2017年諾貝爾獎(jiǎng)陸續(xù)公布：題材“高冷”，成果實(shí)用

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

解讀冷凍顯微術(shù)，“抓拍”生命分子的高清照片

在生物體內(nèi)，無數(shù)復(fù)雜分子不斷地運(yùn)動(dòng)著，形成又拆解、結(jié)合又分離，通過這些過程來實(shí)現(xiàn)各種生理功能。如果能任意“抓拍”高清照片、看清某個(gè)分子在特定瞬間的模樣，將使我們更深入地理解生命如何運(yùn)作。

近幾年來迅速躥紅的低溫冷凍電子顯微術(shù)（Cryo—EM）就是這樣一種“抓拍”手段。2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)該技術(shù)的發(fā)展作出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)80年代初，工作于歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的雅克·杜博歇提出了“急速冷卻”方案，奠定了低溫冷凍電子顯微術(shù)樣本制備與觀察的基本技術(shù)手段。

電子顯微鏡觀測(cè)的樣本通常是只含一層分子的薄膜，可以視為二維的。對(duì)大量散布的同一種分子拍攝二維圖像，再把這些圖像整合起來，就可以得到該分子的三維圖像。20世紀(jì)70年代，在紐約沃茲沃思研究中心工作的約阿希姆·弗蘭克開始進(jìn)行這種“三維重構(gòu)”的理論研究，開發(fā)出了多種數(shù)學(xué)工具和圖像處理方法。

1990年，英國劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的理查德·亨德森小組報(bào)告了他們對(duì)一種色素蛋白進(jìn)行的三維重構(gòu)，這項(xiàng)成果是低溫冷凍電子顯微術(shù)的重要里程碑，證明“冷凍樣本—二維成像—三維重構(gòu)”的確可以得到高分辨率的三維圖像。它標(biāo)志著一種研究生物大分子結(jié)構(gòu)的新方法已經(jīng)成形，其思路與X射線晶體學(xué)迥異，可以給生物體內(nèi)溶液中、處于工作狀態(tài)的分子“抓拍”快照。

近幾年來，傳統(tǒng)的電子顯微術(shù)照相機(jī)被可以直接檢測(cè)電子的設(shè)備取代，解決了圖像轉(zhuǎn)換導(dǎo)致細(xì)節(jié)丟失的問題，這個(gè)重大進(jìn)展也是亨德森的貢獻(xiàn)。低溫冷凍電子顯微術(shù)的“高清時(shí)代”終于來臨。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

解讀人體生物鐘分子機(jī)制，解決失眠的鑰匙

從藍(lán)綠藻到真菌、從植物到動(dòng)物，地球生命普遍擁有一套內(nèi)置的時(shí)鐘，以24小時(shí)為周期調(diào)節(jié)生理活動(dòng)，以適應(yīng)我們這顆行星的自轉(zhuǎn)和晝夜變化。獲得2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，在分子水平上揭示了生命時(shí)鐘怎樣“滴答”走動(dòng)。

含羞草葉子在黑暗中仍按晝夜規(guī)律開閉，向日葵在太陽尚未升起時(shí)已經(jīng)朝向東方，人在亮如白晝的辦公室里待到半夜照樣犯困—生物的自然節(jié)律并不依賴于外界條件刺激，而是由某種內(nèi)在機(jī)制掌控。鐘表的核心元件是振蕩器，比如鐘擺、機(jī)械振子或石英電路，它們產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性振動(dòng)。

那么在生物體里，這個(gè)振蕩器是什么？

人們很早就發(fā)現(xiàn)生物節(jié)律特征可以遺傳，隨著分子生物學(xué)發(fā)展，科學(xué)界逐漸提出“生物鐘基因”的設(shè)想。20世紀(jì)70年代，美國加州理工學(xué)院的西摩·本澤和羅納德·科諾普卡用果蠅做實(shí)驗(yàn)，篩選相關(guān)的基因突變。

果蠅的破蛹羽化有著特定節(jié)律，野生品種只在一天的特定時(shí)刻出蛹，周期是24小時(shí)?？浦Z普卡等人培養(yǎng)并篩選出了周期更長(zhǎng)或更短，甚至沒有周期的果蠅，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诨蚪M的同一區(qū)域發(fā)生突變，從而定位到了生物鐘基因，命名為“周期”基因。但限于技術(shù)發(fā)展水平，人們當(dāng)時(shí)無法弄清這個(gè)基因的代碼序列，因?yàn)榭寺」塂NA的技術(shù)于70年代晚期才出現(xiàn)。

1984年，三名美國科學(xué)家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚(yáng)克隆出了“周期”基因，并把它編碼的蛋白質(zhì)命名為PER。他們發(fā)現(xiàn)，果蠅體內(nèi)的PER蛋白質(zhì)濃度有規(guī)律地變動(dòng)，振蕩周期正是24小時(shí)。至此，人們找到了生物鐘的“振蕩器”，看到了它的振蕩。

三十多年后，霍爾、羅斯巴什和揚(yáng)因?yàn)檫@一研究發(fā)現(xiàn)最終摘獲諾貝爾獎(jiǎng)?；魻栐讷@獎(jiǎng)后接受美聯(lián)社采訪時(shí)說，弄清這一機(jī)制有助于解決因晝夜節(jié)律紊亂導(dǎo)致的睡眠問題。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

解讀引力波，探測(cè)“時(shí)空的漣漪”

美國科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就是因?yàn)樗麄冊(cè)凇凹す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)”（LIGO）項(xiàng)目和發(fā)現(xiàn)引力波方面的貢獻(xiàn)。

什么是引力波？

根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，時(shí)空是可以彎曲的，有質(zhì)量的物體在其中運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生引力波。這就好比石頭丟進(jìn)水里會(huì)產(chǎn)生水波，引力波因此常被稱作“時(shí)空的漣漪”。

但普通物體產(chǎn)生的這種引力波極為微弱，連愛因斯坦自己也認(rèn)為很可能無法觀測(cè)到。事實(shí)上，LIGO項(xiàng)目所觀測(cè)到的兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波，在儀器中只引起了比原子核還小得多的變化。相對(duì)論發(fā)表百年來，許多預(yù)言如水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，但引力波一直沒被探測(cè)到。因此，引力波又被稱作廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失“拼圖”。

引力波有什么用？

引力波開啟了人們認(rèn)識(shí)宇宙的新途徑。過去科學(xué)界探測(cè)宇宙，多是依靠光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等手段，而引力波是與光不同的信息載體。

通過分析引力波信號(hào)，我們可以判斷出遙遠(yuǎn)宇宙中發(fā)生了什么。引力波的波形特征與聲波相似，這也是為什么科學(xué)家曾將其轉(zhuǎn)換成聲波，作為“宇宙的聲音”播放出來。通過探測(cè)引力波來分析宇宙中的各種事件，就像根據(jù)樂器聲波判斷樂器的質(zhì)地種類，以及樂手的演奏手法。

至于引力波在實(shí)際生活中有什么應(yīng)用，科學(xué)家說，包括時(shí)空旅行這樣的科幻設(shè)想還早得很，而利用引力波的宇宙通信目前來看也很遙遠(yuǎn)。不過引力波的發(fā)現(xiàn)無疑打開了一扇新的大門，給未來增加更多新的可能。

（本文所組稿件均據(jù)新華社）endprint