2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：

獲獎(jiǎng)人：美國(guó)的詹姆斯- E·羅斯曼、蘭迪- W·謝克曼和德國(guó)的托馬斯- C·蘇德霍夫

獲獎(jiǎng)理由：發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)節(jié)機(jī)制，破解了細(xì)胞“寄包裹”的秘密

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：

獲獎(jiǎng)人：比利時(shí)的弗朗索瓦·恩格勒和英國(guó)的彼得·希格斯

獲獎(jiǎng)理由：從理論上預(yù)言了希格斯玻色子的存在，人類(lèi)關(guān)于物理世界的一系列假說(shuō)因此產(chǎn)生

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：

獲獎(jiǎng)人：美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾

獲獎(jiǎng)理由：用計(jì)算機(jī)揭開(kāi)化學(xué)反應(yīng)的奧秘，將傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)搬到了虛擬世界

2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：

親，寄去的囊泡收到了嗎

“吹泡泡”的細(xì)胞

這3位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)可能讓你眼前一亮，那就是他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞是能夠“吹泡泡”的！沒(méi)錯(cuò)，如果在電子顯微鏡下，你能看到一個(gè)個(gè)定格在“吹泡泡”瞬間的細(xì)胞們，而這些“泡泡”對(duì)細(xì)胞來(lái)講，意義重大，它們吃喝拉撒全靠這“泡泡”。

這事情還得從細(xì)胞膜說(shuō)起，也就是細(xì)胞最外邊那層邊界。這層細(xì)胞膜著實(shí)不簡(jiǎn)單，它是由一類(lèi)被稱(chēng)為磷脂的分子作為基本成分的，這種分子和我們常說(shuō)的脂肪有幾分相像。它是一種半液態(tài)的狀態(tài)，在上面還“漂浮”混雜著一些蛋白質(zhì)分子。這種半液態(tài)的膜很柔軟，可以脫落下一部分，也可以和其他的膜融合。

你可以這樣想象，一個(gè)水滴表面布滿(mǎn)了薄薄的油層，將它和周?chē)乃艚^了開(kāi)來(lái)，而這個(gè)水滴不時(shí)會(huì)脫落下一個(gè)更小的布滿(mǎn)油膜的水滴“泡泡”，然后這個(gè)小水滴游游蕩蕩，遇到了相鄰的大水滴，兩個(gè)水滴碰撞在一起，接著合二為一，這是多么奇妙的現(xiàn)象！而在這個(gè)過(guò)程中，物質(zhì)被從一個(gè)細(xì)胞傳遞到了另一個(gè)細(xì)胞！

細(xì)胞“貨運(yùn)”之謎被解開(kāi)了

細(xì)胞膜可以向外釋放出囊泡，很多病毒就是通過(guò)這樣的方式脫離了被感染的細(xì)胞，然后去尋找新的宿主細(xì)胞。但事情比我們所想象的還要復(fù)雜一些，細(xì)胞要知道何時(shí)釋放出囊泡，更要讓囊泡到達(dá)目的地，而且這種運(yùn)輸還不僅限于細(xì)胞之間，甚至在細(xì)胞內(nèi)也能夠發(fā)生。細(xì)胞內(nèi)部被很多類(lèi)似細(xì)胞膜的膜結(jié)構(gòu)分割成不同的功能區(qū)域，這些功能區(qū)域之間也通過(guò)囊泡進(jìn)行傳遞。打個(gè)比方，就像我們網(wǎng)上買(mǎi)了東西，賣(mài)家會(huì)給我們寄包裹一樣，細(xì)胞與細(xì)胞之間，以及細(xì)胞自身內(nèi)部，也有著無(wú)數(shù)的“包裹”要寄來(lái)寄去，這些“包裹”就是細(xì)胞囊泡。

