癌細(xì)胞如何在缺氧條件下增殖，宇宙是如何演變而來(lái)的，宇宙中的那么多星系該如何描述，鋰電池開(kāi)啟電子設(shè)備便攜化進(jìn)程……10 月初，2019 年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)得主陸續(xù)揭曉，9 位科學(xué)家分別獲得生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)。

2019 年10 月7 日至9 日，隨著2019 年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)的陸續(xù)揭曉，人類智慧文明的高塔上再次閃耀光輝。

美國(guó)科學(xué)家威廉·凱林、格雷格·塞門(mén)扎以及英國(guó)科學(xué)家彼得·拉特克利夫，因在“發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何感知和適應(yīng)氧氣供應(yīng)”方面所作出的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也頒給了三個(gè)人，美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯因宇宙學(xué)相關(guān)研究獲獎(jiǎng)，瑞士科學(xué)家米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澮蚴状伟l(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星獲獎(jiǎng)。美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰因在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)，共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

三大自然科學(xué)獎(jiǎng)塵埃落定，但人們對(duì)它的關(guān)注仍在持續(xù)發(fā)酵。三大自然科學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者到底解決了什么問(wèn)題？解決這些問(wèn)題的價(jià)值何在？

●諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

破解氧氣感應(yīng)機(jī)制謎題

氧氣是人們生命活動(dòng)的第一需要。早在幾世紀(jì)前，人類就意識(shí)到了氧氣的重要作用，但是細(xì)胞如何適應(yīng)變化的氧氣水平長(zhǎng)久以來(lái)仍是未知數(shù)。 諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)向人們揭開(kāi)了細(xì)胞如何與氧氣“互動(dòng)”的神秘面紗，揭示了生命中一個(gè)最基本的適應(yīng)性過(guò)程的機(jī)制，為人們理解氧氣水平如何影響細(xì)胞新陳代謝和生理功能奠定了基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)也為人類開(kāi)發(fā)有望對(duì)抗貧血、癌癥以及其他疾病的新策略鋪平了道路。

在漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程中，人類和其他動(dòng)物演化出一套確保向組織和細(xì)胞充足供氧的機(jī)制。例如，人類頸動(dòng)脈體中就含有感知血氧水平的特殊細(xì)胞。1938 年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)就授予相關(guān)研究，當(dāng)年獲獎(jiǎng)研究揭示了頸動(dòng)脈體在感知不同血氧水平后，是如何與大腦交流從而調(diào)節(jié)呼吸頻率的。

圖/東方IC

除了頸動(dòng)脈體對(duì)呼吸的調(diào)控機(jī)制，動(dòng)物對(duì)供氧還有更為基本的生理適應(yīng)機(jī)制。比如紅細(xì)胞可為身體各組織運(yùn)送氧氣，缺氧情況下，一個(gè)關(guān)鍵生理反應(yīng)是體內(nèi)名為促紅細(xì)胞生成素（EPO）的激素含量上升，從而刺激骨髓生成更多紅細(xì)胞以運(yùn)送氧氣。自20 世紀(jì)90 年代起，彼得·拉特克利夫和格雷格·塞門(mén)扎就開(kāi)始探索這一現(xiàn)象背后的機(jī)制。

美國(guó)科學(xué)家威廉·凱林、格雷格·塞門(mén)扎以及英國(guó)科學(xué)家彼得·拉特克利夫獲得2019 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（圖/新華視點(diǎn)官方微博）

二人都研究了EPO 基因與不同氧氣水平的“互動(dòng)”機(jī)制，最終發(fā)現(xiàn)了在低氧環(huán)境下起到“調(diào)控器”作用的關(guān)鍵蛋白質(zhì)——缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）。HIF 不僅可以隨著氧氣濃度改變發(fā)生相應(yīng)改變，還能調(diào)控EPO 表達(dá)水平，促進(jìn)紅細(xì)胞生成。塞門(mén)扎探明了HIF實(shí)際上包含兩種蛋白質(zhì)，分別為HIF- 1α 和ARNT。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧氣水平上升時(shí)，體內(nèi)HIF- 1α 數(shù)量會(huì)急劇下降。它是如何在富氧環(huán)境下被降解的呢？

