诺贝尔奖速览

编译|壹加  

责编|宫奥博

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周六

编者按：

北京时间2016年12月10日晚上，2016年诺贝尔奖颁奖典礼分别在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆举行。今年的11位诺贝尔奖得主将分别获得证书、奖章以及约合人民币606万元的奖金。

本刊第十期曾刊登了作者壹加编译的诺贝尔奖速览，小编特将内容奉上，来和大家一起欣赏今年诺贝尔奖得主的有趣小故事。

2016年10月3日，诺贝尔基金会宣布了今年的诺贝尔生理或医学奖的获奖者——日本科学家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）。大隅教授因他在自噬反应（autophagy）研究中作出的贡献而获奖。

吞噬自己尾部的蛇符号，代表了循环与再生，细胞的自噬可用这个符号来象征。所谓自噬,是指细胞在某些特定的条件下，将自己内部一些蛋白质甚至细胞器消化、分解、再利用的过程。这个概念在20世纪中期提出后“引无数英雄竞折腰”，前后有5位科学家因此获得诺贝尔奖。

自噬发生时，细胞会“做”出一个个囊泡“垃圾袋”——自噬体（autophagosome）。这些自噬体“垃圾袋”将细胞内的某些蛋白质或受损细胞器包裹起来，运送到被称为溶酶体（lysosome）的细胞器旁。溶酶体是细胞内的回收站，里面准备着一整套用于消化细胞内容物的消化酶，它们降解蛋白质、碳水化合物和脂质——那些被打包袋装的旧物的营养和能量将被细胞重新利用。

1974年的诺贝尔生理或医学奖颁给了发现溶酶体的比利时生物化学家克里斯丁·德·迪夫（Christiande Duve）。2004年，阿伦·切哈诺沃（Aaron Ciechanover）、阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）和欧文·罗斯（Irwin Rose）因对蛋白酶体的研究而获得了诺贝尔化学奖——他们揭示了单个蛋白质如何在细胞内被处理和降解。今年获奖的大隅良典则更进一步揭示了细胞自噬的机理。

大隅良典从20世纪80年代就开始研究酵母菌蛋白质在液泡中降解的过程——液泡在酵母中的作用类似于人体细胞中溶酶体的功能。

一开始，大隅教授并不能确定自噬现象是否会在酵母细胞内发生，酵母细胞非常小，而那时的显微设备还不足以看到它们的液泡内部结构。他设想，如果能破坏酵母细胞自噬过程，让自噬体在液泡内大量积累，就便于观察了。要阻断细胞自噬过程，只有从源头上想办法：找到自噬的关键基因，让它发生突变，令自噬在某一步中断。

在研究中，大隅良典筛选了大量酵母突变株，培育出了因突变而缺乏液泡降解酶的酵母菌。他使这些酵母菌“挨饿”，以激发自噬。效果非常明显，在这些突变体的细胞中，由于缺乏降解酶而失去资源回收功能的液泡“回收站”里，几个小时内就充满了未被降解的自噬体“垃圾袋”。

大隅良典利用酵母作为遗传模型来研究细胞自噬，进行遗传筛选，不但找到了一批与自噬相关的基因，还分析了这些基因起作用的机理。他的这一系列研究奠定了细胞自噬的分子生物学基础，让我们有了探索人体细胞自噬所必需的研究工具。

细胞自噬并不仅仅为了“勤俭节约”，对于细胞本身保持健康也有着至关重要的作用。自噬会在“挨饿”时将细胞内无用的冗余化为整个细胞的生存能量；还能不断清除有损伤的线粒体、蛋白质聚合体，将它们作为材料快速更新细胞“零件”。有研究发现，癌症、帕金森病、阿尔茨海默病等多种疾病很可能就与细胞自噬机制被扰乱有关。

