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諾貝爾獎醫學物理化學揭曉:獎項背后 是被他們改變的世界 [復制鏈接]

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離線諶舒蘭
 

只看樓主 倒序閱讀 使用道具 樓主  發表于: 2019-10-11
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      細微到人體細胞變化機制,宏大至頭頂的浩渺星空;縹緲如探尋“第二個地球”之旅,貼近像鋰電池、抗癌藥的研發……
      
      本周,2019年諾貝爾生理學或醫學獎、諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎等陸續揭曉。這些獎項,凝聚著各國科學家科研智慧。
      
      獎項背后到底有著怎樣的故事?這些科研成果又有著多少值得期待的未來前景呢?記者先后采訪了幾位生物學、物理學及化學領域的專家,為我們一一揭開今年諾貝爾獎的神秘面紗。
      
      諾貝爾生理學或醫學獎
      
      發現細胞隱秘機制我們對生命理解得更多了
      
      2019年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國和英國的3位科學家塞門扎、拉特克利夫和凱林,以表彰他們“在理解細胞感知、適應氧氣變化機制中的貢獻”。
      
      其中,約翰·霍普金斯醫學院的格雷格·L·塞門扎揭示了身體應對低氧的關鍵激素紅細胞生成素基因的調控機制,找到了轉錄因子——低氧誘導因子(HIF)。今天,HIF已成為開發許多藥物包括癌癥藥物的熱門靶點。
      
      實際上,這一摘得科學最高桂冠的研究工作,是塞門扎教授和他的中國學生王廣良在20世紀90年代共同完成的。在諾獎評獎委員會列出的獲獎成果關鍵文獻中,王廣良是3篇論文的第一作者、1篇論文的第二作者。
      
      王廣良是浙江天臺人,1983年畢業于原杭州大學生物系,1986年在中科院細胞所獲碩士學位,后赴美留學,取得士學位后,又跟隨塞門扎教授從事士后研究,為發現HIF做了大量具體工作。記者7日晚采訪了現就職于美國一家制藥企業的王廣良士。
      
      “我是塞門扎先生的第一個士后,當時整個實驗室就只有我們兩個人。在尋找HIF的絕大部分時間里,都是我一個人在做具體的科研工作。”王廣良回想起20多年前的科研往事,仍十分激動。塞門扎在約翰·霍普金斯醫學院有教學任務,他還是一位從業醫生,要診治病人,因此大量的科研工作都壓在王廣良的肩上。
      
      當時,細胞如何應對低氧狀態是一個前沿方向。科學家已經發現氧氣不足時腎臟會分泌EPO來促進紅細胞產量提升,但這一機制的開關在哪里?王廣良正是出于對這個問題的濃厚興趣,才投入塞門扎教授門下。“塞門扎先生非常聰明,對科學事業專注、執著,他指出了以EPO為靶基因探尋背后生物分子機制的正確研究方向,并為開展研究整合多方資源。而我則心無旁騖地在實驗室里將他的設想付諸實施。”王廣良說。
      
      在近兩年的時間里,王廣良沒日沒夜地在實驗室工作,培養了數百升人類細胞,不斷分離雜質,最終取得幾毫克的HIF蛋白。他和導師發現,當細胞缺氧時,HIF濃度會上升,進入細胞核并激活EPO基因。隨后,他們又進一步明確了HIF的蛋白結構:HIF主要由兩種結合不同DNA位點的蛋白組成,分別為HIF-1α和ARNT。一旦氧氣濃度下降,HIF-1α的含量開始上升,這樣大量的HIF-1α就能結合到EPO基因附近來調節EPO的表達。并且,HIF-1α在正常情況下會迅速降解,以保證氧氣供應不會紊亂;但在低氧狀態下,HIF-1α則不會迅速降解。
      
      三位諾獎得主對細胞感知、適應氧氣變化機制的研究在2016年已摘獲生物醫學領域重要獎項拉斯克獎。塞門扎教授獲獎后寫了一篇文章講述取得這一發現的經過,文中他充滿感情地回憶王廣良取得HIF蛋白后激動萬分的神情。
      
      為了投身更具應用性的工作,王廣良在其后離開了塞門扎的實驗室,轉為在制藥企業從事開發。“如果我繼續在實驗室做下去,和塞門扎先生一道完成有關細胞感知氧氣機制的更多研究,也許今天就能和他一起分享諾貝爾獎。”王廣良說,“但是我沒有感到遺憾、后悔。不管是做基礎研究,還是開發新藥,或做臨床研究,我們都是在生物醫學領域耕耘,都是為了服務于人類的福祉。”
      
