2016年诺贝尔科学奖项战报：七位科学家获得前往斯德哥尔摩的门票

思羽/编译

2016年诺贝尔科学奖项战报：七位科学家获得前往斯德哥尔摩的门票

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●今年的诺贝尔科学奖奖励了纳米技术、细胞垃圾重复利用机制和拓扑学的应用。

更大并不总是更好。任何对这个结论有所怀疑的人，只需看看过去半个世纪内计算能力的激增。这种激增成为可能，全因计算机组件的不断缩小。这项成功转过头来激励了对其他领域的探索，“缩小”在那些领域也可能取得丰硕成果。

其中一个例子就是纳米技术。在20世纪90年代，纳米技术时而让人觉得是骗局，时而又给人希望，微妙地游走于二者之间。在过去的那些年里，人们用“纳米技术”这个词表达的意思也千差万别，以至于假若有哪个吹毛求疵的人寻思着“纳米技术”是否只是“化学”这个词一种重塑形象的新潮说法，大家兴许也会原谅他——但纳米技术最初有着相当清晰的定义。纳米技术的理念就是能够在分子尺度上制造出具有可移动部件的机器。瑞典皇家科学院认可这一目标，决定将2016年度诺贝尔化学奖授予三名科研者，他们分别是让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷泽·斯托达特爵士（Sir Fraser Stoddart）和伯纳德·费林加（Bernard Feringa）。这三位研究者从未忘却纳米技术最初的目标。

索瓦日博士的贡献是将原子以新颖且可能有所用处的方法连结在一起，他凭此获得800万瑞典克朗（约等于93万美元）奖金中的三分之一。常规的分子靠化学键结合在一起，而化学键是毗邻的原子的电子互相配对。有时候（以苯为例）会形成原子环。索瓦日博士意识到，这一类的原子环也许能彼此连结，就像金属链条中的一环环那样，从而创造出依靠机械方法结合在一起、而不是靠常规化学键的“超级分子”。1983年，他在法国斯特拉斯堡大学的研究团队成功制造出这种“超级分子”，并在11年之后，展示了一种由两个环构成的分子排列。它拥有特殊的性质，对它施加能量的话，会引起一个环绕着另一个环旋转，也就是说创造出了一类分子马达。

小是美丽的

弗雷泽爵士也因为在类似的微小机器上的研究工作获得了三分之一的奖金。1991年，弗雷泽爵士与伊利诺伊斯州西北大学的合作者一起成功地让一条极小的分子轴穿过一个环状分子。加热这种产物的话，会引起环状分子在轴的两端之间滑动。这样就生成了一个分子梭。从那时起，他的研究团队已经对其他分子机器进行了研究，其中包括原子尺度的电梯、人造肌肉，甚至有一台用分子尺度的部件构成的简单机械式计算机。

然而，纳米技术研究最想达成的目标一直都是一个能绕着轴旋转的马达，而不只是沿着轴上下滑动的分子马达。费林加先生在1999年创造出这样的分子马达，并且因此荣获诺贝尔奖。他的深刻见解在于弄懂了如何让分子环朝着一个方向可靠地旋转——因为一台启动后可能随机朝某个方向旋转的马达没有多大用处。到2011年时，他在荷兰格罗宁根大学的研究团队已经掌握灵巧的技术，足以制造出一台“纳米汽车”。这辆“纳米汽车”由一个分子底盘连接四个“车轮”，它能以非常缓慢的速度穿过某个表面。

这些发明要过多久才会转变成具体产品？这还有待观察。在乐观主义者口中，人类日后会制造出很多分子尺寸的机器，从给药装置到微小计算机，不一而足。悲观主义者们回忆起纳米技术是个经常被研究者和投资者夸大的领域，只会在实际困难面前暴露原形。

然而，有理由希冀纳米技术会最终成功。这是因为人类的各种发明往往都会出现这种情况：大自然母亲早已捷足先登。活细胞能够想象成纳米技术机器的组装产物。比如说，合成三磷酸腺苷（ATP，这种分子用于几乎所有活细胞，是生物化学反应的“燃料”）的酶包含一种旋转的分子机器，酷似费林加博士的发明。它很管用。人体内的ATP合成器的产量很高，在一天之内，它们会创造出几乎相当于一个人体重的ATP。如果能够在商业上做出一些成绩，围绕着纳米技术的宣传也许会证明其本身的正确。

细胞如何吃掉自己

大自然中纳米技术的另一项例子是“自体吞噬”（autophagy来自于希腊文，是“自食”的意思）。对于亚细胞组分进行分解，再重新利用的机制就是自体吞噬。今年，由卡罗琳医学院颁发的诺贝尔生理学或医学奖授予东京工业大学的大隅良典，他的研究工作主要是发现了自体吞噬的工作机制。

