梅松

截止2016年10月13日，2016年諾貝爾獎(jiǎng)的6個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)得主已全部揭曉。讓我們來(lái)看一看，這一次，科技又給我們帶來(lái)了哪些驚喜？

2016年諾貝爾獎(jiǎng)，民謠歌手鮑勃·迪倫“跨界”奪得文學(xué)獎(jiǎng)；奧利弗·哈特、本特·霍姆斯特羅姆榮因?qū)ζ跫s理論做出的貢獻(xiàn)獲經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)；和平獎(jiǎng)授予哥倫比亞總統(tǒng)胡安·曼努埃爾·桑托斯，以表彰其在結(jié)束哥倫比亞長(zhǎng)達(dá)50多年的內(nèi)戰(zhàn)中所做的堅(jiān)定努力；日本科學(xué)家大隅良典獲得了生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；大衛(wèi)·索利斯和鄧肯·霍爾丹及邁克爾·科斯德里茨獲物理學(xué)獎(jiǎng)；讓·皮埃爾·索瓦、詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特以及伯納德·費(fèi)靈格獲化學(xué)獎(jiǎng)。就讓我們來(lái)看看這些推動(dòng)時(shí)代進(jìn)步的研究，探尋一下科技的一小步如何給人類(lèi)帶來(lái)一大步。

細(xì)胞自噬為“七分飽”找到理論依據(jù)

北京時(shí)間10月3日，在瑞典卡洛林斯卡醫(yī)學(xué)院諾貝爾大廳，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)宣布：將2016年諾貝爾生物學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家大隅良典，表彰他對(duì)細(xì)胞自噬機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。

細(xì)胞自噬到底是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是為吃飯要吃七分飽找到了依據(jù)。

所謂自噬作用，是指細(xì)胞在應(yīng)對(duì)短暫的生存壓力時(shí)，可通過(guò)降解自身非必要成分來(lái)提供營(yíng)養(yǎng)和能量，從而維持生命。相應(yīng)地，自噬作用也可能降解潛在的毒性蛋白來(lái)阻止細(xì)胞損傷，或是阻止細(xì)胞的凋亡進(jìn)程。然而自噬并不總是良性反應(yīng)，它更像是在走投無(wú)路時(shí)進(jìn)行的一場(chǎng)豪賭。

據(jù)了解，在上世紀(jì)90年代初期，大隅教授篩選了上千種不同的酵母細(xì)胞，找到了15種和自噬有關(guān)的基因，他的研究令全世界的科研人員豁然開(kāi)朗。

當(dāng)然，對(duì)于普通老百姓來(lái)說(shuō)，更關(guān)心是這些研究會(huì)給我們今后的生活帶來(lái)怎樣的變化。近年來(lái)，細(xì)胞自噬受到熱捧的一個(gè)重要原因就在于其與人類(lèi)生老病死的關(guān)聯(lián)。首當(dāng)其沖是衰老，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，中國(guó)人常說(shuō)的吃飯要吃七分飽，通過(guò)研究細(xì)胞自噬，讓這一說(shuō)法有了理論基礎(chǔ)。七分飽可以讓細(xì)胞自噬，維持細(xì)胞的代謝，從而讓人更長(zhǎng)壽。另外，細(xì)胞自噬的研究對(duì)于治療帕金森癥在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病都有幫助。

而細(xì)胞自噬與腫瘤的關(guān)系更為密切，雖然到目前為止激活細(xì)胞自噬來(lái)預(yù)防腫瘤發(fā)生的直接臨床依據(jù)稍顯不足，但自噬在腫瘤早期發(fā)生過(guò)程中的抑制作用已被廣泛證實(shí)，因此適當(dāng)?shù)靥岣呋A(chǔ)自噬水平可能成為未來(lái)腫瘤預(yù)防的重要措施。

走進(jìn)薄層物質(zhì)的“平面世界”

