他們怎樣改變世界

地球如何存在

2013年4月，歐洲核子研究中心（CERN）對希格斯玻色子（Higgs boson）的確認，證實了半個世紀前的六位理論物理學家的預言。

如果說預測未來，理論物理學可能是最高貴冷艷、最目空一切、最居高臨下的自然科學。當今人類任何的科技進步，都遠遠跟不上她的天馬行空。

希格斯玻色子正是王冠上的鉆石之一，它是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子，但一直未被實驗證實，因此成為標準模型的最后一塊神秘拼圖。

由于它可以幫助解析為何其他粒子會有質量（正如地球為什么存在，我們為什么存在），1993年，諾獎得主、美國物理學家萊德曼在《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》（The God Particle： If the Universe Is the Answer， What Is the Question？ ）一書中最早將希格斯玻色子形容為“上帝粒子”，很快這種說法不脛而走。

此時，距離希格斯機制的發現已經有三十年之遙?；厥?964年，英國物理學家彼得·希格斯猜想，空間里存在一種場，其他粒子在希格斯玻色子構成的“海洋”（希格斯場）中游弋。這些基本粒子中，容易碰撞希格斯粒子的就較難加速，反之就容易加速。光子在運動時不與希格斯粒子發生碰撞，因而能以光速行進，質量為零。因此希格斯粒子的根本作用就是賦予物質質量。

對此，英國倫敦大學物理學家大衛·米勒曾有過經典比喻，被中科院理論物理研究所研究員李淼更通俗地改寫為：“假設將充滿真空的希格斯場變成偶像的腦殘粉，這些腦殘粉充滿了一個大廳?，F在，物質粒子進場，這些粒子有些是貴族，有些是名人，最后，還有一位是英國女王。

我們想，也許英國女王最有名，最值得腦殘粉求合影求簽名，她在這個大廳的行進速度最慢，從而質量最大。其次可能是某些足球明星，比方說貝克漢姆，他行進的速度比女王稍快些，再其次是其他名人……”

因此，被希格斯場纏上了粒子才有了質量，例如電子。按照這個理論，假如你我的組成部分里沒有希格斯玻色子，那我們每個人身上的電子就會像光一樣跑得快，就無法與原子核構成原子，那我們也就不復存在了。

于是，1964年，希格斯寫了兩篇論文來闡述希格斯場，每篇都只有兩頁紙。但是，《物理快報》（Physics Letters）只接受了第一篇論文。審讀第二篇論文的是芝加哥大學的日本著名物理學家南部陽一郎，后者是當時亞原子物理學的權威，曾提出零質量的戈德斯通玻色子，也被認為是希格斯機制的奠基人。南部陽一郎建議希格斯增加一小節來解釋其理論的物理意義。希格斯加了一段話，預言這個激勵場就像海洋中的波浪一樣，會產生一種新粒子。然后，他把改過的論文投給了《物理快報》的競爭對手—《物理評論快報》（Physical Review Letters），結果發表了。

理論物理學家的世界只有理論物理學家才懂。就在希格斯的論文登上《物理評論快報》時，同年另外五位理論物理學家也各自提出了高度相似的機制，包括32歲的比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒和36歲的羅伯特·布繞特（已故），還有杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾三位美國物理學家。

但是，在接下來的幾十年里，從事實驗的科學家們一直無法找到希格斯粒子衰變的產物。后者也被認為是發現希子的關鍵。正如W玻色子和Z玻色子的確認，都是憑借其衰變的產物進行判斷。

直到去年CERN的粒子對撞，CMS和ATLAS實驗室終于得出了讓人振奮的結論。為了這一天，理論物理的天（feng）才（zi）們等了近半個世紀。

細胞如何運作

細胞的運輸系統一向是諾貝爾生理學獎的寵兒。此前，細胞運輸系統的研究已經收獲了2次諾貝爾獎—分別是在1974年和1999年。

人體的正常運轉有賴于細胞運輸系統的精確工作。

一個成人的身體有100億個細胞，而每一個細胞又包含了10億個蛋白質分子，它們時時刻刻處于合成、運輸和降解的動態過程中。蛋白質一經合成，就會被運送到各個不同的地點，執行著各自特殊的生物功能。