腫瘤專家威廉·凱林在研究遺傳性疾病VHL 綜合征時(shí)，解開(kāi)了這一謎團(tuán)。他的研究也因此與上面兩位科學(xué)家的研究聯(lián)系到一起。威廉·凱林發(fā)現(xiàn)，VHL 綜合征患者因VHL 蛋白缺失飽受多發(fā)性腫瘤之苦。典型的VHL 腫瘤內(nèi)常有異常新生血管，這可能與氧氣調(diào)控通路有關(guān)。在后續(xù)研究中，他又發(fā)現(xiàn)，正是VHL 蛋白通過(guò)氧依賴的蛋白水解作用，負(fù)向調(diào)節(jié)了HIF- 1α。

揭示細(xì)胞的氧氣調(diào)控通路，不僅具有基礎(chǔ)科研價(jià)值，還有望帶來(lái)疾病新療法。比如，調(diào)控HIF 通路將有助于治療貧血；而降解HIF- 1α 等相關(guān)蛋白有助對(duì)抗需要新生血管供養(yǎng)的惡性腫瘤。

●諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

尋找地球“近親”解碼宇宙“成長(zhǎng)日記”

瑞典皇家科學(xué)院發(fā)布新聞公報(bào)說(shuō)，詹姆斯·皮布爾斯對(duì)宇宙學(xué)的洞見(jiàn)豐富了整個(gè)領(lǐng)域的研究，成為當(dāng)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澨剿髁颂?yáng)系外的未知行星，他們的研究指向一個(gè)永恒的問(wèn)題：地球之外是否還有生命存在？

許多科學(xué)先驅(qū)都曾預(yù)言，滿天繁星中，一定有許多恒星也擁有繞它們旋轉(zhuǎn)的行星。然而那些行星距地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，所反射的光又太過(guò)微弱，想要“看”到它們并不容易。

直到1995 年，米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澔诤阈菚?huì)因行星引力變化而產(chǎn)生微小擺動(dòng)的理論，才宣布首次在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)一顆行星。這顆繞著約50 光年外飛馬座內(nèi)類日恒星“飛馬座51”運(yùn)轉(zhuǎn)的行星被命名為“飛馬座51b”，它是一顆與太陽(yáng)系最大行星木星相仿的氣態(tài)行星。這項(xiàng)成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《自然》上。有人認(rèn)為這顆行星的發(fā)現(xiàn)為人類尋找宇宙中的伙伴帶來(lái)了新希望，也有人稱米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤潪椤靶率澜绲陌l(fā)現(xiàn)者”，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)堪比哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。

“飛馬座51b”的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃了系外行星探索的“星星之火”。得益于各類觀測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，科學(xué)家們?cè)阢y河系發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量迄今已超過(guò)4000顆。各種各樣的新天體仍在不斷被發(fā)現(xiàn)，其大小、形狀、軌道之豐富令人難以置信。它們挑戰(zhàn)了人們對(duì)行星系統(tǒng)的已有認(rèn)識(shí)，迫使科學(xué)家們修正行星起源理論。

人類還有一個(gè)永恒命題就是“從哪里來(lái)”。正是以詹姆斯·皮布爾斯為代表的一批科學(xué)家從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始奠定的基礎(chǔ)，讓宇宙學(xué)成為一門(mén)現(xiàn)代科學(xué)，并迎來(lái)了長(zhǎng)達(dá)50 年的“黃金時(shí)代”。

詹姆斯·皮布爾斯不斷完善他提出的理論框架，最終幫助人們塑造了對(duì)于大爆炸以來(lái)宇宙形成和演化的基本認(rèn)知。

大約140 億年前，宇宙在大爆炸之初是炙熱而密實(shí)的。自那以后，宇宙開(kāi)始不斷擴(kuò)張、變冷。大爆炸約40 萬(wàn)年以后，宇宙開(kāi)始變得“透明”，光線得以穿梭其中。就在這早期輻射中，記錄著關(guān)于宇宙誕生和演化的秘密。

