本報記者 張夢然

截至10月6日,2016年諾貝爾三大科學獎均已揭曉,共7位科學家摘得桂冠。

3日晚,作為第一個被公布的獲獎項目,卡羅琳斯卡醫(yī)學院將生理學或醫(yī)學獎授予了日本科學家大隅良典,以表彰他對細胞自噬機制的發(fā)現(xiàn);4日晚,三位科學家戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨獲得物理學獎,其成就是在物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現(xiàn);5日晚公布的化學獎,由讓-皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加三位科學家獲得,他們在分子機器設計與合成領域為人類做出突出貢獻。

細胞自噬、拓撲理論、分子機器,你我在看過長篇大論后仍不知所以然,有人卻已在此間勉一生之力。對于這些冷門領域里的寂寞身影來說,諾獎的垂青,是最酷的獎勵。

自噬反應:生命清道夫

自噬一詞,從字面上就非常生動地描述了這項生物學過程。

在上世紀中期,人們發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)仿似有一個垃圾處理站,專職回收各種多余成分。這就是溶酶體結構。此后十年間,借力顯微鏡技術的飛速進步,科學家開始在溶酶體內(nèi)觀察到大量細胞,也包括整個細胞器。人們驚訝地發(fā)現(xiàn),細胞似乎是通過某種“運輸渠道”,才將細胞組分運送到溶酶體中進行回收降解。當時溶酶體的發(fā)現(xiàn)者克里斯汀·德·迪夫創(chuàng)造了“自噬”這個詞來描繪該現(xiàn)象。但在之后三十年,相關領域依然行進艱難。

自噬的過程與規(guī)律之謎,是大隅良典解開的。他研究了大量酵母細胞突變株,設計了極其巧妙的實驗,在1993年找到了許多和細胞自噬有關的酵母突變體。接下來的四年間,他的團隊成功克隆出了自噬基因。自此,人們對自噬——這種細胞自身的“減肥”機制,終于有了一個較為清晰透徹的認識,自噬的啟動、流程和后果逐漸走入研究者眼簾。

據(jù)《新科學家》在線版文章,大隅良典在一次采訪中曾說道,隨著自噬研究的深入擴展,人們已認識到這不再是一種簡單反應,許多生理現(xiàn)象的發(fā)生都與之有密切關系,譬如病原體的殺滅、細胞內(nèi)部清理,以及癌細胞的抑制和成熟。

正是由于自噬對腫瘤來說形同一把雙刃劍,才能利用它們在細胞異常中的作用,持續(xù)為人類的疾病治療謀求新思路。

拓撲學:從面包圈到蝴蝶卷

拓撲學的目的,是借助洞的數(shù)量等最基本的特征,來描繪物質(zhì)的形狀和結構。從這個意義上說,一個紙杯和一個面包圈都是相似的,因為它們都有一個洞。但蝴蝶卷這種面包就不是,因為它上面有兩個洞。

聽起來有趣,但實際的理論研究冷門而晦澀。在上世紀,這一數(shù)學理論對當時的人們來說相當生僻,少有人能理解。但正是依靠三位科學家的努力,才推動了現(xiàn)今材料科學以及包括量子計算在內(nèi)的電子學的進步。

據(jù)《新科學家》文章稱,在得知自己獲獎的消息時,鄧肯·霍爾丹訝異之余還有一絲欣慰,畢竟大部分的研究工作都發(fā)生在上世紀70至80年代。

三十多年前,學界仍普遍認為超導特性,即物質(zhì)的電阻為0這一現(xiàn)象是無法發(fā)生在薄層中的。是索利斯和科斯特利茨駁斥了這一說法,并借用拓撲學進行了詮釋。他們發(fā)現(xiàn),薄層導電的現(xiàn)象,會出現(xiàn)在依照離散拓撲的步驟而被賦予形式的物質(zhì)中。這些步驟里的每向上一步,都相當于“把面包圈變成了蝴蝶卷”。

以此類推,霍爾丹又詮釋了某些物質(zhì)的磁性特征。他承認這工作起初非常抽象,但隨著時間推移,越來越多的物質(zhì)屬性能夠被拓撲學所解釋,“實際上,許多人們花數(shù)年去尋找的物質(zhì)特性,一直就在他們眼皮底下。只是我們沒有去看而已”。

現(xiàn)在,他們?nèi)�人的研究覆蓋了諸多不同特性的物質(zhì),包括當前因其獨特屬性而風頭正勁的石墨烯。但就對拓撲學的理解及其應用而言,人們僅僅是開了一個頭。對此,霍爾丹說,想知道目前的成果能告訴我們什么?那就是前方還有很長的路要走。

分子機器:世界最小的機械

發(fā)明機器,是人類歷史不可分割的一部分。而本屆化學獎,見證了科學家們將分子成功連接起來并設計出微型電梯、微型發(fā)動機以及分子肌肉的歷程。