2022年诺贝尔科学奖花落谁家？

编译 王晓涛

每年揭晓的第一个诺贝尔奖通常被称为“诺贝尔医学奖”。但这并不是它的真名。实际上我们应该把它叫作诺贝尔生理学或医学奖。2022年获奖者的研究方向就属于生理学领域。获奖者——只有一个，而不是通常的两三个——是斯万特·帕博（Svante Pääbo）。基本上可以说，正是他发明了古基因组学这样一门学科，这是他与众不同的地方。

古基因组学是对古代（通常已灭绝）生物物种基因组的研究。帕博博士特别专注于研究古代的人属物种。他的早期研究始于1985年，与埃及木乃伊相关。埃及的木乃伊始于大约4 600年前。从古生物学的角度来看，4 600年不过是弹指一挥间。埃及的沙漠气候特别有利于DNA的保存。所以这对于帕博而言是一个很好的科研起点。渐渐地，随着基因测序技术的改进，他将目光延伸向了更遥远的过去。

1997年，他取得了第一个重大突破。当时的他正对生活在欧洲和西亚、于大约3万年前灭绝的尼安德特人的线粒体DNA进行了测序。线粒体是细胞的动力站，它从葡萄糖中提取能量并将其转移到被称为ATP的分子中，然后驱动代谢反应的发生。因为它们来自大约20亿年前与动植物祖先的细胞共生的细菌，所以线粒体有自己的DNA，与细胞核中的DNA有所不同。而且由于细胞中有很多线粒体而只有一个细胞核，因此线粒体的DNA更加丰富，从而更有可能被检测到。

帕博博士的分析表明，尼安德特人的线粒体DNA确实与智人的DNA不同。基于这种DNA的进化速度，我们可以估计出两个物种的分化时间（约80万年前）。然而，真正的重要成果出现在2009年，他和他帮助建立的德国莱比锡马克斯普朗克进化人类学研究所的同事们于当年宣布，已经测得了尼安德特人的DNA序列——由于技术的改进，“可检测”量的值已经改变。我们可以通过这一序列以及后继序列，将智人的基因组汇编，并与尼安德特人的基因组区分开。据推测，在这个基因组目录中，存在着对智人这一物种为何如此非比寻常的解释，但目前我们对此还不清楚。

然而，在帕博博士的职业生涯中，最大的意外之喜可能是他纯粹从DNA中鉴定出一个完整的新物种，即丹尼索瓦人。该物种的原始基因组是从阿尔泰山脉的一个洞穴中发现的指骨中提取的。丹尼索瓦人与尼安德特人的亲缘关系比与智人的关系更密切。随后的分析表明，二者有时会杂交。从现在的角度来看，更可能的关联原因是，当这些非洲物种在大约7万年前开始出现在他们的欧洲和亚洲家园时，两者都与智人杂交。留下的痕迹仍然存在：现代欧洲人拥有1%～2%的尼安德特人DNA，亚洲和澳大利亚的一些人拥有多达6%的丹尼索瓦人DNA。

因此，可以说帕博博士的职业生涯就是一次科学探测之旅。还有一件值得一提的事。虽然他的职业生涯大部分时间都在德国度过，但他是瑞典人。阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel）在遗嘱中指出：“我明确表示，在颁发奖项时，不要考虑国籍，而是将奖项颁发给最有价值的人，无论他们是不是斯堪的纳维亚人。”然而，当卡罗林斯卡学院诺贝尔大会秘书托马斯·帕尔曼（Thomas Perlmann）宣读这一声明时，自豪感溢于言表。

一个纠结的谜题

诺贝尔物理学奖颁发给了三位科学家，他们对量子力学基本性质的见解为技术新时代奠定了基础。量子计算机、量子网络安全和量子密码学都根植于阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John F. Clauser）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger）几十年来进行的实验。

他们的工作重心是量子纠缠现象，其中成对的粒子彼此关联，因此表现得好像是单独的单元一样。这导致了一些违反直觉的效果——例如，改变一个粒子在这样一个纠缠对中的属性就会使得另一个粒子立刻发生改变，无论粒子相距多远，它们可以彼此相邻，也可以位于银河系的两端。

然而，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）并不是量子力学概率性质的粉丝，他将纠缠描述为“幽灵般的超距离作用”。他和其他人担心，这似乎会打破狭义相对论的规则，即没有什么能比光速更快。他认为，如果纠缠的粒子相隔很远的距离，那么信息怎么可能瞬间就能在它们之间传播呢？

1935年，爱因斯坦和两位同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）以及内森·罗森（Nathan Rosen）提出了一个思想实验（后来被称为“EPR悖论”），以弄清在纠缠中看到的奇怪行为是否意味着量子力学不是对现实的完整描述。也许粒子还携带着量子力学没有描述的隐藏信息，比如它们在实验过程中被测量时可能如何行动。1964年，日内瓦欧洲核子研究中心的物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）进一步发展了EPR悖论，并提出了可测试的预测，以确定隐变量是否真的存在。

