2016年諾貝爾科學(xué)獎項(xiàng)戰(zhàn)報(bào)：七位科學(xué)家獲得前往斯德哥爾摩的門票

思羽/編譯

2016年諾貝爾科學(xué)獎項(xiàng)戰(zhàn)報(bào)：七位科學(xué)家獲得前往斯德哥爾摩的門票

思羽/編譯

●今年的諾貝爾科學(xué)獎獎勵了納米技術(shù)、細(xì)胞垃圾重復(fù)利用機(jī)制和拓?fù)鋵W(xué)的應(yīng)用。

更大并不總是更好。任何對這個結(jié)論有所懷疑的人，只需看看過去半個世紀(jì)內(nèi)計(jì)算能力的激增。這種激增成為可能，全因計(jì)算機(jī)組件的不斷縮小。這項(xiàng)成功轉(zhuǎn)過頭來激勵了對其他領(lǐng)域的探索，“縮小”在那些領(lǐng)域也可能取得豐碩成果。

其中一個例子就是納米技術(shù)。在20世紀(jì)90年代，納米技術(shù)時而讓人覺得是騙局，時而又給人希望，微妙地游走于二者之間。在過去的那些年里，人們用“納米技術(shù)”這個詞表達(dá)的意思也千差萬別，以至于假若有哪個吹毛求疵的人尋思著“納米技術(shù)”是否只是“化學(xué)”這個詞一種重塑形象的新潮說法，大家興許也會原諒他——但納米技術(shù)最初有著相當(dāng)清晰的定義。納米技術(shù)的理念就是能夠在分子尺度上制造出具有可移動部件的機(jī)器。瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)可這一目標(biāo)，決定將2016年度諾貝爾化學(xué)獎授予三名科研者，他們分別是讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達(dá)特爵士（Sir Fraser Stoddart）和伯納德·費(fèi)林加（Bernard Feringa）。這三位研究者從未忘卻納米技術(shù)最初的目標(biāo)。

索瓦日博士的貢獻(xiàn)是將原子以新穎且可能有所用處的方法連結(jié)在一起，他憑此獲得800萬瑞典克朗（約等于93萬美元）獎金中的三分之一。常規(guī)的分子靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起，而化學(xué)鍵是毗鄰的原子的電子互相配對。有時候（以苯為例）會形成原子環(huán)。索瓦日博士意識到，這一類的原子環(huán)也許能彼此連結(jié)，就像金屬鏈條中的一環(huán)環(huán)那樣，從而創(chuàng)造出依靠機(jī)械方法結(jié)合在一起、而不是靠常規(guī)化學(xué)鍵的“超級分子”。1983年，他在法國斯特拉斯堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功制造出這種“超級分子”，并在11年之后，展示了一種由兩個環(huán)構(gòu)成的分子排列。它擁有特殊的性質(zhì)，對它施加能量的話，會引起一個環(huán)繞著另一個環(huán)旋轉(zhuǎn)，也就是說創(chuàng)造出了一類分子馬達(dá)。

小是美麗的

弗雷澤爵士也因?yàn)樵陬愃频奈⑿C(jī)器上的研究工作獲得了三分之一的獎金。1991年，弗雷澤爵士與伊利諾伊斯州西北大學(xué)的合作者一起成功地讓一條極小的分子軸穿過一個環(huán)狀分子。加熱這種產(chǎn)物的話，會引起環(huán)狀分子在軸的兩端之間滑動。這樣就生成了一個分子梭。從那時起，他的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對其他分子機(jī)器進(jìn)行了研究，其中包括原子尺度的電梯、人造肌肉，甚至有一臺用分子尺度的部件構(gòu)成的簡單機(jī)械式計(jì)算機(jī)。

然而，納米技術(shù)研究最想達(dá)成的目標(biāo)一直都是一個能繞著軸旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而不只是沿著軸上下滑動的分子馬達(dá)。費(fèi)林加先生在1999年創(chuàng)造出這樣的分子馬達(dá)，并且因此榮獲諾貝爾獎。他的深刻見解在于弄懂了如何讓分子環(huán)朝著一個方向可靠地旋轉(zhuǎn)——因?yàn)橐慌_啟動后可能隨機(jī)朝某個方向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)沒有多大用處。到2011年時，他在荷蘭格羅寧根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握靈巧的技術(shù)，足以制造出一臺“納米汽車”。這輛“納米汽車”由一個分子底盤連接四個“車輪”，它能以非常緩慢的速度穿過某個表面。

