鋰電池，系外行星、宇宙學(xué)和細(xì)胞研究
——2019年諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)概覽

編譯 思羽

自2019年10月7日，諾貝爾獎(jiǎng)陸續(xù)揭曉。今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予威廉·凱林、彼得·拉特克利夫和格雷格·西門(mén)扎，以表彰他們?cè)诶斫饧?xì)胞感知、適應(yīng)氧氣變化機(jī)制中的貢獻(xiàn)；物理學(xué)獎(jiǎng)授予給詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·梅厄、迪迪埃·奎洛茲，以表彰他們?cè)谟钪胬碚擃I(lǐng)域、系外行星的發(fā)現(xiàn)；化學(xué)獎(jiǎng)授予給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他們?cè)阡囯x子電池方面的貢獻(xiàn)。

阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑聲明，以他姓氏命名的這個(gè)年度大獎(jiǎng)應(yīng)當(dāng)授予那些“為人類(lèi)做出重大貢獻(xiàn)”的人。然而，諾貝爾獎(jiǎng)中的科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)往往頒發(fā)給那些做出意義深遠(yuǎn)并顯得神秘的進(jìn)展的科學(xué)家，而不僅限于在應(yīng)用方面做出突出貢獻(xiàn)的人。但2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)有所不同。三位研究者——兩位來(lái)自美國(guó)，一位來(lái)自日本——因?yàn)殇囯x子電池的開(kāi)發(fā)工作而獲獎(jiǎng)。

鋰離子電池因?yàn)橹亓枯p，體積小，又可以反復(fù)充放電而改變了人類(lèi)社會(huì)。它們已經(jīng)成為各種設(shè)備中無(wú)所不在的存在，從移動(dòng)電話、平板電腦和筆記本電腦再到電動(dòng)汽車(chē)，不一而足。未來(lái)，隨著全世界化石能源使用殆盡，儲(chǔ)存那些由風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生、間歇性可獲得能源方面，鋰離子電池大有用武之地。

鋰是元素周期表中最輕的金屬，外層有三個(gè)電子（鋰會(huì)漂浮在水面上，然而這維持不了很久，因?yàn)殇囈彩且环N性質(zhì)最活躍的元素之一，在水中會(huì)失去電子，迅速變成氫氧化鋰）。兩個(gè)電子緊緊依附著原子核，但第三個(gè)電子很容易脫離，從而產(chǎn)生攜帶正電荷的鋰離子。

利用鋰和鋰離子制造電池發(fā)端于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)全球遭受石油危機(jī)。大型石油公司埃克森對(duì)于開(kāi)發(fā)與石油無(wú)關(guān)的能源感興趣，斯坦利·惠廷厄姆( M. Stantley Whittingham )當(dāng)時(shí)在埃克森公司的研究部門(mén)工作——研究潛在的超導(dǎo)體。他特別對(duì)含有原子尺寸空隙的固體材料感興趣。當(dāng)離子進(jìn)入這些空隙（這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為嵌入），固體材料的部分性質(zhì)（譬如電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性、磁導(dǎo)性）會(huì)改變。

惠廷厄姆博士發(fā)現(xiàn)，鋰離子嵌入一種名叫二硫化鈦的物質(zhì)時(shí)會(huì)儲(chǔ)存一些有用的能量。他將鋰金屬當(dāng)作陽(yáng)極，二硫化鈦當(dāng)作陰極，制造了一枚能在室溫下工作的可充電電池。在這種電池中，陽(yáng)極的鋰被離子化，產(chǎn)生的鋰離子接著移動(dòng)穿透居間的電解質(zhì)，進(jìn)入二硫化鈦陰極內(nèi)的空隙。同時(shí)獲得自由的電子經(jīng)過(guò)外部電路，產(chǎn)生能被利用的電流。在充電循環(huán)中，外部電流翻轉(zhuǎn)方向，鋰離子做出反應(yīng)，穿透電解質(zhì)，沿原路返還。

最初，埃克森公司認(rèn)為電池有巨大潛力，決定將它商業(yè)化，但是當(dāng)石油價(jià)格跌落，公司就失去了興趣。同期，今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的第二位得主、當(dāng)時(shí)在牛津大學(xué)工作的約翰·古迪納夫( John B. Goodenough )偶然發(fā)現(xiàn)這個(gè)構(gòu)思，決定嘗試改進(jìn)。在1980年，他發(fā)現(xiàn)將陰極的二硫化鈦替換成氧化鈷的話，能讓輸出電壓翻倍。

