2010年度諾貝爾獎

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：試管人生

受精卵在玻璃容器的液體中逐漸長大，直到有一天“羽翼豐滿”，砸碎玻璃罩跑了出來，這是我們經(jīng)常在科幻電影中看到的情節(jié)。實際上，類似的培養(yǎng)工程已被人們所接受，那就是試管嬰兒技術(shù)。簡單來說，這種技術(shù)就是在體外將卵子受精，3～4天發(fā)育成最初的胚胎后，再植八子宮繼續(xù)發(fā)育成胎兒。羅伯特·愛德華茲因為這項看似簡單的技術(shù)而獲得2010年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

從體外受精繁殖到體內(nèi)受精繁殖，是生物進化史上的一個重要的成功事件。它一方面提高了受精的有效性，精子和卵子不需要在嚴酷的環(huán)境中邊“約會”，邊躲避高溫、干旱還有其他生物的侵襲。另一方面，為在母體中發(fā)育為胚胎的成長提供了穩(wěn)定的條件，同時可以給發(fā)育中的胚胎提供更好的保護，這些都極大地提高了生殖的成功率。這樣的改變也不可避免地帶來了諸多問題。我們與魚類同源的祖先都是將卵子直接排出體外進行受精，所以人體中并沒有一開始就設(shè)計好的讓受精和胚胎發(fā)育發(fā)生在女性體內(nèi)的“裝置”。要在體內(nèi)繁殖，只能在原有的排卵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改造，人的卵子要通過腹腔中一個傘形的結(jié)構(gòu)和一個狹長的管道(輸卵管)才能送到子宮。問題是顯而易見的：對于個頭微小的精子，要鉆過生殖道，游過子宮，并且還要突破重重黏液的阻礙，最終與卵子結(jié)合后，還要從輸卵管里及時跑到子宮里去，選擇一個合適的位置來發(fā)育，這是個異常艱巨的任務(wù)。如果不慎選擇了輸卵管這樣的地方發(fā)育(就是通常所說的宮外孕)，不僅發(fā)育不成幼體，還會造成輸卵管破裂，危及母親的生命安全。不僅如此，有些女性的輸卵管因為各種原因本身就是堵塞的，這樣更是斷送了精子和卵子相見的機會。諸多困難使得超過10％的夫婦患有不孕癥。

試管嬰兒技術(shù)的出現(xiàn)，上述問題都迎刃而解。不過，實驗本身并不是為了解決不孕問題而開始的，只是研究在體外環(huán)境下，受精和胚胎發(fā)育的過程。不過，最初的實驗并不順利。首先，實驗卵子材料的獲取并不是容易的事情。由于沒有合適的獲取卵子的工具，只能使用醫(yī)療手術(shù)廢棄的卵巢，但是這樣獲得的卵子質(zhì)量往往不高，受精卵分裂一次之后就不再分裂了。直到后來特殊儀器的應(yīng)用，可以從女性體內(nèi)直接取得成熟的卵子。最初的受精技術(shù)就是讓精子和卵子在試管中自由相遇結(jié)合，后來，才將自由受精過程改為將精子直接注入到卵子中，這項改進大大提高了受精的效率和質(zhì)量。我們甚至可以有選擇性地將優(yōu)質(zhì)的精子和卵子結(jié)合起來，以提高后代的質(zhì)量。目前，全世界至少有400~-生育困難的家庭從中受益。不過，從培養(yǎng)胚胎到培養(yǎng)成體，科學(xué)家還有很長的路要走，單單是干細胞的分化和細胞的去分化就已經(jīng)讓他們傷透腦筋了。

物理學(xué)獎：石墨之舞

一片碳，看似普通，厚度為單個原子，促使兩位科學(xué)家贏得2010 年度諾貝爾物理學(xué)獎。這種全新材料名為石墨烯。諾貝爾物理學(xué)獎評審委員會在向媒體發(fā)布的材料中介紹，石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，而且導(dǎo)電性能比所有金屬都高出不少。薄薄的一層，其力學(xué)強度竟是鋼的200倍，導(dǎo)熱性能更是超過我們所熟知的一切物質(zhì)。石墨烯擁有眾多令人神往的發(fā)展前景，這些由碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，也許將來會把人類帶入全新的太空時代和更快的信息時代。它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、可以制造出超堅韌的防彈衣。我們使用的電能有2／3來源于各種碳的沉積；用來做為永恒見證的鉆石是碳；最常用的書寫工具鉛筆，能夠留下痕跡的也是碳。當(dāng)我們在紙上用鉛筆寫字的時候。就會擦下一點點石墨和黏土。這一點點碳被紙面的紋路刮下來，等著被空氣或者橡皮帶走，直到只剩下淺淺的字跡。在這些痕跡里面，就能夠找到石墨烯。

