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解读2016年自然科学诺奖
* 来源 : 中国青年报 * 作者 : 中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 * 发表时间 : 2016-10-11 * 浏览 : 227

        10月初,一年一度的诺贝尔奖大戏上演了。其中备受自然科学界关注的生理学或医学奖、物理学奖和化学奖,在刚刚过去的国庆节期间陆续揭晓。尽管今年这类奖项的榜单上并没有中国人的名字,却依然受到国内不少科学人士的关注,毕竟,每一年自然科学诺奖的出炉,都不失为是对自然科学领域佼佼者的一次梳理和表彰,也是向公众展示人类最前沿探索研究的一次绝佳机会。

         那么,今年摘得这些桂冠的获奖人是谁?他们的研究成果是什么?这些研究对我们未来的生活又有着什么样的影响?中国青年报·中青在线记者采访相关专家对此进行解读。

        生理学或医学奖

        又是日本人,第23位生于日本的诺奖得主!

        2016年的第一个诺贝尔奖项,即诺贝尔生理学或医学奖正式揭晓,日本细胞生物学家大隅良典获得这一殊荣,获奖理由是表彰他在自噬反应(autophagy)领域作出的卓越贡献。中国青年报·中青在线记者采访中科院青年创新促进会理事、中科院北京基因组所陈科博士,对此进行解读。

        在陈科看来,自噬反应(自我吞噬)就是细胞吞噬自身细胞质或细胞器的过程,形象地说,就是“细胞自己吃自己”。

        那么,为什么细胞“需要”吃掉自己?

        陈科说,这是因为,在一些原因的导致下,有的细胞已经不为人体所需要了——多余,或者有的细胞被外源微生物“感染”了,变得对人体不利——有害。这些多余的、有害的细胞成分就需要一个机制来“消灭”。还有一个原因,细胞自噬能提供能量,因此在细胞饥饿时,这一机制也会启动。

        这个机制,就是“细胞自噬”,细胞借此分解无用蛋白,实现细胞自身的代谢需要和某些细胞器的更新。

        别小看这个机制,一旦没法充分完成,就可能导致一些疾病,比如帕金森症、糖尿病以及部分肿瘤的发生。相应地,搞清楚其机理,生产相应的药物,则有望治愈这些病症。

        事实上,这不是有关“细胞质量控制”研究的第一次获得诺奖,大隅良典也并非发现“细胞自噬”现象的第一人。

        早在上个世纪50年代,科学家就已经“看到”了“细胞自噬”这种现象。当时,科研人员观察到,在一种新型的细胞器里面,装有可以降解、消化蛋白质的酶,这个酶被称作“溶酶体”,是细胞内生化成分降解的工作站。1974年,比利时科学家克里斯汀·德·迪夫因为“溶酶体”的发现,被授予诺贝尔生理学或医学奖。

        2004年,阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科、欧文·罗斯3位科学家因为“泛素介导的蛋白质降解的发现”而被授予该年度诺奖。不过,这个发现留下一个尾巴,即现象是发现了,但机制却没有解释,即没有讲明白为什么能够降解?

       1992年,大隅良典发现在缺乏营养的情况下,酵母细胞出现了大量的自噬现象,这也是人类首次在酵母中看到自噬现象。随后,他进一步实验找到了和自噬有关的“基因”。至此,和自噬有关的信号通路才得以被阐明。

        根据东京大学、东京工业大学官网的介绍,大隅良典,1945年生于日本福冈,1974年获东京大学博士学位,1974~1977在纽约洛克菲勒大学——细胞生物学的发源地——做了3年博士后研究。后来回到日本,从1977年开始,直到1988年都在东京大学任职,2009年他退休获得名誉教授称号,并于同年担任东京工业大学综合研究院特聘教授。

       10月3日当天,东京工业大学官网刊发了一篇关于大隅良典的报道,这篇报道曾在2012年发表,其中提到大隅良典说过的一句话:“我们生活在一个和平的世界,如果你想实现伟大的事情,那么你要打破常规思维模式(think outside the box)。”

        2013年,汤森路透——作为经常预测年度诺贝尔奖得主的全球知名机构,就在当年度给出的预测中,提及了来自东京工业大学的科学家大隅良典,可能会由于其在细胞自噬研究中的贡献而获奖。

        值得一提的是,作为2016年第一个揭晓的诺奖奖项,生理学或医学奖揭晓后,不少人惊呼:又是日本人!

