交叉學科結碩果
——解讀2018年諾貝爾獎三大自然科學獎

10月1日至3日，2018年諾貝爾獎三大自然科學獎項——生理學或醫學獎、物理學獎和化學獎的逐一揭曉，為人類智慧文明的高塔再次壘上耀眼的一層。

美國科學家詹姆斯·艾利森和日本科學家本庶佑因在癌癥免疫治療方面作出的貢獻，獲得諾貝爾生理學或醫學獎。美國科學家阿瑟·阿什金因發明“光鑷”工具、法國科學家熱拉爾·穆魯和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭因發明“啁啾脈沖放大技術”，3人共同獲得諾貝爾物理學獎。美國科學家弗朗西絲·阿諾德因實現酶的定向進化、喬治·史密斯以及英國科學家格雷戈里·溫特因開發噬菌體展示方法，進行抗體定向進化，3人共同獲得諾貝爾化學獎。

有意思的是，今年的三大自然科學獎項均與“生物”相關。其中，化學獎還被不少科學家調侃為“諾貝爾理科綜合獎”，因為截至2018年，物理、生物、生物物理、生物化學甚至數學等領域研究成果都獲得過這一獎項。

●諾貝爾生理學或醫學獎松開免疫系統的抗癌“剎車”

在美國得克薩斯大學MD安德森癌癥研究中心官網上，有幾個黑體大字概括了新晉諾貝爾生理學或醫學獎得主詹姆斯·艾利森對癌癥治療作出的貢獻——規則改變者。

在日本京都大學官網上，可以看到今年另一名生理學或醫學獎得主本庶佑的獲獎感言：一開始以為只是“純粹的基礎性科學研究”，直到這帶來切實療法并聽到患者的積極反饋時，“才認識到我所做工作的真正意義”。

諾貝爾獎評獎委員會稱，兩名科學家“松開”了人體的抗癌“剎車”，讓免疫系統能全力對抗癌細胞，“現在已徹底改變了癌癥療法”。

長期以來，癌癥一直幾乎相當于絕癥的代名詞，尤其是晚期癌癥，迫切需要研發新的抗癌策略。19世紀末20世紀初，一種調動人體免疫系統攻擊腫瘤細胞的新思路在醫學界出現。科學家曾嘗試用細菌感染患者來激發免疫系統，但效果有限。

改變出現在20世紀90年代。當時人們發現，人體內有一些蛋白質會促進或抑制免疫系統發揮作用。如果把免疫系統比作一輛汽車，觸發全面免疫反應的蛋白質就是油門，而抑制免疫反應的蛋白質就是剎車。

艾利森的主要工作就是在實驗室里對一種名為CTLA-4的蛋白質進行深入分析，當時他和多名科學家都觀察到CTLA-4能對與人體免疫T細胞起到“剎車”作用。

與其他研究人員將這一機制作為自體免疫疾病治療標靶不同，艾利森設想，如果“阻擊”CTLA-4，那么T細胞受到的束縛是否會被解除，進而全力對抗腫瘤細胞呢？隨后，他利用小鼠實驗證實了這一設想，并逐步發展成可應用于人體的新療法。

幾乎與艾利森同時期，本庶佑發現了T細胞上的另一個“剎車”分子PD-1。在2012年進行的一項臨床試驗中，基于抑制PD-1的新方法被用于不同類型癌癥病患的治療，效果非常好，好幾名轉移性癌癥患者的病情獲得長期緩解甚至出現治愈跡象，而轉移性癌癥此前被認為基本無法治療。

從累積的臨床試驗結果來看，PD-1阻斷療法已被證明更為有效，尤其是在治療肺癌、腎癌和黑色素瘤方面。一些新研究進一步指出，針對CTLA-4與PD-1的聯合治療或許能夠帶來更好的效果，這已在黑色素瘤患者身上有所體現。

人類對抗癌癥之路依然漫長而崎嶇。兩名獲獎者所取得的突破打開了一扇新的大門，讓人們了解到，癌癥的一個重要解決方案或許就隱藏在人類自己的身體中。

▲美國科學家詹姆斯·艾利森（左）和日本科學家本庶佑（右）獲得諾貝爾生理學或醫學獎(新華社葉平凡攝)

