2016：諾貝爾獎的“一大步”

梅松

截止2016年10月13日，2016年諾貝爾獎的6個獎項得主已全部揭曉。讓我們來看一看，這一次，科技又給我們帶來了哪些驚喜？

2016年諾貝爾獎，民謠歌手鮑勃·迪倫“跨界”奪得文學獎；奧利弗·哈特、本特·霍姆斯特羅姆榮因對契約理論做出的貢獻獲經濟學獎；和平獎授予哥倫比亞總統胡安·曼努埃爾·桑托斯，以表彰其在結束哥倫比亞長達50多年的內戰中所做的堅定努力；日本科學家大隅良典獲得了生物學或醫學獎；大衛·索利斯和鄧肯·霍爾丹及邁克爾·科斯德里茨獲物理學獎；讓·皮埃爾·索瓦、詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特以及伯納德·費靈格獲化學獎。就讓我們來看看這些推動時代進步的研究，探尋一下科技的一小步如何給人類帶來一大步。

細胞自噬為“七分飽”找到理論依據

北京時間10月3日，在瑞典卡洛林斯卡醫學院諾貝爾大廳，諾貝爾生理學或醫學獎評委會宣布：將2016年諾貝爾生物學或醫學獎授予日本科學家大隅良典，表彰他對細胞自噬機制的發現。

細胞自噬到底是什么？簡單來說，這是為吃飯要吃七分飽找到了依據。

所謂自噬作用，是指細胞在應對短暫的生存壓力時，可通過降解自身非必要成分來提供營養和能量，從而維持生命。相應地，自噬作用也可能降解潛在的毒性蛋白來阻止細胞損傷，或是阻止細胞的凋亡進程。然而自噬并不總是良性反應，它更像是在走投無路時進行的一場豪賭。

據了解，在上世紀90年代初期，大隅教授篩選了上千種不同的酵母細胞，找到了15種和自噬有關的基因，他的研究令全世界的科研人員豁然開朗。

當然，對于普通老百姓來說，更關心是這些研究會給我們今后的生活帶來怎樣的變化。近年來，細胞自噬受到熱捧的一個重要原因就在于其與人類生老病死的關聯。首當其沖是衰老，簡單點說，中國人常說的吃飯要吃七分飽，通過研究細胞自噬，讓這一說法有了理論基礎。七分飽可以讓細胞自噬，維持細胞的代謝，從而讓人更長壽。另外，細胞自噬的研究對于治療帕金森癥在內的神經退行性疾病都有幫助。

而細胞自噬與腫瘤的關系更為密切，雖然到目前為止激活細胞自噬來預防腫瘤發生的直接臨床依據稍顯不足，但自噬在腫瘤早期發生過程中的抑制作用已被廣泛證實，因此適當地提高基礎自噬水平可能成為未來腫瘤預防的重要措施。

走進薄層物質的“平面世界”

北京時間10月4日，瑞典皇家科學院宣布將2016年度諾貝爾物理學獎授予大衛·索利斯（DavidJ.Thouless）和鄧肯·霍爾丹（F.DuncanM.Haldane）和邁克爾·科斯德里茨（J.MichaelKosterlitz），以獎勵他們在物質拓撲相變和拓撲相的重大理論發現。

這三位科學家使用了先進的數學方法來解釋異乎尋常的物質狀態——比如超導體、超流體或者薄層磁性物質的奇特屬性。科斯特利茨和索利斯研究了平面世界的現象，也就是在物體表面或者很薄的物質上所發生的事情，它們可以被認為是二維的世界，和日常描述的三維世界不同。霍爾丹還研究了細絲狀的物質，它們可以被認為是一維的。

拓撲學是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。

三位科學家采用拓撲學作為研究物理的工具，這一舉動在當時讓同行感到吃驚。在上世紀70年代早期，當時的理論認為超導現象和超流體現象不可能在薄層中產生，而邁克爾·科斯特利茲和大衛·索利斯推翻了這一理論。他們證明了超導現象能夠在低溫下產生，并闡釋了超導現象在較高溫度下也能產生的機制——相變。

后來到了80年代，大衛·索利斯成功地解釋了之前的一個實驗，即超薄導電層中的電導系數可被精確測量到整數。他證明了這些整數在自然屬性中處于拓撲狀態。同時，鄧肯·霍爾丹發現，可以用拓撲學來理解某些材料中的小磁體鏈的性質。