差不多十年后，克劳泽实施了第一个实验来测试贝尔的想法。他的结果与量子力学的预测一致，并表明爱因斯坦的隐变量可能不存在。然而，这些实验留下了一些漏洞，这些漏洞在20世纪80年代初被法国巴黎第十一大学的研究生阿斯佩彻底解决。通过对克劳泽博士的实验进行微调和改进，阿斯佩博士将最后一颗钉子钉在了爱因斯坦隐变量的棺材上。

第三位物理学奖得主，维也纳大学的蔡林格花了几十年时间寻找利用量子纠缠效应的方法。1997年，他证明了在粒子之间传递信息是可能的，这一过程被称为“量子隐形传态”。他还证明了两对纠缠的粒子可以通过某种有趣的方式相互作用。特别地，将每个纠缠对中的一个粒子聚集在一起会导致剩余的两个粒子（它们从未接触过）本身纠缠在一起。

操纵纠缠粒子系统的量子态已成为量子计算和量子加密等技术的基础。在2022年物理学奖获得者的工作基础上，由纠缠光子组成的信号已经可以通过几公里长的光纤发送，甚至在地面上方数百公里处的卫星之间传输。

“量子信息科学是一个正在快速发展的充满活力的领域，”瑞典皇家科学院物理学奖授予委员会成员伊娃·奥尔索（Eva Olsson）说，“它在安全信息传输、量子计算和传感技术等领域具有广泛而潜在的影响。我们可能已经打开了通往另一个世界的大门。”

蔡林格博士在之后发表讲话时说，一小时前接到学院的电话时，他十分惊讶。“我现在仍然有点震惊，”他说，“但这是一个非常令人欣喜的消息。”

点击并收集

第三项诺贝尔奖，即化学奖，颁发给了一种名为“点击”化学的技术的发明者。所有的化学技术都是把分子放在一起并将它们切分开。因反应不同，具体的细节也会不一样。但是在许多领域，有一种方法可以将构建大分子的模块结合在一起，而不管这些较小单元的化学性质如何。这就是点击化学的作用，用途十分广泛。

三位获奖者中的两位，哥本哈根大学的莫滕·梅尔达尔（Morten Meldal）和加利福尼亚州拉霍利亚斯克里普斯研究学院的巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）（之前已经因催化剂的研究获得过诺贝尔奖）发明了这一技术。第三位是斯坦福大学的卡罗琳·贝尔托西（Carolyn Bertozzi），将点击化学技术应用于生物系统。不管应用的领域如何，这一技术都使用一对化学基团——叠氮化物（其中三个氮原子连续连接在一起）和炔烃（其中两个碳原子通过三键连接）。在适当的情况下，它们将反应形成称为三唑的结构（由两个碳和三个氮组成的五元环），同时附着在它们的原始分子上。从本质上讲，叠氮化物和炔烃就像是卡扣的两半。

在梅尔达尔博士和夏普利斯博士在2001年和2002年独立地研究这个问题之前，叠氮化物和炔烃之间的反应确实有效，但只是一个缓慢的过程，并且倾向于产生混合的产物。他们试图改变这种状况。经过一番实验，他们发现，铜离子大大提高了速度和纯度。点击化学就这样诞生了。对于纯化学过程，他们的方法效果很好，比如，他们改善了药物开发、DNA测序和材料生成等领域的化学合成技术。

然而，在将化学融入生物学时，一个问题出现了。对于生物系统而言，铜离子具有毒性。因此，贝尔托西博士决定研究一种方法，使叠氮化物和炔烃在没有铜参与的情况下做出反应。她的解决方案于2004年以论文的形式发表。带扣的炔烃一半包含在分子中，使其处于应变状态，从而更容易反应。她通过将三键碳原子插入八元环中做到了这一点。当碳原子环有六个碳原子时会最稳定。八碳原子环扭曲了其中的键，从而使其应变。

为了解决她感兴趣的特定问题，即研究通常会在细胞表面发现的称为聚糖的糖类聚合物，她将叠氮化物基团连接到形成聚糖亚单位的糖分子上，并将产物放入细胞中。正如她所希望的那样，这些改性糖被掺入了聚糖中。然后，一旦这些聚糖暴露于外部世界，她就能够用应变炔烃环安装标记物，将荧光标记分子附着在这些聚糖上。

贝尔托西博士发明的这种分子特异性荧光标记方法与使用铜的方法不同，是生物正交化学的重要用途。它现在不仅可以用于标记分子，还可以跟踪并查看目标分子在细胞内如何相互作用。此外，它还可以帮助我们更好地了解某个疾病背后的过程，并且可以用于协助药物的开发。因此，点击化学及其生物正交分支是21世纪最重要的化学发明之一，其发明者获得诺贝尔奖当之无愧。

资料来源 The Economist