解讀2015年諾貝爾自然科學(xué)獎

三大自然科學(xué)獎塵埃落定，但人們對它們的關(guān)注仍在持續(xù)發(fā)酵。三大自然科學(xué)諾貝爾獎獲得者到底解決了什么問題？解決這些問題的價值何在？能給人們的生活帶來什么？

10月5日至7日，2015年度諾貝爾三大自然科學(xué)獎項逐一揭曉。我國女藥學(xué)家屠呦呦，以及愛爾蘭科學(xué)家威廉·坎貝爾和日本科學(xué)家大村智獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，以表彰他們在人類對抗寄生蟲疾病的斗爭找到了新方法。中微子領(lǐng)域研究第四次獲得諾貝爾物理學(xué)獎的青睞，日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納因發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，證明中微子有質(zhì)量贏得大獎。瑞典科學(xué)家托馬斯·林達爾、美國科學(xué)家保羅·莫德里奇、擁有美國和土耳其雙重國籍的科學(xué)阿齊茲·桑賈爾，因揭示了細胞如何修復(fù)DNA并維護遺傳信息而分享化學(xué)獎。

人類對瘧疾的存在早已知曉，這是威脅人類生命的一大頑敵，它是一種由蚊子傳播的、因單細胞寄生蟲——瘧原蟲入侵紅細胞引起發(fā)熱并在嚴重情況下造成腦損傷和死亡的疾病。目前，每年還有45萬人被瘧疾奪去生命，其中大多數(shù)是兒童。

瘧疾的傳統(tǒng)療法是使用氯喹或奎寧，但在上世紀60年代后期，這種方法成功率不斷降低，瘧疾感染率呈上升趨勢。屠呦呦將目光轉(zhuǎn)向中草藥，力求從中找尋治療瘧疾的新方法，她受到中國古代醫(yī)書關(guān)于青蒿治療瘧疾的記載啟發(fā)，提煉出具有全新化學(xué)結(jié)構(gòu)和顯著抗瘧功效的新藥——青蒿素，再將其應(yīng)用于臨床，成為一種能夠在瘧疾早期階段扼殺瘧原蟲的有效藥物，這一研究成果具有重要意義。

醫(yī)學(xué)上很重要的另一類寄生蟲——線蟲也正在折磨世界上1/3的人類，主要分布于撒哈拉以南的非洲地區(qū)、南亞、中美洲和南美洲，而河盲癥和淋巴絲蟲病是兩種最常見的由線蟲引發(fā)的疾病。河盲癥患者會因眼睛角膜發(fā)炎而致盲，淋巴絲蟲病則會誘發(fā)淋巴水腫等終身感染的癥狀，近百萬人因此備受折磨。

日本微生物學(xué)家大村智專注于研究鏈霉菌，這一菌群生活在土壤中，能夠產(chǎn)生很多活性化合物。他用獨特的方式大批培養(yǎng)菌株并保持其特征，然后從土壤中成功分離出新菌株并移植到實驗室中，再選出其中最具活性的50株作為新的生物活性化合物來源，這些菌株中的一個，后來被證明是阿維菌素的來源。

威廉·坎貝爾出生在愛爾蘭，現(xiàn)在美國任教，他是寄生蟲領(lǐng)域的生物學(xué)家?？藏悹枏拇蟠逯鞘种惺召徚舜笈溍咕暌蕴角笃涔π?，并證明其中一個菌株對牲畜寄生蟲非常有效。這種活性物質(zhì)提純后命名為阿維菌素，此后又改進為伊維菌素。伊維菌素最初作為獸藥，但后來發(fā)現(xiàn)它能治療河盲癥和淋巴絲蟲病，由此在非洲、拉美地區(qū)廣泛分發(fā)使用，有效抗擊了線蟲類寄生蟲引發(fā)的疾病。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎評選委員會指出，青蒿素和阿維菌素的發(fā)現(xiàn)，從根本上改變了寄生蟲疾病的治療。世界上每年約有2億人感染瘧疾，在全球瘧疾的綜合治療中，青蒿素至少降低了20%的死亡率及30%的兒童死亡率，僅就非洲而言，每年就能拯救10萬人的生命。

阿維菌素的衍生物伊維菌素目前被運用于全球線蟲類寄生蟲病的治療，尤其是在世界上最貧困的地區(qū)，它給人類帶來的福祉也不可估量。這一研究成果使得相關(guān)疾病瀕臨消滅，也是人類醫(yī)學(xué)史上的一大壯舉。

我們生活在一個中微子的世界中。在整個宇宙中，中微子的數(shù)量僅次于光子，是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。在抵達地球的中微子中，大部分都源自太陽內(nèi)部的核反應(yīng)過程。中微子幾乎以光速在宇宙中傳播，基本不與物質(zhì)發(fā)生相互作用。但中微子在離開太陽向地球運動的過程中，一部分中微子會憑空消失，這成為困擾許多科學(xué)家的一道難題。

