科學(xué)第一獎(jiǎng)長(zhǎng)啥樣

冉浩

2013年，舉世矚目的諾貝爾獎(jiǎng)已塵埃落定。除后來(lái)追加的經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)外，傳統(tǒng)的諾貝爾獎(jiǎng)一共有五項(xiàng)，包括了文學(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng)和三項(xiàng)科學(xué)獎(jiǎng)，后者分別是生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)。其中，科學(xué)獎(jiǎng)離政治最遠(yuǎn)，被譽(yù)為科學(xué)界的第一獎(jiǎng)，每次的獲獎(jiǎng)?wù)叨伎芍^眾望所歸，這次也不例外。現(xiàn)在，就讓我們一起扒一扒2013年的科學(xué)獎(jiǎng)。

小“泡泡”大作用

諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了美國(guó)的詹姆斯·E·羅斯曼、蘭迪·W·謝克曼和德國(guó)的托馬斯·C·蘇德霍夫，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了細(xì)胞“吹泡泡”的重要作用。

沒(méi)錯(cuò)，如果在電子顯微鏡下，你能看到一個(gè)個(gè)定格在“吹泡泡”瞬間的細(xì)胞們，而這些“泡泡”對(duì)細(xì)胞們來(lái)講，意義重大，它們吃喝拉撒全靠這些“泡泡”了。這些“泡泡”被稱(chēng)為囊泡或者膜泡，它們表面覆蓋著薄薄的一層膜，物質(zhì)就是通過(guò)囊泡從一個(gè)細(xì)胞被“打包郵寄”到另一個(gè)細(xì)胞的。

但事情比我們想象的還要復(fù)雜一些，細(xì)胞要知道何時(shí)釋放出囊泡，更要讓囊泡到達(dá)目的地，而且這種運(yùn)輸還不僅限于細(xì)胞之間，甚至在細(xì)胞內(nèi)也能夠發(fā)生。細(xì)胞內(nèi)部被很多類(lèi)似細(xì)胞膜的膜結(jié)構(gòu)分割成不同的功能區(qū)域，這些功能區(qū)域之間也可以通過(guò)囊泡進(jìn)行“包裹郵寄”。謝克曼發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中某些蛋白質(zhì)能夠引導(dǎo)囊泡運(yùn)輸，他通過(guò)改變這些蛋白質(zhì)，成功地將囊泡運(yùn)送到了不同的區(qū)域。羅斯曼則更進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)原來(lái)這些蛋白質(zhì)是鑲嵌在囊泡表面的，它們能夠和目標(biāo)區(qū)域膜上的蛋白質(zhì)進(jìn)行互補(bǔ)，當(dāng)囊泡運(yùn)動(dòng)到那里的時(shí)候，就像握手一樣，來(lái)自?xún)蓚€(gè)膜的蛋白質(zhì)緊緊“抓”在一起。如果雙方不匹配，就“手滑了”，不會(huì)發(fā)生結(jié)合。接下來(lái)，就在雙方結(jié)合的蛋白質(zhì)的作用下，“郵包”被接收了。

細(xì)胞還可以把物質(zhì)“打包”，但并不會(huì)把整個(gè)包裹丟出去，而是像抖袋子一樣把里面的東西丟到細(xì)胞外去，至于“袋子”則還在細(xì)胞手里。這被稱(chēng)為“胞吐”，我們也可以取個(gè)更大眾化的名字，那就是分泌。蘇德霍夫便是從神經(jīng)細(xì)胞入手，研究了這個(gè)過(guò)程：當(dāng)上一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞興奮的時(shí)候，它會(huì)想辦法去刺激下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，通過(guò)胞吐的方法釋放出物質(zhì)，引起下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的興奮或抑制。細(xì)胞還可以用類(lèi)似的“袋子”將外面的東西“兜”進(jìn)來(lái)形成囊泡，如人體的免疫細(xì)胞可以用這種方法吞噬病菌，然后在體內(nèi)消化掉它們，再以胞吐的方式將殘?jiān)懦觥?/p>

至此，我們可以構(gòu)建出一幅生物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)木跋螅杭?xì)胞通過(guò)胞吞從體液中獲取物質(zhì)，然后通過(guò)胞吐把物質(zhì)排放到體液中，而在細(xì)胞內(nèi)，囊泡也在傳遞著各種物質(zhì)——這便是生物體中最重要的物質(zhì)運(yùn)輸景象之一。

當(dāng)試管的計(jì)算機(jī)

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾，因?yàn)樗麄冇糜?jì)算機(jī)揭開(kāi)了化學(xué)反應(yīng)的奧秘，把計(jì)算機(jī)當(dāng)成了反應(yīng)的試管。

這一成果解決了困擾化學(xué)家多年的難題，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是非常微觀的變化，一支試管中的反應(yīng)可能在千分之一秒內(nèi)完成，化學(xué)家想要捕捉到反應(yīng)的過(guò)程非常困難，所以很多時(shí)候要靠計(jì)算。