        这是继2012年和2015年以后,诺贝尔生理学或医学奖再次颁发给日本科学家。去年,当中国人为屠呦呦获得2015年诺奖生理学或医学奖而喜出望外时,诺奖官网上关于2015年诺奖生理学或医学奖的获奖名单上,还写着另外两个人的名字,其中一个就是日本科学家大村智。

        据不完全统计,大隅良典是第23位出生于日本的诺贝尔奖得主。在陈科看来,获奖数量多的背后,和日本政府对基础研究的重视,以及大力度的资助不无关系,他们也因此从中收益颇多,除了表面上的诺奖获奖数量,还有背后经济的腾飞,都离不开科技创新的发展尤其是基础研究的发展。

        物理奖

        这项物理研究,中国也走在前面!

        2016年诺贝尔物理学奖于北京时间10月4日下午揭晓,大卫·索雷思、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特里兹3位科学家共享这一奖项。

        对很多科学的门外汉来说,物理学的诺贝尔奖获得者,可能是他们所知道的科学家里最耳熟能详的一批人:爱因斯坦、玻尔、普朗克、居里夫人、伦琴、薛定谔、海森堡,等等。不过,获得物理学诺奖的成果,也可能是人们最费解的,至少比起生理学医学和人类健康息息相关的研究,物理学领域的名字听上去就十分拗口。

        拓扑相变,看到这4个字,很多非科学人士恐怕会摸不到头脑。那么,拓扑相变究竟是什么,本次获物理学诺奖的研究对人类生活意味着什么,中国在这方面的研究又如何?中国青年报·中青在线记者采访了中科院物理研究所研究员翁红明。

        来自诺奖官网的消息称,这3位2016年诺贝尔物理学奖获得者“打开了一个未知世界的大门”,在那个世界里,物质呈现奇怪的状态。这3位获奖者用一些高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态,如超导体、超流体或薄磁膜,在他们的研究下,人类对物质的探索才进入了一个新的阶段。

       “这是一项具有开创性的工作。”翁红明如此评价这项研究,他告诉记者,如今十分热门的拓扑绝缘体、拓扑半金属等研究方向,都是在这项研究的基础上才得以开展。

        翁红明告诉记者,一旦这项研究再往前发展,就可能实现低能耗的电子传输,有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题,这也将给未来的计算机发展带来翻天覆地的变化。

        那么“拓扑相变”究竟是什么?可以把这个词拆开来看,拓扑、相变,而相变还可以拆为“相”和“变”。“相”通俗地说可以理解为物质的形态,比如固态、液态、气态,“变”是指变化,“相变”就是物质形态的变化,比如冰融化成水,就是发生了相变。

        在科学界,主流的观点一度认为,对于很薄的物质,分子的随机运动会让它陷入无序之中,即不会存在“相变”。但在1970年代早期,迈克尔·科斯特里兹和大卫·索雷思推翻了这一观点,他们认为,在温度足够低的条件下,很薄的物质也是会发生“相变”的。

        他们将自己证明的“相变”,称之为“拓扑相变”,因为这用到了拓扑学描述。正如诺奖官网所说,3位获奖者将拓扑学概念应用到物理学,给他们后来的发现起到了决定性作用。

        拓扑是一个数学上的名词,它研究的是那些“不连续”的特征,这并不容易理解。在当天公布诺奖的发布会上,诺奖官方的工作人员还举起了几块面包——没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面,充当科普工具,来解释究竟什么是“拓扑”——在拓扑上,这几种结构是完全不一样的,即洞的数量不同。