現在，我們已經知道拓撲相有很多種，它們不僅存在于薄層和線狀物，還存在于普通的三維材料中。過去十年里，這一領域的研究促進了凝聚態物理研究的前沿發展，人們不僅僅對拓撲材料能夠在新一代電子器件和超導體中產生應用抱有希望，而且看好其在未來量子計算機方面的應用。此刻，研究者依然在探索三位諾獎得主開創的薄層物質“平面世界”的奇特屬性。

比頭發絲直徑還要小1000倍的分子機器

北京時間10月5日，2016年度諾貝爾化學授予法國斯特拉斯堡大學的讓·皮埃爾·索瓦（Jean.PierreSauvage）、美國西北大學的詹姆斯·弗雷澤·司徒塔特（SirJ.FraserStoddart）以及荷蘭格羅寧根大學的伯納德·費靈格（BernardL.Feringa），以獎勵他們“在分子機器的設計和合成”方面的貢獻。

何為分子機器？簡單來說，就是生物體內那些像機器一樣運轉的東西，可用燒瓶、試管等儀器，用基本的非生命體化合物合成出來，并用這些非生命體的分子機器來模擬生命體分子機器的運轉。

人類能用自己的“巨手”造出微小尺度的機器嗎？科學家有兩種思路：一種是通過制造比人類手更小的機器，由它再制造更小的機器；另一種是曾經的諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼的構想：在例如硅表面上，由下而上地噴射一層又一層原子，之后將一些層溶解，從而得到可使用電流來控制的移動部件。

事實上，早在費曼提出其構想前，科學家們就嘗試用多種方式把分子連接起來，以實現某種功能。索瓦日在1983年成功地將兩個環狀分子連接在一起，形成了一條特殊的“分子鎖鏈”，學名“索烴”。

索瓦日的辦法是“輔助連接體法”：這種方法借用一個一價銅離子，將一個半圓形分子和環狀分子吸引在一起，再將兩個半圓形分子“焊死”成一個環，從而達成“一環套一環”的效果。至今，科學家們已經制造了類似奧運五環和央視臺標等多種多樣的“分子鎖鏈”。

更進一步，上世紀90年代，斯托達特設計出了“輪烷”：簡單來說，就是將一個分子環套在一個長條狀的啞鈴狀分子上，在這條軸的兩端設置有鍵連接點，通過改變環境的PH值，就能控制分子環在連接點來回移動。而除了用PH值控制開關外，隨后科學家們又研究出可用光、熱乃至某些特定化學物質控制的開關。

此后，科學家基于互鎖型有機超分子組裝體，設計合成了多類分子機器，例如：分子電梯、分子肌肉、分子纜車和分子滑輪等。

而這“最小機械”該怎么用呢？在索瓦日等科學家的研究基礎上，費林加首先研究出了能夠做功的分子馬達。在1999年，他制作了一個分子轉子葉片，能夠持續朝一個方向旋轉。費林加的分子機器主要利用具有擁擠結構的烯烴類有機分子，巧妙地設計合成了一類可重復進行單向旋轉的分子馬達。這種分子馬達在光和熱的驅動下進行旋轉，可驅動比其自身大數千倍的物體運動。頗為有趣的是，2011年，費林加團隊制作了一個納米尺度的“小車”，同汽車一樣，它也有底盤，有四個車輪，通過分子馬達車輪旋轉向前行駛。

對于分子馬達，諾獎委員會給出了這樣的評價：“從歷史發展來看，分子馬達和19世紀30年代的電動機的地位相似，當時科學家們展示了各種各樣的旋轉曲柄和輪子，卻并不知道這些東西最終將導致電車、洗衣機、風扇以及食品加工機的產生。”

分子機器如何接近實際應用，至少可從以下幾方面來繼續研究：首先是分子機器理論的突破，比如分子機器的設計方法、原理以及確定分子機器做功參數。其次是能夠做功和響應刺激分子機器的設計與構建，如何利用目前已積累的功能基團來構造復雜的、多功能的精巧分子機器，仍是一個挑戰與難題。當前絕大多數分子機器研究集中在溶液中，將分子機器與外界整合是實現其對外部環境做功的重要途徑，這可能也是分子機器由基礎研究走向實際應用需要解決的問題之一。（編輯/夏冬）