2022年諾貝爾科學獎花落誰家？

編譯 王曉濤

每年揭曉的第一個諾貝爾獎通常被稱為“諾貝爾醫學獎”。但這并不是它的真名。實際上我們應該把它叫作諾貝爾生理學或醫學獎。2022年獲獎者的研究方向就屬于生理學領域。獲獎者——只有一個，而不是通常的兩三個——是斯萬特·帕博（Svante P??bo）。基本上可以說，正是他發明了古基因組學這樣一門學科，這是他與眾不同的地方。

古基因組學是對古代（通常已滅絕）生物物種基因組的研究。帕博博士特別專注于研究古代的人屬物種。他的早期研究始于1985年，與埃及木乃伊相關。埃及的木乃伊始于大約4 600年前。從古生物學的角度來看，4 600年不過是彈指一揮間。埃及的沙漠氣候特別有利于DNA的保存。所以這對于帕博而言是一個很好的科研起點。漸漸地，隨著基因測序技術的改進，他將目光延伸向了更遙遠的過去。

1997年，他取得了第一個重大突破。當時的他正對生活在歐洲和西亞、于大約3萬年前滅絕的尼安德特人的線粒體DNA進行了測序。線粒體是細胞的動力站，它從葡萄糖中提取能量并將其轉移到被稱為ATP的分子中，然后驅動代謝反應的發生。因為它們來自大約20億年前與動植物祖先的細胞共生的細菌，所以線粒體有自己的DNA，與細胞核中的DNA有所不同。而且由于細胞中有很多線粒體而只有一個細胞核，因此線粒體的DNA更加豐富，從而更有可能被檢測到。

帕博博士的分析表明，尼安德特人的線粒體DNA確實與智人的DNA不同。基于這種DNA的進化速度，我們可以估計出兩個物種的分化時間（約80萬年前）。然而，真正的重要成果出現在2009年，他和他幫助建立的德國萊比錫馬克斯普朗克進化人類學研究所的同事們于當年宣布，已經測得了尼安德特人的DNA序列——由于技術的改進，“可檢測”量的值已經改變。我們可以通過這一序列以及后繼序列，將智人的基因組匯編，并與尼安德特人的基因組區分開。據推測，在這個基因組目錄中，存在著對智人這一物種為何如此非比尋常的解釋，但目前我們對此還不清楚。

然而，在帕博博士的職業生涯中，最大的意外之喜可能是他純粹從DNA中鑒定出一個完整的新物種，即丹尼索瓦人。該物種的原始基因組是從阿爾泰山脈的一個洞穴中發現的指骨中提取的。丹尼索瓦人與尼安德特人的親緣關系比與智人的關系更密切。隨后的分析表明，二者有時會雜交。從現在的角度來看，更可能的關聯原因是，當這些非洲物種在大約7萬年前開始出現在他們的歐洲和亞洲家園時，兩者都與智人雜交。留下的痕跡仍然存在：現代歐洲人擁有1%～2%的尼安德特人DNA，亞洲和澳大利亞的一些人擁有多達6%的丹尼索瓦人DNA。

因此，可以說帕博博士的職業生涯就是一次科學探測之旅。還有一件值得一提的事。雖然他的職業生涯大部分時間都在德國度過，但他是瑞典人。阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Nobel）在遺囑中指出：“我明確表示，在頒發獎項時，不要考慮國籍，而是將獎項頒發給最有價值的人，無論他們是不是斯堪的納維亞人。”然而，當卡羅林斯卡學院諾貝爾大會秘書托馬斯·帕爾曼（Thomas Perlmann）宣讀這一聲明時，自豪感溢于言表。

一個糾結的謎題

諾貝爾物理學獎頒發給了三位科學家，他們對量子力學基本性質的見解為技術新時代奠定了基礎。量子計算機、量子網絡安全和量子密碼學都根植于阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·蔡林格（Anton Zeilinger）幾十年來進行的實驗。

他們的工作重心是量子糾纏現象，其中成對的粒子彼此關聯，因此表現得好像是單獨的單元一樣。這導致了一些違反直覺的效果——例如，改變一個粒子在這樣一個糾纏對中的屬性就會使得另一個粒子立刻發生改變，無論粒子相距多遠，它們可以彼此相鄰，也可以位于銀河系的兩端。

然而，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）并不是量子力學概率性質的粉絲，他將糾纏描述為“幽靈般的超距離作用”。他和其他人擔心，這似乎會打破狹義相對論的規則，即沒有什么能比光速更快。他認為，如果糾纏的粒子相隔很遠的距離，那么信息怎么可能瞬間就能在它們之間傳播呢？

1935年，愛因斯坦和兩位同事鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）以及內森·羅森（Nathan Rosen）提出了一個思想實驗（后來被稱為“EPR悖論”），以弄清在糾纏中看到的奇怪行為是否意味著量子力學不是對現實的完整描述。也許粒子還攜帶著量子力學沒有描述的隱藏信息，比如它們在實驗過程中被測量時可能如何行動。1964年，日內瓦歐洲核子研究中心的物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）進一步發展了EPR悖論，并提出了可測試的預測，以確定隱變量是否真的存在。