謝克曼發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中某些基因所合成的蛋白質(zhì)能夠引導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸，使它們運(yùn)往不同的區(qū)域，與那里的膜結(jié)構(gòu)融合。他通過(guò)改變這些基因，成功地將囊泡運(yùn)送到了不同的區(qū)域。羅斯曼則更進(jìn)一步，他發(fā)現(xiàn)原來(lái)這些蛋白質(zhì)是鑲嵌在囊泡表面的，它們能夠和目標(biāo)區(qū)域膜上的蛋白質(zhì)互補(bǔ)，當(dāng)囊泡運(yùn)動(dòng)到那里的時(shí)候，就像握手一樣，來(lái)自?xún)蓚€(gè)膜的蛋白質(zhì)緊緊“抓”在一起。如果雙方不匹配，就“手滑了”，不會(huì)發(fā)生結(jié)合。接下來(lái)，就在雙方結(jié)合的蛋白質(zhì)的作用下，兩個(gè)囊泡融合了，就好比水面上兩個(gè)相互接觸的油滴，你用指尖輕輕一蘸，兩滴油就被引導(dǎo)融合了，當(dāng)然，這個(gè)比喻并不完全準(zhǔn)確。

來(lái)自細(xì)胞內(nèi)部的囊泡還能夠與細(xì)胞膜融合，像抖袋子一樣把里面的東西丟到細(xì)胞外去，而事實(shí)上這更常見(jiàn)，叫作“胞吐”，我們也可以換個(gè)更大眾的名字，那就是分泌。蘇德霍夫便是從神經(jīng)細(xì)胞入手，研究了這個(gè)過(guò)程。那些神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出了很多枝杈般的突起，并且在通過(guò)突起相互接觸。當(dāng)一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞興奮的時(shí)候，它會(huì)想辦法去刺激下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，通過(guò)胞吐的方法釋放出神經(jīng)遞質(zhì)，引起下一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的興奮或抑制。

而細(xì)胞也可以用膜來(lái)包裹住環(huán)境里面的物質(zhì)或者水分，然后向內(nèi)鼓出囊泡，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“胞吞”或者“胞飲”。如人體的吞噬細(xì)胞可以用這種方法吞噬病菌，然后在體內(nèi)消化掉它們，再以胞吐的方式將殘?jiān)懦觥?/p>

至此，我們可以構(gòu)建出一幅生物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)木跋?，?xì)胞通過(guò)胞吞從體液中獲取物質(zhì)，然后通過(guò)胞吐把物質(zhì)排放到體液中，而在細(xì)胞內(nèi)，囊泡也在傳遞著各種物質(zhì)——這便是細(xì)胞之中最重要的物質(zhì)運(yùn)輸景象之一。

小泡泡，大前景

根據(jù)3名科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，每個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)生產(chǎn)和傳送分子的工廠，分子通過(guò)細(xì)胞周?chē)哪遗?，在正確的時(shí)間傳送到細(xì)胞和身體所需部位。這一成果除去能夠更好地讓我們了解生命運(yùn)作的機(jī)理外，還有廣泛的應(yīng)用意義。

例如，他們的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)將有助于治療因?yàn)榧?xì)胞運(yùn)輸混亂而引起的疾病，如腫瘤、神經(jīng)性疾病、糖尿病以及免疫組織紊亂等。只要掌握了問(wèn)題所在，我們可以使用藥物針對(duì)相應(yīng)的蛋白質(zhì)，也可以去修正那些對(duì)應(yīng)的基因，從而達(dá)到治療的目的。

同時(shí)，這也給我們送藥提供了便利。我們未來(lái)也許能夠利用這種方式，人工制造一些這樣的囊泡，然后把藥物填裝在里面，這樣就能直接將藥物導(dǎo)入到目的細(xì)胞里面，大大提高了藥效。

另一方面，由于很多病毒都是利用細(xì)胞內(nèi)吞進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)侵染宿主細(xì)胞，等在宿主細(xì)胞內(nèi)大量復(fù)制后，再通過(guò)外排的形式釋放到感染者的體液中，如艾滋病的病原體HI V。如果我們能夠進(jìn)一步研究這些機(jī)制，就有可能阻斷這一傳播途徑，很多不治之癥也將有控制的可能。

因此，關(guān)于細(xì)胞囊泡運(yùn)輸?shù)奶剿髦凡艅倓傞_(kāi)始，一切仍需我們繼續(xù)努力。

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：

“上帝粒子”，不只上帝看得到

自然界存在著四大最基本的力，即引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力。奠定了力學(xué)基石的牛頓發(fā)現(xiàn)了引力，但卻沒(méi)能弄清楚引力到底是什么，更沒(méi)有搞清楚與之密切相關(guān)的質(zhì)量又是什么。

