解讀2020年諾貝爾科學(xué)獎：從黑洞研究到丙肝病毒

邁克爾·霍頓

哈維·JJ·阿爾特

查爾斯·莫恩·賴斯

珍妮弗·杜德娜

埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶

羅杰·彭羅斯

據(jù)諾貝爾獎官網(wǎng)消息，10月5日至7日，2020年諾貝爾獎三大自然科學(xué)獎項——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎和化學(xué)獎逐一揭曉，各獎項“名花有主”，諾貝爾獎百余年歷史再添8個熠熠生輝的名字。

從我們頭頂?shù)男强蘸诙吹轿⑷鐗m埃的丙型肝炎病毒，再到能改變生命密碼的新型基因編輯工具，這些科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)擴展了人類的認(rèn)知邊界，改變了無數(shù)人的命運，將被世人永遠銘記。

受疫情影響，百年諾獎今年的打開方式不得不發(fā)生改變，原定于12月10日在瑞典首都斯德哥爾摩舉行的傳統(tǒng)頒獎典禮和晚宴被取消，改為線上舉行。屆時，主辦方將在斯德哥爾摩市政廳舉行線上直播頒獎儀式，新晉諾獎得主將被邀請參加2021年的頒獎典禮和宴會。不過，今年的獎金比去年增加了100萬瑞典克朗，達1000萬瑞典克朗（約合人民幣760萬元）。

據(jù)悉，自1901年諾貝爾獎首次頒發(fā)至今，已經(jīng)產(chǎn)生了216位物理學(xué)獎、186位化學(xué)獎、222位生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主。其中，居里夫人（瑪麗·居里）是唯一一位在兩個不同科學(xué)領(lǐng)域獲得諾獎的科學(xué)家。因此，總計有623位頂尖科學(xué)家拿到了這一象征人類最高科學(xué)榮譽的獎?wù)隆?/p>

安德烈婭·蓋茲

雷因哈德·根澤爾

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：捕獲“狡猾”病毒，挽救了全球數(shù)百萬人的生命

瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院10月5日宣布，將2020年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予美國科學(xué)家哈維·阿爾特、查爾斯·賴斯以及英國科學(xué)家邁克爾·霍頓，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)丙型肝炎病毒方面所作出的貢獻。

提起丙型肝炎病毒，大家可能對它的兄弟甲肝與乙肝病毒耳熟能詳。那么，發(fā)現(xiàn)這個并不“出眾”的病毒，有什么了不起？

“控制一種傳染病，首先要找到病原，其次找到檢測它的方法，再開發(fā)治療它的藥物。丙肝目前是一種可防可控可治的疾病?！闭憬髮W(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院肝病感染科主任呂芳芳說，丙肝病毒是RNA病毒，相較于DNA病毒來說，非常不容易被檢測到。目前沒有丙肝疫苗，但丙肝是可以治愈的，這都要歸結(jié)于這3位科學(xué)家的“發(fā)現(xiàn)”之功。

事實上，丙型肝炎病毒異?！敖苹?。在上述3位科學(xué)家的研究之前，人們已大致掌握了病毒性肝炎發(fā)生及未來引起肝硬化甚至肝癌的途徑，但除了已知的甲型、乙型肝炎外，仍有一部分血源性肝炎無法解釋其機制。

1974年，一例輸血后出現(xiàn)的非甲非乙型肝炎病例引發(fā)社會關(guān)注。隨后，本次獲獎的3位科學(xué)家之一——阿爾特教授證實：一些接受輸血的人會患上并非由甲型或乙型肝炎病毒引起的肝炎，這表明另一種感染源是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

接下來的時間里，識別這種新型病毒成為了當(dāng)務(wù)之急。科學(xué)家們當(dāng)時用上了所有傳統(tǒng)的病毒搜索技術(shù)，然而，在此后的十多年間這種病毒仍然是個謎。