第三位得主吉野彰( Akira Yoshino )接手古迪納夫博士的想法，將它改造成更現(xiàn)代的電池，使它出現(xiàn)在全球電腦和手機(jī)中。20世紀(jì)80年代，吉野彰在日本的旭化成株式會(huì)社工作，當(dāng)時(shí)電子公司對(duì)能為攝像機(jī)、無(wú)繩電話之類(lèi)電子設(shè)備供能的輕質(zhì)電池越來(lái)越感興趣。吉野博士對(duì)古迪納夫博士創(chuàng)造的氧化鈷陰極感到滿意，但他覺(jué)得陽(yáng)極部分需要重新設(shè)計(jì)。

他不再用鋰金屬，而是嘗試用能容納鋰離子的多種碳基材料。他在化石燃料行業(yè)的一種副產(chǎn)品石油焦上獲得成功。他發(fā)現(xiàn)石油焦能容納大量鋰離子。他的設(shè)計(jì)方案不僅比使用純態(tài)鋰陽(yáng)極更加安全（鋰很容易著火），而且也更持久。在吉野博士提出的電池版本中，陽(yáng)極和陰極都很耐用，因?yàn)樵陔姵厥褂没虺潆姇r(shí)，陽(yáng)極和陰極不會(huì)受到化學(xué)反應(yīng)的損害。到1991年時(shí)，基于吉野博士的設(shè)計(jì)方案的第一枚鋰離子電池由索尼公司成功商業(yè)化。

在被授予諾貝爾獎(jiǎng)之后不久的新聞發(fā)布會(huì)上，吉野博士談到他在20世紀(jì)80年代從事研究純粹是為了滿足他自身的好奇心，沒(méi)有多想自己的發(fā)明會(huì)不會(huì)在某天變得有用。鑒于鋰離子電池隨后的（而且延續(xù)至今）的重要性，吉野博士的好奇心最終完全滿足諾貝爾的意愿。

對(duì)宇宙的思考

2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被一分為二，但它們?nèi)际谟璧厍蛑獾陌l(fā)現(xiàn)。物理學(xué)獎(jiǎng)的一半被授予這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：一顆繞著離我們僅有50光年遠(yuǎn)的恒星周轉(zhuǎn)的行星；物理學(xué)獎(jiǎng)的另一半被授予對(duì)整個(gè)宇宙的概述。

1995年10月，一對(duì)當(dāng)時(shí)在日內(nèi)瓦大學(xué)工作的天文學(xué)家米歇爾·梅厄（Michel Mayor）與迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）在佛羅倫薩召開(kāi)的一場(chǎng)科學(xué)會(huì)議上提交了一篇論文。數(shù)月前，他們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外的一顆行星。那是一顆相當(dāng)于木星2倍大的氣態(tài)球體，繞著一顆名叫飛馬座51的恒星旋轉(zhuǎn)，兩者間的距離大約為800萬(wàn)公里——是地球與太陽(yáng)之間距離的1/20。如此近的距離造成一個(gè)結(jié)果，那就是在地球上每過(guò)四天，這顆行星就會(huì)繞飛馬座51公轉(zhuǎn)一周，而且該行星的表面溫度超過(guò)1 000攝氏度。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是個(gè)謎團(tuán)。在那之前，他們一直認(rèn)為如此巨大的、類(lèi)似木星的行星只可能在遠(yuǎn)離寄主星（host star）的區(qū)域形成。

這顆行星如今被稱(chēng)為飛馬座51b，它的發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了系外行星天文學(xué)的新領(lǐng)域。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將近4 000顆其他的系外行星——它們的大小、周轉(zhuǎn)軌道、物質(zhì)構(gòu)成參差不一，這繼續(xù)讓研究者們驚訝不已，他們尚需要想出一套容易理解的物理理論來(lái)解釋行星系統(tǒng)是如何形成的。

因?yàn)樾行亲陨聿粫?huì)發(fā)光，所以天文學(xué)家需要建立特殊的方法來(lái)尋找行星。梅厄博士與奎洛茲博士使用的方法依賴于一種“多普勒效應(yīng)”的現(xiàn)象。當(dāng)一顆行星繞著它的恒星作軌道運(yùn)行，隨著那顆恒星受到行星引力的反向牽引，恒星也會(huì)輕微移動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致抵達(dá)地球的星光頻率發(fā)生遷移（也就是說(shuō)，恒星會(huì)輕微改變顏色），就如救護(hù)車(chē)的警報(bào)聲頻率隨著救護(hù)車(chē)的經(jīng)過(guò)而轉(zhuǎn)變。如今第二種尋找行星的方法更常見(jiàn)，也就是測(cè)量行星橫越恒星盤(pán)面（disc）時(shí)星光的下降。但梅厄博士與奎洛茲博士采用的多普勒效應(yīng)方法仍然有人使用。

