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从蛋白到宇宙,这届诺贝尔奖的想象力有多广

2019-11-06 10:25:16

来源:蛟龙网

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。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

这些获得诺贝尔奖的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。这些探索和变化仍在发生,永远不会结束。

《财经》记者孙爱民|王文肖|编辑

一年一度的诺贝尔奖将于2019年10月7日陆续公布。来自美国、英国、加拿大、瑞士和日本等5个国家的9名科学家获得了三项科学奖——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖,以表彰他们对缺氧信号通路、宇宙演化理解和锂离子电池的贡献。

今年的诺贝尔奖充满了惊喜和意外。它也打破了100多年来的纪录——化学奖获得者、美国科学家约翰·班尼斯特·古德托(John B. Banister Goodenough)在97岁时打破了诺贝尔奖历史上最老的获奖者的纪录。

这些在实验室、学术场所和大学课堂上接到获奖电话的科学家,当他们得知自己在科学领域获得最高荣誉时,并没有停止他们的科学探索。古德托已经将近100岁好几年了,他说退休前他还得再工作五年。诺贝尔奖不是他科学探索的终点。

这项获奖研究是这些科学家早在20年前,甚至40多年前的成果。有些改变了人类对自身和宇宙的认知,有些为进一步未知的探索提供了工具,有些已经深深融入到人类的日常生活中。

10月7日的第一批获奖者是美国遗传学家格雷格·塞门扎(gregg l.semenza),英国医学科学家和分子生物学家彼得·j·拉特克利夫爵士,美国肿瘤学家和哈佛医学院教授威廉·g·凯琳,他分享了诺贝尔生理医学奖。

在过去的两年里,许多组织和个人在预测诺贝尔生理医学奖时将这三位科学家“打包”在一起。科普作家郭萧蔷博士在2018年发表了一篇论文,系统介绍了三位科学家在缺氧信号通路方面的学术贡献,并预测这一成就将在过去两年获得诺贝尔奖。然而,当最终结果出来时,郭萧蔷“猜到了开始,但没有猜到结束”,仍然感慨道,“原本以为再过两年就会有结果。”

2010年和2016年,这三位科学家“组织了一个小组”获得加拿大格尔达纳国际奖和美国拉斯克基础医学奖,后者也被称为“小诺贝尔奖”。这也给了许多人大胆预测的勇气。

诺贝尔委员会为获奖给出的理由是:“承认他们在理解细胞感知和适应氧气变化的机制方面的贡献。”氧气在自然界中已经存在了数亿年,但它实际上被认识和研究才200多年。

细胞在不同浓度的氧环境中,特别是缺氧环境中如何反应,以及它们如何影响器官,这一未知领域与许多疾病的治疗有关。

缺氧可增加红细胞生成素(epo)的含量。例如,当人们处于高海拔缺氧环境时,新陈代谢发生变化,新血管开始生长,新红细胞产生。三位科学家所做的是找出这种身体反应背后的基因表达。

获胜者之一,遗传学家塞门扎,最初研究了地中海贫血的原因。在研究过程中,他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,Semenza团队纯化了一种叫做缺氧诱导因子(hif)的蛋白质,并证实hif-1通过红细胞和血管生成调节机体对缺氧的适应性反应。从那以后,他的团队已经鉴定了多种低氧诱导基因,由hif-1调节。hif-1发现的意义在于表明缺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与动物代谢调节、血管生成、胚胎发育、免疫和肿瘤直接相关。

另一个获胜者是美国分子生物学家威廉·凯琳,他对基础研究不感兴趣,想成为一名临床医生。经过一段时间的系统实验室训练,他开始了自己对肿瘤抑制基因的研究,目标是与vhl突变相关的肾癌。然后,卡琳和他的同事意外地发现,即使在正常条件下,vhl突变细胞仍能大量表达低氧诱导基因。其原因是vhl基因的突变破坏了hif-1α在正常氧下的降解能力。