        在1980年代,索雷思提出用tknn数来标识整数量子霍尔效应,即在一个非常薄的电导层中出现精确的整数霍尔电导的现象,他证明了这些整数在本质上是具备拓扑性质,且直

接对应观测到的整数量子电导。

        如今,人们已经知道拓扑相有很多种,它们不仅存在于薄层和线状物,还存在于普通的三维材料中,这就是所谓的新的奇异的世界。

        当天接受媒体记者群访的邓肯·霍尔丹,恰巧是翁红明比较熟悉的一位,翁红明形容他是一位“非常聪明的”“天才级的”理论物理学家,做了很多开创性的工作。

        霍尔丹还提到,他之所以走上研究拓扑相变这条路,最初的契机是为了“证明另一个理论是错的”。

        在翁红明看来,一个研究人员,如果没有挑战现有理论的勇气,他的研究很可能构不成一个开拓性的发现,毕竟“不破,不立”。

        令人欣喜的是,在物理学领域,尤其是拓扑研究领域,中国的表现并不落后。在翁红明看来,就是说中国物理学界在国际拓扑领域处于前沿位置、走在最前面,也并不为过。

        就在去年,翁红明所在的中科院物理所方忠、戴希研究团队,就成功在TaAs晶体中发现了外尔费米子,这是这类特殊的电子第一次展现在科学家面前。这一研究入选了英国物理学会主办的《物理世界》(Physics World)公布“2015年十大突破”,同时也被美国物理学会的《物理》评为2015年八大亮点工作之一。

        外尔费米子,就是拓扑半金属研究方向的一个重要课题。

        在此之前的2013年,我国科研团队独立实现“量子反常霍尔效应”,也是拓扑研究领域的一个重要延伸课题。1988年,邓肯·霍尔丹——就是当天的诺奖获得者,他提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,但是多年来一直未能找到实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

       在2010年,我国的科研单位率先在该领域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究团队与斯坦福大学张首晟团队合作,从理论与材料设计上取得了突破,被《科学》杂志称作“实现量子反常霍尔效应的最佳体系”。2013年,这两个单位的研究人员和清华大学的团队,又在极低温输运测量装置上观测到了“量子反常霍尔效应”,至此完成了“量子反常霍尔效应”的实现,其研究结果于3月14日在线发表于美国《科学》杂志。

        同一年的4月19日,中科院物理所和清华大学召开新闻发布会公布这项成果,当时,杨振宁毫不犹豫地将这一成果称为“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

        这项研究叫“量子霍尔效应”。在那以前,发现“整数量子霍尔效应”与“分数量子霍尔效应”的科学家分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。而整个“量子霍尔效应”

家族里,至此仍未被发现的成员就是“量子反常霍尔效应”,也被认为是有望冲击诺贝尔奖的一个研究。

        化学奖

        诺贝尔化学奖,终于又颁给了化学家!

        2016年诺贝尔奖的最后一个自然科学奖项——化学奖终于揭晓。让·皮埃尔·索维奇、詹姆斯·弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加,来自法国、美国、荷兰的3位科学家分享了这一殊荣。诺奖官方给出的获奖理由是他们“设计与合成了分子机器”。

        一获知这一结果,中科院化学研究所副研究员、中科院青年创新促进会理事梁福鑫就在朋友圈转发了该奖项公布的消息,并写下一条评论:“回归化学!”