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另外一半授予普林斯頓大學(xué)的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），他在過(guò)去幾十年里發(fā)展出一套理論框架來(lái)描述宇宙如何從137億年前的大爆炸發(fā)展到現(xiàn)今的狀態(tài)。根據(jù)授出物理學(xué)獎(jiǎng)的瑞典皇家科學(xué)院的說(shuō)法，是皮布爾斯博士在20世紀(jì)60年代將宇宙學(xué)從推測(cè)猜想轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T(mén)縝密的學(xué)科。

直到20世紀(jì)的頭十年時(shí)，天文學(xué)家還以為宇宙是靜止不動(dòng)和永恒不變的。在20世紀(jì)20年代，隨著人類(lèi)發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠(yuǎn)離彼此，上述觀點(diǎn)被證明是不正確的。換句話說(shuō)，宇宙處在膨脹中。倒推回去，這意味著在時(shí)間的起點(diǎn)，現(xiàn)在被稱(chēng)為“大爆炸”的時(shí)候，宇宙會(huì)處在難以置信的微小、炙熱和致密的狀態(tài)。

大約在大爆炸過(guò)去40萬(wàn)年時(shí)，宇宙膨脹和冷卻到足夠的程度，使得光能夠不受阻礙地穿越宇宙。如今，天文學(xué)家能偵測(cè)到大爆炸后的第一道光，它顯現(xiàn)的方式不再是光亮，而是以充滿整個(gè)天空的微波輻射來(lái)表達(dá)，是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)已經(jīng)被130億年間的太空膨脹拉伸。射電天文學(xué)家在1964年意外發(fā)現(xiàn)這種宇宙微波背景，并用皮布爾斯博士早先的理論工作來(lái)解釋他們的發(fā)現(xiàn)。皮布爾斯博士也指出，微波背景溫度的微小波動(dòng)對(duì)于理解物質(zhì)后來(lái)如何凝聚在一起、形成星系和星系團(tuán)至關(guān)重要。

從20世紀(jì)90年代初期起，基于太空的觀測(cè)臺(tái)已經(jīng)對(duì)宇宙微波背景建立起越來(lái)越精準(zhǔn)的描繪圖，與皮布爾斯博士的預(yù)測(cè)一樣，這些資料顯示出，僅僅十萬(wàn)分之一度的溫度差異都與我們觀測(cè)到的宇宙中物質(zhì)與能量的分布有關(guān)。

對(duì)于那些獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人來(lái)說(shuō)，獎(jiǎng)勵(lì)人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)知的這一轉(zhuǎn)變也許看上去是一項(xiàng)普通的工作。但英國(guó)皇家學(xué)會(huì)前任主席馬丁·里斯（Martin Rees）在2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)上看到了新鮮之處。他說(shuō)，授予諾貝爾獎(jiǎng)給皮布爾斯博士的做法會(huì)受到物理學(xué)家的歡迎，這是對(duì)一位公認(rèn)的智識(shí)領(lǐng)袖畢生而持續(xù)貢獻(xiàn)以及深刻見(jiàn)解的認(rèn)可，而不是對(duì)一次性建樹(shù)的表彰。這樣的終身成就獎(jiǎng)通常更讓人聯(lián)想到奧斯卡獎(jiǎng)，而不是諾貝爾獎(jiǎng)，但那并非是不合適的做法。在許多方面，諾貝爾獎(jiǎng)與奧斯卡獎(jiǎng)有相通之處——不過(guò)是嚴(yán)肅研究取代了明星的多變外表，滿腹經(jīng)綸取代了時(shí)尚風(fēng)格，獲獎(jiǎng)?wù)哒嫘牡闹t遜態(tài)度取代了明星們雕飾的謙虛。

氧氣濃度

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)所聚焦的工作對(duì)于弄懂人類(lèi)身體如何運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，它不像鋰離子電池、系外行星和宇宙學(xué)，相對(duì)于外部世界來(lái)說(shuō)幾乎不可見(jiàn)。然而彼得·拉特克利夫（Peter J.Ratcliffe）爵士、格雷格·西門(mén)扎（Gregg Semenza）和威廉·凱林（William G. Kaelin）一起解答了一個(gè)重要問(wèn)題：細(xì)胞如何偵測(cè)并適應(yīng)可獲得的氧氣水平，以滿足細(xì)胞活動(dòng)所需能量。