愛(ài)因斯坦嘗試解開(kāi)這些謎題，他鼓搗出了能量=質(zhì)量×光速2這樣的公式，也證明了引力是一種力場(chǎng)，甚至和玻色兩個(gè)人鼓搗出了“玻色子”這個(gè)基本粒子的概念，來(lái)解釋引力場(chǎng)的傳播問(wèn)題。玻色子以光速傳播，而且如波一般可以疊加。愛(ài)因斯坦還希望將四種相互作用力統(tǒng)一起來(lái)，也許，自然界中只有一種最基本的力，但他最終也沒(méi)能實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想。

當(dāng)代物理學(xué)家試圖用多種玻色子來(lái)解釋這四種力，如膠子是強(qiáng)相互作用力的原因、光子是電磁相互作用的媒介、W及Z玻色子是弱相互作用的造就者、引力子是引力的原因等。與玻色子對(duì)應(yīng)的是費(fèi)米子，這些粒子有質(zhì)量，速度低于光速，并且不能疊加，否則就會(huì)碰撞。但這仍不足以解釋質(zhì)量的出現(xiàn)。

于是希格斯等人預(yù)言，存在一種玻色子，能夠使費(fèi)米子擁有質(zhì)量，被后人稱(chēng)為“希格斯玻色子”。按照他們的推測(cè)，137億年前，宇宙在爆炸中誕生，初成之時(shí)，所有的粒子都以光速在空間中運(yùn)動(dòng)，包括后來(lái)形成的希格斯玻色子。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)，它們的存在阻礙了費(fèi)米子的運(yùn)動(dòng)，使這些粒子減速，然后具備了質(zhì)量，而玻色子則不受影響。

這說(shuō)法顯然會(huì)讓很多人感覺(jué)腦袋不夠用，英國(guó)官方甚至為此征集可以讓政客們看得懂的比喻，于是有了這樣的說(shuō)法：政客們均勻地分布在一間屋子里面，當(dāng)一個(gè)普通人經(jīng)過(guò)時(shí)，沒(méi)人關(guān)注他，他沒(méi)有任何阻力地通過(guò)了屋子，可當(dāng)首相到來(lái)時(shí)，這些政客們則會(huì)因?yàn)楦鞣N原因圍攏過(guò)來(lái)，聚集在首相的周?chē)故紫嗖坏貌粶p速……

這些慢下來(lái)的費(fèi)米子開(kāi)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(huì)以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場(chǎng)面。于是，希格斯玻色子以維持物質(zhì)世界穩(wěn)定的作用而被稱(chēng)為“上帝的粒子”。

但是，以上都是推測(cè)，除非我們能夠找到這個(gè)粒子。2013年初，科學(xué)家終于利用大功率對(duì)撞機(jī)找到了它的蛛絲馬跡。這是科學(xué)前進(jìn)的一大步，人類(lèi)關(guān)于物理世界的一系列假說(shuō)因此得以證實(shí)，一個(gè)新的紀(jì)元由此展開(kāi)。

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：

把化學(xué)實(shí)驗(yàn)“放進(jìn)”電腦里

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(guò)程變得非常困難，所以，很多時(shí)候要靠計(jì)算。

經(jīng)典的分子力學(xué)可以通過(guò)考慮原子之間電荷的引力和斥力等來(lái)計(jì)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(lái)，但是卻不能用來(lái)描述原子中的電子的運(yùn)動(dòng)特征和能量，也就是無(wú)法預(yù)測(cè)出反應(yīng)的結(jié)果。除非，將量子力學(xué)引入到化學(xué)反應(yīng)中來(lái)，它能充分關(guān)注原子核和每一個(gè)電子，但是這樣一來(lái)，精細(xì)的描述必然對(duì)應(yīng)著海量的計(jì)算?；瘜W(xué)家們只能在小分子上算一算，絕對(duì)沒(méi)有膽量觸及那些稍大一些的分子，甚至連溶劑的影響都無(wú)法計(jì)算，至于那些包含了數(shù)十萬(wàn)甚至更多原子的生物大分子，更是想都不敢想的。

就在化學(xué)家們一籌莫展的時(shí)候，馬丁·卡普拉斯等科學(xué)家則開(kāi)始把目光鎖定在計(jì)算機(jī)上。

虛擬化學(xué)反應(yīng)