●諾貝爾物理學獎用激光工具“玩轉”微觀世界

隨著人類的研發和技術應用走入更高階段，人們往往要不斷地“鉆牛角尖”，比如在實驗室中觀測并分析極其微小的病毒、分毫不差地在眼球上進行微創手術等。要實現這些難度極高的操作，人們需要駕馭光，讓光成為奇跡工具。

美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭正是通過開創性發明和研究為人們提供了這方面的強大工具。他們共同獲得2018年諾貝爾物理學獎。

為了探究突出物間距對紗線牽引特性的影響，通過Fluent可數值模擬獲得突出物的速度及密度大小，即可通過阻力大小公式計算出突出物的阻力，從而可得到突出物間距對紗線牽引力的影響。假設突出物的直徑d為2mm，取3個突出物，其數值分析示意圖如圖3所示。

阿什金發明了一種光鑷工具，它能用一束高度匯聚的激光形成三維勢阱來捕獲、操縱極其微小的粒子，也就是說，讓激光將小粒子推向光束中心，并將它們固定在那里，從而更好地操縱它們。1987年，阿什金在這方面取得了實質突破。他在不傷害活細菌的情況下，成功用光鑷捕獲了它們。

瑞典皇家科學院院士埃娃·林德羅特說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動到你想要的地方，并對它們展開操作，這是非常實用的工具，事實上我們也經常使用它。”

有了通過駕馭光而形成的新工具，人們可以操縱和移動原子、病毒和其他活細胞。阿什金的發明讓科研人員有機會在不破壞細胞膜的前提下，深入分析細胞內發揮關鍵作用的分子馬達，探討其中的運作機制。如今在許多生物實驗室中，光鑷已經是標配的設備。

穆魯和斯特里克蘭發明了一種叫作“啁啾脈沖放大”的技術，簡單解釋就是將短激光脈沖適時拉伸以減少峰值功率，然后放大它，并最終把它徹底壓縮，這能讓更多的光被壓縮在一個極小空間內，從而大幅提高脈沖的強度。

啁啾脈沖放大技術為科研和一些產業發展提供了全新視角，在物理、化學以及醫學等領域都得到應用。科研人員有機會一窺微觀且快速變化中的分子和原子世界中發生了什么。超強的激光束能夠精準地在不同材料上實現切割和鉆孔。

林德羅特說：“這項研究涉及如何讓激光變得更強，有了強大的激光我們可以做很多實際的事情，比如精準、低成本地為粒子加速，強激光帶來的短脈沖又可以幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力。”

▲2018年諾貝爾物理學獎授予美國科學家阿瑟·阿什金（左）、法國科學家熱拉爾·穆魯（中）以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭（右）（新華社 葉平凡 攝）

●諾貝爾化學獎揭示并利用“進化”的力量

地球的生命經過長期進化最終獲得強大的適應力，散布于各種嚴酷環境，包括熱溫泉、深海以及沙漠等。如果能夠借助進化的力量，人們在化工、醫學等眾多領域中遇到的難題也就迎刃而解。

在全球發展清潔能源的過程中，成本與高效、清潔一直存在矛盾，傳統的方法已很難適應發展，需要研究人員找到新方法來實現這一目標。阿諾德并沒有把希望寄托在傳統化學方法上，而是將目光投向了酶。酶是由活細胞產生的、對其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質或RNA，是一類重要的生物催化劑。

華南理工大學生物科學與工程學院院長林章凜曾在阿諾德的實驗室擔任博士后。在他看來，阿諾德的巨大原創性貢獻在于改變了原先人類希望理性設計生物分子的想法，提出在實驗室中模擬自然界的自然進化，通過隨機突變、隨機雜交，再加以適當規模的篩選或者選擇，來進化出新的生物分子。

“這對于生物化學界來說，是一種哲學和方法學的巨大貢獻。”林章凜說。

阿諾德在1993年完成了首個酶的定向演化實驗，首次實現了她的理論。經過多年發展，阿諾德的實驗室生成的酶已經能夠催化那些自然界中都不存在的化學反應，從而制造出全新材料。她的這些“量身定制”酶如今已是包括藥物在內許多材料制作的重要工具，它在生產過程中能避免產生許多污染環境的副產物。