大隅开始研究工作时，生物学家知道自体吞噬是个两步骤的过程。首先，要使重新利用的亚细胞组分被一层脂肪膜围住，创造出一个称为“自噬体”的水泡状囊泡。接下来，自噬体与第二种称为溶酶体的囊泡融合。这种溶酶体里充满了消化酶，而消化酶能分解自噬体的内容物。然而，生物学家并不清楚细节，尤其是自噬体如何形成的过程仍然如谜一般。大隅博士被授予诺贝尔奖，正是因为提供了自噬体如何形成的细节。

大隅良典1988年开始研究这个问题，具体研究的是酵母中的自体吞噬。酵母是一种被研究得很透彻的有机体，常常被生物学家用来观察基本的细胞进程。遗憾的是，酵母细胞很小。这意味着大隅博士一开始无法轻易地在显微镜下辨别出酵母细胞内的自噬体。他解决这个难题的方法是抑制溶酶体内消化酶的生成。那就意味着自噬体不再被摧毁，而是会积聚下来，达到自噬体能够被观察到的程度，这样就能对其予以研究。

这项研究发表于1992年，是其余研究工作得以进行的关键。此后，确认了自噬体组装过程中参与的基因，转而促进了对这些囊泡诞生机制的理解。大隅博士选择酵母作为研究对象，在这时候体现了好处。在他开始研究工作时，酵母的基因组已经被透彻地研究过，并且作为人类基因组计划的一部分，酵母成为了第一批全部基因获得阐明的生物。对基因进行敲除，这样酵母细胞停止工作，接着检查部分基因缺少的后果，就能够构建起自噬体组装过程的全景。而且，尽管酵母和人类并没有密切的关联，但自体吞噬是一种基本的细胞进程，两个物种中的自体吞噬过程或多或少是一样的，因此酵母自体吞噬是人类自体吞噬的良好范本。

这点很重要，因为大隅博士的研究工作有着更宽广的分支利用，而不仅仅是阐明细胞内“打扫卫生”的重要一点。他的研究能帮助解释侵入的病原体细菌和病毒会被如何处理（这样的不速之客会被自噬体吞入），有助于解释包括帕金森症和某些类型糖尿病的发病机理（当自体吞噬出错，细胞内垃圾累积，就会引发上述病症）。

理解自体吞噬也就有了重要的实际意义。这点看起来恰好与诺贝尔物理学奖的获奖内容截然相反。宣布诺贝尔物理学奖得主的评委会头一个承认了这一点。评委们强调了获奖的研究工作内在的数学之美，又强调了研究的实际应用——目前实际应用为零。

这里提到的数学是拓扑学，是几何学的一个分支，与洞之类的“不变量”打交道。这些洞只能以离散的整数存在于几何形状中（世上没一样东西能拥有半个洞）。三位诺贝尔物理学奖获得者——西雅图华盛顿大学的戴维·索利斯（David Thouless），新泽西州普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane），罗德岛普罗维登斯布朗大学的约翰·迈克尔·科斯特利茨（John Michael Kosterlitz）——将拓扑学应用到材料科学上，从而提出了物质在不同寻常状态下的表现背后的理论解释。

令人入迷的涡旋

让人感兴趣的一点是，这三位获奖者都是20世纪“人才外流”的产物，当时大批英国出生的科研工作者向西前往美国，奔着更丰厚的薪水和更好的实验室。将分得一半奖金的索利斯博士早在上个世纪70年代就与科斯特利茨博士（他和霍尔丹博士平分另外一半奖金）有过合作，那时两人仍然在英国。他们合作研究的成果将会推翻旧的想法，即超导电性（超导电性这种现象是指导体的电阻消失为零，通常发生在导体材料被冷却到一个接近绝对零度的温度以下）不可能发生在材料薄层中。根据他们的计算，超导性在材料薄层中可能存在，而且是因为这样的薄层中的配对涡旋的作用。

涡旋是洞的一种类型，是拓扑学上的不变量。当材料的温度升高，这些涡旋得以四处移动，从而破坏了超导电性。这种变化实质上是从一种物质状态到另一种物质状态的相变，正如温度会让晶格中的原子自由活动，发生由固态到液态的相变。

索利斯博士在20世纪80年代早期迁居美国，在那里继续研究，表明在磁场下导向完全超导电性和由完全超导电性导出的逐步转变（这个现象被称为量子霍尔效应）也是一类拓扑不变量。20世纪80年代后期，霍尔丹博士由英国移居美国后，研究表明这个过程中压根不需要磁场的参与。

对于许多观察者而言，诺贝尔物理学奖选择颁奖给这样鲜有人知的研究项目——尤其是在今年——让人非常讶异。很多人之前都以为，2015年里由一个叫做LIGO的实验做出的引力波发现有可能获奖。那会是延续阿尔弗雷德·诺贝尔遗嘱中精神，诺贝尔在遗嘱里表示要把奖项颁发给前一年的研究成果。然而，不管出于什么原因，总之瑞典皇家科学院（他们负责挑选诺贝尔物理学奖和化学奖得主）的大人物们决定一直忽略奖项创建者的遗嘱中的这一重要细节。

[资料来源：Economist][责任编辑：彦隐]