有些蛋白質會被運送到細胞內部的各種細胞器中，還有些蛋白質需要被送到細胞外，比如唾液淀粉酶、胃蛋白酶、消化酶、抗體和部分激素，只有到達了工作崗位，蛋白質才能發揮它們應有的功能。

如果囊泡沒有打包好、運輸途中發生堵塞、沒有到達正確的地點、沒有細胞肯簽收它，那你的身體就要遭殃了，糖尿病、白化病、神經系統和免疫系統疾病接踵而來。

多數蛋白質在運輸的過程中，都需要跨越各種生物膜，而蛋白質的分子太大，是沒有辦法直接穿過生物膜的，那這些分子是如何穿過障礙到達工作地點的？

1960年代，喬治·帕拉德的研究發現細胞器間存在蛋白質的運輸，運輸過程是由一種被稱為“囊泡”的結構所操縱的。蛋白質到達生物膜附近，周圍的膜將它包圍，形成一個“囊泡”，然后脫落，成為一個獨立的“包裹”，然后被運送到另一膜處，與其融合或者結合。多種類型的囊泡頻繁地往返運送這些“貨物”（蛋白質）到不同的位置完成既定的工作—帕拉德也因此在1974年獲得諾貝爾生理學獎。

但是帕拉德的研究僅僅停留在形態的描述階段，沒有人知道囊泡物流系統的運作機制。

1971年，洛克菲勒大學的細胞生物學家甘特·布洛貝爾提出了“信號假說”，就像物流公司會給每個待投遞的包裹一個地址標簽，快遞員按地址送貨一樣，待投遞的蛋白質分子內有一段特殊的氨基酸序列，被稱為“信號肽”，它指明了這個蛋白質分子的目的地。布洛貝爾的信號假說為他贏得了1999年的諾貝爾生理學獎。

2013年的諾貝爾生理學獎得主謝克曼和魯斯曼的工作也始于1970年代，他們想要知道，囊泡是如何形成的？它怎么知道自己要去哪里？到達目的地之后，又是怎么和新的細胞或細胞器結合？

魯斯曼和謝克曼分別用生物化學的方法和基因水平的方法勾勒了囊泡形成、運輸和融合的草圖。不同的是，魯斯曼確定了參與囊泡運輸系統的特殊蛋白，而謝克曼找到了三類影響囊泡物流的基因。

在魯斯曼和謝克曼的理論基礎上，蘇德霍夫解釋了大腦中的神經細胞是如何通過囊泡運輸系統進行溝通和交流的。大腦細胞分泌神經遞質（用于傳遞信息的一種蛋白質分子），形成囊泡，通過鈣離子的調節，和相鄰的大腦細胞結合，釋放出神經遞質。蘇德霍夫的發現解釋了囊泡運輸的時間是如何被精準地調控，以及囊泡中的神經遞質是如何在鈣離子的控制下被釋放出來。

三位科學家發現了細胞運作的一個關鍵過程，不只是人，除了病毒以外，所有的生物都是運用相同的機制進行蛋白質的運輸，這個機制控制著一系列重要的生理過程—大腦信號的傳遞、激素的分泌、免疫調節因子的釋放。糖尿病、神經系統疾病、免疫系統疾病的發生，正是由于這個運輸系統出現了故障。

正如諾貝爾官方所說，沒有這個精準的運輸系統，細胞將陷入一片混亂。

讓分子動起來

2013年的諾貝爾化學獎頒發給了馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、邁克爾·萊維特（Michael Levitt）和亞利耶·瓦謝爾（Arieh Warshel），以表彰他們在“復雜化學體系的多尺度模型”上獲得的成就。這個獲獎理由相當拗口，簡單地說，他們通過理論和計算化學的方法，在不同層面上用計算機來模擬分子的運動。在三位科學家中，馬丁·卡普拉斯的貢獻最為卓著。

