一眼把你望到底！科學(xué)家如何把皮膚變透明

我“天真年少”的時(shí)候，總喜歡幻想自己有一些奇怪的超能力，比如隨時(shí)隱身，自由變形等等。但說實(shí)話，我從來沒有想過讓自己的皮膚變透明。如果這是一種超能力，那聽上去可太奇怪了，而且好像沒什么用。

但換個(gè)角度來看，對(duì)醫(yī)生來說，這可大有用處。從古至今，想要知道一個(gè)人的體內(nèi)發(fā)生了什么，從來都不是一件容易的事兒。比如如果能把我們肚子上的一塊皮膚變透明，或許就能免于手術(shù)，甚至不需要借助昂貴的成像儀器，輕松看穿我們體內(nèi)的情況。

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把一種混合物涂在活小鼠的不同身體部位時(shí)，就會(huì)讓這些地方變透明。不要以為這是什么難得一見的試劑，這種混合物只需要兩種再常見不過的物質(zhì)，水和檸檬黃，也就是一種再常見不過的食用色素。讓我們一起來看看這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的開創(chuàng)性研究。

為了了解透明，我們先來說說“不透明”。我們都知道，大多數(shù)動(dòng)物的身體都不是透明的，比較著名的透明動(dòng)物有水母、斑馬魚、玻璃蛙。而我們的身體之所以不透明，主要是因?yàn)槠つw組織是一種散射介質(zhì)，它可以散射光，讓照在我們身上的光在不同方向上被反射出去，而無法直接穿過去。

這種散射效應(yīng)和人體組織的成分有關(guān)。我們的身體有許多不同的成分，比如水、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等等。這些成分都有不一樣的折射率，它們會(huì)以不同的方式減緩光在它們之中的傳播速度。比如，對(duì)可見光來說，水的折射率大概是1.33，而脂質(zhì)和蛋白質(zhì)就要更高一些。

在大多數(shù)組織中，這些折射率各不相同的成分緊密結(jié)合，可見光在穿過時(shí)就會(huì)發(fā)生散射。也正是這種散射效應(yīng)，讓我們覺得它是不透明的。

那么反過來想，想要讓活體組織變透明，就得讓光能穿過去。而想要光暢通無阻地穿過，關(guān)鍵就在于找到一種方法來減少不同成分的折射率差異。

有了這個(gè)基本思路，研究人員又找到了一個(gè)重要的光學(xué)概念。有一個(gè)數(shù)學(xué)方程，被稱為克拉默斯-克勒尼希關(guān)系。它描述了一種材料的光吸收與折射率之間的關(guān)系。它告訴我們，材料和不同顏色的光之間的互動(dòng)其實(shí)有一種微妙的聯(lián)系，如果一種材料吸收了更多某種顏色的光，這會(huì)改變另一種顏色通過材料的方式。

這并不是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的方程，幾十年前科學(xué)家已經(jīng)注意到了這種關(guān)系。而這項(xiàng)新研究就是對(duì)這個(gè)方程的全新應(yīng)用。

研究人員選擇了一種相當(dāng)常見、相對(duì)安全的食用色素——檸檬黃。它能吸收大部分的可見光，尤其能吸收藍(lán)光和紫外光。如果有機(jī)會(huì)你可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)：當(dāng)將檸檬黃在水中溶解的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一種特有的橙紅色。這是因?yàn)榭梢姽獾乃{(lán)色部分被吸收了，只留下了橙色到紅色的部分。

根據(jù)克拉默斯-克勒尼希關(guān)系，藍(lán)光的吸收，會(huì)讓水對(duì)紅光的折射率從1.33升高到大約1.45。不要小瞧這一點(diǎn)的升高，它恰好達(dá)到了和脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的折射率差不多的數(shù)值。這樣一來，紅光就不會(huì)再像之前那樣被散射了，整個(gè)組織就好像是一種單一成分的均勻材料，看上去也就透明了。

研究人員將含有檸檬黃的溶液涂抹在小鼠身體的不同部位，果然產(chǎn)生了神奇的效果。涂到小鼠的頭皮上，他們能看到小鼠腦中的血管；涂在腹部，就能看見腸道；涂在四肢上，就能看到四肢的肌肉纖維。

而一旦染料完全擴(kuò)散到皮膚中，皮膚就會(huì)變得透明。這個(gè)過程完全是無創(chuàng)的，也就是說，不需要任何手術(shù)。而且這個(gè)過程是可逆的，只要沖洗掉殘留的染料，或者等到染料經(jīng)過代謝、通過尿液排出體外，皮膚就會(huì)恢復(fù)如常。完全不用擔(dān)心不必要的“隱私泄露”！

研究人員相信，這種染料可以在生物醫(yī)學(xué)研究中大展身手。我們知道，我們沒法拿顯微鏡這樣的光學(xué)設(shè)備直接研究活體的人或動(dòng)物，因?yàn)槲覀兪遣煌该鞯?，光穿不過去。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)也許可以幫助組織變得透明，讓科學(xué)家詳細(xì)觀察活體的動(dòng)態(tài)過程，顛覆生物學(xué)中的光學(xué)成像研究。

目前，這項(xiàng)研究還僅僅在小鼠身上進(jìn)行過。嚴(yán)格來說，我們還不知道它在人類皮膚上的效果。畢竟，人類皮膚比小鼠的要厚10倍，到底需要多少劑量，或者用怎么樣的遞送方法，才能讓人的皮膚變透明，這些都是很現(xiàn)實(shí)的問題。此外，雖然檸檬黃的確相對(duì)安全，但它仍然可能存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)，比如過敏。

研究人員正在努力改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。下一步，他們希望了解多少劑量在人體組織中最有效，同時(shí)也希望嘗試更多分子，也許就能找到比檸檬黃更好的物質(zhì)。我們拭目以待！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者名稱： 呂同舟

審核：梁前進(jìn) 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

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