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      成功制造鋰電池我們迎來了可充電的世界
      
      今年的諾貝爾化學獎授予三位在鋰電池領域做出重要貢獻的科學家古迪納夫、惠廷厄姆和吉野彰。正如評獎委員會所說,他們為人類帶來前所未見的強大電池,創造了一個可充電的世界。如果沒有他們發明的鋰電池,就不會有智能手機,平板電腦或筆記本電腦。
      
      20世紀70年代,英國科學家斯坦利·惠廷厄姆用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成了首個鋰電池。但鋰電池使用的電極材料金屬鋰,是世間最活潑的元素之一,極易燃燒。生產組裝過程中稍有不慎,泄進了空氣,輕則電池報廢,重則起火燃燒。而在肉眼看不到的地方,還有一個更大的隱患:因為動力學等因素,鋰金屬表面會形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。隨著電池的使用,這些枝晶會越長越大,最終會刺破電池正負極之間的隔膜,造成短路,引起電池自燃。
      
      隨后,針對這一問題,美國科學家古迪納夫用鈷酸鋰代替硫化鈦,實現了第一個真正可以安全充電的鋰電池。日本科學家吉野彰首次提出用碳基材料作為陽極。古迪納夫和吉野的成果最終確立了當下鋰電池的范式:以碳基材料為陽極,以鈷酸鋰為陰極,1991年,這種鋰電池被索尼公司推向市場。由此,鋰電池的大規模使用徹底改變了我們的世界。
      
      三位科學家如今都已過垂暮之年,人們回望他們開啟的壯麗事業,仍會感到激動。
      
      浙江工業大學材料科學與工程學院夏陽副教授2016年到2017年曾在美國德州大學奧斯汀分校訪問,和古迪納夫教授有過密切交往,這位極具傳奇色彩的科學家給夏陽留下了深刻印象。
      
      古迪納夫時年94歲,仍然每天到辦公室工作,大多數時候還是自己開車。“早上8點半到9點鐘,他到實驗室轉一圈,然后坐在辦公桌前開始工作。”夏陽說,古迪納夫的案頭放著許許多多論文、報告、方案等,他一一仔細閱讀,提出修改建議。他辦公室的大門始終敞開著,學生和同事們隨時可以進來和他討論。夏陽愉快地回憶說,老爺子性情開朗,時常發出“哈哈哈”的爽朗笑聲,可以從他9樓的辦公室一直傳到8樓的走廊上。
      
      古迪納夫的一生充滿了傳奇色彩。他是舉世公認的“鋰離子電池之父”,卻幾乎沒有從發明中獲得經濟利益;他在年輕時酷愛文學與哲學,最終卻誤打誤撞以優異成績從耶魯大學數學系畢業。
      
      正當古迪納夫打算攻讀物理學時,二戰爆發了,古迪納夫加入軍隊,以氣象專家的身份為航空部隊服務。戰爭結束后,他決定繼續攻讀物理學。盡管有教授認為以他的年齡,很難在物理學領域有所建樹,但古迪納夫沒有氣餒。獲得固態物理士學位后,他進入林肯實驗室工作。在那里,他發現了鐵氧體磁芯的電流重合記憶功能——電子計算機內存技術的基礎。
      
      在林肯實驗室工作期間,古迪納夫接觸到了一些能源材料,研究了鋰離子的移動。當時正趕上美國受到阿拉伯國家石油禁運的影響,能源問題日益突出。正是在一系列這樣的背景之下,古迪納夫最終投身于鋰電池的研究之中。
      
      在夏陽的記憶里,古迪納夫對科學事業十分專注、投入。“他經常和我們說:Follow your heart(跟隨你的初心)。”夏陽說,即使是在周末,古迪納夫也經常出現在實驗室里。因年事已高,不容易申請到資助項目,他就拿出自己的工資作為課題組成員的補貼,支持年輕人堅持搞科研。人們可能很難相信,這位年過九旬的“鋰電池之父”仍然走在自己開創的事業的最前沿——2017年,古迪納夫團隊研制出了首個全固態電池,這種更安全、充電更快、使用壽命更長的充電電池將為智能手機、電動汽車和能源存儲站提供新的選擇。
      
      吉野彰曾說:“電池技術是復雜又困難的學科交叉領域,它的發展需要多方面的專家。在我看來,鋰離子電池是集體智慧的成果。”今天,在研發新型電池的探索之路上,我們看到許多科學家的身影,這三位白發老者仍在其中。
      
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      眺望宇宙深處我們或許能尋找到第二個地球
      
      2019年諾貝爾物理學獎一半授予詹姆斯·皮布爾斯關于“物理宇宙學的理論發現”;另一半,授予米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛斯“發現了圍繞太陽型恒星運行的系外行星”。
      