卡普拉斯1930年生于奧地利的一個猶太家庭。他的祖父是維也納大學的醫學教授，在他的家族中，幾乎每一代人都會出一兩個醫生。而卡普拉斯從小就對這些醫生的故事很感興趣?？ㄆ绽沟募揖澈懿诲e，但在納粹德國吞并維也納后，一切都發生了改變。卡普拉斯全家經過瑞士來到美國避難。

1947年，卡普拉斯來到哈佛大學讀本科——他只申請了這一個學校?？ㄆ绽瓜Ｍ院竽芙鉀Q生物領域的基本問題，所以他決定先學好物理學和化學。而哈佛恰好有兼顧這兩個學科的學位項目。在畢業的時候，卡普拉斯覺得他已經準備好了，于是來到加州理工學院的生物系開始研究生生涯。不過，他在諾貝爾獎得主馬克思·德爾布魯克（Max Delbrück）手下過得卻很不順，所以他很快又轉到了化學系，師從約翰·柯克伍德（John Kirkwood）和諾獎得主萊納斯·鮑林（Linus Pauling），從事計算化學研究。獲得博士學位后，他在英國牛津大學做了兩年博士后研究，又在伊利諾伊大學香檳分校和哥倫比亞大學研究了核磁共振和化學反應動力學。最終，卡普拉斯在自己的本科學校哈佛大學開始了教授生涯。他一度決定每五年換一個地方，也換一個研究課題。但他找到了一個足夠有趣的問題，這個問題讓他在哈佛呆了將近五十年。

這個問題就是蛋白質的運動和折疊。

原子處于永恒的運動當中，這一觀點早在古希臘時期就由哲學家提出，符合近代的原子學說，又被現代科學的實驗從不同的角度證實。人體中的原子也不例外。在人和動物的身體里，負責執行功能的是蛋白質，這是一種相當大的分子，可能有幾萬甚至幾十萬個原子。蛋白質由一個個較小的分子首尾相連，成為一個線性的結構。但是，這樣的蛋白質還不足以完成任何功能，它們必須像毛線卷成特定結構的線團以后才能發揮作用。而且，蛋白質的功能不僅依賴它的“造型”，還需要不斷地變換造型，完成不同的過程。有些控制進出的蛋白像一扇門，當遇到合適的客人時會打開，遇到敵人就會關上；有些負責保衛的蛋白有兩根手臂，遇到敵人就會緊緊抱住，與其同歸于盡。

事實上，如果想要真正理解人體的任何一個生理功能，就必須要知道蛋白質的結構變化在其中起到了什么樣的作用。不過，現在的科學卻仍然沒法讓我們像看電影一樣瀏覽分子結構變化的過程，科學家們只能通過一些實驗結果對蛋白質分子的動態變化過程進行推測。比如，通過X射線衍射法，科學家能獲得蛋白質的結構。但是在此之前蛋白質要做特殊的處理，結構可能會發生一些變化。更重要的是，X射線衍射法只能獲得靜態的結構。

不過，實驗無法得到的，也許可以依靠理論和計算來彌補。早在幾百年前，牛頓等物理學先驅就能只靠計算和模型精確地預測行星的運動軌跡，我們現在是否可以用同樣的思想，根據實驗得到的靜態結構來預測分子結構的變化，讓分子“動”起來呢？正是這個問題，孵化了分子動力學這一全新學科。

然而，模擬分子中的原子比模擬天體運行要困難得多——雖然它們在模型中都只是一個個小球。一個原因是，在經典物理學模型中，只有幾個行星的軌跡需要預測，而完整的大分子化學反應體系則包含了數萬到數十萬個原子，計算量不可同日而語。 另一個原因是，星體之間的作用基本只需考慮萬有引力，然而分子內部的力則要復雜得多：各種化學鍵的長度和角度，非化學鍵的作用都需要被考慮，而且不同的作用方式的計算方法都不相同。

