2016年諾貝爾科學獎項戰報：七位科學家獲得前往斯德哥爾摩的門票

思羽/編譯

2016年諾貝爾科學獎項戰報：七位科學家獲得前往斯德哥爾摩的門票

思羽/編譯

●今年的諾貝爾科學獎獎勵了納米技術、細胞垃圾重復利用機制和拓撲學的應用。

更大并不總是更好。任何對這個結論有所懷疑的人，只需看看過去半個世紀內計算能力的激增。這種激增成為可能，全因計算機組件的不斷縮小。這項成功轉過頭來激勵了對其他領域的探索，“縮小”在那些領域也可能取得豐碩成果。

其中一個例子就是納米技術。在20世紀90年代，納米技術時而讓人覺得是騙局，時而又給人希望，微妙地游走于二者之間。在過去的那些年里，人們用“納米技術”這個詞表達的意思也千差萬別，以至于假若有哪個吹毛求疵的人尋思著“納米技術”是否只是“化學”這個詞一種重塑形象的新潮說法，大家興許也會原諒他——但納米技術最初有著相當清晰的定義。納米技術的理念就是能夠在分子尺度上制造出具有可移動部件的機器。瑞典皇家科學院認可這一目標，決定將2016年度諾貝爾化學獎授予三名科研者，他們分別是讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達特爵士（Sir Fraser Stoddart）和伯納德·費林加（Bernard Feringa）。這三位研究者從未忘卻納米技術最初的目標。

索瓦日博士的貢獻是將原子以新穎且可能有所用處的方法連結在一起，他憑此獲得800萬瑞典克朗（約等于93萬美元）獎金中的三分之一。常規的分子靠化學鍵結合在一起，而化學鍵是毗鄰的原子的電子互相配對。有時候（以苯為例）會形成原子環。索瓦日博士意識到，這一類的原子環也許能彼此連結，就像金屬鏈條中的一環環那樣，從而創造出依靠機械方法結合在一起、而不是靠常規化學鍵的“超級分子”。1983年，他在法國斯特拉斯堡大學的研究團隊成功制造出這種“超級分子”，并在11年之后，展示了一種由兩個環構成的分子排列。它擁有特殊的性質，對它施加能量的話，會引起一個環繞著另一個環旋轉，也就是說創造出了一類分子馬達。

小是美麗的

弗雷澤爵士也因為在類似的微小機器上的研究工作獲得了三分之一的獎金。1991年，弗雷澤爵士與伊利諾伊斯州西北大學的合作者一起成功地讓一條極小的分子軸穿過一個環狀分子。加熱這種產物的話，會引起環狀分子在軸的兩端之間滑動。這樣就生成了一個分子梭。從那時起，他的研究團隊已經對其他分子機器進行了研究，其中包括原子尺度的電梯、人造肌肉，甚至有一臺用分子尺度的部件構成的簡單機械式計算機。

然而，納米技術研究最想達成的目標一直都是一個能繞著軸旋轉的馬達，而不只是沿著軸上下滑動的分子馬達。費林加先生在1999年創造出這樣的分子馬達，并且因此榮獲諾貝爾獎。他的深刻見解在于弄懂了如何讓分子環朝著一個方向可靠地旋轉——因為一臺啟動后可能隨機朝某個方向旋轉的馬達沒有多大用處。到2011年時，他在荷蘭格羅寧根大學的研究團隊已經掌握靈巧的技術，足以制造出一臺“納米汽車”。這輛“納米汽車”由一個分子底盤連接四個“車輪”，它能以非常緩慢的速度穿過某個表面。

這些發明要過多久才會轉變成具體產品？這還有待觀察。在樂觀主義者口中，人類日后會制造出很多分子尺寸的機器，從給藥裝置到微小計算機，不一而足。悲觀主義者們回憶起納米技術是個經常被研究者和投資者夸大的領域，只會在實際困難面前暴露原形。

然而，有理由希冀納米技術會最終成功。這是因為人類的各種發明往往都會出現這種情況：大自然母親早已捷足先登?；罴毎軌蛳胂蟪杉{米技術機器的組裝產物。比如說，合成三磷酸腺苷（ATP，這種分子用于幾乎所有活細胞，是生物化學反應的“燃料”）的酶包含一種旋轉的分子機器，酷似費林加博士的發明。它很管用。人體內的ATP合成器的產量很高，在一天之內，它們會創造出幾乎相當于一個人體重的ATP。如果能夠在商業上做出一些成績，圍繞著納米技術的宣傳也許會證明其本身的正確。

細胞如何吃掉自己

大自然中納米技術的另一項例子是“自體吞噬”（autophagy來自于希臘文，是“自食”的意思）。對于亞細胞組分進行分解，再重新利用的機制就是自體吞噬。今年，由卡羅琳醫學院頒發的諾貝爾生理學或醫學獎授予東京工業大學的大隅良典，他的研究工作主要是發現了自體吞噬的工作機制。

