2016年诺贝尔三大科学奖项揭晓均已揭晓

本报记者 张梦然

截至10月6日,2016年诺贝尔三大科学奖均已揭晓,共7位科学家摘得桂冠。

3日晚,作为第一个被公布的获奖项目,卡罗琳斯卡医学院将生理学或医学奖授予了日本科学家大隅良典,以表彰他对细胞自噬机制的发现;4日晚,三位科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨获得物理学奖,其成就是在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现;5日晚公布的化学奖,由让-皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加三位科学家获得,他们在分子机器设计与合成领域为人类做出突出贡献。

细胞自噬、拓扑理论、分子机器,你我在看过长篇大论后仍不知所以然,有人却已在此间勉一生之力。对于这些冷门领域里的寂寞身影来说,诺奖的垂青,是最酷的奖励。

自噬反应:生命清道夫

自噬一词,从字面上就非常生动地描述了这项生物学过程。

在上世纪中期,人们发现细胞内仿似有一个垃圾处理站,专职回收各种多余成分。这就是溶酶体结构。此后十年间,借力显微镜技术的飞速进步,科学家开始在溶酶体内观察到大量细胞,也包括整个细胞器。人们惊讶地发现,细胞似乎是通过某种“运输渠道”,才将细胞组分运送到溶酶体中进行回收降解。当时溶酶体的发现者克里斯汀·德·迪夫创造了“自噬”这个词来描绘该现象。但在之后三十年,相关领域依然行进艰难。

自噬的过程与规律之谜,是大隅良典解开的。他研究了大量酵母细胞突变株,设计了极其巧妙的实验,在1993年找到了许多和细胞自噬有关的酵母突变体。接下来的四年间,他的团队成功克隆出了自噬基因。自此,人们对自噬——这种细胞自身的“减肥”机制,终于有了一个较为清晰透彻的认识,自噬的启动、流程和后果逐渐走入研究者眼帘。

据《新科学家》在线版文章,大隅良典在一次采访中曾说道,随着自噬研究的深入扩展,人们已认识到这不再是一种简单反应,许多生理现象的发生都与之有密切关系,譬如病原体的杀灭、细胞内部清理,以及癌细胞的抑制和成熟。

正是由于自噬对肿瘤来说形同一把双刃剑,才能利用它们在细胞异常中的作用,持续为人类的疾病治疗谋求新思路。

拓扑学:从面包圈到蝴蝶卷

拓扑学的目的,是借助洞的数量等最基本的特征,来描绘物质的形状和结构。从这个意义上说,一个纸杯和一个面包圈都是相似的,因为它们都有一个洞。但蝴蝶卷这种面包就不是,因为它上面有两个洞。

听起来有趣,但实际的理论研究冷门而晦涩。在上世纪,这一数学理论对当时的人们来说相当生僻,少有人能理解。但正是依靠三位科学家的努力,才推动了现今材料科学以及包括量子计算在内的电子学的进步。

据《新科学家》文章称,在得知自己获奖的消息时,邓肯·霍尔丹讶异之余还有一丝欣慰,毕竟大部分的研究工作都发生在上世纪70至80年代。

三十多年前,学界仍普遍认为超导特性,即物质的电阻为0这一现象是无法发生在薄层中的。是索利斯和科斯特利茨驳斥了这一说法,并借用拓扑学进行了诠释。他们发现,薄层导电的现象,会出现在依照离散拓扑的步骤而被赋予形式的物质中。这些步骤里的每向上一步,都相当于“把面包圈变成了蝴蝶卷”。

以此类推,霍尔丹又诠释了某些物质的磁性特征。他承认这工作起初非常抽象,但随着时间推移,越来越多的物质属性能够被拓扑学所解释,“实际上,许多人们花数年去寻找的物质特性,一直就在他们眼皮底下。只是我们没有去看而已”。

现在,他们三人的研究覆盖了诸多不同特性的物质,包括当前因其独特属性而风头正劲的石墨烯。但就对拓扑学的理解及其应用而言,人们仅仅是开了一个头。对此,霍尔丹说,想知道目前的成果能告诉我们什么?那就是前方还有很长的路要走。

分子机器:世界最小的机械

发明机器,是人类历史不可分割的一部分。而本届化学奖,见证了科学家们将分子成功连接起来并设计出微型电梯、微型发动机以及分子肌肉的历程。

今年得主之一,让-皮埃尔·索瓦日最早从生物界获得灵感,提出了“纳米机器”的设想。是他迈出了实现分子机器的第一步——将两个环状分子扣在一起,形成一种名为“索烃”的链条,也就是成功地让两个环状分子合成了链形结构。

美国的弗雷泽·斯托达特在他的基础上合成了“轮烷”,这是将一个环状分子套在一个线型分子上,形成内锁型超分子结构。由于环状分子能够以线型分子为轴运动,他的团队创造出了上升0.7纳米的分子电梯,以及能够弯折金箔的分子肌肉。

而在荷兰的费林加手中,分子机器动了起来。他设计了世界上首台能够朝着一个特定方向旋转的分子马达,并在此基础上制造出一个四轮驱动的纳米汽车:分子马达转动,纳米汽车则前行。

分子水平的机器,其实仍处于婴儿阶段,但其在开发新材料、新型传感器和能量存储系统等方面极具潜力。他们三人的成果,也已成为全世界科研人员开发分子机器的“工具箱”。

据《大众科学》在线版文章称,获奖当天,索瓦日在答复瑞典皇家科学院的提问时称,他自我感觉像是一百多年前首次实现人类飞行梦想的莱特兄弟。当时的人们甚至还对为何发明飞行器心存犹疑,但现在,乘坐喷气式客机遨游云端已是再平常不过。

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责任编辑:陈龙
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