這些發(fā)明要過多久才會轉(zhuǎn)變成具體產(chǎn)品？這還有待觀察。在樂觀主義者口中，人類日后會制造出很多分子尺寸的機(jī)器，從給藥裝置到微小計(jì)算機(jī)，不一而足。悲觀主義者們回憶起納米技術(shù)是個經(jīng)常被研究者和投資者夸大的領(lǐng)域，只會在實(shí)際困難面前暴露原形。

然而，有理由希冀納米技術(shù)會最終成功。這是因?yàn)槿祟惖母鞣N發(fā)明往往都會出現(xiàn)這種情況：大自然母親早已捷足先登?；罴?xì)胞能夠想象成納米技術(shù)機(jī)器的組裝產(chǎn)物。比如說，合成三磷酸腺苷（ATP，這種分子用于幾乎所有活細(xì)胞，是生物化學(xué)反應(yīng)的“燃料”）的酶包含一種旋轉(zhuǎn)的分子機(jī)器，酷似費(fèi)林加博士的發(fā)明。它很管用。人體內(nèi)的ATP合成器的產(chǎn)量很高，在一天之內(nèi)，它們會創(chuàng)造出幾乎相當(dāng)于一個人體重的ATP。如果能夠在商業(yè)上做出一些成績，圍繞著納米技術(shù)的宣傳也許會證明其本身的正確。

細(xì)胞如何吃掉自己

大自然中納米技術(shù)的另一項(xiàng)例子是“自體吞噬”（autophagy來自于希臘文，是“自食”的意思）。對于亞細(xì)胞組分進(jìn)行分解，再重新利用的機(jī)制就是自體吞噬。今年，由卡羅琳醫(yī)學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予東京工業(yè)大學(xué)的大隅良典，他的研究工作主要是發(fā)現(xiàn)了自體吞噬的工作機(jī)制。

大隅開始研究工作時，生物學(xué)家知道自體吞噬是個兩步驟的過程。首先，要使重新利用的亞細(xì)胞組分被一層脂肪膜圍住，創(chuàng)造出一個稱為“自噬體”的水泡狀囊泡。接下來，自噬體與第二種稱為溶酶體的囊泡融合。這種溶酶體里充滿了消化酶，而消化酶能分解自噬體的內(nèi)容物。然而，生物學(xué)家并不清楚細(xì)節(jié)，尤其是自噬體如何形成的過程仍然如謎一般。大隅博士被授予諾貝爾獎，正是因?yàn)樘峁┝俗允审w如何形成的細(xì)節(jié)。

大隅良典1988年開始研究這個問題，具體研究的是酵母中的自體吞噬。酵母是一種被研究得很透徹的有機(jī)體，常常被生物學(xué)家用來觀察基本的細(xì)胞進(jìn)程。遺憾的是，酵母細(xì)胞很小。這意味著大隅博士一開始無法輕易地在顯微鏡下辨別出酵母細(xì)胞內(nèi)的自噬體。他解決這個難題的方法是抑制溶酶體內(nèi)消化酶的生成。那就意味著自噬體不再被摧毀，而是會積聚下來，達(dá)到自噬體能夠被觀察到的程度，這樣就能對其予以研究。

這項(xiàng)研究發(fā)表于1992年，是其余研究工作得以進(jìn)行的關(guān)鍵。此后，確認(rèn)了自噬體組裝過程中參與的基因，轉(zhuǎn)而促進(jìn)了對這些囊泡誕生機(jī)制的理解。大隅博士選擇酵母作為研究對象，在這時候體現(xiàn)了好處。在他開始研究工作時，酵母的基因組已經(jīng)被透徹地研究過，并且作為人類基因組計(jì)劃的一部分，酵母成為了第一批全部基因獲得闡明的生物。對基因進(jìn)行敲除，這樣酵母細(xì)胞停止工作，接著檢查部分基因缺少的后果，就能夠構(gòu)建起自噬體組裝過程的全景。而且，盡管酵母和人類并沒有密切的關(guān)聯(lián)，但自體吞噬是一種基本的細(xì)胞進(jìn)程，兩個物種中的自體吞噬過程或多或少是一樣的，因此酵母自體吞噬是人類自體吞噬的良好范本。

