十個科學關鍵詞與科學的歷程（下）

田地

4.受體（receptor）

受體是次于細胞的一種生物大分子，它能與激素、神經遞質、藥物或細胞內信號分子結合從而引起細胞和機體產生功能和功能改變。

人之所以能聞嗅出飯菜、花果的香味，不僅因為這些物質分子散發(fā)到鼻腔中，而且在于人的鼻腔黏膜中存在500萬個被稱為嗅感受器的神經細胞（神經元）。在每個嗅感受器的頂端都有10多根纖毛，纖毛的外部包裹著一些特殊的受體，當物質分子與這些受體結合后，能刺激嗅感受器興奮并產生電信號，傳遞到大腦中樞和大腦邊緣系統(tǒng)，讓人能聞到香味。

受體可以分為細胞（膜）表面受體和細胞內受體兩大類。人體的受體遠遠多于細胞。人的細胞有40萬億～60萬億個，如果每個細胞的細胞膜和細胞內部都有一個受體的話，就會是80萬億～120萬億個，實際上受體數(shù)量遠遠多于這個數(shù)字。如果把受體歸類，則可以縮小數(shù)量。例如，G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是一類研究得比較深入的受體，在人體內已發(fā)現(xiàn)約800個，它們屬于細胞膜表面受體，負責傳遞信號，對細胞的生理和病理過程發(fā)揮著重要作用。很大一部分藥物都以該類受體為作用靶點，所以它們對藥物研發(fā)和疾病治療意義重大。

正是因為揭示了G蛋白偶聯(lián)受體的內在作用機理，2012年的諾貝爾化學獎授予這一發(fā)現(xiàn)。上述發(fā)現(xiàn)人的嗅覺機理的研究獲得了2004年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

2008年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予人類免疫缺陷（HIV）病毒的發(fā)現(xiàn)。HIV正是通過人T細胞的細胞膜上的受體入侵T細胞并損害人的免疫系統(tǒng)的，如果讓HIV難于識別和借助受體入侵T細胞，就將為防治艾滋病開辟一條途徑。

未來，還會有無數(shù)的受體被發(fā)現(xiàn)并納入研究范圍，產生的成果將極大造福于人類。

5.基因（gene）

基因一詞來自古希臘語，意為“生”。基因實際上就是一部分DNA序列，或DNA的一個片段。基因是遺傳的基本單位。一個人細胞核的所有DNA就是基因組，也就是其所有的遺傳信息。

由于“發(fā)現(xiàn)腫瘤病毒和細胞遺傳物質之間的相互作用”，意大利籍美國科學家雷納托·杜爾貝科與霍華德·特明和戴維·巴爾的摩分享了1975年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。基于基因突變可能是誘發(fā)腫瘤的重要原因，杜爾貝科于1986年在美國《科學》雜志上發(fā)表文章，提議對人類基因組30億個堿基對的序列進行測序。這就是人類基因組計劃—被譽為繼曼哈頓計劃、阿波羅計劃之后的第三大科學計劃。該計劃于1990年10月正式啟動，2000年6月26日完成，參與的有美、英、法、德、日、中等多國科學家，繪制出人體97%的基因組，其中85%的基因組序列得到了精確測定。

除了1975年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎與基因有關（腫瘤與基因），1958年該獎授予發(fā)現(xiàn)基因功能受到特定化學過程的調控和發(fā)現(xiàn)細菌遺傳物質的基因重組；1959年授予發(fā)現(xiàn)核糖核酸和脫氧核糖核酸的生物合成機制（RNA和DNA屬于基因研究內容）；1968年授予破解遺傳密碼并闡釋其在蛋白質合成中的作用（也是基因的內容）；1978年授予發(fā)現(xiàn)限制性內切酶及其在分子遺傳學方面的應用（限制性內切酶可以重組基因）；1989年授予發(fā)現(xiàn)逆轉錄病毒致癌基因的細胞來源；1993年授予斷裂基因的發(fā)現(xiàn)；2006年授予發(fā)現(xiàn)RNA干擾—雙鏈RNA引發(fā)的沉默現(xiàn)象；2007年授予在利用胚胎干細胞引入特異性基因修飾的原理上的發(fā)現(xiàn)。

人類基因組完成后，對基因的研究進入后基因組時代，也稱功能基因組學時代。主要的研究內容是：研究基因組的多樣性，基因組的表達調控與蛋白質產物的功能，疾病基因的定位克隆，多基因病的研究，模式生物基因組研究，以及各種動植物基因組的測序等。

