解密欧洲大型同步加速器的台前幕后

位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置（ESRF） 图片来源：ESRF

　　早晨4:30，博士生Warren Stevenson已经22个小时未曾合眼。“我很累，但我们或者现在工作，或者全不工作。”他一边盯着两台电脑屏幕一边说，“我们计划6点休息一会，然后8点醒，时间很紧张。”

　　Stevenson之所以紧张是因为他只有宝贵的几小时能收集数据，而这些数据对他的有关液晶结构的博士论文十分重要。而且，他并非唯一一个不睡觉的科学家。在隔壁，工作人员正同时指挥28个独立实验。这里就是位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置（ESRF）。ESRF是世界三大高能加速器之一，能发射世界上最高能的X射线。

　　工作在这里的人来自各个领域：化石、电池、蛋白质、矿物等。但大家的目的只有一个：观察物质的内部结构。目前的使用者大部分是前一天到来的，并且只有8小时用来收集数据。这台设备的使用竞争十分激烈，只有约45%的申请被批准，并且设备日以继夜地运行，以便尽可能满足需求。

　　每年共有约8000名科学家来到这里，进行了2000多个实验，并为约1800篇论文生成了数据。在过去7年里，两位科学家因在这个同步加速器中获得的发现获诺贝尔奖。这是一个永不停歇的跨学科国际实验室。

　　“我们在这里的时间是宝贵的，距离下一次来可能要数月，如果不幸的话，可能要1年。”Stevenson的博士导师Xiangbing Zeng说。一些使用者的团队足够大，能够轮班，而一些则要带着黑黑的眼圈回家。但科学家并不介意。他们十分珍视收集数据的机会。“在之后一周，你能感觉到时差。”生物化学家Andrea Schmidt说，“能到这里总是让人兴奋。”

　　10:00

　　Schmidt已经整装上阵。她和两个同事前一天刚从德国柏林查瑞特医学院来到这里，并带来了120个用液氮冷冻的蛋白质晶体。他们只有24小时推断这些晶体的结构。这是一种经过改造的细菌蛋白质，当照射红光时它能发出荧光，能被用于标记和研究活体组织结构。但目前科学家尚不清楚这种蛋白质在原子和分子水平上如何工作。Schmidt表示，如果能回答这个问题，将是一个重要成果。

　　同步加速器可谓是结构生物学的驮马。全球约有50台，去年科学家报告的约6000个原子分辨率蛋白质结构中的绝大部分是利用这些设备得出的。在ESRF，工作区由一个能通往一个狭窄实验室的小办公室组成，Schmidt和同事将在这里分析他们的晶体。

　　Schmidt团队一到这里，就开始把能找到的可见光源用胶带封上。光能导致蛋白质晶体里的分子摆动，使其难以捕捉生成原子分辨率图片。Schmidt不断开关电源，以检验屋子是否完全黑暗。

　　10:23

　　在该同步加速器844米长的中心线圈中，电子以接近光速的速度运行，并发射出X射线。X射线经由细管发射至43个站点。

　　由于前一天机器关闭维护，专业工程师一早就向线圈中注射新鲜的加速粒子束。每条光束都有自己的专用ESRF科学家，他们会为当天的实验校正X射线束，并经常与实验团队待在一起。“有许多关键部分和许多可能失败的原因。每天的检查很重要。”Schmidt 团队的支持科学家David von Stetten说。

　　10:46

　　Stevenson、Zeng和博士生Huanjun Lu通过准备液晶样本开始了一天的工作。这个来自英国谢菲尔德大学的团队希望弄清分子是如何在这些晶体内部对齐的。该研究将有助于改进屏幕。

　　12:15

　　在200米外的一个小工作间里，意大利佩鲁贾大学博士生Annalisa Chieli正用切片机制备干油漆的超薄切片。这是她第一次来这里。她说：“你能感到这里的空气中都弥漫着研究气氛。”

　　Chieli正准备用X射线照射取自挪威艺术家Edvard Munch《呐喊》和Jackson Pollock《炼金术》的样本。随着时间的推移，这些作品出现微黄的色调，但博物馆人员不清楚原因是什么。该研究将帮助解释原因，以便保护这些艺术品。

　　由佩鲁贾分子科学与技术研究所Monico 和 Chieli领衔的团队将扫描黄漆的各种样本，以便发现不同化学元素组成的颜料如何吸收X射线，以及如何随着时间的演变而变化。与其他大多数研究人员一样，Monico和Chieli不需要为使用机器出钱。共21个国家签约成为该同步加速器的成员，并每年支付1.1亿欧元的费用。