卡琳的发现很好地解释了肾细胞癌的高血管化现象。然而,一个新的问题是vhl蛋白在正常氧环境中降解hif-1α的机制。

三大赢家之一,分子生物学家拉特克利夫(ratcliffe)发现,在将肝癌细胞移植到小鼠体内形成肿瘤后,大量缺氧诱导基因如血管内皮生长因子(vegf)出现在缺氧区域。hif-1被破坏后,缺氧诱导基因的表达没有增加,肿瘤组织的生长减慢。

一方面,拉特克利夫的研究结果证明了缺氧信号通路的广泛生物学效应,并与卡琳肾细胞癌的结果密切相关。

缺氧信号通路阐明了机体在不利环境下的适应机制,包括缺氧促进红细胞生成和减少耗氧量等代偿作用,以减少缺氧引起的机体损伤郭萧蔷对《财经》记者的分析。

缺氧信号通路的探索为疾病的临床治疗提供了新思路。以肿瘤为例。肿瘤细胞形成细胞团。细胞团内部是缺氧环境。新生毛细血管可以为肿瘤细胞提供营养。然而,如果hif功能受阻,毛细血管不允许进入,肿瘤细胞团将坏死。

目前,针对血管内皮生长因子的单克隆抗体药物已经发表,如用于治疗肿瘤或眼病的阿瓦斯丁。

“如果缺氧诱导因子是靶向的,缺氧诱导因子调节下游的所有生长因子都将被抑制。因此,hif的应用范围更广,根据原理,疗效应该更好。”曾在塞门扎团队工作的王广亮博士在接受媒体采访时做了分析。

以hif为新目标将有更广泛的应用和研究,然而巨大的风险一度阻碍了制药企业和资本的进入。现在诺贝尔奖的最终决定可能会给新药的研发带来机会。

如果美国情景喜剧《生活大爆炸》(The Big Bang Theory)中的人物被用来描述今年的诺贝尔物理学奖,理论物理学家谢尔顿会感到不舒服,因为今年的物理学奖被授予了拉吉。Raj是天体物理学家。

10月8日,诺贝尔委员会宣布,瑞士天文学家米歇尔·马约尔(michel mayor)和瑞士天文学家迪迪埃·克罗泽(Didier Croze)因“共同发现第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”而获得该奖项,并将平均分享该奖项的1/2。

加拿大裔美国物理学家吉姆·皮布尔斯享受了另外1/2的奖金,因为他“对物理宇宙学理论做出了杰出的贡献”。物理学奖也由三个人获得。

诺贝尔委员会认为,“他们对理解宇宙演化的杰出贡献使人类能够重新发现自己在宇宙中的位置”。

科学界认为,物理学奖的“转世”又回到了“星星之海”。从2015年开始,粒子物理学、天体物理学、凝聚态物理、原子分子和光物理获得了诺贝尔物理学奖。量子计算和量子密码术,以前被大力提倡,今年又一次错过了诺贝尔奖。

如果你把一生中获得的所有科学奖牌都挂在胸前,84岁的吉姆·皮斯需要为诺贝尔奖腾出空间。自1981年以来,他获得了十多个奖项,包括爱丁顿奖、海曼奖、布鲁斯金质奖、皇家天文学会金质奖、哈维奖、肖奖、狄拉克奖等。他几乎在宇宙学的每个分支上都留下了自己的印记。

早在2004年,肖奖委员会就曾谈到皮斯:“他为几乎所有现代宇宙学理论和观察研究奠定了基础,把高度投机的领域变成了精密科学。”诺贝尔奖委员会将他发展的理论框架评价为“现代理解宇宙从大爆炸到今天的历史的理论基础”。他写的三本教科书都成了物理宇宙学领域的经典著作。

科幻电影中常见的暗物质、暗能量和宇宙微波背景辐射是吉姆·皮斯(Jim Pease)学术关键词的一部分。他发展了一套描述宇宙演化的理论,这有助于解释宇宙中大规模结构的形成,例如星系是如何形成的以及星系是如何密集分布的。

“他的研究告诉我们为什么宇宙是今天的样子,也能帮助我们预测宇宙将走向何方。”中国科学院国家天文台研究员陈薛磊在文章中写道。

另外两位获胜者米歇尔·迈耶(michelle meyer)和迪迪尔·克罗泽(Didier Croze)于1995年10月在飞马座51附近发现了一颗巨大的行星——飞马座51b,用径向速度法测量,飞马座51距离太阳系约50.9光年。