然而，我们对细胞自噬的了解只能算初窥门径，远远没有达到应用阶段。大隅良典呼吁大家重视基础科学研究：“我自己尚不能造出济世良药。我所从事的科研不是直接服务当下的，在基础科研中没有立竿见影一说。”鼓励基础科学研究、开拓未来方向——诺贝尔奖就是为此而存在的。

2016年10月4日，诺贝尔物理学奖被授予戴维·索利斯（David Thouless）、邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（Michael Kosterlitz），以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。

拓扑学是数学的一个分支，最近几十年中，它越来越广泛地在物理学研究领域使用。拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下，被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。从拓扑方面来说，一个甜甜圈和一只咖啡杯是一样的，因为它们都只有一个洞；而甜甜圈和有两个洞的蝴蝶酥虽然都是糕点面食，却因洞的数量不同而成为截然不同的东西。事实上，为了解释本届物理学奖获奖理由，评委会在现场真的拿出了3种环圈数不同的面包。

如今，人类科学前沿往往会突破我们日常认知的边界，这一点在物理学领域特别明显。在研究极薄层的物质时，可以把其表面或内部看作二维世界。科学家发现，在由数百万的原子组成的物质薄层中，每个单一原子的行为完全能用量子物理学解释，但聚在一起的原子却会表现出截然不同的属性。显然，在二维世界,物质遵循着与我们所在世界完全不同的规律。

戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨在这方面的首次突破出现20世纪70年代。他们在一个简单的模型中指出了拓扑相变的存在。当时，学界普遍认为，对于很薄层的物质，分子是随机运动的，没有任何有序的“相”，谈不上有“相变”。但索利斯和科斯特利茨发现，只要温度足够低，极薄层物质也可以是有序的，也有“相”。

薄层物质上的相变和我们日常熟悉的气态、液态、固态相变完全不同。它们的变化与温度和物质上的涡旋有关。在极低的温度下，薄层物质上的涡旋成对出现，而当温度上升的时候，涡旋会彼此分开、逐渐远离——这样的相变被称为“KT相变”。接着，索利斯等人将拓扑学原理引入描述“KT相变”的方程式。从此，“拓扑相变”“物质拓扑相”成为凝聚态物理学研究的热点。

1983年，索利斯又运用拓扑学，在理论上描述了量子霍尔效应（Quantum Hall Effect）。这种现象是在1980年被德国物理学家克劳斯·冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现的，克利青也因此被授予1985年的诺贝尔奖。

量子霍尔效应非常有趣：当一个薄层导体被放进两块半导体之间，冷却到极低温度，再加上一个磁场的时候，它的电导率会忽然无法连续改变了，而是精确地变成原先的2倍、3倍、4倍……用已知的物理学无法解释这样的整数级跳变。索利斯认识到，这种现象能与拓扑学联系起来。在量子霍尔效应中，两层半导体中间的电子能够相对自由地运动，它们形成了拓扑量子流体。索利斯在理论上预测了这些状态，而它们都在后来的实验中得到了证实。

邓肯·霍尔丹在这方面的成就主要集中在两个方面，一是在一维量子自旋模型里发现了整数自旋和半整数自旋模型的不同。二是在1988年建立了一个模型：在没有磁场的条件下，拓扑量子流体（比如量子霍尔效应中出现的那种）也能在薄薄的半导体层中形成。就在2014年，一项实验证实了这个模型。量子霍尔流体和磁原子链都被归于这类新的拓扑状态中。

由于本届三位诺奖得主的研究，薄层物质平面世界的奇特属性正被慢慢揭示出来。他们的工作开创了许多新的研究方向，在物理学的多个领域里创造出了全新的重要概念。

2016年10月5日，今年的诺贝尔化学奖落定。这个奖项一直被戏称为“诺贝尔理综奖”，常常落入生物学、物理学家囊中。今年，它被颁给了让·皮埃尔·索维奇（Jean·Pierre Sauvage）、J.弗雷泽·斯托达特（SirJ. Fraser Stoddart）以及伯纳德·L.费林加（Bernard·L. Feringa）三位化学家，以表彰他们“在黑暗中戴着拳击手套拼乐高”所取得的巨大成功——英国《卫报》如此形容他们的研究。当然，诺贝尔化学奖和拼装乐高玩具完全没有关系，这三位科学家因其在分子机器设计和合成方面的巨大贡献而获奖的。他们实现了机器的微型化，引导了纳米级别的机器制造，将化学发展带到了一个新的维度。