所有這些研究將為人們深入理解人類基因組遺傳語言的邏輯構架，基因結構與功能的關系，個體發(fā)育、生長、衰老和死亡機理，神經活動和腦功能表現(xiàn)機理，細胞增殖、分化和凋亡機理，信息傳遞和作用機理，疾病發(fā)生、發(fā)展的基因及基因后機理（如發(fā)病機理、病理過程）以及各種生命科學問題提供科學基礎。

6.量子（quantum）

量子概念是德國物理學家馬克斯·普朗克于1900年提出的，他也因發(fā)現(xiàn)能量量子而獲得1918年諾貝爾物理學獎。后來還有一系列關于量子的研究成果獲得諾貝爾物理學獎：1932年，維爾納·海森堡因創(chuàng)立量子力學獲得諾貝爾物理學獎；量子力學的基本方程—薛定諤方程和狄拉克方程獲1933年的諾貝爾物理學獎；1954年授予量子力學領域的基礎研究成果；1965年授予在量子電動力學方面的基礎性工作；1985年授予發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應；2012年授予能夠量度和操控個體量子系統(tǒng)的突破性實驗手法。

以量子科學研究進入應用時代為標志，人稱第一次量子革命，它為能源、信息科學、生命科學和材料科學做出巨大貢獻。美國是第一次量子革命的領跑者，硅谷也被視為量子技術的結晶。

進入21世紀后，量子理論在通信和計算機領域得到長足發(fā)展，到達第二次量子革命的臨界點。如果量子理論在計算和通信這兩方面的應用有所突破，就能占有先機，贏得未來。美國IBM公司在2017年發(fā)布50個量子比特計算機樣機；2018年，美國英特爾公司發(fā)布49個量子比特芯片；2018年，美國谷歌公司宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone。2016年，中國研制的世界首顆量子實驗衛(wèi)星“墨子”號成功發(fā)射，實現(xiàn)了千千米級星地雙向量子通信。此外，人工智能和量子技術結合也是未來科技發(fā)展的一個重要方向。

7.水（water）

水在19世紀70年代至20世紀30年代持續(xù)成為《自然》雜志的科學關鍵詞。生命起源于水，水又維持生命。對于水的科學研究在早期并沒有成為一門單獨的學科，而是散見于多個學科中，如農業(yè)、水電、化學、物理、地理地質、氣候、天文、水文、水利、海洋、環(huán)境和生態(tài)中。水科學成為一門獨立的成系統(tǒng)的學科起始于第二次世界大戰(zhàn)后，聯(lián)合國教科文組織成立了水科學司，其業(yè)務內容包括水文學問題和水資源問題。

現(xiàn)在的水科學學科涉及對水的開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理、保護、研究，因此，可以把研究與水有關的學科統(tǒng)稱為水科學。具體而言，水科學是一門研究水的物理、化學、生物等特征，分布、運動、循環(huán)等規(guī)律，開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理與保護等方法的知識體系。涉及理學、工學、農學、醫(yī)學、經濟學、教育學、歷史學、管理學等多個學科門類，還與多個學科交叉，如水文學、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經濟、水法律、水文化、水信息、水教育等。

在19世紀末和20世紀上半葉，關于水的重大科學研究成果散見于其他學科研究中，如1901年諾貝爾化學獎授予發(fā)現(xiàn)了化學動力學法則和溶液滲透壓。對于以水為研究核心的水文、水利和水資源等領域，主要與農業(yè)相關，如滴灌技術的延續(xù)和創(chuàng)造性使用。早期的滴灌系統(tǒng)見于中國最早的一部農書—《氾勝之書》。現(xiàn)代的滴灌是德國的實驗結果，在20世紀30年代，滴灌系統(tǒng)主要用于歐洲的溫室暖房里。直到20世紀60年代，以色列對滴灌進行創(chuàng)新應用，研制了硬韌防堵塑料管、接頭、過濾器、電腦控制器等，做到減少蒸發(fā)、高效灌溉及控制水、肥、農藥，使得以色列農業(yè)多年來的用水總量一直穩(wěn)定在13億立方米，農業(yè)產出卻增加了5倍。

此外，20世紀以來，對水的研究主要是揭示降水與自然的關系。觀測證據表明，全球季風降水有顯著的年代際變化，如1901～1955年，季風降水顯著增加，隨后至1990年，季風降水顯著減少。

