囊泡和上帝粒子

看文章之前，先給同學(xué)們做個小測試：看到本篇文章的標(biāo)題，你會想到什么呢？

呵呵，難度是不是有點大啊？

如果關(guān)注每年諾貝爾獎的人，就會知道，囊泡和上帝粒子，可是今年諾獎的關(guān)鍵。

如果你還不清楚囊泡和上帝粒子是怎么回事，就跟著一起來了解一下吧。

在電子商務(wù)高度發(fā)達的今天，快遞員在各地的大街小巷中穿梭，把包裹為人們快遞到家。在我們身體內(nèi)，也有不少“快遞員”在忙忙碌碌地輸送著各種物質(zhì)，有的是營養(yǎng)物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一類“快遞員”專門幫助細胞運輸物質(zhì)，這個“快遞員”的名字叫囊泡。

說到囊泡，還得從細胞膜說起。細胞膜，就是細胞最外邊的那層邊界。以前人們一直很困惑，細胞膜是怎么組成的呢？后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這層膜是由一類叫“磷脂”的特殊的分子構(gòu)成。磷脂分子的樣子很奇妙，它有一個“腦袋”，這個“腦袋”可以溶解在水里；它還有兩條“小尾巴”，而“小尾巴”不溶于水。

于是，這些磷脂分子們，手拉手，分兩層：外層的磷脂分子頭朝外；內(nèi)層的磷脂分子頭朝內(nèi)。

這樣，它們不溶于水的尾部就形成了一個隔絕內(nèi)外液體環(huán)境的薄薄“油層”！這層可以流動的薄薄的油膜，就是細胞膜。

細胞膜就像一個表面布滿了油層的水滴。而這個水滴不時會脫落下一個更小的、包裹著油膜的小“水滴”。這個更小的“水滴”就是囊泡。當(dāng)囊泡遇到了相對應(yīng)的細胞，就會和它碰撞在一起，合二為一。而在這個過程中，物質(zhì)被從一個細胞傳遞到了另一個細胞。

長期以來，囊泡一直被視為細胞運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。但囊泡如何把物質(zhì)在正確的時間傳遞到正確的地點，一直是個謎。美國和德國的3位科學(xué)家對此進行了深入研究，他們因此獲得了2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

謝克曼發(fā)現(xiàn)了囊泡的基因秘密

早在20世紀(jì)70年代，謝克曼就對細胞內(nèi)的組織運輸系統(tǒng)很著迷，他決定用酵母作為模型系統(tǒng)，研究其遺傳基礎(chǔ)。通過研究，他發(fā)現(xiàn)由于某些基因的變化，會導(dǎo)致囊泡堆積在細胞的特定部位，造成類似公交擁堵現(xiàn)象。通過逐步定位這些基因，他發(fā)現(xiàn)了3類調(diào)節(jié)囊泡運輸?shù)幕颉?/p>

他的研究成果極大促進了現(xiàn)代生物、制藥工業(yè)的發(fā)展。

羅斯曼發(fā)現(xiàn)了囊泡與細胞膜結(jié)合的秘密

羅斯曼發(fā)現(xiàn)一種蛋白復(fù)合物能使囊泡與目標(biāo)膜進行對接、融合。在融合過程中，囊泡和目標(biāo)膜上的蛋白以拉鏈的方式相結(jié)合。

囊泡融合如何精確被控制，蘇德霍夫給出了答案

20世紀(jì)90年代，蘇德霍夫?qū)Υ竽X內(nèi)神經(jīng)細胞是如何相互溝通的很感興趣。傳遞信息的物質(zhì)被稱為神經(jīng)遞質(zhì)。這種特殊分子正是由囊泡負責(zé)運輸至神經(jīng)細胞的細胞膜上，并能在準(zhǔn)確的時機獲得釋放。

科學(xué)家們此前便已經(jīng)知道鈣離子參與了這一過程，后來蘇德霍夫在神經(jīng)細胞中找到對鈣離子敏感的蛋白質(zhì)。他還揭示了這種蛋白質(zhì)的作用原理：它會對注入的鈣離子做出反應(yīng)，并控制鄰近的蛋白質(zhì)迅速讓囊泡與神經(jīng)細胞的外部細胞膜相結(jié)合，然后迅速釋放信號物質(zhì)。

