鋰電池，系外行星、宇宙學(xué)和細(xì)胞研究
——2019年諾貝爾科學(xué)獎概覽

編譯 思羽

自2019年10月7日，諾貝爾獎陸續(xù)揭曉。今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予威廉·凱林、彼得·拉特克利夫和格雷格·西門扎，以表彰他們在理解細(xì)胞感知、適應(yīng)氧氣變化機制中的貢獻(xiàn)；物理學(xué)獎授予給詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·梅厄、迪迪埃·奎洛茲，以表彰他們在宇宙理論領(lǐng)域、系外行星的發(fā)現(xiàn)；化學(xué)獎授予給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池方面的貢獻(xiàn)。

阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑聲明，以他姓氏命名的這個年度大獎應(yīng)當(dāng)授予那些“為人類做出重大貢獻(xiàn)”的人。然而，諾貝爾獎中的科學(xué)獎項往往頒發(fā)給那些做出意義深遠(yuǎn)并顯得神秘的進(jìn)展的科學(xué)家，而不僅限于在應(yīng)用方面做出突出貢獻(xiàn)的人。但2019年的諾貝爾化學(xué)獎有所不同。三位研究者——兩位來自美國，一位來自日本——因為鋰離子電池的開發(fā)工作而獲獎。

鋰離子電池因為重量輕，體積小，又可以反復(fù)充放電而改變了人類社會。它們已經(jīng)成為各種設(shè)備中無所不在的存在，從移動電話、平板電腦和筆記本電腦再到電動汽車，不一而足。未來，隨著全世界化石能源使用殆盡，儲存那些由風(fēng)能和太陽能等可再生、間歇性可獲得能源方面，鋰離子電池大有用武之地。

鋰是元素周期表中最輕的金屬，外層有三個電子（鋰會漂浮在水面上，然而這維持不了很久，因為鋰也是一種性質(zhì)最活躍的元素之一，在水中會失去電子，迅速變成氫氧化鋰）。兩個電子緊緊依附著原子核，但第三個電子很容易脫離，從而產(chǎn)生攜帶正電荷的鋰離子。

利用鋰和鋰離子制造電池發(fā)端于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時全球遭受石油危機。大型石油公司?？松瓕τ陂_發(fā)與石油無關(guān)的能源感興趣，斯坦利·惠廷厄姆( M. Stantley Whittingham )當(dāng)時在?？松镜难芯坎块T工作——研究潛在的超導(dǎo)體。他特別對含有原子尺寸空隙的固體材料感興趣。當(dāng)離子進(jìn)入這些空隙（這個現(xiàn)象被稱為嵌入），固體材料的部分性質(zhì)（譬如電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性、磁導(dǎo)性）會改變。

惠廷厄姆博士發(fā)現(xiàn)，鋰離子嵌入一種名叫二硫化鈦的物質(zhì)時會儲存一些有用的能量。他將鋰金屬當(dāng)作陽極，二硫化鈦當(dāng)作陰極，制造了一枚能在室溫下工作的可充電電池。在這種電池中，陽極的鋰被離子化，產(chǎn)生的鋰離子接著移動穿透居間的電解質(zhì)，進(jìn)入二硫化鈦陰極內(nèi)的空隙。同時獲得自由的電子經(jīng)過外部電路，產(chǎn)生能被利用的電流。在充電循環(huán)中，外部電流翻轉(zhuǎn)方向，鋰離子做出反應(yīng)，穿透電解質(zhì)，沿原路返還。

最初，?？松菊J(rèn)為電池有巨大潛力，決定將它商業(yè)化，但是當(dāng)石油價格跌落，公司就失去了興趣。同期，今年諾貝爾化學(xué)獎的第二位得主、當(dāng)時在牛津大學(xué)工作的約翰·古迪納夫( John B. Goodenough )偶然發(fā)現(xiàn)這個構(gòu)思，決定嘗試改進(jìn)。在1980年，他發(fā)現(xiàn)將陰極的二硫化鈦替換成氧化鈷的話，能讓輸出電壓翻倍。