“它离主星如此之近,以至于当时没有人相信它是真的,所以我们花了几年时间说服科学界。”迪迪埃·克罗泽向外国媒体回忆道。

这是人类发现的第一颗围绕类太阳恒星的太阳系外行星。这一发现改变了人类对行星形成的认知,并开启了外行星研究的新时代。仅在2015年,平均每3天就发现一颗新行星。"基于此,很难相信地球是唯一有生命的星球。"迪迪埃·克罗泽说。

诺贝尔委员会对这一发现的评价是,“天文学的一场革命已经开始,从那时起,银河系中已经发现了4000多颗系外行星。”这个奇怪的新世界仍在被发现,它的大小、形状和轨道令人难以置信。"

两位化学家斯坦利·惠廷汉姆和阿基拉·吉野,以及美国固体物理学家约翰·巴尼特·古德沃因对锂离子电池研究的贡献获得了今年的诺贝尔化学奖。许多研究人员感慨道:“诺贝尔化学奖终于授予化学家了。”

在过去的20年里,诺贝尔化学奖曾多次授予传统化学以外的生物研究,如2018年针对多肽和抗体研究的酶定向进化和噬菌体展示技术,2015年的dna修复机制,2012年的g蛋白偶联受体研究,2009年的核糖体结构和功能,2006年的真核转录分子基础,2004年的泛素调节蛋白降解,2003年的细胞膜通道等。

2017年,诺贝尔化学奖授予“用于高分辨率测定溶液中生物分子结构的冷冻电子显微镜的研发”。科学界称该奖项为“物理学家的诺贝尔化学奖,奖励他们帮助生物学家”。

"贝尔化学奖曾被许多科学家戏称为诺贝尔科学奖。"中国科学院电气工程研究所研究员陈永义告诉《财经》,“对蛋白质等生物大分子变化的调控仍然是基于化学规律,所以它也可以属于化学的广义范畴。”

三位新获得诺贝尔化学奖的人不仅在科学界很有名,而且有广泛的“群众基础”。众所周知,现代锂离子电池已经做了开拓性和领先性的基础工作。

锂离子电池在移动通信领域做出了巨大贡献。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。

1980年,在牛津大学工作了四年后,57岁的物理学家古德托发明了氧化钴阴极,这是锂电池中最重要的成分。如今,全世界的便携式电子设备都使用这种阴极材料。当时,世界上第一个能够为大型复杂设备供电的锂离子电池就是由这种材料制成的,其质量远远高于超市中的其他电池。

当古德托还在牛津大学工作的时候,英国化学家斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)和他在斯坦福大学的同事们共同发现了一种层状电极材料,它在硫化钛薄片之间储存锂离子,允许锂离子在电极之间来回穿梭,具有充电能力,可以在室温下工作。

1983年,吉野·阿基拉生产了世界上第一个可充电锂离子电池原型。两年后,他的技术彻底淘汰了金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(lib)的基本概念,并获得了日本注册专利。

当时,这些研究的实践者可能很难预测其成果在未来的应用前景。"当我们发明锂离子电池时,那只是一项科学研究."在早些时候的采访中,古德说,“我不知道电力工程师将如何使用这些电视,我也从未想过会有手机、摄像机和所有其他电子设备。”

如今,锂离子电池已经超越了传统电子设备的应用场景,正在逐步发展成为电动汽车、电能存储等领域。然而,在这些领域,锂离子电池在安全性、成本和回收方面仍然面临巨大挑战。

“我们需要开发新一代的电力和储能电池,它们‘成本低、寿命长、安全性高、易于回收利用’。”陈永义说,“未来需要革命性的技术突破,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。”

科学家从未停止探索未知领域和升级新技术。正如吉姆·皮斯所说,“奖项是有吸引力的,也是令人向往的,但它们不是科学家工作的一部分:它们应该深入到科学领域,因为你已经被它迷住了。”

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