大隅開始研究工作時，生物學家知道自體吞噬是個兩步驟的過程。首先，要使重新利用的亞細胞組分被一層脂肪膜圍住，創造出一個稱為“自噬體”的水泡狀囊泡。接下來，自噬體與第二種稱為溶酶體的囊泡融合。這種溶酶體里充滿了消化酶，而消化酶能分解自噬體的內容物。然而，生物學家并不清楚細節，尤其是自噬體如何形成的過程仍然如謎一般。大隅博士被授予諾貝爾獎，正是因為提供了自噬體如何形成的細節。

大隅良典1988年開始研究這個問題，具體研究的是酵母中的自體吞噬。酵母是一種被研究得很透徹的有機體，常常被生物學家用來觀察基本的細胞進程。遺憾的是，酵母細胞很小。這意味著大隅博士一開始無法輕易地在顯微鏡下辨別出酵母細胞內的自噬體。他解決這個難題的方法是抑制溶酶體內消化酶的生成。那就意味著自噬體不再被摧毀，而是會積聚下來，達到自噬體能夠被觀察到的程度，這樣就能對其予以研究。

這項研究發表于1992年，是其余研究工作得以進行的關鍵。此后，確認了自噬體組裝過程中參與的基因，轉而促進了對這些囊泡誕生機制的理解。大隅博士選擇酵母作為研究對象，在這時候體現了好處。在他開始研究工作時，酵母的基因組已經被透徹地研究過，并且作為人類基因組計劃的一部分，酵母成為了第一批全部基因獲得闡明的生物。對基因進行敲除，這樣酵母細胞停止工作，接著檢查部分基因缺少的后果，就能夠構建起自噬體組裝過程的全景。而且，盡管酵母和人類并沒有密切的關聯，但自體吞噬是一種基本的細胞進程，兩個物種中的自體吞噬過程或多或少是一樣的，因此酵母自體吞噬是人類自體吞噬的良好范本。

這點很重要，因為大隅博士的研究工作有著更寬廣的分支利用，而不僅僅是闡明細胞內“打掃衛生”的重要一點。他的研究能幫助解釋侵入的病原體細菌和病毒會被如何處理（這樣的不速之客會被自噬體吞入），有助于解釋包括帕金森癥和某些類型糖尿病的發病機理（當自體吞噬出錯，細胞內垃圾累積，就會引發上述病癥）。

理解自體吞噬也就有了重要的實際意義。這點看起來恰好與諾貝爾物理學獎的獲獎內容截然相反。宣布諾貝爾物理學獎得主的評委會頭一個承認了這一點。評委們強調了獲獎的研究工作內在的數學之美，又強調了研究的實際應用——目前實際應用為零。

這里提到的數學是拓撲學，是幾何學的一個分支，與洞之類的“不變量”打交道。這些洞只能以離散的整數存在于幾何形狀中（世上沒一樣東西能擁有半個洞）。三位諾貝爾物理學獎獲得者——西雅圖華盛頓大學的戴維·索利斯（David Thouless），新澤西州普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane），羅德島普羅維登斯布朗大學的約翰·邁克爾·科斯特利茨（John Michael Kosterlitz）——將拓撲學應用到材料科學上，從而提出了物質在不同尋常狀態下的表現背后的理論解釋。

令人入迷的渦旋

讓人感興趣的一點是，這三位獲獎者都是20世紀“人才外流”的產物，當時大批英國出生的科研工作者向西前往美國，奔著更豐厚的薪水和更好的實驗室。將分得一半獎金的索利斯博士早在上個世紀70年代就與科斯特利茨博士（他和霍爾丹博士平分另外一半獎金）有過合作，那時兩人仍然在英國。他們合作研究的成果將會推翻舊的想法，即超導電性（超導電性這種現象是指導體的電阻消失為零，通常發生在導體材料被冷卻到一個接近絕對零度的溫度以下）不可能發生在材料薄層中。根據他們的計算，超導性在材料薄層中可能存在，而且是因為這樣的薄層中的配對渦旋的作用。

渦旋是洞的一種類型，是拓撲學上的不變量。當材料的溫度升高，這些渦旋得以四處移動，從而破壞了超導電性。這種變化實質上是從一種物質狀態到另一種物質狀態的相變，正如溫度會讓晶格中的原子自由活動，發生由固態到液態的相變。

索利斯博士在20世紀80年代早期遷居美國，在那里繼續研究，表明在磁場下導向完全超導電性和由完全超導電性導出的逐步轉變（這個現象被稱為量子霍爾效應）也是一類拓撲不變量。20世紀80年代后期，霍爾丹博士由英國移居美國后，研究表明這個過程中壓根不需要磁場的參與。

對于許多觀察者而言，諾貝爾物理學獎選擇頒獎給這樣鮮有人知的研究項目——尤其是在今年——讓人非常訝異。很多人之前都以為，2015年里由一個叫做LIGO的實驗做出的引力波發現有可能獲獎。那會是延續阿爾弗雷德·諾貝爾遺囑中精神，諾貝爾在遺囑里表示要把獎項頒發給前一年的研究成果。然而，不管出于什么原因，總之瑞典皇家科學院（他們負責挑選諾貝爾物理學獎和化學獎得主）的大人物們決定一直忽略獎項創建者的遺囑中的這一重要細節。

[資料來源：Economist][責任編輯：彥隱]