讀懂2013諾獎，發現世界更奇妙

2013年諾貝爾生理學或醫學獎：

獲獎人：美國的詹姆斯- E·羅斯曼、蘭迪- W·謝克曼和德國的托馬斯- C·蘇德霍夫

獲獎理由：發現了細胞囊泡運輸系統的運行與調節機制，破解了細胞“寄包裹”的秘密

2013年諾貝爾物理學獎：

獲獎人：比利時的弗朗索瓦·恩格勒和英國的彼得·希格斯

獲獎理由：從理論上預言了希格斯玻色子的存在，人類關于物理世界的一系列假說因此產生

2013年諾貝爾化學獎：

獲獎人：美國科學家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾

獲獎理由：用計算機揭開化學反應的奧秘，將傳統的化學實驗搬到了虛擬世界

2013年諾貝爾生理學或醫學獎：

親，寄去的囊泡收到了嗎

“吹泡泡”的細胞

這3位科學家的發現可能讓你眼前一亮，那就是他們發現了細胞是能夠“吹泡泡”的！沒錯，如果在電子顯微鏡下，你能看到一個個定格在“吹泡泡”瞬間的細胞們，而這些“泡泡”對細胞來講，意義重大，它們吃喝拉撒全靠這“泡泡”。

這事情還得從細胞膜說起，也就是細胞最外邊那層邊界。這層細胞膜著實不簡單，它是由一類被稱為磷脂的分子作為基本成分的，這種分子和我們常說的脂肪有幾分相像。它是一種半液態的狀態，在上面還“漂浮”混雜著一些蛋白質分子。這種半液態的膜很柔軟，可以脫落下一部分，也可以和其他的膜融合。

你可以這樣想象，一個水滴表面布滿了薄薄的油層，將它和周圍的水隔絕了開來，而這個水滴不時會脫落下一個更小的布滿油膜的水滴“泡泡”，然后這個小水滴游游蕩蕩，遇到了相鄰的大水滴，兩個水滴碰撞在一起，接著合二為一，這是多么奇妙的現象！而在這個過程中，物質被從一個細胞傳遞到了另一個細胞！

細胞“貨運”之謎被解開了

細胞膜可以向外釋放出囊泡，很多病毒就是通過這樣的方式脫離了被感染的細胞，然后去尋找新的宿主細胞。但事情比我們所想象的還要復雜一些，細胞要知道何時釋放出囊泡，更要讓囊泡到達目的地，而且這種運輸還不僅限于細胞之間，甚至在細胞內也能夠發生。細胞內部被很多類似細胞膜的膜結構分割成不同的功能區域，這些功能區域之間也通過囊泡進行傳遞。打個比方，就像我們網上買了東西，賣家會給我們寄包裹一樣，細胞與細胞之間，以及細胞自身內部，也有著無數的“包裹”要寄來寄去，這些“包裹”就是細胞囊泡。

謝克曼發現，細胞中某些基因所合成的蛋白質能夠引導細胞內的囊泡運輸，使它們運往不同的區域，與那里的膜結構融合。他通過改變這些基因，成功地將囊泡運送到了不同的區域。羅斯曼則更進一步，他發現原來這些蛋白質是鑲嵌在囊泡表面的，它們能夠和目標區域膜上的蛋白質互補，當囊泡運動到那里的時候，就像握手一樣，來自兩個膜的蛋白質緊緊“抓”在一起。如果雙方不匹配，就“手滑了”，不會發生結合。接下來，就在雙方結合的蛋白質的作用下，兩個囊泡融合了，就好比水面上兩個相互接觸的油滴，你用指尖輕輕一蘸，兩滴油就被引導融合了，當然，這個比喻并不完全準確。

來自細胞內部的囊泡還能夠與細胞膜融合，像抖袋子一樣把里面的東西丟到細胞外去，而事實上這更常見，叫作“胞吐”，我們也可以換個更大眾的名字，那就是分泌。蘇德霍夫便是從神經細胞入手，研究了這個過程。那些神經細胞發出了很多枝杈般的突起，并且在通過突起相互接觸。當一個神經細胞興奮的時候，它會想辦法去刺激下一個神經細胞，通過胞吐的方法釋放出神經遞質，引起下一個神經細胞的興奮或抑制。