這點(diǎn)很重要，因?yàn)榇笥绮┦康难芯抗ぷ饔兄鼘拸V的分支利用，而不僅僅是闡明細(xì)胞內(nèi)“打掃衛(wèi)生”的重要一點(diǎn)。他的研究能幫助解釋侵入的病原體細(xì)菌和病毒會被如何處理（這樣的不速之客會被自噬體吞入），有助于解釋包括帕金森癥和某些類型糖尿病的發(fā)病機(jī)理（當(dāng)自體吞噬出錯，細(xì)胞內(nèi)垃圾累積，就會引發(fā)上述病癥）。

理解自體吞噬也就有了重要的實(shí)際意義。這點(diǎn)看起來恰好與諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎內(nèi)容截然相反。宣布諾貝爾物理學(xué)獎得主的評委會頭一個承認(rèn)了這一點(diǎn)。評委們強(qiáng)調(diào)了獲獎的研究工作內(nèi)在的數(shù)學(xué)之美，又強(qiáng)調(diào)了研究的實(shí)際應(yīng)用——目前實(shí)際應(yīng)用為零。

這里提到的數(shù)學(xué)是拓?fù)鋵W(xué)，是幾何學(xué)的一個分支，與洞之類的“不變量”打交道。這些洞只能以離散的整數(shù)存在于幾何形狀中（世上沒一樣?xùn)|西能擁有半個洞）。三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者——西雅圖華盛頓大學(xué)的戴維·索利斯（David Thouless），新澤西州普林斯頓大學(xué)的鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane），羅德島普羅維登斯布朗大學(xué)的約翰·邁克爾·科斯特利茨（John Michael Kosterlitz）——將拓?fù)鋵W(xué)應(yīng)用到材料科學(xué)上，從而提出了物質(zhì)在不同尋常狀態(tài)下的表現(xiàn)背后的理論解釋。

令人入迷的渦旋

讓人感興趣的一點(diǎn)是，這三位獲獎?wù)叨际?0世紀(jì)“人才外流”的產(chǎn)物，當(dāng)時大批英國出生的科研工作者向西前往美國，奔著更豐厚的薪水和更好的實(shí)驗(yàn)室。將分得一半獎金的索利斯博士早在上個世紀(jì)70年代就與科斯特利茨博士（他和霍爾丹博士平分另外一半獎金）有過合作，那時兩人仍然在英國。他們合作研究的成果將會推翻舊的想法，即超導(dǎo)電性（超導(dǎo)電性這種現(xiàn)象是指導(dǎo)體的電阻消失為零，通常發(fā)生在導(dǎo)體材料被冷卻到一個接近絕對零度的溫度以下）不可能發(fā)生在材料薄層中。根據(jù)他們的計(jì)算，超導(dǎo)性在材料薄層中可能存在，而且是因?yàn)檫@樣的薄層中的配對渦旋的作用。

渦旋是洞的一種類型，是拓?fù)鋵W(xué)上的不變量。當(dāng)材料的溫度升高，這些渦旋得以四處移動，從而破壞了超導(dǎo)電性。這種變化實(shí)質(zhì)上是從一種物質(zhì)狀態(tài)到另一種物質(zhì)狀態(tài)的相變，正如溫度會讓晶格中的原子自由活動，發(fā)生由固態(tài)到液態(tài)的相變。

索利斯博士在20世紀(jì)80年代早期遷居美國，在那里繼續(xù)研究，表明在磁場下導(dǎo)向完全超導(dǎo)電性和由完全超導(dǎo)電性導(dǎo)出的逐步轉(zhuǎn)變（這個現(xiàn)象被稱為量子霍爾效應(yīng)）也是一類拓?fù)洳蛔兞俊?0世紀(jì)80年代后期，霍爾丹博士由英國移居美國后，研究表明這個過程中壓根不需要磁場的參與。

對于許多觀察者而言，諾貝爾物理學(xué)獎選擇頒獎給這樣鮮有人知的研究項(xiàng)目——尤其是在今年——讓人非常訝異。很多人之前都以為，2015年里由一個叫做LIGO的實(shí)驗(yàn)做出的引力波發(fā)現(xiàn)有可能獲獎。那會是延續(xù)阿爾弗雷德·諾貝爾遺囑中精神，諾貝爾在遺囑里表示要把獎項(xiàng)頒發(fā)給前一年的研究成果。然而，不管出于什么原因，總之瑞典皇家科學(xué)院（他們負(fù)責(zé)挑選諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎得主）的大人物們決定一直忽略獎項(xiàng)創(chuàng)建者的遺囑中的這一重要細(xì)節(jié)。

[資料來源：Economist][責(zé)任編輯：彥隱]