人體系統(tǒng)將細(xì)胞活動(dòng)與氧有效利用關(guān)鍵分子稱(chēng)之為缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）相匹配，這是一種蛋白復(fù)合物。在約翰霍普金斯大學(xué)工作的西門(mén)扎博士發(fā)現(xiàn)并命名了缺氧誘導(dǎo)因子。20世紀(jì)90年代，西門(mén)扎博士在研究紅細(xì)胞生成過(guò)程。紅細(xì)胞是在血流中傳輸氧氣的細(xì)胞，它們的數(shù)量視附近有多少氧氣而定。比如說(shuō)，職業(yè)運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常在高海拔地區(qū)訓(xùn)練（那兒稀薄的空氣意味著氧氣較為稀少），為的是增加身體紅細(xì)胞儲(chǔ)備，那樣當(dāng)他們?cè)诟拷Ｆ矫娴牡貐^(qū)競(jìng)賽時(shí)，額外的紅細(xì)胞會(huì)有助于他們的高負(fù)荷呼吸。

觸發(fā)紅細(xì)胞生成的激素名叫紅細(xì)胞生成素，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為EPO。EPO被制造出來(lái)，作為藥物幫助貧血癥患者，但一些運(yùn)動(dòng)員也違法使用EPO，那樣他們不用去高海拔地區(qū)訓(xùn)練也能提高他們的紅細(xì)胞儲(chǔ)備。（譬如說(shuō)，紅細(xì)胞生成素在自行車(chē)運(yùn)動(dòng)中已經(jīng)臭名昭著。）西門(mén)扎博士當(dāng)時(shí)在查看基因中負(fù)責(zé)編碼EPO的一段DNA，那段DNA時(shí)而激活，時(shí)而失活。他在觀察中發(fā)現(xiàn)了HIF，一種通過(guò)連接或者脫離DNA達(dá)到開(kāi)、關(guān)作用的蛋白復(fù)合物。從西門(mén)扎博士的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，300段受到HIF相似調(diào)節(jié)的基因已經(jīng)被科研人員發(fā)現(xiàn)。

凱林博士的貢獻(xiàn)在于其發(fā)現(xiàn)了另一種調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)HIF水平的蛋白質(zhì)——VHL，這種蛋白受到氧氣水平的調(diào)控。HIF實(shí)際上由兩種蛋白質(zhì)組成，如今被稱(chēng)為HIF-1α和arnt(芳香烴受體核轉(zhuǎn)位子)。arnt總是存在于細(xì)胞中，但HIF-1α的水平依賴于細(xì)胞內(nèi)存在的氧氣量。越多氧氣就意味著越少HIF-1α，那意味著越少HIF復(fù)合物。EPO之類(lèi)基因需要HIF來(lái)開(kāi)啟，當(dāng)HIF復(fù)合物變少，其就保持不活躍狀態(tài)。

凱林博士在波士頓的丹娜-法伯癌癥研究所工作，當(dāng)時(shí)在研究一種名叫“希佩爾-林道綜合征”的遺傳性疾病，這種疾病會(huì)大幅增加出現(xiàn)某些腫瘤的可能性（有時(shí)良性，有時(shí)惡性，會(huì)影響包括腎臟和眼睛在內(nèi)的器官）。負(fù)責(zé)VHL蛋白質(zhì)編碼的基因出現(xiàn)變異因而失去功能時(shí)，會(huì)引起希佩爾-林道綜合征。凱林博士指出， VHL編碼基因失去功能導(dǎo)致許多受到HIF調(diào)節(jié)的基因進(jìn)入過(guò)激活狀態(tài)——這是上述腫瘤出現(xiàn)的潛在原因。

接著，在牛津大學(xué)工作的彼得爵士將這些拼圖塊組合在一起。他指出，VHL與HIF-1α相互作用，這種相互作用將含有羥基的分子轉(zhuǎn)化成混合物，使得HIF-1α在氧氣濃度合適時(shí)降解。當(dāng)然，這種降解不是直接的（并不是HIF-1α受到氧化而降解），而是HIF-1α和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成羥基，依靠細(xì)胞的蛋白質(zhì)降解機(jī)制降解。

所有這些研究的實(shí)際效用是讓我們更好地理解貧血癥、希佩爾-林道綜合征引發(fā)的腫瘤和許多其他對(duì)氧氣敏感的生命活動(dòng)過(guò)程中潛藏的生物學(xué)機(jī)制，這涉及創(chuàng)傷愈合、血管新生（與腫瘤有關(guān)，因?yàn)槟[瘤的生長(zhǎng)需要額外的血管）、心臟病發(fā)作和中風(fēng)等。幸運(yùn)的話，“量身定做”的藥物能調(diào)節(jié)各種受到HIF控制的相關(guān)基因的活動(dòng)，進(jìn)而使防治疾病成為可能。

縱使這項(xiàng)研究比起鋰離子電池看似更加悄無(wú)聲息，但諾貝爾遺囑中的意圖仍會(huì)在這項(xiàng)研究中得到實(shí)現(xiàn)。