第三位得主吉野彰( Akira Yoshino )接手古迪納夫博士的想法，將它改造成更現(xiàn)代的電池，使它出現(xiàn)在全球電腦和手機中。20世紀(jì)80年代，吉野彰在日本的旭化成株式會社工作，當(dāng)時電子公司對能為攝像機、無繩電話之類電子設(shè)備供能的輕質(zhì)電池越來越感興趣。吉野博士對古迪納夫博士創(chuàng)造的氧化鈷陰極感到滿意，但他覺得陽極部分需要重新設(shè)計。

他不再用鋰金屬，而是嘗試用能容納鋰離子的多種碳基材料。他在化石燃料行業(yè)的一種副產(chǎn)品石油焦上獲得成功。他發(fā)現(xiàn)石油焦能容納大量鋰離子。他的設(shè)計方案不僅比使用純態(tài)鋰陽極更加安全（鋰很容易著火），而且也更持久。在吉野博士提出的電池版本中，陽極和陰極都很耐用，因為在電池使用或充電時，陽極和陰極不會受到化學(xué)反應(yīng)的損害。到1991年時，基于吉野博士的設(shè)計方案的第一枚鋰離子電池由索尼公司成功商業(yè)化。

在被授予諾貝爾獎之后不久的新聞發(fā)布會上，吉野博士談到他在20世紀(jì)80年代從事研究純粹是為了滿足他自身的好奇心，沒有多想自己的發(fā)明會不會在某天變得有用。鑒于鋰離子電池隨后的（而且延續(xù)至今）的重要性，吉野博士的好奇心最終完全滿足諾貝爾的意愿。

對宇宙的思考

2019年的諾貝爾物理學(xué)獎被一分為二，但它們?nèi)际谟璧厍蛑獾陌l(fā)現(xiàn)。物理學(xué)獎的一半被授予這項發(fā)現(xiàn)：一顆繞著離我們僅有50光年遠(yuǎn)的恒星周轉(zhuǎn)的行星；物理學(xué)獎的另一半被授予對整個宇宙的概述。

1995年10月，一對當(dāng)時在日內(nèi)瓦大學(xué)工作的天文學(xué)家米歇爾·梅厄（Michel Mayor）與迪迪?！た迤潱―idier Queloz）在佛羅倫薩召開的一場科學(xué)會議上提交了一篇論文。數(shù)月前，他們發(fā)現(xiàn)了太陽系外的一顆行星。那是一顆相當(dāng)于木星2倍大的氣態(tài)球體，繞著一顆名叫飛馬座51的恒星旋轉(zhuǎn)，兩者間的距離大約為800萬公里——是地球與太陽之間距離的1/20。如此近的距離造成一個結(jié)果，那就是在地球上每過四天，這顆行星就會繞飛馬座51公轉(zhuǎn)一周，而且該行星的表面溫度超過1 000攝氏度。這個發(fā)現(xiàn)對于天文學(xué)家來說是個謎團(tuán)。在那之前，他們一直認(rèn)為如此巨大的、類似木星的行星只可能在遠(yuǎn)離寄主星（host star）的區(qū)域形成。

這顆行星如今被稱為飛馬座51b，它的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了系外行星天文學(xué)的新領(lǐng)域。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將近4 000顆其他的系外行星——它們的大小、周轉(zhuǎn)軌道、物質(zhì)構(gòu)成參差不一，這繼續(xù)讓研究者們驚訝不已，他們尚需要想出一套容易理解的物理理論來解釋行星系統(tǒng)是如何形成的。

因為行星自身不會發(fā)光，所以天文學(xué)家需要建立特殊的方法來尋找行星。梅厄博士與奎洛茲博士使用的方法依賴于一種“多普勒效應(yīng)”的現(xiàn)象。當(dāng)一顆行星繞著它的恒星作軌道運行，隨著那顆恒星受到行星引力的反向牽引，恒星也會輕微移動。這會導(dǎo)致抵達(dá)地球的星光頻率發(fā)生遷移（也就是說，恒星會輕微改變顏色），就如救護(hù)車的警報聲頻率隨著救護(hù)車的經(jīng)過而轉(zhuǎn)變。如今第二種尋找行星的方法更常見，也就是測量行星橫越恒星盤面（disc）時星光的下降。但梅厄博士與奎洛茲博士采用的多普勒效應(yīng)方法仍然有人使用。