北京時(shí)間10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2016年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予大衛(wèi)·索利斯（DavidJ.Thouless）和鄧肯·霍爾丹（F.DuncanM.Haldane）和邁克爾·科斯德里茨（J.MichaelKosterlitz），以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)谖镔|(zhì)拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嗟闹卮罄碚摪l(fā)現(xiàn)。

這三位科學(xué)家使用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋異乎尋常的物質(zhì)狀態(tài)——比如超導(dǎo)體、超流體或者薄層磁性物質(zhì)的奇特屬性?？扑固乩暮退骼寡芯苛似矫媸澜绲默F(xiàn)象，也就是在物體表面或者很薄的物質(zhì)上所發(fā)生的事情，它們可以被認(rèn)為是二維的世界，和日常描述的三維世界不同。霍爾丹還研究了細(xì)絲狀的物質(zhì)，它們可以被認(rèn)為是一維的。

拓?fù)鋵W(xué)是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。

三位科學(xué)家采用拓?fù)鋵W(xué)作為研究物理的工具，這一舉動(dòng)在當(dāng)時(shí)讓同行感到吃驚。在上世紀(jì)70年代早期，當(dāng)時(shí)的理論認(rèn)為超導(dǎo)現(xiàn)象和超流體現(xiàn)象不可能在薄層中產(chǎn)生，而邁克爾·科斯特利茲和大衛(wèi)·索利斯推翻了這一理論。他們證明了超導(dǎo)現(xiàn)象能夠在低溫下產(chǎn)生，并闡釋了超導(dǎo)現(xiàn)象在較高溫度下也能產(chǎn)生的機(jī)制——相變。

后來(lái)到了80年代，大衛(wèi)·索利斯成功地解釋了之前的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，即超薄導(dǎo)電層中的電導(dǎo)系數(shù)可被精確測(cè)量到整數(shù)。他證明了這些整數(shù)在自然屬性中處于拓?fù)錉顟B(tài)。同時(shí)，鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)，可以用拓?fù)鋵W(xué)來(lái)理解某些材料中的小磁體鏈的性質(zhì)。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道拓?fù)湎嘤泻芏喾N，它們不僅存在于薄層和線狀物，還存在于普通的三維材料中。過(guò)去十年里，這一領(lǐng)域的研究促進(jìn)了凝聚態(tài)物理研究的前沿發(fā)展，人們不僅僅對(duì)拓?fù)洳牧夏軌蛟谛乱淮娮悠骷统瑢?dǎo)體中產(chǎn)生應(yīng)用抱有希望，而且看好其在未來(lái)量子計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用。此刻，研究者依然在探索三位諾獎(jiǎng)得主開(kāi)創(chuàng)的薄層物質(zhì)“平面世界”的奇特屬性。

比頭發(fā)絲直徑還要小1000倍的分子機(jī)器

北京時(shí)間10月5日，2016年度諾貝爾化學(xué)授予法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓·皮埃爾·索瓦（Jean.PierreSauvage）、美國(guó)西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（SirJ.FraserStoddart）以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)靈格（BernardL.Feringa），以獎(jiǎng)勵(lì)他們“在分子機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成”方面的貢獻(xiàn)。

何為分子機(jī)器？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是生物體內(nèi)那些像機(jī)器一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的東西，可用燒瓶、試管等儀器，用基本的非生命體化合物合成出來(lái)，并用這些非生命體的分子機(jī)器來(lái)模擬生命體分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。

人類(lèi)能用自己的“巨手”造出微小尺度的機(jī)器嗎？科學(xué)家有兩種思路：一種是通過(guò)制造比人類(lèi)手更小的機(jī)器，由它再制造更小的機(jī)器；另一種是曾經(jīng)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼的構(gòu)想：在例如硅表面上，由下而上地噴射一層又一層原子，之后將一些層溶解，從而得到可使用電流來(lái)控制的移動(dòng)部件。

