一种有着军方背景的激光技术看来会对生物学产生巨大影响。通过产生高功率的短脉冲，自由电子激光器将推进我们对生物分子的认识——

这是电影中常见的一幕——以高功率激光器武装起来的人造卫星将天空中飞来的敌方导弹化为灰烬。但是由于罗纳德 · 里根总统的有争议的“星球大战”计划在10年前就逐渐淘汰了，这些场景都被遗弃到了电影剪切房里。

“星球大战”计划虽然停止了，但其技术却仍在前进。自由电子激光器（FELs），一种可以产生高功率光束来摧毁导弹的激光器，将承担一项新的任务——揭示生物结构的变化。

几年后，两台新的自由电子激光器将能产生比现有光源强100万倍的X射线激光脉冲。这两台仪器的基地位于汉堡市的德国高能物理研究中心（DESY）和加利福尼亚门罗公园的斯坦福线性加速器中心（SLAC）。它们将能够用于揭示生物分子的奥秘，但这些分子目前还无法分析其结构。

自由电子激光器的概念可以回溯到20世纪70年代前期，当时由一位名叫约翰 · 马德的加利福尼亚斯坦福大学低温物理博士生提出。在其后的数年中人们制造了许多红外自由电子激光器，但迄今为止这一技术主要应用于物理学领域。

和同步X射线源一样，自由电子激光器利用了快速运动的电子在改变方向时产生的辐射，就像DESY和SLAC中计划的大型自由电子激光器利用粒子加速器将电子束加速到接近光速。电子束通过一个波浪形磁场，在这里磁力迫使电子束作正旋运动。

这一摆动路线使电子产生电磁辐射，辐射迅速追上并与电子束中的其他电子发生相互作用。相互作用的效果取决于每个电子的位置以及追上的波的位相。一些电子受到加速，其他则速度下降。整个效应就使电子束被压缩为更小更密集的序列。这些“微束”发出的辐射更强，并且有利于形成更多微束。最终从自由电子激光器中射出的脉冲是高能脉冲序列，它们在离开磁场时从几千个微束中爆发出来。

脉冲竞赛

新自由电子激光器的最大卖点是这一过程产生的辐射能量。“X射线自由电子激光器的每个脉冲将比现有的大部分高能同步辐射加速器产生高出10个量级的光子数，”参与新自由电子激光器计划的瑞典乌普萨拉大学的生物化学家加诺斯 · 哈吉度说。

DESY的仪器将在最近几个月内中断工作以接受升级，升级工作将于2004年结束。SLAC同步加速器研究主任基斯 · 霍奇森说，斯坦福的自由电子激光器将于2006年后期竣工。

两台新仪器最初将产生波长在10 nm附近的X射线脉冲，但最终将工作在0.1 nm附近。2001年9月，DESY的研究人员从现有的仪器中导出深紫外辐射，朝目标前进了一大步。80 nm的波长是自由电子激光器迄今为止产生的最短波长。

这两个装置都将以多方面吸引研究者。物理学家渴望使用新的自由电子激光器，因为电子束将使他们可以研究物质尚未被理解的态。热密集物质（WDM），一种介于固体和等离子体之间的态就是一个很好的例子。热密集物质产生于大恒星核内，但也可以在实验室中通过把自由电子激光器发出的辐射聚焦到金属靶上得到。热密集物质的性质可以通过观察它散射激光的方式来探测。

但是X射线自由电子激光器的最大应用前景在生物方面。不同于长波辐射的是，X射线在分子中通过原子的缝隙可以产生衍射。通过研究衍射光的衍射花样，生物学家可以推导出分子的结构。

图为美国休斯公司1960年研制的世界上首台激光器

由传统激光器和同步辐射产生的X射线已被用于探测生物分子的结构，但这两种系统的使用都受到其光强和脉冲宽度的限制。新的自由电子激光器发出的高能短脉冲将使研究者可以越过这两个限制的羁绊。