今年諾貝爾物理學(xué)獎的另外一半授予普林斯頓大學(xué)的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），他在過去幾十年里發(fā)展出一套理論框架來描述宇宙如何從137億年前的大爆炸發(fā)展到現(xiàn)今的狀態(tài)。根據(jù)授出物理學(xué)獎的瑞典皇家科學(xué)院的說法，是皮布爾斯博士在20世紀(jì)60年代將宇宙學(xué)從推測猜想轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T縝密的學(xué)科。

直到20世紀(jì)的頭十年時，天文學(xué)家還以為宇宙是靜止不動和永恒不變的。在20世紀(jì)20年代，隨著人類發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離彼此，上述觀點被證明是不正確的。換句話說，宇宙處在膨脹中。倒推回去，這意味著在時間的起點，現(xiàn)在被稱為“大爆炸”的時候，宇宙會處在難以置信的微小、炙熱和致密的狀態(tài)。

大約在大爆炸過去40萬年時，宇宙膨脹和冷卻到足夠的程度，使得光能夠不受阻礙地穿越宇宙。如今，天文學(xué)家能偵測到大爆炸后的第一道光，它顯現(xiàn)的方式不再是光亮，而是以充滿整個天空的微波輻射來表達(dá)，是因為它的波長已經(jīng)被130億年間的太空膨脹拉伸。射電天文學(xué)家在1964年意外發(fā)現(xiàn)這種宇宙微波背景，并用皮布爾斯博士早先的理論工作來解釋他們的發(fā)現(xiàn)。皮布爾斯博士也指出，微波背景溫度的微小波動對于理解物質(zhì)后來如何凝聚在一起、形成星系和星系團(tuán)至關(guān)重要。

從20世紀(jì)90年代初期起，基于太空的觀測臺已經(jīng)對宇宙微波背景建立起越來越精準(zhǔn)的描繪圖，與皮布爾斯博士的預(yù)測一樣，這些資料顯示出，僅僅十萬分之一度的溫度差異都與我們觀測到的宇宙中物質(zhì)與能量的分布有關(guān)。

對于那些獲得諾貝爾獎的人來說，獎勵人類對宇宙認(rèn)知的這一轉(zhuǎn)變也許看上去是一項普通的工作。但英國皇家學(xué)會前任主席馬丁·里斯（Martin Rees）在2019年的諾貝爾物理學(xué)獎上看到了新鮮之處。他說，授予諾貝爾獎給皮布爾斯博士的做法會受到物理學(xué)家的歡迎，這是對一位公認(rèn)的智識領(lǐng)袖畢生而持續(xù)貢獻(xiàn)以及深刻見解的認(rèn)可，而不是對一次性建樹的表彰。這樣的終身成就獎通常更讓人聯(lián)想到奧斯卡獎，而不是諾貝爾獎，但那并非是不合適的做法。在許多方面，諾貝爾獎與奧斯卡獎有相通之處——不過是嚴(yán)肅研究取代了明星的多變外表，滿腹經(jīng)綸取代了時尚風(fēng)格，獲獎?wù)哒嫘牡闹t遜態(tài)度取代了明星們雕飾的謙虛。

氧氣濃度

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎所聚焦的工作對于弄懂人類身體如何運轉(zhuǎn)至關(guān)重要，它不像鋰離子電池、系外行星和宇宙學(xué)，相對于外部世界來說幾乎不可見。然而彼得·拉特克利夫（Peter J.Ratcliffe）爵士、格雷格·西門扎（Gregg Semenza）和威廉·凱林（William G. Kaelin）一起解答了一個重要問題：細(xì)胞如何偵測并適應(yīng)可獲得的氧氣水平，以滿足細(xì)胞活動所需能量。

