一張照片勝過千言萬語，但發明一種拍攝奈米級照片的方法價值300萬美元。生物學家利用一種“超解析度”顯微鏡技術來揭示細胞隱藏的分子結構，該技術的發明者是今年六位突破獎得主之一，突破獎是科學和數學領域最豐厚的獎項。獲獎者於10月17日公佈。
顯微鏡方法的主要發明者莊小威是馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的生物物理學家，也是馬里蘭州切維蔡斯市霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的研究員。她因開發隨機光學重建顯微鏡（簡稱STORM）而獲得了生命科學領域的四項獎項之一，該技術在十多年前問世。這項技術是最早突破傳統光學顯微鏡基本解析度限制的技術之一，現在已在生物學界廣泛使用。
莊小威說：“獲得這項重大獎項感覺非常欣慰。接到電話通知時我非常激動。”
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荷蘭烏得勒支大學的光學物理學家和顯微鏡專家阿拉德·莫斯科說：“這是一項傑出的研究。莊小威的幾項成果真正啟動了生物顯微鏡領域的超解析度革命。”（2014年諾貝爾化學獎頒發給了其他超解析度方法的開發者。）
傳統的光學顯微鏡的解析度限制（與所用光學波長成正比）在19世紀首次被確定，這使得區分間隔小於200奈米的物體幾乎不可能。“空間上重疊的兩個物體的影像會模糊成一個斑點，那麼如何將它們分離出來呢？”莊小威說。“我們用STORM給出的答案是在時間維度上將它們分離。”
這個訣竅包括用“光開關”熒光化合物標記重疊的分子，當被光照射時，這些化合物可能會發光，也可能不會發光。生物學家無法控制哪些特定的分子會發出熒光，每次都會隨機發光不同的分子。
當用低強度雷射照射標記過的生物樣本時，只有一小部分隨機的分子會發光，這使得研究人員能夠獲得該分子子集的清晰影像，從而可以精確地確定分子的位置。然後多次重複該過程，每一輪都專注於不同的隨機子集。然後，生物學家可以疊加這些快照，從而構建完整的影像。
這項技術已經促成了一系列發現。其中，莊小威的團隊利用STORM觀察了神經元膜正下方的分子，並發現細胞的結構框架——細胞骨架由重複的元素組成。“這是一個美麗而令人驚訝的結構，”莊小威說，“幾乎就像你在萬聖節看到的真正的骷髏的肋骨一樣。”
此後，她又開發了另一種成像技術，並最終目標是建立“我們體內每個細胞的谷歌地圖，尤其是在大腦中”。
物理學和數學
基礎物理學突破獎頒給了費城賓夕法尼亞大學的查爾斯·凱恩和尤金·梅勒，以表彰他們預測存在一種被稱為拓撲絕緣體的奇異材料。這些材料的內部是電絕緣體，但其表面卻能導電。它們有朝一日可用於製造更節能的電子裝置和量子計算機。
凱恩回憶說，在2005年，他試圖計算原子厚度的碳材料石墨烯的可能特性，並在理論上預測可能會出現這種違反直覺的效應。然而，預測的效應非常小，無法在石墨烯中透過實驗證實，凱恩承認自己幾乎放棄了這個想法。“我腦海中有一個聲音說：‘這太愚蠢了’，”他回憶道。但是，這種效應後來在2007年被其他研究人員在碲化汞中證實，此後在其他材料中也發現了這種效應。“我想我很高興我堅持了下來，”凱恩說。
“凱恩和梅勒從根本上改寫了凝聚態物理學，”康涅狄格州紐黑文市耶魯大學研究拓撲絕緣體的朱迪·查說。她回憶說，當發現這些材料時，物理學界的“氣氛令人興奮”。今年的研究人員還發現，令人驚訝的是，多達四分之一的材料可能具有表現出拓撲特徵的潛力。
染色體和免疫學
還公佈了另外三項生命科學獎。加利福尼亞州卡爾斯巴德市的Ionis製藥公司的C·弗蘭克·貝內特和紐約冷泉港實驗室的阿德里安·克雷納因開發出一種有效的方法來沉默導致兒童神經退行性脊髓性肌萎縮症的基因而受到表彰。
馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的安吉麗卡·阿蒙和HHMI因確定染色體數量異常如何破壞細胞修復，導致唐氏綜合症或流產等後果而獲獎。德克薩斯州達拉斯市德克薩斯大學西南醫學中心的HHMI研究員陳志堅因發現參與觸發免疫和自身免疫反應的DNA感測酶cGAS而獲獎。
法國格勒諾布林法國國家科學研究中心（CNRS）的文森特·拉福格因其對朗蘭茲綱領的貢獻而獲得突破數學獎。該綱領通常被稱為“數學的大統一理論”，涉及推匯出一組連線代數、數論和分析等廣泛領域的猜想。
突破獎由一個委員會每年頒發一次，於2012年啟動，由包括網際網路企業家尤里·米爾納和Facebook執行長馬克·扎克伯格在內的企業家資助。今年的年度獎項的公佈是在該委員會公佈特別獎之後，該獎項於9月份授予英國牛津大學和杜倫大學的天體物理學家喬斯林·貝爾·伯內爾，以表彰她發現脈衝星。
本文經許可轉載，並於2018年10月17日首次發表。