而細胞也可以用膜來包裹住環境里面的物質或者水分，然后向內鼓出囊泡，這個過程被稱為“胞吞”或者“胞飲”。如人體的吞噬細胞可以用這種方法吞噬病菌，然后在體內消化掉它們，再以胞吐的方式將殘渣排出。

至此，我們可以構建出一幅生物體內物質運輸的景象，細胞通過胞吞從體液中獲取物質，然后通過胞吐把物質排放到體液中，而在細胞內，囊泡也在傳遞著各種物質——這便是細胞之中最重要的物質運輸景象之一。

小泡泡，大前景

根據3名科學家的發現，每個細胞都是一個生產和傳送分子的工廠，分子通過細胞周圍的囊泡，在正確的時間傳送到細胞和身體所需部位。這一成果除去能夠更好地讓我們了解生命運作的機理外，還有廣泛的應用意義。

例如，他們的基礎發現將有助于治療因為細胞運輸混亂而引起的疾病，如腫瘤、神經性疾病、糖尿病以及免疫組織紊亂等。只要掌握了問題所在，我們可以使用藥物針對相應的蛋白質，也可以去修正那些對應的基因，從而達到治療的目的。

同時，這也給我們送藥提供了便利。我們未來也許能夠利用這種方式，人工制造一些這樣的囊泡，然后把藥物填裝在里面，這樣就能直接將藥物導入到目的細胞里面，大大提高了藥效。

另一方面，由于很多病毒都是利用細胞內吞進入細胞內侵染宿主細胞，等在宿主細胞內大量復制后，再通過外排的形式釋放到感染者的體液中，如艾滋病的病原體HI V。如果我們能夠進一步研究這些機制，就有可能阻斷這一傳播途徑，很多不治之癥也將有控制的可能。

因此，關于細胞囊泡運輸的探索之路才剛剛開始，一切仍需我們繼續努力。

2013年諾貝爾物理學獎：

“上帝粒子”，不只上帝看得到

自然界存在著四大最基本的力，即引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。奠定了力學基石的牛頓發現了引力，但卻沒能弄清楚引力到底是什么，更沒有搞清楚與之密切相關的質量又是什么。

愛因斯坦嘗試解開這些謎題，他鼓搗出了能量=質量×光速2這樣的公式，也證明了引力是一種力場，甚至和玻色兩個人鼓搗出了“玻色子”這個基本粒子的概念，來解釋引力場的傳播問題。玻色子以光速傳播，而且如波一般可以疊加。愛因斯坦還希望將四種相互作用力統一起來，也許，自然界中只有一種最基本的力，但他最終也沒能實現這個理想。

當代物理學家試圖用多種玻色子來解釋這四種力，如膠子是強相互作用力的原因、光子是電磁相互作用的媒介、W及Z玻色子是弱相互作用的造就者、引力子是引力的原因等。與玻色子對應的是費米子，這些粒子有質量，速度低于光速，并且不能疊加，否則就會碰撞。但這仍不足以解釋質量的出現。

于是希格斯等人預言，存在一種玻色子，能夠使費米子擁有質量，被后人稱為“希格斯玻色子”。按照他們的推測，137億年前，宇宙在爆炸中誕生，初成之時，所有的粒子都以光速在空間中運動，包括后來形成的希格斯玻色子。之后，隨著宇宙的冷卻，希格斯玻色子凍結形成了均勻的結構，它們的存在阻礙了費米子的運動，使這些粒子減速，然后具備了質量，而玻色子則不受影響。

這說法顯然會讓很多人感覺腦袋不夠用，英國官方甚至為此征集可以讓政客們看得懂的比喻，于是有了這樣的說法：政客們均勻地分布在一間屋子里面，當一個普通人經過時，沒人關注他，他沒有任何阻力地通過了屋子，可當首相到來時，這些政客們則會因為各種原因圍攏過來，聚集在首相的周圍，使首相不得不減速……

這些慢下來的費米子開始組合在一起，形成中子、質子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除，我們身上的電子等粒子就立刻會以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場面。于是，希格斯玻色子以維持物質世界穩定的作用而被稱為“上帝的粒子”。

但是，以上都是推測，除非我們能夠找到這個粒子。2013年初，科學家終于利用大功率對撞機找到了它的蛛絲馬跡。這是科學前進的一大步，人類關于物理世界的一系列假說因此得以證實，一個新的紀元由此展開。