卡普拉斯最大的貢獻，正是因為他找到了一整套算法來在計算機上模擬生物大分子。而這也是本次諾貝爾化學獎的頒獎理由之一。

所以，希望模擬生物大分子的計算化學家必須要在精確性和計算量之間作出一個艱難的妥協：如果過于追求精確，就要使用過于復雜的模型，計算量就會大到所有超級計算機都難以承受的地步；而如果過于簡化模型，模擬會變得過于粗糙而失去意義。

卡普拉斯最大的貢獻，正是因為他找到了一整套算法來在計算機上模擬生物大分子。他和自己的研究生Bruce Gerlin合作，開發出了一套名為CHARMM的模擬程序。最開始，部分因為大型計算機的缺乏，CHARMM還只能計算分子結構和能量的關系，沒法讓分子動起來。1967年，卡普拉斯在哥倫比亞大學的IBM7090上運行了CHARMM，模擬了幾個蛋白，包括一個血紅蛋白。在動物體內，血紅蛋白負責運輸氧氣。在運送氧氣的過程中，它的結構有著相當神奇的作用。當第一個氧氣分子結合到血紅蛋白上時，這種蛋白的結構會發生變化，讓更多氧分子附在在自己身上。釋放氧氣的過程也是這樣，第一個氧分子的離去可以改變血紅蛋白的結構，刺激更多氧分子離開。卡普拉斯希望可以描述這一效應。

十年之后，卡普拉斯和他們的學生終于找到一個機會真正地研究分子的運動了。歐洲分子與原子計算中心的創始人卡爾·莫塞爾（Carl Moser）弄到了一臺可供科學研究的大型計算機。當時在美國，這樣的計算機只有國防和軍事機構才能使用?？ㄆ绽拱蚜硗鈨蓚€同事派到歐洲。在他們的艱苦努力下，終于成功地模擬了一個小蛋白質的動力學。從今天的角度來看，這一里程碑式的發現相當簡陋：在他們的模型里，蛋白處于真空當中（而實際上蛋白分子幾乎總是處于生理液體里 ），他們也只模擬了蛋白9.2皮秒的運動（一皮秒只有一萬億分之一秒）。不過，他們還是發現了一些有趣的現象，比如蛋白質比之前現象的更“活潑”，分子中的原子會以相當大的幅度來回振動。這一發現讓科學界產生了很大興趣，越來越多的人開始進行分子動力學研究。

自誕生于哈佛大學的一個實驗室之后，CHARMM發展迅速。目前，CHARMM已經有了學術版和商業版兩個版本，開發者和使用者都遍布全世界。CHARMM現在已經可以在帶有多個芯片的超級計算機上并行運行，功能也越來越多。比如，CHAMM現在已經可以結合經典力學和量子力學的模型來模擬分子，而這也是本次諾貝爾化學獎的頒獎理由之一。

從分子動力學誕生之初到現在，這門跨越了應用數學、物理、化學和生物的綜合學科已經獲得了長足的進步。從模擬有機小分子到模擬具有生物功能的大分子，從模擬單個分子內部的振動到模擬不同分子之間的相互作用，模擬的環境從一無所有的真空環境到有著水分子和鹽離子的生理環境，模擬的時間從零點零幾納秒到幾十幾百納秒，隨著方法的改進和計算機速度的提升，分子動力學正飛速發展。不過，計算機中的模型和真正的實驗結果相比，仍有不小的差距。這種現象的表現之一就是，分子動力學仍然是一個相對獨立的學科，有一批專門的科學家在做。而卡普拉斯在一篇文章中寫道，他希望有一天分子動力學可以成為常規的研究工具，出現在每一個結構生物學家的實驗室里。