世界上有在集装箱码头忙碌的巨型设备，也有“停放”在粉末或者溶液中的超微型机械——分子机器。这是纳米技术应用的飞越。

第一代纳米技术，被称为“消极纳米技术”，用以改善材料性能和工业生产过程。而分子机器作为新一代纳米技术的核心，将被用于主动操作。

分子机器是若干有着特殊形状的分子。目前通过化学方法“组装”的分子机器已实现了好几种和宏观世界的机器一样的基本功能：能将操作对象滚动、抬升、折叠。它们以电子、光子或温度变化为燃料，在纳米级的尺度上工作，具备对原子和单个分子进行直接操作的能力。

这标志着人类能使用的工具进入到了与宏观世界遵循不同法则的原子世界，从根本上拓宽了人类进步的空间。

从制造出分子链，化学家拿它们试着打出各种花结开始，如今我们已经拥有了几十种分子机器的原型机。虽然这些分子机器目前还只限于在实验室内严格控制的环境中运行，但应用前途不可限量。科学家们会通过各种手段探索这些机器的功能和极限——比如玩个分子赛车。

10月14日-15日，法国国家科学研究中心（CNRS）主办了一场赛车竞速，赛场在法国材料和结构研究中心（CEMES）。来自世界9个国家的实验室组成6支队伍，用各自设计的分子赛车飙车。所有的车必须小于1000个原子，它们要在零下270多摄氏度的真空中，在纯金跑道上前进。比赛时间长达38个小时，赛道有2个转弯、3个直道，全程约200纳米，足有一个感冒病毒的直径那么长。弯曲的赛道意味着分子赛车不仅要跑得快，还要能受控制地转弯。短短50年，费曼的设想成为现实。

1959年，在一次题为“在底部还有很大的空间”的讲座上，理查德·费曼（Richard Feynman）提出分子机器的设想，当时人们并没有真正认识到这一想法的伟大之处。在20世纪中期，为了制造越来越复杂的分子，化学家尝试创造分子链，一些研究小组也确实成功地在试管中制出了分子链，但成功率低，方法非常复杂，并没有什么实际用途。

1983年，让·皮埃尔·索维奇迈出了分子机器研发的第一步，他的研究小组研发的方法大大提高了把环形分子连接成链的成功率从6%提高到了42%，并将其命名为“索烃”（catenanes）。1994年,研究组又成功构建了一种索烃，其中一个环能在接受能量后绕另一个环旋转,这是非生物分子机器的最初雏形。

1991年，弗雷泽·斯托达特找到了高效合成轮烷（piston-rotaxane）的办法。他将一个环形分子套在一个线性分子上，环形分子能像梭子一样，以线性分子为轴移动。之后，他以轮烷为研究基础，研发出分子“起重机”、分子“肌肉”和分子计算芯片：“起重机”可以将自己从表面上抬高0.7纳米，“肌肉”可弯曲极薄的金箔，分子计算芯片则能储存20kB的数据。

伯纳德·费林加则是制造出分子马达的第一人。1999年，他成功地造出了能同向持续旋转的分子旋转叶片。正常情况下，分子的运动是随机的，但费林加通过机械构建，设计出了只朝一个特定方向旋转的分子马达，能带动一个比它自身大1万倍的玻璃柱旋转。

本文刊登在《今日科苑》杂志2016年10月刊诺贝尔奖速览栏目。

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