當(dāng)時在制藥公司Chiron工作的英國生物化學(xué)家邁克爾·霍頓承擔(dān)了分離病毒基因序列所需的艱巨工作。直到1989年，邁克爾·霍頓與同事們利用分子生物學(xué)方法，終于找到引起這種不明原因肝炎的癥結(jié)——是一種病毒，并成功分析出病毒基因序列，克隆了該種病毒，將其命名為丙型肝炎病毒（HCV）。

然而，單是病毒就能導(dǎo)致肝炎嗎？為回答這個問題，科學(xué)家們必須研究克隆的病毒能否復(fù)制并導(dǎo)致疾病。對此，另一位科學(xué)家賴斯給出了最終證明：單是丙型肝炎病毒就可以導(dǎo)致不明原因的輸血傳播性肝炎病例。

如今，丙型肝炎已成為全球性的主要健康問題。據(jù)美聯(lián)社報道，世界衛(wèi)生組織估計，全球每年有超過7000萬例丙肝（HCV）病例，這種慢性疾病是引起肝硬化和肝癌的主要原因，每年約有40萬人因此死亡。

這3位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)讓直接作用于丙肝的抗病毒藥物研發(fā)與血液檢測成為可能。2013年起，隨著一系列新藥問世，丙肝正式進入完全治愈時代，目前已有數(shù)百萬丙肝患者生命得到挽救。據(jù)悉，目前在臨床實踐中，通過小分子的口服抗病毒藥物，丙肝的治愈率可以達到95%以上。

物理學(xué)獎：探索黑洞的“光”，揭示宇宙“最黑暗的秘密”

今年10月6日，黑洞再次攪起輿論風(fēng)潮。

瑞典皇家科學(xué)院6日宣布，英國理論物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（RogerPenrose）因為發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對廣義相對論的有力預(yù)測、德國天文學(xué)家賴因哈德·根策爾（ReinhardGenzel）和美國天文學(xué)家安德烈婭·蓋茲（AndreaGhez）因為發(fā)現(xiàn)了銀河系中央一個超大質(zhì)量致密天體而共同問鼎2020年諾貝爾物理學(xué)獎，這是該獎項首次授予黑洞研究，眾望所歸。

黑洞是一種體積極小、質(zhì)量極大的天體，如同一個宇宙的“吞噬之口”，連光也無法逃逸。去年，全球第一張黑洞照片面世，引發(fā)科學(xué)界乃至社會大眾的狂歡。

1915年11月，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，描述了引力如何掌控著宇宙中的一切：是引力讓我們站在地球上，引力也控制著行星繞太陽運行的軌道，以及太陽繞銀河系運行的軌道。大質(zhì)量物質(zhì)會彎曲空間并減慢時間；極大質(zhì)量物質(zhì)甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。值得一提的是，愛因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

然而，在愛因斯坦去世10年后，彭羅斯用巧妙的數(shù)學(xué)方法論證了黑洞可以形成，并對其進行了詳細描述：在黑洞的核心隱藏著一個奇點，它的時空曲率無窮大，密度也趨于無限大。一旦物質(zhì)開始坍縮，就沒有什么能阻止坍縮的繼續(xù)，所有物質(zhì)只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的“單行道”。彭羅斯這篇開創(chuàng)性的論文發(fā)表于1965年1月，至今仍被認(rèn)為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。

賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自帶領(lǐng)著一群天文學(xué)家，從20世紀(jì)90年代初開始研究銀河系中心區(qū)域。隨著精確度提高，他們成功繪制出距離銀河系中心最近的最亮恒星軌道。兩組研究人員都發(fā)現(xiàn)，有一種看不見但很重的物體促使這些恒星在周圍轉(zhuǎn)圈。這個物體約有400萬個太陽質(zhì)量那么重，但體積卻與整個太陽系差不多。是什么使得銀河系中心附近恒星以驚人速度圍繞其旋轉(zhuǎn)呢？根據(jù)當(dāng)前引力理論，可能的解釋只有一個：那就是超大質(zhì)量黑洞。

