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2017诺贝尔奖:科技发现与突破从"小众"走向"大众"

发布时间:2017-10-09 10:40:01 来源:第一财经 责任编辑:笙火

2017年诺贝尔大奖三大理科奖项分别奖给了在控制昼夜节律的生物钟、引力波和冷冻电镜技术领域的发现者和重要突破者。

科学发现开启了人类认知新世界的大门,而技术突破则帮助人类更好地去认知新世界。这也是诺贝尔奖为何能从专业领域的“小众”突破阻碍走进“大众”的注意力视野。

这些理论和技术,将在未来改变人们的生活。

昼夜节律的生物钟

今年的诺贝尔生理学或医学奖授予JeffreyC.Hall、MichaelRosbash和MichaelW.Young三位美国人。诺贝尔大会认为,三位科学家的研究帮助人类认识了人体内的生物钟机制,并且阐明了它如何运作,他们的发现能够解释植物、动物和人类等地球上的生命是如何通过适应生物钟的节奏来与地球的进化同步的。

生物钟对于人类健康的重要性不言而喻。正因为有体内生物钟的精准运转,人体才能适应一天中不同阶段的活动。生物钟与人类的行为、荷尔蒙分泌的水平、睡眠、体温、代谢等核心功能息息相关。这也是为什么当外部环境与我们体内的生物钟偶尔发生不一致时,人会感到身体不适。比如当我们穿越不同时区旅行的时候,会产生“时差”。还有一些研究表明,当我们的生活方式与体内的“计时器”所记录下来的节律不相符时,会增加引起多种疾病的风险。

三位科学家通过对果蝇研究发现,果蝇体内的一组特定的控制白天生物钟节律的基因当中含有一种蛋白,会在晚上聚积在细胞内,到了白天就会分解。同样的机制,他们又辨识了其他的一些基因,揭示了细胞内部自我维持的生物钟的管理机制。

弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)研究所主任、2001年诺贝尔奖获得者PaulNurse爵士表示:“世上万物皆依赖于阳光,无论是植物还是动物的行为,都受到日夜交替的影响。生物钟植入在我们身体的机制内,植入在我们的代谢系统,它无处不在,是我们了解生命体的真正核心特征。”

不仅如此,人们越来越意识到,生物钟会影响人类的疾病以及药物治疗。虽然还有待证实,一些药物需要在特定的时间内服用效果最佳,这都是受到昼夜节律的影响。

中科院生物化学与细胞生物学研究所研究员胡荣贵对第一财经记者表示:“昼夜节律是非常基础而且意义重大的研究成果,与睡眠紊乱、自闭症、代谢疾病、肿瘤等多种疾病都密切相关,虽然目前还没有直接的靶向药物。”

“看清”分子机制

瑞士生物物理学家雅克·迪波什(JacquesDubochet)、德裔美籍生物物理学家约阿基姆·弗兰克(JoachimFrank)及苏格兰分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森(RichardHenderson)获得2017年诺贝尔化学奖的理由是:研发了冷冻电镜,简化了生物细胞的成像过程,提高了成像质量。冷冻电镜的分辨率能够达到分子级别,同时能够保持生物分子的自然状态。

冷冻电镜的出现让结构生物学蓬勃迅速地发展。凭借冷冻电镜技术,过去两年清华大学在三大科学杂志Cell、Nature、Science(合称CNS)等顶级期刊发表数篇论文。

“虽有古训,‘工欲善其事,必先利其器’,中国文化和社会意识中,每论‘技’常以‘巧’蔑之,忽略技术专研和革新里的原创性努力和坚持。”胡荣贵说。但这一情况正在被当代科学家扭转。

2013年初,冷冻电镜技术取得突破。用施一公的话来说:“以前的照相机技术不行,照片非常模糊,有层霜。2013年,这层霜去掉了。这时候,我们的研究开始突飞猛进。”

去年7月,中国科学院院士、著名结构生物学家施一公教授研究组在Science杂志就剪接体的结构与机理研究发表两篇长文,研究报道了酿酒酵母剪接体激活和剪接反应催化过程中两个重要状态的剪接体复合物近原子分辨率的三维结构,阐明了剪接体的激活和催化机制,从而进一步揭示了前体信使RNA剪接反应的分子机理。