      詹姆斯·皮布爾斯教授一生著眼于擁有數十億個星系和星系團的宇宙,為大爆炸模型做出了許多重要的貢獻。皮布爾斯不僅預測了宇宙微波背景輻射,在為大爆炸核合成、暗物質和暗能量做出重大貢獻的同時,他還是20世紀70年代宇宙結構形成理論的主要先驅。
      
      皮布爾斯的理論框架經過二十多年的發展,成為了人類對從大爆炸到今天的宇宙歷史的現代理解的基礎,他將高度猜測性的領域,轉變為精密科學。
      
      大爆炸理論認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。大約140億年前,在宇宙最開始的時刻,當時的宇宙非常熱,密度相當大。自宇宙爆炸之后,宇宙體系在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,溫度也很快冷卻、下降。大爆炸后不到40萬年,宇宙變得透明,光線可以在太空中穿行。即使在今天,這種古老的輻射仍然存在于我們周圍,許多宇宙的秘密都隱藏在其中。
      
      “讓我們把宇宙比作一杯咖啡,這里大部分是咖啡,就是暗能量;然后我開始加奶油,這是暗物質;最后再加入一點點砂糖,這是普通物質。”10月8日晚,諾獎物理學獎委員會科學家用“咖啡三劍客”對皮布爾斯教授的研究進行了現場解讀。
      
      暗物質占據著宇宙實物總量的百分之八十,這意味著它實際上主導了宇宙中的結構形成。在有普通物質的地方,總有暗物質伴隨。當地球在銀河系中運動的時候,它也在不斷地和銀河系中的暗物質粒子交匯。因此,我們在地球上就有可能捕獲到暗物質。
      
      20世紀80年代,皮布爾斯教授描述了一類被稱作“冷暗物質”的模型。這一類暗物質粒子在宇宙早期相對于光速運動得非常緩慢,因此被稱作是“冷”的。由于這種冷的特性,由這類暗物質主導的宇宙中,最先形成的結構是質量非常低的暗物質小團塊。這些團塊會通過合并和吸積周圍的暗物質增長。普通的物質會沉積在暗物質團塊的中心,直到恒星點燃,星系形成。
      
      利用超級計算機,人們可以模擬由這一類暗物質主導的宇宙中結構是如何形成的。結果顯示:冷暗物質可以完美地解釋星系巡天觀察到的星系空間分布狀態。正如上述咖啡的實驗,奶油與咖啡的漩渦交融畫出條紋那樣,借助皮布爾斯教授的貢獻,人類正在搞清楚自己在宇宙中的位置。
      
      而獲獎者米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛斯則堪稱“第二個地球”的探尋者。1995年,這兩位科學家發現了第一顆圍繞類日恒星運行的系外行星,它環繞類日恒星“飛馬座51(51 Pegasi.)”運行,距離地球只有50光年。
      
      “某種程度上,發現系外行星的成就,與哥白尼的日心說可以比擬,都是改變人類世界觀的重大成就。日心說證明我們的地球在太陽系中并不特殊,系外行星證明宇宙中有無數個地球。”中科院國家天文臺研究員鄭永春說。
      
      搜尋系外行星正在成為當今科學研究的前沿熱點。近年來,系外行星觀測取得重要進展,迄今為止發現并確認的系外行星已超過3500顆。
      
      許多太空科幻電影中,都描繪了人類未來可能移居到地外星球的光明前景。而銀河系中像太陽一樣的恒星有上千億顆,而整個宇宙中像銀河系一樣的星系又數以千億計。那是不是在太陽系外的另一個恒星系,也有圍繞另一顆“太陽”運行的系外行星呢?它適合我們移居嗎?宇宙中還是否有其他智慧生命?
      
      要找系外地球,先找系外行星。行星不發光,要確證它們的存在可不容易。
      
      早在1855年,就有天文學家宣稱發現了系外行星,但直到20世紀90年代,人們對行星的認識還僅局限在太陽系內。1992年,人類首次發現有質量與地球相近的天體環繞著脈沖星PSR B1257+12。
      
      而當時間流淌至1995年時,本屆的諾獎物理學獎獲得者——米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛斯則又將這一“第二地球”的探索之旅往前推出重要一步。他們用視向速度法首次發現了飛馬座的一顆恒星(即類日恒星“飛馬座51”)旁有行星在運轉。這顆首個被發現的太陽系外行星體型龐大,質量是地球的150倍,被稱為巨行星。
      
      此后,不斷有系外行星被發現,雖然絕大多數都是氣體巨星,但是也有少數珍貴的類地行星浮出水面。
      
      鄭永春告訴記者,真正尋找到類太陽恒星的宜居行星非常困難,一方面是需要非常高的測光精度,另一方面還要長時間連續觀測,這只有太空望遠鏡才能做到。“不過,隨著技術的突破,發現第二個地球也可能只是時間問題。”鄭永春說。
      
      
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