但是這真的很難計(jì)算，特別是在面對(duì)著由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的原子構(gòu)成的大分子時(shí)，其工作量是不可想象的。就在化學(xué)家們一籌莫展的時(shí)候，卡普拉斯等科學(xué)家則開(kāi)始把目光鎖定在計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)擁有遠(yuǎn)超人類(lèi)大腦的計(jì)算能力，如果用它來(lái)描述分子的結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果，會(huì)不會(huì)更容易呢？

但是即使是計(jì)算機(jī)，也無(wú)法監(jiān)控和分析大分子的每一個(gè)部分，這時(shí)候，他們采取了一種折中的創(chuàng)新方法——用粗略的模型來(lái)描述分子的絕大部分，而用細(xì)致的模型來(lái)分析分子的反應(yīng)活性中心，從而來(lái)模擬和預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)。他們把注意力轉(zhuǎn)向生物體內(nèi)主要的催化物質(zhì)——酶上面。酶是重要的化合物，因其能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率而作用廣泛，如洗衣粉中普遍添加了酶類(lèi)物質(zhì)以加快污漬的分解速度。1976年，第一個(gè)酶反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型誕生了。這個(gè)程序是革命性的，因?yàn)樗m用于任何種類(lèi)的分子，幫助各種分子甚至是超級(jí)分子建模。他們還進(jìn)一步節(jié)省了計(jì)算工作量，讓計(jì)算機(jī)“無(wú)視”部分結(jié)構(gòu)，使計(jì)算的功能更為強(qiáng)大。

現(xiàn)在，科學(xué)家已能借助計(jì)算機(jī)模擬極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，一點(diǎn)一點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程。這無(wú)疑是化學(xué)界的革命。通過(guò)該模型，還可以設(shè)計(jì)分子實(shí)驗(yàn)。比如我們可以移動(dòng)一些原子的位置，驗(yàn)證酶的“工作效率”，重新設(shè)計(jì)酶，將其優(yōu)化。再比如，在模擬藥物的作用機(jī)理時(shí)，電腦可直接對(duì)與藥物相互作用的分子結(jié)構(gòu)執(zhí)行計(jì)算，精確分析出藥物發(fā)生作用的全過(guò)程，全面評(píng)估藥物造成的影響。

前進(jìn)的腳步不止于此，萊維特描述過(guò)他的夢(mèng)想之一：在計(jì)算機(jī)里制造一個(gè)由虛擬分子構(gòu)成的生命。這是一個(gè)誘人的想法，至于能夠走多遠(yuǎn)，帶給我們的認(rèn)知有多深，則要由時(shí)間來(lái)決定。

觸摸“上帝粒子”

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了比利時(shí)的弗朗索瓦·恩格勒和英國(guó)的彼得·希格斯，因?yàn)樗麄儚睦碚撋项A(yù)言了希格斯玻色子的存在，人類(lèi)找到了“上帝粒子”。

我們一直在思考世界是怎樣形成的，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力構(gòu)成了世界的基本力。我們也將物質(zhì)分割到目前已知的最小狀態(tài)，稱(chēng)為“基本粒子”，但并非所有的基本粒子都擁有質(zhì)量，那構(gòu)成我們身體的質(zhì)量是如何產(chǎn)生的呢？

希格斯等人預(yù)言，存在一種玻色子，也是一種基本粒子，能夠使一些基本粒子擁有質(zhì)量，被后人稱(chēng)為“希格斯玻色子”。按照他們的推測(cè)，宇宙在爆炸中誕生，初成之時(shí)，所有的粒子都以光速在空間中運(yùn)動(dòng)，包括希格斯玻色子。之后，隨著宇宙的冷卻，希格斯玻色子凍結(jié)形成了均勻的結(jié)構(gòu)，它們阻礙了一些粒子的運(yùn)動(dòng)，使這些粒子減速，然后具備了質(zhì)量，而光子等粒子則不受影響。

這個(gè)說(shuō)法顯然會(huì)讓很多人感覺(jué)云里霧里，英國(guó)官方甚至為此征集可以讓政客們看得懂的比喻，于是有了這樣的說(shuō)法：政客們均勻地分布在一間屋子里面，當(dāng)一個(gè)普通人經(jīng)過(guò)時(shí)，沒(méi)人關(guān)注他，他沒(méi)有任何阻力地通過(guò)了屋子，可當(dāng)首相到來(lái)時(shí)，這些政客們則會(huì)因?yàn)楦鞣N原因圍攏過(guò)來(lái)，聚集在首相周?chē)故紫嗖坏貌煌Ｏ聛?lái)……

慢下來(lái)的粒子開(kāi)始組合在一起，形成中子、質(zhì)子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除，我們身上的電子等粒子就立刻會(huì)以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場(chǎng)面。于是，希格斯玻色子以維持物質(zhì)世界穩(wěn)定的作用而被稱(chēng)為“上帝的粒子”。

2013年，我們終于證實(shí)了這種粒子的存在，它的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)的一大進(jìn)步，關(guān)于世界的基本假說(shuō)得以證實(shí)，一個(gè)新的科學(xué)紀(jì)元由此展開(kāi)。