施一公的学生颜宁所在的研究组与中国疾控中心、中科院微生物所高福院士研究组合作,去年5月、8月和9月连续报道了人源胆固醇转运蛋白NPC1的4.4埃分辨率冷冻电镜结构,并探讨了NPC1和NPC2介导细胞内胆固醇转运的分子机制。同时还报道了NPC1与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体6.6埃分辨率的冷冻电镜结构,为理解NPC1介导埃博拉病毒入侵的分子机制提供了分子基础。

从埃博拉病毒的研究到阿尔茨海默综合征药物的开发,越来越多生物学家正受益于冷冻电镜技术。施一公去年发表的题为《生物学冷冻电镜在中国的发展》(《Biologicalcryo-electronmicroscopyinChina》)的综述中称:“中国的生物学冷冻电镜(biologicalcryo-EM)已进入快速发展阶段。”

该综述列举了近年来(2008年~2016年)中国内地科研人员发表的多项代表性成果,共计53篇。解析了冷冻电镜在染色质组织、免疫反应、离子通道、光合作用、核糖体生物起源、RNA代谢和病毒结构等研究中的应用。综述得出结论:“尽管冷冻电镜在其他国家也在快速、健康地发展,但是中国的增长速度远超过世界平均水平;并且,这一趋势预计会再持续5~10年。”

另一种方式观察宇宙

在今年的诺贝尔所有奖项中,呼声最高的是物理奖的获得者——引力波发现者Ligo团队。美国麻省理工大学教授韦斯,加州理工学院教授巴里什(BarryC.Barish)和索恩(KipS.Thorne)三位科学家因对发现引力波贡献突出获奖。

引力波经历了半个世纪的发展,终于成为了一个“大科学”项目,这与1000多名科研人员的共同努力分不开。引力波作为一项纯基础研究,为认识宇宙打开一扇新的窗户。爱因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初,引力波曾遭到了物理学家的质疑。从理论的角度看,引力波的存在仰仗的是时空与其他物理实体之间的微妙差异。此外,通过实验探测引力波是极为困难的。

成功探测到引力波,意味着人类掌握了一种全新的探索宇宙奥秘的方法。此前,人们用电磁波作为“千里眼”,欣赏美丽的宇宙;而引力波探测器则像是“顺风耳”,人们用它来倾听波澜壮阔的宇宙。

“在宇宙诞生之初,还没有光的时候,就已经有引力波了,所以发现引力波,就可以研究宇宙最初期的物质形态。”上海天文台原台长赵君亮对第一财经记者表示,“不过要用于未来实际的天文研究,还有很长的路要走。”

去年9月,Ligo首次探测到引力波,由距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并产生,质量大约分别是太阳质量的29和36倍。13亿年前,大约3倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍,这一引力波首先到Ligo的达列文斯顿探测器,7毫秒之后到达汉福德探测器。

探测到引力波使广义相对论的几个重要预言得到证实。广义相对论认为,时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。当物质在时空中运动时,就会产生引力波。爱因斯坦说,当一列引力波向你迎面走来时,你会忽而又高又瘦,忽而又矮又胖,并且循环往复。引力波作为广义相对论的一个重要推导,其真实存在成为广义相对论正确的一个重要证据。


去年2月,第一财经记者专访了参与Ligo项目的上海人张渊皞。当时张渊皞还在美国罗切斯特理工大学读博士。他感慨地说道:“这个信号太完美了。主观上一直不敢相信,似乎是一个弱得不能再弱的信号,才能体现出Ligo强大的威力。”

如今,张渊皞刚刚加入了德国马克斯-普朗克研究所(MaxPlankInstitutes),仍然从事引力波数据的收集工作。张渊皞对第一财经记者表示:“更重要的是之后的物理学。目前发现的都是双黑洞合并的信号,还有比如双中子星、银河系内中子星的信号和其他未知的信号,以后的新发现都会为理解宇宙提供新的方法和证据。”

王凤枝 本文来源:第一财经 责任编辑:王凤枝_NT2541

责任编辑: 笙火

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