　　13:17

　　由于使用者来自世界各地，因此这里有两个食堂。大食堂提供肉、鱼、披萨、意大利面、甜点、奶酪、酸奶等食物，虽然ESRF的官方语言是英语，但多种语言出现在这里，让它就像是联合国会议厅。

　　Monico团队则选择了上面更安静的餐厅。“我喜欢沙拉和大量蔬菜。”她说。

　　14:00

　　Schmid则更焦虑。该团队已经落后于时间表：半天时间被用于设置光敏蛋白质实验。“如果你没有好方法克服挫败，那么你就要承担责任。”她说。

　　16:00

　　邻居Matthew Bowler则看起来很轻松。他已经扫描了从芬兰快递过来的80个晶体样本，并成功确定3个蛋白质结构。

　　Bowler并非全部亲力亲为。他利用自动化X射线晶体学光束进行研究。该设备能自行判断将X射线照射在哪里，以便更好地收集数据。“它能24小时工作。” Bowler骄傲地说。该设备去年处理了15000个晶体。

　　18:50

　　Alexey Nikulin和Natalia Lekontseva则正在用液氮分配机填装真空烧瓶。他们来自俄罗斯普希诺蛋白质研究所。“德国汉堡的同步加速器此时关闭了，而柏林的已经饱和。”Nikulin说。这些液氮将用于保存他们的晶体——RNA结合蛋白。

　　19:10

　　走廊外面，Magnus Larsson正准备回家。Larsson是来自瑞典MAX IV同步加速器的企业联络人。MAX IV同步加速器计划6月开始运行，以提供更明亮更紧凑的X射线束。他来到这里学习ESRF与企业研究人员的合作经验。外面的天已经黑了，研究人员开始去餐厅吃晚饭。

　　21:00

　　加速器的电子已经筋疲力尽了。铅衬里的管道无法完全真空，电子偶尔会与空气分子碰撞，从而使光束轻微散开并丧失能量。工程师更换了同步加速器储存环，以便在夜间维持光束运行。

　　21:36

　　在ID22工作室，计算机发出锣鸣声，这表明最新的测量已经完成。以色列海法理工学院Boaz Pokroy领衔的团队由5位科学家组成，他们在8个月之前就开始申请使用ESRF。Pokroy说，等待是值得的，“无疑ESRF是地球上最好的同步加速器”。

　　22:19

　　Monico团队正在完成他们的油漆分析，并准备回ESRF的宾馆休息。这个宾馆有173个房间，当晚已全部订出。Vanmeert则正在输入电脑密码，指导机器人将颜料样本缓慢地送过X射线束。

　　“如果出一点错，一晚上就白干了。”ESRF射线束科学家Marine Cotte说。

　　23:00

　　但Pokroy的工作进行得并不顺利。锣声响起，Giacobbe什么也没看到。“哦，这意味着晚上要开夜车。”她叹息道。

　　23:13

　　由于宾馆爆满，一些科学家订不到房间。挪威奥斯陆大学材料学家Georgios Kalantzopoulos和Erik Glesne打算走40分钟到格勒诺布尔的一家酒店。这时候开始下雨了，走到酒店时，他们全身都湿透了。

　　00:00

　　Schmidt团队获得了突破性进展。“像这样的结果让我们兴奋，就不再需要咖啡提神了。” Schmidt的同事Bilal Qureshi说。

　　2:00

　　同步加速器已经排空，但很多实验者仍留在工作间里。德国柏林自由大学化学家Stefan Mebs就是其中之一。在未来两周，他和同事Peer Schrapers将要上夜班，因为他们的样本需要每半小时手动换一次。

　　3:00

　　在加速器的另一端，3位科学家正在休息。他们在办公室里放了一个沙发，以便能有时间小憩一会。Villanova则在附近的厨房煮咖啡。

　　5:00

　　尽管之前取得了成功，Schmidt和同事并未松懈。因为一个样品架坏了，他们花了半小时试着修理，最终还是放弃了。30个晶体还没有分析，他们疲倦地回到宾馆，5个小时后飞回德国。Schmidt将在两周后重回这里分析其他晶体。

　　8:00

　　夜班结束了。清洁工正在打扫，以便在新一波科学家涌入这里之前清理干净。Giacobbe和同事一早就回到办公室，试图解决昨天出现的问题。“我们以为是网络问题，实际是软件出问题了。”她说。

　　9:00

　　两个新面孔走进了Schmidt团队腾出来的工作室。西班牙巴塞罗那分子生物学研究所的Theodoras Goulas和Castrillo Bricenyo有24小时使用这里的设备。“我相信能获得一些东西。” Goulas说。