20世紀(jì)80年代，人們還認為碳只有兩種形態(tài)，呈片層狀的石墨碳和六面體晶格。1985年，羅伯特·科爾等人發(fā)現(xiàn)了碳60，也就是“富勒烯”，以紀(jì)念提出這種結(jié)構(gòu)的美國建筑師理查德·富勒。直到這時，人們才意識到碳原子還可以以這樣的方式連接在一起。最早發(fā)現(xiàn)的“富勒烯”由60個碳原子構(gòu)成，如同足球一般，是由六邊形和五邊形拼成的32面體。這種直徑只有百億分之七米的空心籠狀結(jié)構(gòu)讓人們意識到，也許我們對于這種和生命關(guān)系最為緊密的元素還不夠了解。羅伯特·科爾等人的這一發(fā)現(xiàn)為他們帶來了1996年諾貝爾物理學(xué)獎。隨后，一維的碳形態(tài)也被找到了，這就是碳納米管，以碳原子連接成的空心管極細，卻擁有極好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和不可思議的強度。2010年，碳的另一種形態(tài)又讓它的發(fā)明者得到了諾貝爾物理學(xué)獎，這次是二維的碳：厚度僅僅只有0.34納米的幾乎完全透明的碳原子薄膜石墨烯。這種薄膜在諸多方面都有著驚人的表現(xiàn)，甚至完全顛覆了我們對物質(zhì)的認識。石墨烯看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面，每一個六邊形單元實際上就是一個苯環(huán)。石墨烯這種薄薄的材料有著驚人的穩(wěn)定性、強韌性和導(dǎo)電性，即使被彎折之后，原子也不會錯位或者脫離掉落。當(dāng)用石墨烯疊在一起形成一片保鮮膜厚度的薄膜時，它就能展現(xiàn)出驚人的承載力。即使讓一頭大象站在圖釘帽上，再把圖釘尖壓在薄膜上，也不會刺穿它。這樣的強度遠超過現(xiàn)有我們所知的任何建筑材料，而且它的質(zhì)量更是只有鋼材質(zhì)量的1／6。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者也相當(dāng)具有傳奇性?，F(xiàn)任教于英國曼徹斯特大學(xué)和荷蘭奈梅亨大學(xué)的安德烈·海姆，是世界上唯一一位獲得了“搞笑諾貝爾獎”和正牌諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家。他在2000年因為著名的”磁懸浮青蛙”實驗而獲得了前一個獎項。而他曾經(jīng)寫過的一篇關(guān)于范德華力(距離很近的分子之間產(chǎn)生的作用力)產(chǎn)生強大黏性的嚴肅論文中，居然用了一張蜘蛛俠玩具的照片來做展示，并且堂而皇之地刊載在頂級學(xué)術(shù)期刊上。從這些光榮事跡中能夠看出，安德烈·海姆并不是那種通過普通方法來解決問題的人。起初，安德烈·海姆十分羨慕那些研究碳納米管的同事所獲得的精彩發(fā)現(xiàn)，因此他對自己說：為什么不學(xué)學(xué)他們呢?不過不是把碳片卷起，而是攤平。一開始，他和伙伴康斯坦丁·諾沃肖洛夫用透明膠帶從石墨晶體上分離薄片，那時沒人相信他們能成功分離出單原子層。不過最后，在“膠帶戰(zhàn)略”的指導(dǎo)下，他們還是成功了。

自問世以來，石墨烯便不斷展現(xiàn)出不同凡響之處：透明、導(dǎo)電的特性使它成為制造太陽能光電元件或液晶的理想材料；其機械強度則昭示著超堅固材料的誕生；而其電子特性更是振奮人心。石墨烯的傳電速度驚人，足足是硅的30倍，有望取代后者成為電子工業(yè)最基本的原材料。那么，石墨烯何時才能批量生產(chǎn)呢?研究人員正著力于兩種大規(guī)模生產(chǎn)工藝的開發(fā)，美國科學(xué)家對其中一種進行了專門研究。這一方法是將碳化硅晶體加熱到1000℃以上，直到硅原子分離氣化，留下來的碳原子就會自然地聯(lián)成六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成石墨烯。

不過，另一方法或?qū)⒃?年內(nèi)使石墨烯的應(yīng)用成為現(xiàn)實。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把石墨置于酸性環(huán)境中氧化時，它會分解成石墨烯薄片，這時只需借助還原劑將晶體凈化就可以了。事有湊巧，加利福尼亞大學(xué)的一個小組剛剛發(fā)現(xiàn)一種由氮和氫組成的化合物聯(lián)氨能夠很好地扮演這個角色。用這一方法，研究人員就能生產(chǎn)上佳的導(dǎo)體薄膜，且成本低廉。

在今年諾貝爾獎公布的時候，安德烈·海姆剛剛過完52歲的生且，而康斯坦丁·諾沃肖洛夫則只有36歲，是諾獎獲獎?wù)咧猩僖姷哪贻p人。這兩位在實驗室里玩得不亦樂乎的玩家，也許會將我們帶進一個無法想象的新時代。