生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：試管人生

受精卵在玻璃容器的液體中逐漸長(zhǎng)大，直到有一天“羽翼豐滿(mǎn)”，砸碎玻璃罩跑了出來(lái)，這是我們經(jīng)常在科幻電影中看到的情節(jié)。實(shí)際上，類(lèi)似的培養(yǎng)工程已被人們所接受，那就是試管嬰兒技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)就是在體外將卵子受精，3～4天發(fā)育成最初的胚胎后，再植八子宮繼續(xù)發(fā)育成胎兒。羅伯特·愛(ài)德華茲因?yàn)檫@項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的技術(shù)而獲得2010年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

從體外受精繁殖到體內(nèi)受精繁殖，是生物進(jìn)化史上的一個(gè)重要的成功事件。它一方面提高了受精的有效性，精子和卵子不需要在嚴(yán)酷的環(huán)境中邊“約會(huì)”，邊躲避高溫、干旱還有其他生物的侵襲。另一方面，為在母體中發(fā)育為胚胎的成長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的條件，同時(shí)可以給發(fā)育中的胚胎提供更好的保護(hù)，這些都極大地提高了生殖的成功率。這樣的改變也不可避免地帶來(lái)了諸多問(wèn)題。我們與魚(yú)類(lèi)同源的祖先都是將卵子直接排出體外進(jìn)行受精，所以人體中并沒(méi)有一開(kāi)始就設(shè)計(jì)好的讓受精和胚胎發(fā)育發(fā)生在女性體內(nèi)的“裝置”。要在體內(nèi)繁殖，只能在原有的排卵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，人的卵子要通過(guò)腹腔中一個(gè)傘形的結(jié)構(gòu)和一個(gè)狹長(zhǎng)的管道(輸卵管)才能送到子宮。問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的：對(duì)于個(gè)頭微小的精子，要鉆過(guò)生殖道，游過(guò)子宮，并且還要突破重重黏液的阻礙，最終與卵子結(jié)合后，還要從輸卵管里及時(shí)跑到子宮里去，選擇一個(gè)合適的位置來(lái)發(fā)育，這是個(gè)異常艱巨的任務(wù)。如果不慎選擇了輸卵管這樣的地方發(fā)育(就是通常所說(shuō)的宮外孕)，不僅發(fā)育不成幼體，還會(huì)造成輸卵管破裂，危及母親的生命安全。不僅如此，有些女性的輸卵管因?yàn)楦鞣N原因本身就是堵塞的，這樣更是斷送了精子和卵子相見(jiàn)的機(jī)會(huì)。諸多困難使得超過(guò)10％的夫婦患有不孕癥。

試管嬰兒技術(shù)的出現(xiàn)，上述問(wèn)題都迎刃而解。不過(guò)，實(shí)驗(yàn)本身并不是為了解決不孕問(wèn)題而開(kāi)始的，只是研究在體外環(huán)境下，受精和胚胎發(fā)育的過(guò)程。不過(guò)，最初的實(shí)驗(yàn)并不順利。首先，實(shí)驗(yàn)卵子材料的獲取并不是容易的事情。由于沒(méi)有合適的獲取卵子的工具，只能使用醫(yī)療手術(shù)廢棄的卵巢，但是這樣獲得的卵子質(zhì)量往往不高，受精卵分裂一次之后就不再分裂了。直到后來(lái)特殊儀器的應(yīng)用，可以從女性體內(nèi)直接取得成熟的卵子。最初的受精技術(shù)就是讓精子和卵子在試管中自由相遇結(jié)合，后來(lái)，才將自由受精過(guò)程改為將精子直接注入到卵子中，這項(xiàng)改進(jìn)大大提高了受精的效率和質(zhì)量。我們甚至可以有選擇性地將優(yōu)質(zhì)的精子和卵子結(jié)合起來(lái)，以提高后代的質(zhì)量。目前，全世界至少有400~-生育困難的家庭從中受益。不過(guò)，從培養(yǎng)胚胎到培養(yǎng)成體，科學(xué)家還有很長(zhǎng)的路要走，單單是干細(xì)胞的分化和細(xì)胞的去分化就已經(jīng)讓他們傷透腦筋了。

物理學(xué)獎(jiǎng)：石墨之舞

一片碳，看似普通，厚度為單個(gè)原子，促使兩位科學(xué)家贏得2010 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種全新材料名為石墨烯。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在向媒體發(fā)布的材料中介紹，石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，而且導(dǎo)電性能比所有金屬都高出不少。薄薄的一層，其力學(xué)強(qiáng)度竟是鋼的200倍，導(dǎo)熱性能更是超過(guò)我們所熟知的一切物質(zhì)。石墨烯擁有眾多令人神往的發(fā)展前景，這些由碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，也許將來(lái)會(huì)把人類(lèi)帶入全新的太空時(shí)代和更快的信息時(shí)代。它不僅可以開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣。我們使用的電能有2／3來(lái)源于各種碳的沉積；用來(lái)做為永恒見(jiàn)證的鉆石是碳；最常用的書(shū)寫(xiě)工具鉛筆，能夠留下痕跡的也是碳。當(dāng)我們?cè)诩埳嫌勉U筆寫(xiě)字的時(shí)候。就會(huì)擦下一點(diǎn)點(diǎn)石墨和黏土。這一點(diǎn)點(diǎn)碳被紙面的紋路刮下來(lái)，等著被空氣或者橡皮帶走，直到只剩下淺淺的字跡。在這些痕跡里面，就能夠找到石墨烯。

