交叉學(xué)科結(jié)碩果
——解讀2018年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)

10月1日至3日，2018年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)的逐一揭曉，為人類智慧文明的高塔再次壘上耀眼的一層。

美國科學(xué)家詹姆斯·艾利森和日本科學(xué)家本庶佑因在癌癥免疫治療方面作出的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。美國科學(xué)家阿瑟·阿什金因發(fā)明“光鑷”工具、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭因發(fā)明“啁啾脈沖放大技術(shù)”，3人共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。美國科學(xué)家弗朗西絲·阿諾德因?qū)崿F(xiàn)酶的定向進(jìn)化、喬治·史密斯以及英國科學(xué)家格雷戈里·溫特因開發(fā)噬菌體展示方法，進(jìn)行抗體定向進(jìn)化，3人共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

有意思的是，今年的三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)均與“生物”相關(guān)。其中，化學(xué)獎(jiǎng)還被不少科學(xué)家調(diào)侃為“諾貝爾理科綜合獎(jiǎng)”，因?yàn)榻刂?018年，物理、生物、生物物理、生物化學(xué)甚至數(shù)學(xué)等領(lǐng)域研究成果都獲得過這一獎(jiǎng)項(xiàng)。

●諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)松開免疫系統(tǒng)的抗癌“剎車”

在美國得克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥研究中心官網(wǎng)上，有幾個(gè)黑體大字概括了新晉諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主詹姆斯·艾利森對(duì)癌癥治療作出的貢獻(xiàn)——規(guī)則改變者。

在日本京都大學(xué)官網(wǎng)上，可以看到今年另一名生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主本庶佑的獲獎(jiǎng)感言：一開始以為只是“純粹的基礎(chǔ)性科學(xué)研究”，直到這帶來切實(shí)療法并聽到患者的積極反饋時(shí)，“才認(rèn)識(shí)到我所做工作的真正意義”。

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)稱，兩名科學(xué)家“松開”了人體的抗癌“剎車”，讓免疫系統(tǒng)能全力對(duì)抗癌細(xì)胞，“現(xiàn)在已徹底改變了癌癥療法”。

長期以來，癌癥一直幾乎相當(dāng)于絕癥的代名詞，尤其是晚期癌癥，迫切需要研發(fā)新的抗癌策略。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，一種調(diào)動(dòng)人體免疫系統(tǒng)攻擊腫瘤細(xì)胞的新思路在醫(yī)學(xué)界出現(xiàn)?？茖W(xué)家曾嘗試用細(xì)菌感染患者來激發(fā)免疫系統(tǒng)，但效果有限。

改變出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)有一些蛋白質(zhì)會(huì)促進(jìn)或抑制免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用。如果把免疫系統(tǒng)比作一輛汽車，觸發(fā)全面免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)就是油門，而抑制免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)就是剎車。

艾利森的主要工作就是在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)一種名為CTLA-4的蛋白質(zhì)進(jìn)行深入分析，當(dāng)時(shí)他和多名科學(xué)家都觀察到CTLA-4能對(duì)與人體免疫T細(xì)胞起到“剎車”作用。

與其他研究人員將這一機(jī)制作為自體免疫疾病治療標(biāo)靶不同，艾利森設(shè)想，如果“阻擊”CTLA-4，那么T細(xì)胞受到的束縛是否會(huì)被解除，進(jìn)而全力對(duì)抗腫瘤細(xì)胞呢？隨后，他利用小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一設(shè)想，并逐步發(fā)展成可應(yīng)用于人體的新療法。

幾乎與艾利森同時(shí)期，本庶佑發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞上的另一個(gè)“剎車”分子PD-1。在2012年進(jìn)行的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，基于抑制PD-1的新方法被用于不同類型癌癥病患的治療，效果非常好，好幾名轉(zhuǎn)移性癌癥患者的病情獲得長期緩解甚至出現(xiàn)治愈跡象，而轉(zhuǎn)移性癌癥此前被認(rèn)為基本無法治療。

從累積的臨床試驗(yàn)結(jié)果來看，PD-1阻斷療法已被證明更為有效，尤其是在治療肺癌、腎癌和黑色素瘤方面。一些新研究進(jìn)一步指出，針對(duì)CTLA-4與PD-1的聯(lián)合治療或許能夠帶來更好的效果，這已在黑色素瘤患者身上有所體現(xiàn)。

人類對(duì)抗癌癥之路依然漫長而崎嶇。兩名獲獎(jiǎng)?wù)咚〉玫耐黄拼蜷_了一扇新的大門，讓人們了解到，癌癥的一個(gè)重要解決方案或許就隱藏在人類自己的身體中。

▲美國科學(xué)家詹姆斯·艾利森（左）和日本科學(xué)家本庶佑（右）獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(新華社葉平凡攝)

●諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)用激光工具“玩轉(zhuǎn)”微觀世界

隨著人類的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用走入更高階段，人們往往要不斷地“鉆牛角尖”，比如在實(shí)驗(yàn)室中觀測并分析極其微小的病毒、分毫不差地在眼球上進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)等。要實(shí)現(xiàn)這些難度極高的操作，人們需要駕馭光，讓光成為奇跡工具。

美國科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭正是通過開創(chuàng)性發(fā)明和研究為人們提供了這方面的強(qiáng)大工具。他們共同獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

為了探究突出物間距對(duì)紗線牽引特性的影響，通過Fluent可數(shù)值模擬獲得突出物的速度及密度大小，即可通過阻力大小公式計(jì)算出突出物的阻力，從而可得到突出物間距對(duì)紗線牽引力的影響。假設(shè)突出物的直徑d為2mm，取3個(gè)突出物，其數(shù)值分析示意圖如圖3所示。

阿什金發(fā)明了一種光鑷工具，它能用一束高度匯聚的激光形成三維勢阱來捕獲、操縱極其微小的粒子，也就是說，讓激光將小粒子推向光束中心，并將它們固定在那里，從而更好地操縱它們。1987年，阿什金在這方面取得了實(shí)質(zhì)突破。他在不傷害活細(xì)菌的情況下，成功用光鑷捕獲了它們。

瑞典皇家科學(xué)院院士埃娃·林德羅特說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動(dòng)到你想要的地方，并對(duì)它們展開操作，這是非常實(shí)用的工具，事實(shí)上我們也經(jīng)常使用它?！?/p>

有了通過駕馭光而形成的新工具，人們可以操縱和移動(dòng)原子、病毒和其他活細(xì)胞。阿什金的發(fā)明讓科研人員有機(jī)會(huì)在不破壞細(xì)胞膜的前提下，深入分析細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用的分子馬達(dá)，探討其中的運(yùn)作機(jī)制。如今在許多生物實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的設(shè)備。

穆魯和斯特里克蘭發(fā)明了一種叫作“啁啾脈沖放大”的技術(shù)，簡單解釋就是將短激光脈沖適時(shí)拉伸以減少峰值功率，然后放大它，并最終把它徹底壓縮，這能讓更多的光被壓縮在一個(gè)極小空間內(nèi)，從而大幅提高脈沖的強(qiáng)度。

啁啾脈沖放大技術(shù)為科研和一些產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了全新視角，在物理、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到應(yīng)用?？蒲腥藛T有機(jī)會(huì)一窺微觀且快速變化中的分子和原子世界中發(fā)生了什么。超強(qiáng)的激光束能夠精準(zhǔn)地在不同材料上實(shí)現(xiàn)切割和鉆孔。

林德羅特說：“這項(xiàng)研究涉及如何讓激光變得更強(qiáng)，有了強(qiáng)大的激光我們可以做很多實(shí)際的事情，比如精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速，強(qiáng)激光帶來的短脈沖又可以幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力?！?/p>

▲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家阿瑟·阿什金（左）、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯（中）以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（右）（新華社 葉平凡 攝）

●諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭示并利用“進(jìn)化”的力量

地球的生命經(jīng)過長期進(jìn)化最終獲得強(qiáng)大的適應(yīng)力，散布于各種嚴(yán)酷環(huán)境，包括熱溫泉、深海以及沙漠等。如果能夠借助進(jìn)化的力量，人們在化工、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中遇到的難題也就迎刃而解。

在全球發(fā)展清潔能源的過程中，成本與高效、清潔一直存在矛盾，傳統(tǒng)的方法已很難適應(yīng)發(fā)展，需要研究人員找到新方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。阿諾德并沒有把希望寄托在傳統(tǒng)化學(xué)方法上，而是將目光投向了酶。酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對(duì)其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA，是一類重要的生物催化劑。

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院院長林章凜曾在阿諾德的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后。在他看來，阿諾德的巨大原創(chuàng)性貢獻(xiàn)在于改變了原先人類希望理性設(shè)計(jì)生物分子的想法，提出在實(shí)驗(yàn)室中模擬自然界的自然進(jìn)化，通過隨機(jī)突變、隨機(jī)雜交，再加以適當(dāng)規(guī)模的篩選或者選擇，來進(jìn)化出新的生物分子。

“這對(duì)于生物化學(xué)界來說，是一種哲學(xué)和方法學(xué)的巨大貢獻(xiàn)?！绷终聞C說。

阿諾德在1993年完成了首個(gè)酶的定向演化實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了她的理論。經(jīng)過多年發(fā)展，阿諾德的實(shí)驗(yàn)室生成的酶已經(jīng)能夠催化那些自然界中都不存在的化學(xué)反應(yīng)，從而制造出全新材料。她的這些“量身定制”酶如今已是包括藥物在內(nèi)許多材料制作的重要工具，它在生產(chǎn)過程中能避免產(chǎn)生許多污染環(huán)境的副產(chǎn)物。