“黑洞的形成與宇宙結(jié)構(gòu)形成有著十分緊密的聯(lián)系。天體物理學(xué)家所做的努力，是為全人類揭示宇宙奧秘，最終所要回答的便是困擾人類已久的終極問題：人類從何而來?！敝袊茖W(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授景益鵬對此解釋道。

據(jù)報道，中國科學(xué)家也一直在開展黑洞的探索和研究，并已經(jīng)取得了一批重磅成果。據(jù)悉，目前，一個名為“黑洞獵手”的計劃已經(jīng)啟動。接下來，利用我國自主研制郭守敬望遠鏡極高的觀測效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞，開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。

化學(xué)獎：改寫生命密碼，助力癌癥新療法開發(fā)

10月7日，諾貝爾獎得主大家庭迎來兩位女性科學(xué)家！瑞典皇家科學(xué)院7日宣布，將2020年諾貝爾化學(xué)獎授予法國女科學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷和美國女科學(xué)家珍妮弗·道德納，以表彰她們在基因組編輯方法研究領(lǐng)域作出的貢獻。

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松表示，“今年的獎項關(guān)乎重寫生命準(zhǔn)則?！?/p>

諾貝爾化學(xué)獎評選委員會主席克拉斯·古斯塔夫松說：“這個基因編輯工具擁有巨大能量，它不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)了變革，還產(chǎn)生了很多創(chuàng)新性成果，并將帶來具有獨創(chuàng)性的新治療方法?！?/p>

CRISPR/Cas9為什么會被稱為“基因剪刀”？據(jù)悉，CRISPR是基因組DNA上的一段特殊序列，它廣泛存在于原核生物基因組中，是細菌和古細菌為應(yīng)對病毒不斷攻擊而演化來的獲得性免疫防御機制。而Cas9則是CRISPR相關(guān)核酸酶。利用這組序列，細菌可以對侵襲過它的病毒產(chǎn)生“記憶”，并通過一種特殊蛋白酶“搗碎”這些病毒的DNA。與從前的基因編輯方法不同，CRISPR系統(tǒng)采用一個通用酶——Cas9來執(zhí)行剪切，研究人員能以此作為稱手的工具，改變他們想要修飾的DNA序列，這遠比合成一個酶要容易得多。

其實，人們第一次發(fā)現(xiàn)CRISPR序列是在1987年，由日本分子生物學(xué)家石野良純在大腸桿菌中偶然發(fā)現(xiàn)。但是，第一次證明CRISPR/Cas9可以開展基因編輯，源于這兩位女科學(xué)家在2012年發(fā)表的研究論文。在一個劃時代的實驗中，她們對基因剪刀重新編程，成功地在試管中再造了細菌的基因剪刀，并簡化了剪刀的分子組成，使其更容易使用。在其自然形態(tài)下，剪刀可以從病毒中識別DNA。沙爾龐捷和道德納證明了它們是可以被控制的，因此它們可以在一個預(yù)定的位置切斷任何DNA分子。而在DNA被切斷的地方，就很容易改寫生命密碼。

如今，憑借簡單、廉價和高效，CRISPR/Cas9已成為全球最流行的基因編輯技術(shù)，被稱為編輯基因的“魔剪”，它們的應(yīng)用開始勢不可擋。據(jù)悉，這種工具促成了基礎(chǔ)研究中的許多重要發(fā)現(xiàn)，植物研究人員已經(jīng)能夠培育出耐霉、害蟲和干旱的作物。在醫(yī)學(xué)方面，新型癌癥療法的臨床試驗正在進行，能夠治愈遺傳疾病的夢想即將實現(xiàn)。據(jù)英國《每日郵報》統(tǒng)計，截至2018年全球范圍內(nèi)已有大約2700項使用CRISPR工具的臨床試驗正在進行或者得到批準(zhǔn)，在諸如癌癥、器官移植、遺傳病治療上取得了一些突破。