20世紀(jì)80年代，人們還認(rèn)為碳只有兩種形態(tài)，呈片層狀的石墨碳和六面體晶格。1985年，羅伯特·科爾等人發(fā)現(xiàn)了碳60，也就是“富勒烯”，以紀(jì)念提出這種結(jié)構(gòu)的美國(guó)建筑師理查德·富勒。直到這時(shí)，人們才意識(shí)到碳原子還可以以這樣的方式連接在一起。最早發(fā)現(xiàn)的“富勒烯”由60個(gè)碳原子構(gòu)成，如同足球一般，是由六邊形和五邊形拼成的32面體。這種直徑只有百億分之七米的空心籠狀結(jié)構(gòu)讓人們意識(shí)到，也許我們對(duì)于這種和生命關(guān)系最為緊密的元素還不夠了解。羅伯特·科爾等人的這一發(fā)現(xiàn)為他們帶來(lái)了1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后，一維的碳形態(tài)也被找到了，這就是碳納米管，以碳原子連接成的空心管極細(xì)，卻擁有極好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和不可思議的強(qiáng)度。2010年，碳的另一種形態(tài)又讓它的發(fā)明者得到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這次是二維的碳：厚度僅僅只有0.34納米的幾乎完全透明的碳原子薄膜石墨烯。這種薄膜在諸多方面都有著驚人的表現(xiàn)，甚至完全顛覆了我們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。石墨烯看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面，每一個(gè)六邊形單元實(shí)際上就是一個(gè)苯環(huán)。石墨烯這種薄薄的材料有著驚人的穩(wěn)定性、強(qiáng)韌性和導(dǎo)電性，即使被彎折之后，原子也不會(huì)錯(cuò)位或者脫離掉落。當(dāng)用石墨烯疊在一起形成一片保鮮膜厚度的薄膜時(shí)，它就能展現(xiàn)出驚人的承載力。即使讓一頭大象站在圖釘帽上，再把圖釘尖壓在薄膜上，也不會(huì)刺穿它。這樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有我們所知的任何建筑材料，而且它的質(zhì)量更是只有鋼材質(zhì)量的1／6。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者也相當(dāng)具有傳奇性?，F(xiàn)任教于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和荷蘭奈梅亨大學(xué)的安德烈·海姆，是世界上唯一一位獲得了“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”和正牌諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。他在2000年因?yàn)橹摹贝艖腋∏嗤堋睂?shí)驗(yàn)而獲得了前一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。而他曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)的一篇關(guān)于范德華力(距離很近的分子之間產(chǎn)生的作用力)產(chǎn)生強(qiáng)大黏性的嚴(yán)肅論文中，居然用了一張蜘蛛俠玩具的照片來(lái)做展示，并且堂而皇之地刊載在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上。從這些光榮事跡中能夠看出，安德烈·海姆并不是那種通過(guò)普通方法來(lái)解決問(wèn)題的人。起初，安德烈·海姆十分羨慕那些研究碳納米管的同事所獲得的精彩發(fā)現(xiàn)，因此他對(duì)自己說(shuō)：為什么不學(xué)學(xué)他們呢?不過(guò)不是把碳片卷起，而是攤平。一開(kāi)始，他和伙伴康斯坦丁·諾沃肖洛夫用透明膠帶從石墨晶體上分離薄片，那時(shí)沒(méi)人相信他們能成功分離出單原子層。不過(guò)最后，在“膠帶戰(zhàn)略”的指導(dǎo)下，他們還是成功了。

自問(wèn)世以來(lái)，石墨烯便不斷展現(xiàn)出不同凡響之處：透明、導(dǎo)電的特性使它成為制造太陽(yáng)能光電元件或液晶的理想材料；其機(jī)械強(qiáng)度則昭示著超堅(jiān)固材料的誕生；而其電子特性更是振奮人心。石墨烯的傳電速度驚人，足足是硅的30倍，有望取代后者成為電子工業(yè)最基本的原材料。那么，石墨烯何時(shí)才能批量生產(chǎn)呢?研究人員正著力于兩種大規(guī)模生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)，美國(guó)科學(xué)家對(duì)其中一種進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究。這一方法是將碳化硅晶體加熱到1000℃以上，直到硅原子分離氣化，留下來(lái)的碳原子就會(huì)自然地聯(lián)成六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成石墨烯。

不過(guò)，另一方法或?qū)⒃?年內(nèi)使石墨烯的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把石墨置于酸性環(huán)境中氧化時(shí)，它會(huì)分解成石墨烯薄片，這時(shí)只需借助還原劑將晶體凈化就可以了。事有湊巧，加利福尼亞大學(xué)的一個(gè)小組剛剛發(fā)現(xiàn)一種由氮和氫組成的化合物聯(lián)氨能夠很好地扮演這個(gè)角色。用這一方法，研究人員就能生產(chǎn)上佳的導(dǎo)體薄膜，且成本低廉。

在今年諾貝爾獎(jiǎng)公布的時(shí)候，安德烈·海姆剛剛過(guò)完52歲的生且，而康斯坦丁·諾沃肖洛夫則只有36歲，是諾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咧猩僖?jiàn)的年輕人。這兩位在實(shí)驗(yàn)室里玩得不亦樂(lè)乎的玩家，也許會(huì)將我們帶進(jìn)一個(gè)無(wú)法想象的新時(shí)代。