計(jì)算機(jī)擁有遠(yuǎn)超人類(lèi)大腦的計(jì)算能力，如果用它來(lái)描述分子的結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)反應(yīng)的結(jié)果，是不是會(huì)容易很多呢？

但是即使是計(jì)算機(jī)，也無(wú)法利用量子力學(xué)將大分子的每一個(gè)部分進(jìn)行監(jiān)控和分析，這時(shí)候，他們采取了一種折中的創(chuàng)新——用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)描述分子的絕大部分，而用量子力學(xué)來(lái)描述分子的化學(xué)反應(yīng)的活性中心，從而來(lái)模擬和預(yù)測(cè)整個(gè)反應(yīng)的過(guò)程。在他們的計(jì)算機(jī)模型中，牛頓和他的蘋(píng)果與薛定諤和他的貓攜手合作了。

在用計(jì)算機(jī)成功模擬了簡(jiǎn)單的視網(wǎng)膜反應(yīng)以后，他們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向生物體內(nèi)主要的催化物質(zhì)——酶上面。1976年，第一個(gè)酶促反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型誕生了。這個(gè)程序是革命性的，因?yàn)樗m用于任何種類(lèi)的分子，幫助對(duì)各種分子甚至是真正的大生物分子建模。當(dāng)模擬化學(xué)反應(yīng)時(shí)，尺寸再也不是問(wèn)題了。

他們還進(jìn)一步節(jié)省了計(jì)算工作量，讓計(jì)算機(jī)“放棄”分子中的每個(gè)他們不感興趣的部分。研究已經(jīng)表明，在計(jì)算過(guò)程中可以合并一些原子。這樣，計(jì)算的效果就更好。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)能夠借助計(jì)算機(jī)模擬極復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，然后可以一點(diǎn)一點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)所發(fā)生的過(guò)程了。

化學(xué)的革命

以計(jì)算機(jī)為媒介，從不同的尺度去模擬復(fù)雜的化學(xué)系統(tǒng)，這無(wú)疑是化學(xué)界的革命。通過(guò)該模型，我們不僅可以觀察過(guò)程，也可以改造分子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。我們可以關(guān)注酶的催化過(guò)程，改變其中一些原子的位置，驗(yàn)證酶的“工作效率”，重新設(shè)計(jì)酶，之后將催化等過(guò)程最優(yōu)化。

再比如，在模擬藥物如何到達(dá)體內(nèi)靶蛋白的實(shí)驗(yàn)中，電腦可直接對(duì)與藥物相互作用的靶蛋白原子執(zhí)行量子理論計(jì)算，精確分析出藥物發(fā)生作用的全過(guò)程，全面評(píng)估藥物造成的影響。

前進(jìn)的腳步不止于此。萊維特在其著作中描述了他的夢(mèng)想之一：在分子水平上模擬生物體。這是一個(gè)誘人的想法，他們現(xiàn)在擁有多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型這個(gè)強(qiáng)有力的工具，但是他們需要一臺(tái)超級(jí)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，并且要深入探討復(fù)雜性科學(xué)和自組織理論。至于能夠走多遠(yuǎn)，帶給我們的認(rèn)知有多深，則要由時(shí)間來(lái)決定。

小鏈接：生物大分子

生物大分子是生物界特有的分子，執(zhí)行特定的生命功能。它們的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了非生物界的分子，常見(jiàn)的生物大分子包括蛋白質(zhì)、多糖（如纖維素、淀粉等）和核酸（DNA和RNA）。

小鏈接：復(fù)雜性科學(xué)與自組織

我們周?chē)錆M(mǎn)了這樣的現(xiàn)象——粒子之間通過(guò)幾種簡(jiǎn)單的相互作用，最終構(gòu)成了這個(gè)豐富多彩的世界。但是幾種簡(jiǎn)單的相互作用真的能夠形成復(fù)雜有序的結(jié)構(gòu)嗎？這便是復(fù)雜性科學(xué)要探討的。

2005年，數(shù)學(xué)家克利夫·瑞特爾決定通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，模擬水分子之間的幾種相互作用力，制作雪花！結(jié)果，程序運(yùn)行過(guò)程中，他真的獲得了和現(xiàn)實(shí)中幾乎一樣的六角形“雪花”！而整個(gè)程序運(yùn)行中，他只輸入了兩個(gè)參數(shù)。這種按照某些規(guī)則、自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的行為，就是自組織。