8.射線（ray）

射線是由各種放射性核素，或者原子、電子、中子等粒子在能量交換過程中發(fā)射出的具有特定能量的粒子或光子束流。常見的有X射線、α射線、β射線、γ射線和中子射線等。

可以說，射線研究貫穿了物理學研究的始終，很多射線研究都獲得了諾貝爾物理學獎。從1901年頒給發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線），到2006年頒給發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性，諾貝爾物理學獎迄今有24次頒發(fā)給了射線研究。

此外，就連諾貝爾化學獎、生理學或醫(yī)學獎也有與射線研究有關的。1936年的諾貝爾化學獎授予通過對偶極矩以及氣體中的X射線和電子衍射的研究來了解分子結構，1964年的諾貝爾化學獎授予利用X射線技術解析一些重要生化物質的結構。1946年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予發(fā)現(xiàn)X射線輻射能夠讓基因產生突變的研究成果。

這些研究表明，射線既是物理學研究的內容，又是化學和醫(yī)學研究的工具和內容，它們對于揭示物質世界、人體和生物的真相和規(guī)律至關重要，因此成為科學關鍵詞。

9.酸（acid）

酸是化學的主要研究對象。傳統(tǒng)的定義是，當溶解在水中時，溶液中氫離子的濃度大于純水中氫離子濃度的化合物就是酸。換句話說，酸性溶液的pH值小于水的pH值（25℃時水的pH值為7）。

酸可分為無機酸和有機酸兩種。在《自然》雜志和其他科學雜志發(fā)表的論文中，主要是有機酸和與有機酸相關物質的研究成果，如核酸（DNA和RNA）、氨基酸和食物中的有機酸。另外，環(huán)境中的酸雨也屬于酸（主要是無機酸）的研究。

諾貝爾化學獎有8次頒給有機酸和相關化合物的研究，如1927年頒給對膽汁酸及相關物質的結構的研究、1937年頒給對碳水化合物和維生素C的研究（維生素又稱抗壞血酸）、1957年頒給核苷酸和核苷酸輔酶研究方面的成果。諾貝爾生理學或醫(yī)學獎有3次是授予有機酸和相關化合物的研究：1937年授予發(fā)現(xiàn)維生素C和延胡索酸對生物燃燒的催化作用，1953年授予發(fā)現(xiàn)檸檬酸循環(huán)，1959年授予發(fā)現(xiàn)核糖核酸和脫氧核糖核酸的生物合成機制。

10.太陽（sun）

早期的科學研究有不少圍繞太陽進行，包括太陽光、太陽風、太陽黑子、太陽輻射等。如1870年《自然》雜志第2卷的一篇涉及太陽的文章—天空為何是藍色的，引發(fā)了廣泛而持續(xù)的研究。

作者認為也許因為太陽光是橙色的，所以天空中陽光照不到的地方自然會顯現(xiàn)出橙色的互補色—藍色。英國物理學家廷德爾則用“廷德爾散射模型”來解釋，即波長較短的藍色光容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，從而散射向四方。但是，如果由水滴冰晶等微粒的散射造成天空的藍色，那么天空的顏色和顏色的深淺應隨著空氣濕度的變化而變化，事實上沒有。

1899年，物理學家瑞利發(fā)表一篇《關于光通過包含懸浮小顆粒的大氣的傳輸以及天空藍色的起源》的文章，指出“即使沒有外來的微粒，我們依舊會有藍天”。因為，根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒，空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射，而且也是藍色光容易被散射。所以，空氣分子的散射就可以讓天空是藍色的。但是，瑞利散射的條件是，假定空氣是理想氣體，空氣中的分子都是自由和隨機分布的，但事實上空氣并非自由的氣體。

1910年，愛因斯坦以當時剛剛發(fā)展的熵的統(tǒng)計熱力學理論證明，哪怕最純凈的空氣，也有密度的漲落起伏，而且還有不可消除的雜質。但是，空氣本身的密度漲落也能散射，也是藍色光容易被散射。而且，密度漲落的散射，不多也不少，正好能產生人們看到的藍天。

所以，由《自然》雜志的文章提出的問題通過科學家們的接力，最終完成了對涉及陽光的藍天的科學解釋。諾貝爾物理學獎也有關于太陽研究的成果，1967年的諾貝爾物理學獎授予對核反應理論的貢獻，特別是關于恒星中能源的產生的研究發(fā)現(xiàn)；1983年的諾貝爾物理學獎授予有關恒星結構及其演化的重要物理過程的理論研究。