1998年，在深埋于地球深處的巨大設(shè)施中，成千上萬的機器眼等待著解釋中微子秘密的時機。通過實驗，梶田隆章所在的超級神岡探測器團隊證明，中微子似乎會發(fā)生身份“轉(zhuǎn)化”，當(dāng)時探測器捕捉的中微子是在宇宙射線和地球大氣層的相互作用中誕生。

而在地球的另一端，加拿大薩德伯里中微子觀測站的科學(xué)家們則在研究從太陽過來的中微子。2001年，阿瑟·麥克唐納所帶領(lǐng)的研究小組也證明了這些中微子同樣存在類似的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

殊途同歸，二人的這兩項實驗結(jié)果導(dǎo)致了一種新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)——中微子振蕩。這一研究解釋了中微子消失之謎，也就是說，中微子只是在飛行途中變了身，而并未消失。此外還帶來了一個影響深遠的結(jié)論：長期被認為沒有質(zhì)量的中微子，其實是有質(zhì)量的。

按照評審委員會的說法，梶田隆章和麥克唐納的發(fā)現(xiàn)對美籍華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎得主楊振寧所開創(chuàng)的標準模型理論而言是一個挑戰(zhàn)。

標準模型理論是一套描述基本粒子的物理理論，隸屬量子場論的范疇，并與量子力學(xué)及狹義相對論兼容，是自牛頓經(jīng)典物理學(xué)之后最接近“大一統(tǒng)”的一套自然哲學(xué)觀?！皸|田隆章和麥克唐納的實驗揭示出經(jīng)典模型理論第一個明顯的裂縫，”評審委員會說，“顯而易見的是，標準模型理論不可能成為描述宇宙基本構(gòu)成物如何運作的一套完全理論?！?/p>

評審委員會的聲明認為，中微子是人類不知如何進一步細分的基本粒子之一，探索它們有助于了解宇宙的演變進程，而證明它們具有質(zhì)量有助于揭開宇宙奧秘。

人類一個細胞里的脫氧核糖核酸即DNA全長超過2米，人體總共有數(shù)十億個細胞，所有的DNA加起來可以往返地球和太陽250次。DNA承載了人類的全部遺傳信息，而它們?nèi)菑淖畛跏芫褍?nèi)的2米長DNA復(fù)制而來。

DNA每天都受到紫外線輻射、致癌物等外界物質(zhì)的攻擊，但是就算沒有外界傷害，從化學(xué)角度而言，任何化學(xué)過程內(nèi)部都很容易出現(xiàn)隨機錯誤。照理說，經(jīng)幾十億次的DNA復(fù)制后，基因應(yīng)該亂成一鍋粥，但基因仍年復(fù)一年地保持完整。這得歸功于一大群專門負責(zé)監(jiān)視DNA的蛋白質(zhì)。它們持續(xù)地校對著基因組，并對任何已發(fā)生的損傷進行修復(fù)。

這套被細胞用來修復(fù)DNA的工具箱，就這樣被今年諾貝爾化學(xué)獎的3名得主發(fā)現(xiàn)了。

上世紀70年代，科學(xué)界曾認為基因是非常穩(wěn)定的分子。但林達爾看來，DNA是生命大廈的基石，若聽任它成為流沙，則一切生命演化現(xiàn)象都將土崩瓦解。他認為，肯定存在一種機制，阻止這塊基石的“風(fēng)化”。在此后的研究中，林達爾找到了“堿基切除修復(fù)”——這一概念如今已是教科書中的必修內(nèi)容——細胞中存在一類蛋白質(zhì)，尋找堿基錯誤，將其從DNA鏈上切掉，從而修復(fù)它。

林達爾發(fā)現(xiàn)了細胞用來修復(fù)DNA的一種辦法，實際上，內(nèi)容豐富的“工具箱”賦予細胞許許多多的手段，來應(yīng)對種種難題。如果說林達爾發(fā)現(xiàn)了一個扳手，那么桑賈爾就是找到了一個鉗子，莫德里奇則又發(fā)現(xiàn)一把螺絲刀。

桑賈爾的發(fā)現(xiàn)揭示了細胞如何應(yīng)對紫外線對DNA帶來的傷害，即將一小段被紫外線損傷的核苷酸切除，切除的范圍要比單個堿基更大。

莫德里奇則發(fā)現(xiàn)細胞如何修正在細胞分裂過程中可能發(fā)生的DNA復(fù)制錯誤。雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA在復(fù)制時拆成兩條，各自作為模板形成新的雙螺旋結(jié)構(gòu)，莫德里奇指出，細胞通過標記DNA鏈條，讓自己知道哪條是原有的、哪條是新產(chǎn)生的，從而以舊的為“標準答案”，去修正新產(chǎn)生的鏈條上不匹配的地方，這就是“DNA錯配修復(fù)”。

諾貝爾化學(xué)獎評審委員會在聲明中說，3名獲獎?wù)叩难芯吭谌祟惲私饣罴毎δ堋姆肿訉用娼忉屵z傳性疾病成因以及癌癥發(fā)生發(fā)展和人體衰老的機制方面作出了“決定性貢獻”。“他們這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對人體如何運作的了解，還會為豐富拯救生命的治療手段開辟前景。”（本刊綜合） ※