諾貝爾評獎委員會在聲明中寫道，3位獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)，讓我們了解到細胞生成的物質(zhì)如何及時且精確地在細胞內(nèi)傳遞。從酵母到人，不同的生物體利用相同的機制進行囊泡運輸和融合。就像現(xiàn)實中的快遞員會出錯一樣，囊泡也會因為種種原因出錯，有的“罷工”不運輸物質(zhì)，有的運輸能力減弱，有的會運錯物質(zhì)。這些紊亂的囊泡會讓人們生病。

囊泡秘密的發(fā)現(xiàn)幫助研究人員更好地了解了多種疾病，如帕金森病、腦神經(jīng)功能障礙和免疫系統(tǒng)紊亂等。3位科學(xué)家的研究可讓人們準(zhǔn)確清楚地認識相關(guān)疾病的發(fā)病機理，并為尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類更好地戰(zhàn)勝疾病成為可能。

當(dāng)你站到電子秤上稱體重時，你可能會氣惱：最近的體重貌似又增加，看來晚上真的不能吃太多。牛頓是不是也曾為體重?zé)肋^呢？沒人知道。不過他卻為質(zhì)量是什么困惑了很久。

質(zhì)量是怎么來的呢？愛因斯坦曾經(jīng)鼓搗出了“能量=質(zhì)量×光速2這樣的公式，可也沒搞清楚質(zhì)量究竟是如何產(chǎn)生的。

希格斯等人預(yù)言，存在一種玻色子，能夠使物質(zhì)帶有質(zhì)量，這種玻色子就是“希格斯玻色子”。按照他們的推測，137億年前，宇宙在爆炸中誕生，初成之時，所有的粒子都以光速在空間中運動，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)。這時候，它們的存在阻礙了一種叫做費米子的粒子的運動，使這些粒子減速，然后具備了質(zhì)量，而玻色子則不受影響。

這個說法顯然會讓很多人如墜云里霧里，更有英國官方征集一個可以讓政客們看得懂的比喻，于是有了這樣的說法：有一間屋子，政客們均勻的分布在里面，當(dāng)一個普通人經(jīng)過時，沒人關(guān)注他，他沒有任何阻力地通過了屋子；可當(dāng)首相到來時，這些政客們則會因為各種原因圍攏過來，聚集在首相的周圍，使首相不得不停下來減速……

正是這些慢下來的費米子開始組合在一起，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以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場面。希格斯玻色子以其作為物質(zhì)構(gòu)成的基礎(chǔ)而被稱為“上帝粒子”。

理論上希格斯玻色子無處不在，但我們卻觀察不到它。科學(xué)家利用大功率對撞機在最近幾年找到了它的蛛絲馬跡，并最終在2013年初確認了它的存在。這是科學(xué)前進的一大步，人類關(guān)于物理世界的一系列假說因此得以證實，一個新的紀(jì)元由此展開。

化學(xué)家的難題

化學(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)的過程非常困難，所以，很多時候要靠計算。

經(jīng)典的分子力學(xué)可以通過考慮原子之間電荷的引力和斥力等來計算出分子的大致結(jié)構(gòu)，化學(xué)家們更是習(xí)慣了以此為基礎(chǔ)制作出球棍模型擺放在桌子上把玩。這些模型可以將很大的分子結(jié)構(gòu)解讀出來，但是卻不能用來描述原子中的電子的運動特征和能量，也就是無法預(yù)測出反應(yīng)的結(jié)果。

計算機擁有遠超人類大腦的計算能力，如果用它來描述分子的結(jié)構(gòu)和預(yù)測反應(yīng)的結(jié)果是不是會容易很多呢？

但是，即使是計算機也無法利用量子力學(xué)將大分子的每一個部分進行監(jiān)控和分析。這時候，研究人員采取了一種折中的創(chuàng)新——用經(jīng)典物理學(xué)來描述分子的絕大部分，而用量子力學(xué)來描述分子的化學(xué)反應(yīng)的活性中心，從而來模擬和預(yù)測整個反應(yīng)的過程。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)能夠借助計算機模擬極復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，然后科學(xué)家可以一點一點關(guān)注反應(yīng)所發(fā)生的過程了。

化學(xué)革命

以計算機為媒介從不同的尺度去模擬復(fù)雜的化學(xué)系統(tǒng)，這無疑是化學(xué)界的革命。通過該模型，我們不僅可以觀察過程，也可以改造分子、設(shè)計實驗。比如，在模擬藥物如何到達體內(nèi)靶蛋白的實驗中，電腦可直接對與藥物相互作用的靶蛋白原子執(zhí)行量子理論計算，精確分析出藥物發(fā)生作用的全過程，全面評估藥物造成的影響。