当生物分子呈晶状排列时，X射线衍射发挥得很出色。这是因为所有的射线都在晶体层间发生反射并汇聚起来产生一个可测量的衍射花样。这意味着光强相对较低的X射线源亦可用于产生衍射图案。但对于单分子，低光强X射线源毫无用处，因为它产生的信号太弱，噪声太强因而不能用于分析。

新的自由电子激光器将允许对十几个分子的样品进行分析，可能甚至是单分子也可以，这就去除了大量的限制。例如晶体中的蛋白质受到周围分子的限制；因此当前的衍射研究只能探测有限范围的分子形状，在这些形状中分子要预先假设。而且由于蛋白质在晶体中形状的变化，X射线衍射实际上记录的是不同结构的平均量。特别是当蛋白质被冻成结晶态时，探测一个蛋白质与其他生物分子的相互作用通常是不可能的。

目前，结构生物学家利用核磁共振光谱仪来克服这一缺陷。这一方法可探测蛋白质在溶液中的结构，但不能用于大蛋白质分子。哈吉度相信：X射线自由电子激光器建成并运行后这一障碍将会被去除。他说，“新的自由电子激光器在`结晶学'中将`晶体'完全去除”。另外，自由电子激光器的频率可调，可根据所研究的分子调整脉冲。

哈吉度已经利用计算机模拟来显示单个酶和单个病毒产生的X射线衍射花样。一旦条件成熟，他将用新的自由电子激光器来验证他的预测。

线束富矿

其他研究者计划使用自由电子激光器来研究晶体法完全失效的蛋白质情况。例如，与脂肪关联的蛋白质被包在细胞膜中，结晶很不容易。剑桥大学化学家卡罗尔 · 罗宾逊说，膜蛋白质的有用结构数据相对较少。她说，这些蛋白质非常重要，因为进出细胞都要经过它。

自由电子激光器的另一优点是其短的脉冲宽度。同步加速器发射出的脉冲宽度通常为皮秒量级（10^-12秒），但振动的分子可在几飞秒（10^-15）内改变形状，自由电子激光器发射的飞秒脉冲可研究这些振动。事实上，正在发展中的其他几个自由电子激光器中由一个产生的红外超短脉冲将马上被用于DNA振动的研究。

马里兰大学研究人员正在建立一个“精简”自由电子激光器——一个利用较低速电子的小型仪器，因此不需要大型粒子加速器。精简自由电子激光器产生比X射线自由电子激光器更长波长、更低能量的脉冲。

马里兰自由电子激光器将于今年建成，届时将用于研究DNA形状的改变是如何影响它与其分子相互作用的。DNA的振动和分子自身的形变被认为在生物分子合成中起着重要作用。这一作用的清晰的实验分析正困扰着研究者，但马里兰自由电子激光器将对此有所帮助。

自由电子激光器辐射的波长在3微米到30微米之间，正好适用于通过沿着DNA双链结构的电荷聚集相互作用来产生振动。研究者可以通过分析其他自由电子激光脉冲散射路径来跟踪振动DNA和其他分子之间的相互作用。精简自由电子激光器同时具有医学用途。纳什维尔市的范德比尔特大学眼外科已经利用短而强的自由电子激光脉冲来进行眼底手术。

既然自由电子激光器较其他光源应用范围的优势如此明显，为什么它们没有更为广泛地被利用呢？相比之下，传统激光器随处可见，从工业加工到家用CD机。

马努那夏威夷大学的玛戴认为，问题的症结在于自由电子激光器大部分被加速器物理学家保存了起来，他们与潜在应用不大合拍。他说，“他们已经在没有适应短期研发和制造应用的技术远见的状态中工作了多年。”

但由于新仪器的刺激的增加，自由电子激光器的外形将得到一个非常有必要的改进。看起来，星球大战留给我们一份惊人的宝贵遗产。

[Nature，2002年1月10日]