與阿諾德分享今年諾貝爾化學獎的史密斯則研發了一種名為噬菌體展示的新技術。他利用了一種能感染細菌的病毒噬菌體，將外源蛋白或多肽的DNA序列插入噬菌體外殼蛋白結構基因的適當位置，使外源基因隨外殼蛋白的表達而表達，同時，外源蛋白隨噬菌體的重新組裝而展示到噬菌體表面。這種技術可應用于研究與蛋白質相互作用的配體，以及進行蛋白質演化等。

溫特將史密斯的這項技術用于抗體的定向演化，以便提升它們在疾病治療方面的一些特性。基于這種新技術開發的藥物已在2002年獲得相關批準，可用于類風濕性關節炎等疾病的治療。

諾貝爾化學獎評選委員會成員彼得·紹姆福伊說，基于史密斯和溫特研究成果開發出的全新抗體能夠有效用于人體，如今許多暢銷藥品問世都有他們的功勞。

▲2018年諾貝爾化學獎授予美國科學家弗朗西絲·阿諾德（左）和喬治·史密斯（中）以及英國科學家格雷戈里·溫特（右）（圖/諾貝爾獎官方網站）

交叉學科更易出現引領性原創成果

從生物學家發現免疫系統制動機制而衍生癌癥治療新方法，到物理學家用光鑷探索和調整細胞內部結構，利用短激光脈沖技術治療白內障和近視眼（激光手術），再到化學家掌控酶和抗體定向進化的力量，2018年諾貝爾自然科學三大獎項均與生命科學有關。

其實，諾貝爾自然科學獎項交叉學科趨勢越來越明顯，其中化學獎是跨學科研究的一個典型。據統計，自1990年以來，有16次諾貝爾化學獎頒給了生物學方面的成就。唯一獲得過兩次諾貝爾化學獎的便是英國生物化學家桑格爾。他在1958年憑借開創蛋白質測序領域，測定胰島素氨基酸序列而首次獲獎，之后在1980年因發明測定DNA序列方法梅開二度。

化學獎除了與生物學有“碰撞”，也與物理學有跨界，2017年諾貝爾化學獎就是頒給了英國生物物理學家理查德·亨德森、美國生物物理學家約阿希姆·弗蘭克以及瑞士生物物理學家雅克·杜博歇，以表彰他們在冷凍顯微術領域的貢獻。此外，諾貝爾化學獎獲得者中還有數學家——1998年的諾貝爾化學獎頒給了美國物理學家瓦爾特·科恩和英國數學家約翰·波普。

為什么生命科學、醫學、化學和物理學的交叉學科成果最容易受到諾貝爾獎的青睞？答案是比較清晰的，交叉學科是比較容易出成果的富礦，而且學科交叉更容易獲得突破性的發現和發明。

“交叉學科在他人尚未耕種的土地上耕耘，獲得新發現新成果的概率會更大一些，因此，交叉學科就成為創新的基地之一。”蘇州大學基礎醫學與生命科學學院院長高曉明說，譬如化學包括有機化學、無機化學、理論化學和生物化學等幾個分支學科，生物化學就是用化學最基本的理論來解釋生命現象。“尤其是生命科學發展得特別迅速，在化學領域獲得有影響的研究結果，在生物化學領域出現的機會比較高。”

作為兩個及以上學科的“集大成者”，交叉學科最有可能產生顛覆性技術和引領性原創成果，而這恰恰是諾貝爾獎關注的焦點。諾貝爾獎獲獎“大戶”美國在交叉學科方面一直走在領先位置。例如，美國麻省理工學院與哈佛大學在2004年共建的博德研究所在交叉學科開展上就非常成功，博德研究所創立的根本思路就是通過理工醫多學科交叉，增進對人類疾病的深刻認知，為攻克人類重大疾病奠定科學基礎。這里已匯聚來自全球的3000多名科學家共同開展交叉研究，成果豐碩。（本刊綜合）※