利用創(chuàng)建的理論工具和運(yùn)算方法，詹姆斯·皮布爾斯將宇宙誕生之初留下的“蛛絲馬跡”成功“解碼”。根據(jù)他的理論可以推算出，宇宙中95%都是神秘的暗物質(zhì)和暗能量，而人們通常觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占5%。

詹姆斯·皮布爾斯、馬約爾·麥耶和迪迪?！た迤潾@2019 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖/人民日?qǐng)?bào)官方微博）

如今，暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性課題之一。了解暗物質(zhì)才有機(jī)會(huì)深入認(rèn)識(shí)浩瀚宇宙及其起源。因此，全球科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直孜孜不倦地尋找暗物質(zhì)，并啟動(dòng)了許多相關(guān)大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如阿爾法磁譜儀、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等。

●諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

創(chuàng)造可充電的綠色新世界

從智能手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品，到電動(dòng)車(chē)和風(fēng)能、太陽(yáng)能等大型儲(chǔ)能裝置，如今鋰離子電池已成為人們生活中不可或缺的“能量源”。

小電池大作用，這個(gè)推動(dòng)人類社會(huì)前進(jìn)的發(fā)明今年終于獲得諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可。英國(guó)巴斯大學(xué)材料化學(xué)家賽弗爾·伊斯蘭姆直言：“在我看來(lái)，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)來(lái)得太遲了?！焙翢o(wú)疑問(wèn)，這一諾貝爾獎(jiǎng)成果是眾望所歸。

鋰離子電池依靠鋰離子在陰陽(yáng)極之間的移動(dòng)產(chǎn)生電流。電池陰陽(yáng)極材料的選擇對(duì)于電池能效和安全性至關(guān)重要。目前最普遍的可充電鋰離子電池，使用鈷酸鋰材料為陰極，碳材料為陽(yáng)極，具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。而這種電池的基本形態(tài)，就是三位獲獎(jiǎng)研究者于20 世紀(jì)七八十年代確立的。

為何想到研制鋰離子電池？20 世紀(jì)70 年代的石油危機(jī)催生了人們對(duì)新能源儲(chǔ)能的需求，電池研發(fā)形成熱潮。當(dāng)時(shí)正致力于超導(dǎo)體研發(fā)的斯坦利·惠廷厄姆創(chuàng)新地使用二硫化鈦?zhàn)鳛殛帢O材料存儲(chǔ)鋰離子，以金屬鋰作為部分陽(yáng)極材料，制成一款新型電池。然而，金屬鋰具有很高的活性，反復(fù)充放電在這些物質(zhì)之間產(chǎn)生了電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致爆炸，這一致命的缺點(diǎn)使這種電池隨時(shí)可能變成危險(xiǎn)性極高的“炸彈”。

這時(shí)，約翰·古迪納夫貢獻(xiàn)了恰如其姓——“足夠好”（Goodenough）的新靈感。這位創(chuàng)造了諾貝獎(jiǎng)獲得者高齡新紀(jì)錄的科學(xué)家在1980 年發(fā)現(xiàn)，用鈷酸鋰作為陰極材料更適合存儲(chǔ)鋰離子。在遠(yuǎn)隔重洋的日本，吉野彰研發(fā)的陽(yáng)極材料和約翰·古迪納夫的陰極材料形成天作之合。吉野彰發(fā)現(xiàn)，石油焦炭可作為更好的電池陽(yáng)極，但他找不到合適的陰極材料。讀到約翰·古迪納夫的論文后，吉野彰興奮難抑：“他的發(fā)現(xiàn)給了我所需要的一切!”至此，以鈷酸鋰為陰極，以碳材料為陽(yáng)極的鋰離子電池誕生。

美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（圖/科學(xué)探索官方微博）

1991 年，約翰·古迪納夫與吉野彰合作發(fā)明的鋰離子電池正式上市銷(xiāo)售，它輕巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放電數(shù)百次。

諾貝爾委員會(huì)認(rèn)為，鋰離子電池不僅有助于人們從由化石燃料驅(qū)動(dòng)的生活方式轉(zhuǎn)向由電能驅(qū)動(dòng)的生活方式，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化也至關(guān)重要。

●思考

日本何以“量產(chǎn)”諾貝爾獎(jiǎng)

21 世紀(jì)以來(lái)，日本拿下了19 個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，幾乎一年一個(gè)，而且都是極具含金量的自然科學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)反映的是歷史貢獻(xiàn)，而非當(dāng)下的成就，一般有著幾十年的時(shí)滯。日本諾貝爾獎(jiǎng)的井噴，得益于20 世紀(jì)七八十年代經(jīng)濟(jì)社會(huì)繁榮以及隨之而來(lái)的20 世紀(jì)八九十年代科研經(jīng)費(fèi)暴漲。

日本經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)后開(kāi)始起飛，經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)五六十年代的“山寨”式發(fā)展，打下堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。20 世紀(jì)70 年代的石油危機(jī)，促使日本經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。整個(gè)20 世紀(jì)70 年代，日本研發(fā)經(jīng)費(fèi)占國(guó)民收入的比重超過(guò)2%，并一路攀升，即便在日后的“失落20 年”，研發(fā)經(jīng)費(fèi)占比仍維持在3%以上，不退而進(jìn)。與此同時(shí)，教育經(jīng)費(fèi)占國(guó)民收入比重也持續(xù)上揚(yáng)，人力資本紅利厚積薄發(fā)。

當(dāng)然，事物是辯證的，錢(qián)不是萬(wàn)能的，它需要與制度、市場(chǎng)、企業(yè)和高校產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。但經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段，人才、技術(shù)積累到一定厚度，諾貝爾獎(jiǎng)?wù)Q生就是大概率事件。區(qū)別只在于多少，化學(xué)反應(yīng)顯著，獲獎(jiǎng)人數(shù)就多，反之即少。

同樣是日本，一邊諾貝爾獎(jiǎng)拿到手軟，一邊科教面臨下滑危機(jī)。原因在于經(jīng)濟(jì)增速的退步影響了對(duì)科教的投入。量產(chǎn)諾貝爾獎(jiǎng)的名古屋大學(xué)、東京大學(xué)和京都大學(xué)，近年來(lái)在全球大學(xué)排名上逐步下滑，日本高等教育不復(fù)當(dāng)年盛況。政府教育經(jīng)費(fèi)占GDP 比重也一度跌至3%左右，低于中國(guó)。2018 年，日本政府發(fā)布的《科學(xué)技術(shù)白皮書(shū)》明確指出，日本科技創(chuàng)新能力正出現(xiàn)衰退。而研究資金、論文數(shù)量、引用次數(shù)均呈現(xiàn)下降，毫無(wú)疑問(wèn)，將影響到日本幾十年后的諾貝爾獎(jiǎng)獲得情況。

發(fā)展是硬道理。四十多年的改革開(kāi)放，讓我國(guó)GDP 逼近百萬(wàn)億元人民幣，使得研發(fā)經(jīng)費(fèi)和教育投入迅速大幅增加。前不久，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、科技部和財(cái)政部發(fā)布的《2018 年全國(guó)科技經(jīng)費(fèi)投入統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2018 年，全國(guó)R&D（研究與試驗(yàn)發(fā)展）經(jīng)費(fèi)達(dá)到19 677.9 億元，增長(zhǎng)11.8%，連續(xù)三年保持兩位數(shù)增速。R&D 經(jīng)費(fèi)投入強(qiáng)度（與GDP 之比）為2.19%，連續(xù)五年超過(guò)2%。自2013 年以來(lái)，我國(guó)的R&D 經(jīng)費(fèi)投入一直穩(wěn)居世界第二。與此同時(shí)，我國(guó)的論文數(shù)量和專利數(shù)量也位居前列。

在這樣的投入之下，在雄厚國(guó)力的支撐下，我國(guó)已經(jīng)步入科技大國(guó)的行列。只是，我國(guó)是科技大國(guó)卻不是科技強(qiáng)國(guó)，諸如產(chǎn)學(xué)研碎片化、核心關(guān)鍵技術(shù)卡脖子、錢(qián)學(xué)森之問(wèn)等都是我國(guó)當(dāng)下急需著力解決的事情。

可以確定的是，十幾年后，我國(guó)也將獲得更多的諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)。不確定的是能否井噴，這取決于上述所說(shuō)的化學(xué)反應(yīng)。（本刊綜合）※