        在他看来,这一次,诺贝尔化学奖,终于回归传统化学,颁给了纯化学家。

        所谓“传统化学”,在梁福鑫看来,指的是分子合成,以及与分子性质有关的化学研究,然而在过去的10多年里,诺贝尔化学奖曾多次颁给生物、生物化学、生物物理、物理等领域的研究成果及相应的科学家,其中生物的占比最高。他分析,生物方面的研究更为热门,毕竟,对人类来说,生命健康的重要性是不言而喻的。

        但他同时提到,搞化学的人,却不买这个账,“并不认为这些(生物研究)是真正的化学问题和成就”。

        曾有人作过专门统计,进入21世纪,即从2001年开始,在过去已颁发的15年诺贝尔化学奖中,与生物相关的化学奖就达10次之多,而有机化学等传统意义上的化学研究只有5次。也因此,不少传统化学领域的研究者或调侃,或吐槽,每每化学奖“所颁非人”,便呼吁化学奖“正常一些”。

        事实上,化学奖是众多诺贝尔奖中最重要的奖项之一,诺贝尔奖的发起人阿尔弗雷德·诺贝尔本人就是一名化学家,他的不少发明和成就,都是以化学知识为基础发展起来的。根据诺贝尔的遗愿,诺贝尔化学奖授予“在化学领域作出最重大发现或进展的人”。

        如今,距离1901年诺贝尔奖首次颁发已经过去115年,也是诺贝尔化学奖获奖名单的第108次揭晓,这一回,诺贝尔化学奖终于“正常”了,颁给了“分子机器”,一个“超分子化学”领域的命题。

        那么,获得今年诺贝尔化学奖的“分子机器”究竟是什么?这要从分子说起,分子,人们并不陌生,它是构成物质的一种基本粒子。

        而鲜为人知的是,分子本身是具有特定结构的,能够相互作用,能够识别,甚至能够“动”起来。当然,要让它动起来,需要研发一种机器——3位化学诺奖获得者所做出来的“分子机器”。

        根据诺奖官网的介绍,这是“世界上最小的机器”,包括一部微型“起重机”,几块人工“肌肉”和微型“马达”。

        它和历史上的电动马达有着很大的相似之处。19世纪30年代,电动马达问世,然而,当时的科学家只能看到,电动马达是一堆旋转曲柄和轮子,却没意识到这些东西将导致电车、洗衣机、风扇以及食品加工机的产生,并彻底改变了世界。

        分子机器则被认为很有可能将在新材料、传感器以及储能系统的研发中得到应用。梁福鑫说,对“分子机器”乃至对整个超分子领域继续深入研究,有望实现未来机械的小尺寸化,例如分子机器人、高密度信息存储等。

         回归到当天的主角,让·皮埃尔·索维奇、詹姆斯·弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加,他们是如何将分子机器造出来的?

        第一步是将两个环状分子连接在一起。1983年,索维奇实现了这一步,他成功地将两个环状分子连接在一起,形成了一条特殊的链,即双环化合物,并命名其为“索烃”。

        一般来说,一个能够执行任务的机器,必须包含可以相对移动的部分,“索烃”正好满足了这个条件。

        接下来是第二步,利用一个分子推动另一个分子运动。斯托达特实现了这一点,1991年,他成功合成出了“轮烷”,即将一个环形分子套在一个线性分子上,如此,环形分子就能以线性分子为轴,进行运动。

        在此基础上,他设计出了分子“起重机”、分子“肌肉”和分子计算芯片。

        第三步是设计分子马达。费林加就是第一个研究出分子马达的人。1999年,他研制出一个分子旋转叶片,能够朝一个方向持续旋转——这个东西就是分子马达。

        在这个基础上,他成功让一个玻璃圆筒开始旋转,要知道,这是一个比分子马达大上1万倍的圆筒。后来,他又设计了一辆纳米小车。至此,他将分子由稳态变为能够运动的状态,并初步实现控制。

        来自诺奖官网的消息称,这3位科学家相当于开创了利用超分子自组装的领域,将分子体系带出了平衡的僵局,带进了充满能量的状态,在这个状态中分子的运动可以被控制。

        而这一切,仅仅就是靠那个“世界上最小的机器”。它,只有人类头发的千分之一那么大。

        中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报 (2016年10月11日11 版)