外，對于骨骼等硬組織的透明化效果如何，以及能否實現(xiàn)更深層組織的透明化，都還需要進(jìn)一步探索。

一個世紀(jì)前的物理學(xué)定律在今天找到了嶄新的應(yīng)用一樣，科學(xué)的魔力往往在意想不到的地方展現(xiàn)。從某種意義上說，這項技術(shù)實現(xiàn)了科幻小說中的一個夢想。也許在不久的將來，醫(yī)生們就能通過這扇“生命之窗”，更好地了解和治療各種疾??；科學(xué)家們也能借此揭示更多生命的奧秘。

參考文獻(xiàn)：

1.ZIHAO OU et. al., Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules