从蛋白到宇宙,这届诺贝尔奖的想象力有多广

获得诺贝尔奖的这些科学探索,改变了人类对自身和宇宙的认知,生活方式也随之改变。这些探索与改变,还在发生,永无止境

《财经》记者 孙爱民 | 文 王小 | 编辑

一年一度的诺贝尔奖,于2019年10月7日陆续揭晓,三项科学类奖——生理学或医学奖、物理奖、化学奖,分别颁给了来自美国、英国、加拿大、瑞士、日本5个国家的9位科学家,以表彰他们在低氧信号通路、理解宇宙进化、锂离子电池等方面的贡献。

这届诺贝尔奖不乏惊喜与意外,还破了一百多年来的一项纪录——化学奖获得者、美国科学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),以97岁高龄打破了诺贝尔奖历史上最高龄得奖者的记录。

这些在实验室、学术会场、大学课堂上接到得奖电话的科学家们,在得知自己获得科学界最高荣誉时,并没有停止科学探索的脚步。就连年近百岁的古迪纳夫都表示,还要再坚持工作5年才退休,诺贝尔奖并非他科学探索的终点。

获奖的研究是这些科学家早在20多年前,甚至40多年前的成果,有些改变了人类对于自身和宇宙的认知,有些为进一步的未知探索提供了工具,有的已经深深融入到人类的日常生活。

第一天开奖,打开疾病治疗新思路

10月7日首拔头筹的是,美国遗传学家格雷格·西门扎(Gregg L.Semenza),英国医学家、分子生物学家彼得·拉特克利夫(Sir Peter J.Ratcliffe),美国癌症学家、哈佛医学院教授威廉·凯林(William G.Kaelin),三人分享诺贝尔生理学或医学奖。

近两年,不少机构、个人在预测诺贝尔生理学或医学奖时,将这三位科学家“打包”放一起。科普作家郭晓强博士,在2018年便刊发论文系统介绍了三位科学家在低氧信号通路中的学术贡献,并在近两年都预测这一成果将获得诺贝尔奖。不过当最终结果出来时,“猜中了开头但没猜中结尾”的郭晓强仍感慨,“原来以为再等两年,结果提前了”。

2010年与2016年,这三位科学家“组团”获得加拿大的盖尔德纳国际奖、美国拉斯克基础医学奖,后者更是有“小诺贝尔奖”之称。这也给了不少人大胆预测的勇气。

诺奖委员会给出的获奖理由是:“表彰他们在理解细胞感知和适应氧气变化机制中的贡献”。氧在自然界已经存在上亿年,但真正被认知并开始研究才仅200多年历史。

细胞在不同浓度的氧环境中,尤其是低氧环境中如何反应、如何对器官产生影响,这一未知领域关系到诸多疾病的治疗。

低氧可增加促红细胞生成素(EPO)含量。比如,当人处于高海拔缺氧环境时,新陈代谢发生变化,开始生长出新的血管,制造新的红细胞。三位科学家所做的,正是找出这种身体反应背后的基因表达。

此次获奖者之一、遗传学家西门扎,最初研究方向是地中海贫血症的发病原因,在研究过程中他无意间接触到红细胞生成素(EPO),从而从根本上改变了研究方向。

1995年,西门扎团队纯化了一种叫做缺氧诱导因子(HIF)的蛋白质,并证实了 HIF-1,是通过红细胞和血管新生介导了机体在低氧条件下的适应性反应。此后他的团队又鉴定出多种HIF-1调节的低氧诱导基因。HIF-1发现的意义在于说明低氧感知是一个非常重要的生物学过程,具有广泛的生物学意义, HIF-1与动物的代谢调节、血管新生、胚胎发育、免疫和肿瘤等都直接相关。

另一位获奖者——美国分子生物学家凯林(William Kaelin),原本对基础研究几无兴趣的凯林,只想成为一名临床医生,机缘际会在经历一段时间实验室系统培训后,他开始自己的抑癌基因研究,选择对象是VHL突变相关的肾癌。然后,凯林与同事意外发现,即使正常情况下,VHL突变细胞仍可大量表达低氧诱导基因。而之所以这样,是由于VHL基因突变破坏了HIF-1α在常氧下的降解能力。

凯林的发现,很好解释了肾癌高度血管化的现象,然而一个新问题是,即VHL蛋白在常氧环境下降解HIF-1α的机制。

三位获奖者之一、分子生物学家拉特克利夫发现,肝癌细胞移植入小鼠体内成瘤后,在缺氧区出现大量低氧诱导基因如血管内皮生长因子(VEGF)等,当破坏HIF-1则使低氧诱导基因表达不在升高,并且肿瘤组织生长减缓。

拉特克利夫的研究结果一方面证明了低氧信号通路广泛的生物学作用,而且也与凯林肾癌的结果产生了密切联系。

“低氧信号通路阐明了机体在不利环境下的适应机制,包括低氧促进红细胞生成增多、耗氧量降低等代偿性效应以减少氧不足造成的机体损伤。”郭晓强对《财经》记者分析。

低氧信号通路的探索,为临床上治疗疾病提供了新思路。以肿瘤为例,肿瘤细胞为形成细胞团,细胞团内部便是缺氧环境,新生的毛细血管可以给肿瘤细胞提供养料,但如果能够阻断HIF的功能,不让毛细血管进入,肿瘤细胞团就会坏死。

目前已经有以VEGF为靶点的单克隆抗体药物问世,如治疗来治疗肿瘤或眼部疾病的安维汀(Avastin)。

“如果以HIF为靶点,HIF调控下游的所有生长因子都会被抑制。因此HIF的应用范围更广,按道理说疗效应该会更好。”曾经在西门扎团队工作过的王广良博士在接受媒体采访时分析。

以HIF为新靶点将会有更广泛的应用研发,不过,巨大的风险曾经让药企、资本不敢进入。如今诺奖一锤定音,或许为新药的研发投入带来契机。

物理奖,回归“星辰大海”

如果用美国情景喜剧《生活大爆炸》中的人物,来描述今年的诺贝尔物理奖,理论物理学家谢耳朵要闹别扭了,因为今年的物理学奖颁给了Raj。Raj是一名天体物理学家。

10月8日,诺贝尔委员会宣布,瑞士天文学家米歇尔·梅耶(Michel Mayor) 、瑞士天文学家迪迪埃尔·克罗兹(Didier Queloz)因“共同发现了第一颗围绕类太阳恒星运转的系外行星”获奖,将平均分享另外 1/2 的奖金。

加拿大裔美国物理学家家吉姆·皮伯斯(Jim Peebles),因“在物理宇宙学理论上作出了突出贡献”,而独享另外1/2 的奖金。这届物理奖也是三人同获。

诺贝尔委员会认为,“他们在理解宇宙进化上作出的卓越贡献,让人类重新认识了自身在宇宙中的位置”。

科学界则认为,物理奖的“轮回”,重回“星辰大海”。从2015年开始,粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理先后问鼎诺贝尔物理学奖。此前呼声较高的量子计算和量子密码学,今年再次与诺贝尔奖失之交臂。

如果把平生所获的所有科学类奖章挂在胸前,今年84岁的吉姆·皮伯斯,需要好好给诺贝尔奖章腾出块地方。从1981年开始,他获得过爱丁顿奖章、海因曼奖、布鲁斯金质奖章、英国皇家天文学会金奖、哈维奖、邵逸夫奖、狄拉克奖章等十几个奖项。他几乎在宇宙学的各个分支上都留下了印记。

早在2004年,邵逸夫奖委员会曾这样评价皮伯斯:“他为理论和观察方面的几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础,将高度猜测性的领域转变为精密科学。”诺贝尔奖委员会则评价他发展的理论框架构成了“现代理解从大爆炸一直到今天的宇宙历史的理论基础”。他撰写的三本教科书都已成为物理宇宙学领域的经典著作。

科幻片中耳熟能详的暗物质和暗能量、宇宙微波背景辐射等,是吉姆·皮伯斯学术关键词中的一部分,他发展了一整套理论来描述宇宙的演化过程,这有助于解释宇宙大尺度结构的形成,比如星系怎么形成、星系的分布疏密等问题。

“他的研究告诉我们宇宙为什么会是今天这个样子,也能够帮助我们预测宇宙将会走向何方。”中科院国家天文台研究员陈学雷在其文章中写道。

另外两位获奖者——米歇尔·梅耶和迪迪埃尔·克罗兹,在1995年10月,通过径向速度法,在距离太阳系约50.9光年的飞马座51附近,发现了一颗以4天周期公转一周的巨大行星——“飞马座 51b”。

“它距离主星如此之近,当时没人相信是真的,以至于我们花了好几年的时间来说服科学界。”迪迪埃尔·克罗兹对外媒回忆。

这是人类发现的第一颗类太阳恒星周围的系外行星。这一发现改变了人类对于行星形成认知,开启了系外行星研究的新时代,仅2015 年,平均每3天就有一颗新行星被发现。“基于此,很难相信地球是唯一拥有生命的行星。” 迪迪埃尔·克罗兹称。

诺奖委员会对这一发现的评价是,“开启了天文学的一场革命,自那以来,银河系已经发现了 4000 多颗系外行星。奇异的新世界仍在不断被发现,其大小、形状和轨道之丰富令人难以置信。”

化学奖,终于颁给了化学家

两名化学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),与美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),靠锂离子电池研究的贡献,获得了今年的诺贝尔化学奖。不少科研工作者感慨:“诺贝尔化学奖终于颁给了化学家。”

过去20年,诺贝尔化学奖多次授予传统化学之外的生物学研究,比如2018年研究酶的定向进化和研究多肽和抗体的噬菌体展示技术,2015年“DNA修复机制”、2012年“G蛋白偶联受体研究”、2009年“核糖体结构和功能”、2006年“真核转录的分子基础”、2004年“泛素调节的蛋白质降解”、2003年“细胞膜通道”等。

2017年,诺贝尔化学奖颁发给 “研发出冷冻电镜,用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”,科学界将此次获奖形容为“一个发给物理学家的诺贝尔化学奖,奖励他们帮助了生物学家”。

“贝尔化学奖曾被不少科学家戏称为‘诺贝尔理科综合奖’。”中科院电工所研究员陈永翀告诉《财经》记者,“蛋白质等生物大分子的变化调控遵循的还是化学规律,因此其实也可以归属于广义的化学范畴。”

新晋的三位诺贝尔化学奖得主,不仅在科学界实至名归,也拥有广大的“群众基础”,被公认为,现代锂离子电池做出了先驱性和领先性的基础工作。

锂离子电池已经在移动通信领域做出了巨大贡献,如果没有锂离子电池,就不会有今天的智能手机、平板电脑和笔记本电脑等。

1980年,时年57岁的物理学家古迪纳夫,在牛津大学工作四年后,发明了锂电池中最重要的部件——钴氧化物阴极,如今全世界的便携电子设备都采用这种阴极材料。当时,用这种材料制造了世界上第一个可以给大型复杂设备供电的锂离子电池,质量远超市场上其它电池。

当古迪纳夫还在牛津大学工作时,英国化学家斯坦利·威廷汉和斯坦福大学的同事,共同发现了在硫化钛层片之间存储锂离子的层状电极材料,这让锂离子可以在电极间来回穿梭,具备充电能力,并且可以在室温下工作。

1983年,吉野彰制出世界第一个可充电锂离子电池的原型,两年后,他的技术彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,并取得日本注册专利。

这些研究的操刀者,在当时或许难以预计其成果未来的应用前景。“我们发明锂离子电池时,只是一项科学研究。”古迪纳夫早先接受采访时说,“我不知道电力工程师们会如何应用这些电视,更从没预想到会有手机、便携式摄像机等等一切电子设备。”

如今,锂离子电池早已超越了常规电子设备的应用场景,开始逐步往电动汽车、电力储能等领域发展。不过,在这些领域中,锂离子电池在安全、成本以及回收等方面还面临巨大挑战。

“需要开发‘低成本、长寿命、高安全、易回收’的新一代动力和储能电池。”陈永翀说,“未来需要变革性的技术突破,包括电池材料技术、电池结构技术、制造技术、集成应用技术和运维回收技术的创新突破。”

科学家们从未停止探索未知领域、升级新技术。正如吉姆·皮伯斯所言,“奖项、奖励很有魅力,值得向往,但不是科学家工作的一部分:应该更加深入科学,因为你已经为它着迷。”