與阿諾德分享今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的史密斯則研發(fā)了一種名為噬菌體展示的新技術(shù)。他利用了一種能感染細(xì)菌的病毒噬菌體，將外源蛋白或多肽的DNA序列插入噬菌體外殼蛋白結(jié)構(gòu)基因的適當(dāng)位置，使外源基因隨外殼蛋白的表達(dá)而表達(dá)，同時(shí)，外源蛋白隨噬菌體的重新組裝而展示到噬菌體表面。這種技術(shù)可應(yīng)用于研究與蛋白質(zhì)相互作用的配體，以及進(jìn)行蛋白質(zhì)演化等。

溫特將史密斯的這項(xiàng)技術(shù)用于抗體的定向演化，以便提升它們在疾病治療方面的一些特性?；谶@種新技術(shù)開發(fā)的藥物已在2002年獲得相關(guān)批準(zhǔn)，可用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病的治療。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)成員彼得·紹姆福伊說，基于史密斯和溫特研究成果開發(fā)出的全新抗體能夠有效用于人體，如今許多暢銷藥品問世都有他們的功勞。

▲2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家弗朗西絲·阿諾德（左）和喬治·史密斯（中）以及英國科學(xué)家格雷戈里·溫特（右）（圖/諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站）

交叉學(xué)科更易出現(xiàn)引領(lǐng)性原創(chuàng)成果

從生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)制動(dòng)機(jī)制而衍生癌癥治療新方法，到物理學(xué)家用光鑷探索和調(diào)整細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用短激光脈沖技術(shù)治療白內(nèi)障和近視眼（激光手術(shù)），再到化學(xué)家掌控酶和抗體定向進(jìn)化的力量，2018年諾貝爾自然科學(xué)三大獎(jiǎng)項(xiàng)均與生命科學(xué)有關(guān)。

其實(shí)，諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)交叉學(xué)科趨勢越來越明顯，其中化學(xué)獎(jiǎng)是跨學(xué)科研究的一個(gè)典型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1990年以來，有16次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了生物學(xué)方面的成就。唯一獲得過兩次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的便是英國生物化學(xué)家桑格爾。他在1958年憑借開創(chuàng)蛋白質(zhì)測序領(lǐng)域，測定胰島素氨基酸序列而首次獲獎(jiǎng)，之后在1980年因發(fā)明測定DNA序列方法梅開二度。

化學(xué)獎(jiǎng)除了與生物學(xué)有“碰撞”，也與物理學(xué)有跨界，2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是頒給了英國生物物理學(xué)家理查德·亨德森、美國生物物理學(xué)家約阿希姆·弗蘭克以及瑞士生物物理學(xué)家雅克·杜博歇，以表彰他們在冷凍顯微術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。此外，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者中還有數(shù)學(xué)家——1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國物理學(xué)家瓦爾特·科恩和英國數(shù)學(xué)家約翰·波普。

為什么生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科成果最容易受到諾貝爾獎(jiǎng)的青睞？答案是比較清晰的，交叉學(xué)科是比較容易出成果的富礦，而且學(xué)科交叉更容易獲得突破性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。

“交叉學(xué)科在他人尚未耕種的土地上耕耘，獲得新發(fā)現(xiàn)新成果的概率會(huì)更大一些，因此，交叉學(xué)科就成為創(chuàng)新的基地之一。”蘇州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院院長高曉明說，譬如化學(xué)包括有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、理論化學(xué)和生物化學(xué)等幾個(gè)分支學(xué)科，生物化學(xué)就是用化學(xué)最基本的理論來解釋生命現(xiàn)象?！坝绕涫巧茖W(xué)發(fā)展得特別迅速，在化學(xué)領(lǐng)域獲得有影響的研究結(jié)果，在生物化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比較高。”

作為兩個(gè)及以上學(xué)科的“集大成者”，交叉學(xué)科最有可能產(chǎn)生顛覆性技術(shù)和引領(lǐng)性原創(chuàng)成果，而這恰恰是諾貝爾獎(jiǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)“大戶”美國在交叉學(xué)科方面一直走在領(lǐng)先位置。例如，美國麻省理工學(xué)院與哈佛大學(xué)在2004年共建的博德研究所在交叉學(xué)科開展上就非常成功，博德研究所創(chuàng)立的根本思路就是通過理工醫(yī)多學(xué)科交叉，增進(jìn)對(duì)人類疾病的深刻認(rèn)知，為攻克人類重大疾病奠定科學(xué)基礎(chǔ)。這里已匯聚來自全球的3000多名科學(xué)家共同開展交叉研究，成果豐碩。（本刊綜合）※