差不多十年后，克勞澤實施了第一個實驗來測試貝爾的想法。他的結果與量子力學的預測一致，并表明愛因斯坦的隱變量可能不存在。然而，這些實驗留下了一些漏洞，這些漏洞在20世紀80年代初被法國巴黎第十一大學的研究生阿斯佩徹底解決。通過對克勞澤博士的實驗進行微調和改進，阿斯佩博士將最后一顆釘子釘在了愛因斯坦隱變量的棺材上。

第三位物理學獎得主，維也納大學的蔡林格花了幾十年時間尋找利用量子糾纏效應的方法。1997年，他證明了在粒子之間傳遞信息是可能的，這一過程被稱為“量子隱形傳態”。他還證明了兩對糾纏的粒子可以通過某種有趣的方式相互作用。特別地，將每個糾纏對中的一個粒子聚集在一起會導致剩余的兩個粒子（它們從未接觸過）本身糾纏在一起。

操縱糾纏粒子系統的量子態已成為量子計算和量子加密等技術的基礎。在2022年物理學獎獲得者的工作基礎上，由糾纏光子組成的信號已經可以通過幾公里長的光纖發送，甚至在地面上方數百公里處的衛星之間傳輸。

“量子信息科學是一個正在快速發展的充滿活力的領域，”瑞典皇家科學院物理學獎授予委員會成員伊娃·奧爾索（Eva Olsson）說，“它在安全信息傳輸、量子計算和傳感技術等領域具有廣泛而潛在的影響。我們可能已經打開了通往另一個世界的大門。”

蔡林格博士在之后發表講話時說，一小時前接到學院的電話時，他十分驚訝。“我現在仍然有點震驚，”他說，“但這是一個非常令人欣喜的消息。”

點擊并收集

第三項諾貝爾獎，即化學獎，頒發給了一種名為“點擊”化學的技術的發明者。所有的化學技術都是把分子放在一起并將它們切分開。因反應不同，具體的細節也會不一樣。但是在許多領域，有一種方法可以將構建大分子的模塊結合在一起，而不管這些較小單元的化學性質如何。這就是點擊化學的作用，用途十分廣泛。

三位獲獎者中的兩位，哥本哈根大學的莫滕·梅爾達爾（Morten Meldal）和加利福尼亞州拉霍利亞斯克里普斯研究學院的巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）（之前已經因催化劑的研究獲得過諾貝爾獎）發明了這一技術。第三位是斯坦福大學的卡羅琳·貝爾托西（Carolyn Bertozzi），將點擊化學技術應用于生物系統。不管應用的領域如何，這一技術都使用一對化學基團——疊氮化物（其中三個氮原子連續連接在一起）和炔烴（其中兩個碳原子通過三鍵連接）。在適當的情況下，它們將反應形成稱為三唑的結構（由兩個碳和三個氮組成的五元環），同時附著在它們的原始分子上。從本質上講，疊氮化物和炔烴就像是卡扣的兩半。

在梅爾達爾博士和夏普利斯博士在2001年和2002年獨立地研究這個問題之前，疊氮化物和炔烴之間的反應確實有效，但只是一個緩慢的過程，并且傾向于產生混合的產物。他們試圖改變這種狀況。經過一番實驗，他們發現，銅離子大大提高了速度和純度。點擊化學就這樣誕生了。對于純化學過程，他們的方法效果很好，比如，他們改善了藥物開發、DNA測序和材料生成等領域的化學合成技術。

然而，在將化學融入生物學時，一個問題出現了。對于生物系統而言，銅離子具有毒性。因此，貝爾托西博士決定研究一種方法，使疊氮化物和炔烴在沒有銅參與的情況下做出反應。她的解決方案于2004年以論文的形式發表。帶扣的炔烴一半包含在分子中，使其處于應變狀態，從而更容易反應。她通過將三鍵碳原子插入八元環中做到了這一點。當碳原子環有六個碳原子時會最穩定。八碳原子環扭曲了其中的鍵，從而使其應變。

為了解決她感興趣的特定問題，即研究通常會在細胞表面發現的稱為聚糖的糖類聚合物，她將疊氮化物基團連接到形成聚糖亞單位的糖分子上，并將產物放入細胞中。正如她所希望的那樣，這些改性糖被摻入了聚糖中。然后，一旦這些聚糖暴露于外部世界，她就能夠用應變炔烴環安裝標記物，將熒光標記分子附著在這些聚糖上。

貝爾托西博士發明的這種分子特異性熒光標記方法與使用銅的方法不同，是生物正交化學的重要用途。它現在不僅可以用于標記分子，還可以跟蹤并查看目標分子在細胞內如何相互作用。此外，它還可以幫助我們更好地了解某個疾病背后的過程，并且可以用于協助藥物的開發。因此，點擊化學及其生物正交分支是21世紀最重要的化學發明之一，其發明者獲得諾貝爾獎當之無愧。

資料來源 The Economist