事實(shí)上，早在費(fèi)曼提出其構(gòu)想前，科學(xué)家們就嘗試用多種方式把分子連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)某種功能。索瓦日在1983年成功地將兩個(gè)環(huán)狀分子連接在一起，形成了一條特殊的“分子鎖鏈”，學(xué)名“索烴”。

索瓦日的辦法是“輔助連接體法”：這種方法借用一個(gè)一價(jià)銅離子，將一個(gè)半圓形分子和環(huán)狀分子吸引在一起，再將兩個(gè)半圓形分子“焊死”成一個(gè)環(huán)，從而達(dá)成“一環(huán)套一環(huán)”的效果。至今，科學(xué)家們已經(jīng)制造了類(lèi)似奧運(yùn)五環(huán)和央視臺(tái)標(biāo)等多種多樣的“分子鎖鏈”。

更進(jìn)一步，上世紀(jì)90年代，斯托達(dá)特設(shè)計(jì)出了“輪烷”：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將一個(gè)分子環(huán)套在一個(gè)長(zhǎng)條狀的啞鈴狀分子上，在這條軸的兩端設(shè)置有鍵連接點(diǎn)，通過(guò)改變環(huán)境的PH值，就能控制分子環(huán)在連接點(diǎn)來(lái)回移動(dòng)。而除了用PH值控制開(kāi)關(guān)外，隨后科學(xué)家們又研究出可用光、熱乃至某些特定化學(xué)物質(zhì)控制的開(kāi)關(guān)。

此后，科學(xué)家基于互鎖型有機(jī)超分子組裝體，設(shè)計(jì)合成了多類(lèi)分子機(jī)器，例如：分子電梯、分子肌肉、分子纜車(chē)和分子滑輪等。

而這“最小機(jī)械”該怎么用呢？在索瓦日等科學(xué)家的研究基礎(chǔ)上，費(fèi)林加首先研究出了能夠做功的分子馬達(dá)。在1999年，他制作了一個(gè)分子轉(zhuǎn)子葉片，能夠持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。費(fèi)林加的分子機(jī)器主要利用具有擁擠結(jié)構(gòu)的烯烴類(lèi)有機(jī)分子，巧妙地設(shè)計(jì)合成了一類(lèi)可重復(fù)進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá)。這種分子馬達(dá)在光和熱的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可驅(qū)動(dòng)比其自身大數(shù)千倍的物體運(yùn)動(dòng)。頗為有趣的是，2011年，費(fèi)林加團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)納米尺度的“小車(chē)”，同汽車(chē)一樣，它也有底盤(pán)，有四個(gè)車(chē)輪，通過(guò)分子馬達(dá)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)向前行駛。

對(duì)于分子馬達(dá)，諾獎(jiǎng)委員會(huì)給出了這樣的評(píng)價(jià)：“從歷史發(fā)展來(lái)看，分子馬達(dá)和19世紀(jì)30年代的電動(dòng)機(jī)的地位相似，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們展示了各種各樣的旋轉(zhuǎn)曲柄和輪子，卻并不知道這些東西最終將導(dǎo)致電車(chē)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇以及食品加工機(jī)的產(chǎn)生?！?/p>

分子機(jī)器如何接近實(shí)際應(yīng)用，至少可從以下幾方面來(lái)繼續(xù)研究：首先是分子機(jī)器理論的突破，比如分子機(jī)器的設(shè)計(jì)方法、原理以及確定分子機(jī)器做功參數(shù)。其次是能夠做功和響應(yīng)刺激分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，如何利用目前已積累的功能基團(tuán)來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的、多功能的精巧分子機(jī)器，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)與難題。當(dāng)前絕大多數(shù)分子機(jī)器研究集中在溶液中，將分子機(jī)器與外界整合是實(shí)現(xiàn)其對(duì)外部環(huán)境做功的重要途徑，這可能也是分子機(jī)器由基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用需要解決的問(wèn)題之一。（編輯/夏冬）