2013年諾貝爾化學獎：

把化學實驗“放進”電腦里

化學家的難題

化學反應是非常微觀的變化，一支試管中的反應可能在千分之一秒內完成，化學家想要捕捉到反應的過程變得非常困難，所以，很多時候要靠計算。

經典的分子力學可以通過考慮原子之間電荷的引力和斥力等來計算出分子的大致結構，化學家們更是習慣了以此為基礎制作出球棍模型，擺放在桌子上把玩。這些模型可以將很大的分子結構解讀出來，但是卻不能用來描述原子中的電子的運動特征和能量，也就是無法預測出反應的結果。除非，將量子力學引入到化學反應中來，它能充分關注原子核和每一個電子，但是這樣一來，精細的描述必然對應著海量的計算?；瘜W家們只能在小分子上算一算，絕對沒有膽量觸及那些稍大一些的分子，甚至連溶劑的影響都無法計算，至于那些包含了數十萬甚至更多原子的生物大分子，更是想都不敢想的。

就在化學家們一籌莫展的時候，馬丁·卡普拉斯等科學家則開始把目光鎖定在計算機上。

虛擬化學反應

計算機擁有遠超人類大腦的計算能力，如果用它來描述分子的結構和預測反應的結果，是不是會容易很多呢？

但是即使是計算機，也無法利用量子力學將大分子的每一個部分進行監控和分析，這時候，他們采取了一種折中的創新——用經典物理學來描述分子的絕大部分，而用量子力學來描述分子的化學反應的活性中心，從而來模擬和預測整個反應的過程。在他們的計算機模型中，牛頓和他的蘋果與薛定諤和他的貓攜手合作了。

在用計算機成功模擬了簡單的視網膜反應以后，他們開始把注意力轉向生物體內主要的催化物質——酶上面。1976年，第一個酶促反應的計算機模型誕生了。這個程序是革命性的，因為它適用于任何種類的分子，幫助對各種分子甚至是真正的大生物分子建模。當模擬化學反應時，尺寸再也不是問題了。

他們還進一步節省了計算工作量，讓計算機“放棄”分子中的每個他們不感興趣的部分。研究已經表明，在計算過程中可以合并一些原子。這樣，計算的效果就更好。

現在，科學家已經能夠借助計算機模擬極復雜的化學反應，然后可以一點一點關注反應所發生的過程了。

化學的革命

以計算機為媒介，從不同的尺度去模擬復雜的化學系統，這無疑是化學界的革命。通過該模型，我們不僅可以觀察過程，也可以改造分子設計實驗。我們可以關注酶的催化過程，改變其中一些原子的位置，驗證酶的“工作效率”，重新設計酶，之后將催化等過程最優化。

再比如，在模擬藥物如何到達體內靶蛋白的實驗中，電腦可直接對與藥物相互作用的靶蛋白原子執行量子理論計算，精確分析出藥物發生作用的全過程，全面評估藥物造成的影響。

前進的腳步不止于此。萊維特在其著作中描述了他的夢想之一：在分子水平上模擬生物體。這是一個誘人的想法，他們現在擁有多尺度復雜化學系統模型這個強有力的工具，但是他們需要一臺超級強大的計算機，并且要深入探討復雜性科學和自組織理論。至于能夠走多遠，帶給我們的認知有多深，則要由時間來決定。

小鏈接：生物大分子

生物大分子是生物界特有的分子，執行特定的生命功能。它們的規模遠遠超過了非生物界的分子，常見的生物大分子包括蛋白質、多糖（如纖維素、淀粉等）和核酸（DNA和RNA）。

小鏈接：復雜性科學與自組織

我們周圍充滿了這樣的現象——粒子之間通過幾種簡單的相互作用，最終構成了這個豐富多彩的世界。但是幾種簡單的相互作用真的能夠形成復雜有序的結構嗎？這便是復雜性科學要探討的。

2005年，數學家克利夫·瑞特爾決定通過計算機程序，模擬水分子之間的幾種相互作用力，制作雪花！結果，程序運行過程中，他真的獲得了和現實中幾乎一樣的六角形“雪花”！而整個程序運行中，他只輸入了兩個參數。這種按照某些規則、自發形成有序結構的行為，就是自組織。