人體系統(tǒng)將細(xì)胞活動與氧有效利用關(guān)鍵分子稱之為缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）相匹配，這是一種蛋白復(fù)合物。在約翰霍普金斯大學(xué)工作的西門扎博士發(fā)現(xiàn)并命名了缺氧誘導(dǎo)因子。20世紀(jì)90年代，西門扎博士在研究紅細(xì)胞生成過程。紅細(xì)胞是在血流中傳輸氧氣的細(xì)胞，它們的數(shù)量視附近有多少氧氣而定。比如說，職業(yè)運動員經(jīng)常在高海拔地區(qū)訓(xùn)練（那兒稀薄的空氣意味著氧氣較為稀少），為的是增加身體紅細(xì)胞儲備，那樣當(dāng)他們在更靠近海平面的地區(qū)競賽時，額外的紅細(xì)胞會有助于他們的高負(fù)荷呼吸。

觸發(fā)紅細(xì)胞生成的激素名叫紅細(xì)胞生成素，或者簡稱為EPO。EPO被制造出來，作為藥物幫助貧血癥患者，但一些運動員也違法使用EPO，那樣他們不用去高海拔地區(qū)訓(xùn)練也能提高他們的紅細(xì)胞儲備。（譬如說，紅細(xì)胞生成素在自行車運動中已經(jīng)臭名昭著。）西門扎博士當(dāng)時在查看基因中負(fù)責(zé)編碼EPO的一段DNA，那段DNA時而激活，時而失活。他在觀察中發(fā)現(xiàn)了HIF，一種通過連接或者脫離DNA達(dá)到開、關(guān)作用的蛋白復(fù)合物。從西門扎博士的發(fā)現(xiàn)開始，300段受到HIF相似調(diào)節(jié)的基因已經(jīng)被科研人員發(fā)現(xiàn)。

凱林博士的貢獻(xiàn)在于其發(fā)現(xiàn)了另一種調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)HIF水平的蛋白質(zhì)——VHL，這種蛋白受到氧氣水平的調(diào)控。HIF實際上由兩種蛋白質(zhì)組成，如今被稱為HIF-1α和arnt(芳香烴受體核轉(zhuǎn)位子)。arnt總是存在于細(xì)胞中，但HIF-1α的水平依賴于細(xì)胞內(nèi)存在的氧氣量。越多氧氣就意味著越少HIF-1α，那意味著越少HIF復(fù)合物。EPO之類基因需要HIF來開啟，當(dāng)HIF復(fù)合物變少，其就保持不活躍狀態(tài)。

凱林博士在波士頓的丹娜-法伯癌癥研究所工作，當(dāng)時在研究一種名叫“希佩爾-林道綜合征”的遺傳性疾病，這種疾病會大幅增加出現(xiàn)某些腫瘤的可能性（有時良性，有時惡性，會影響包括腎臟和眼睛在內(nèi)的器官）。負(fù)責(zé)VHL蛋白質(zhì)編碼的基因出現(xiàn)變異因而失去功能時，會引起希佩爾-林道綜合征。凱林博士指出， VHL編碼基因失去功能導(dǎo)致許多受到HIF調(diào)節(jié)的基因進(jìn)入過激活狀態(tài)——這是上述腫瘤出現(xiàn)的潛在原因。

接著，在牛津大學(xué)工作的彼得爵士將這些拼圖塊組合在一起。他指出，VHL與HIF-1α相互作用，這種相互作用將含有羥基的分子轉(zhuǎn)化成混合物，使得HIF-1α在氧氣濃度合適時降解。當(dāng)然，這種降解不是直接的（并不是HIF-1α受到氧化而降解），而是HIF-1α和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成羥基，依靠細(xì)胞的蛋白質(zhì)降解機制降解。

所有這些研究的實際效用是讓我們更好地理解貧血癥、希佩爾-林道綜合征引發(fā)的腫瘤和許多其他對氧氣敏感的生命活動過程中潛藏的生物學(xué)機制，這涉及創(chuàng)傷愈合、血管新生（與腫瘤有關(guān)，因為腫瘤的生長需要額外的血管）、心臟病發(fā)作和中風(fēng)等。幸運的話，“量身定做”的藥物能調(diào)節(jié)各種受到HIF控制的相關(guān)基因的活動，進(jìn)而使防治疾病成為可能。

縱使這項研究比起鋰離子電池看似更加悄無聲息，但諾貝爾遺囑中的意圖仍會在這項研究中得到實現(xiàn)。