10月5日起，2020年諾貝爾獎(jiǎng)相繼出爐。去年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)等自然科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)都花落誰家？每位獎(jiǎng)項(xiàng)背后都有著如何的成果和故事？一上去和小加君了解一下吧！
諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)
2020年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)于上海時(shí)間10月5日17時(shí)30分即將出爐，由分別來自英國、英國和法國的科學(xué)家J.Alter，和M.Rice共同獲得，得獎(jiǎng)理由是因發(fā)覺丙型腦炎病毒。
正當(dāng)全世界與新型冠狀病毒進(jìn)行纏斗時(shí)，去年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C授給了丙肝病毒的三位發(fā)覺者。
▲2020年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)宣布現(xiàn)場(chǎng)（來始于網(wǎng)路）
在她們的工作之前，乙型腦炎和甲型腦炎病毒已被發(fā)覺，但80%以上的血源性貧血病例一直“不明緣由”。丙型腦炎病毒的發(fā)覺闡明了其余慢性腎病病例的緣由，并使抽血檢查和新抗生素成為可能，因而拯救了數(shù)百萬人的生命。
丙肝病毒的發(fā)覺，花了科學(xué)家們數(shù)六年時(shí)間。這是由于，確認(rèn)造成某流行性疾患的病原，一般要滿足以下幾點(diǎn)：
（1）可疑病原須在患者中均有發(fā)覺，在患者臨床樣本中可測(cè)量到病原核苷酸；
（2）從患者臨床樣本中可成功分離到病原；
（3）分離的病原感染寄主植物后可導(dǎo)致相同的病癥病狀。
為什么發(fā)覺丙肝病毒用了20多年，而發(fā)覺新冠病毒只用了一周？
2019年底，北京發(fā)生了多起“不明緣由腦炎”，此后，致病原迅速被確覺得“新型冠狀病毒”。
按照新華社的報(bào)導(dǎo)，明年1月2日，接到云南省送檢的病例標(biāo)本后，中國疾控中心隨即投入一場(chǎng)“接力賽”：提取核苷酸、基因測(cè)序、比對(duì)剖析……連續(xù)鏖戰(zhàn)30多個(gè)小時(shí)，病毒的遺傳密碼總算在第一時(shí)間被破譯。根據(jù)這份全基因組序列，核苷酸檢查試劑快速研發(fā)成功。
第二步是病毒分離。冠狀病毒的分離培養(yǎng)本就不易，標(biāo)本又經(jīng)歷了凍融和長途運(yùn)輸，更降低了分離難度。但耗時(shí)5天，科研人員第一時(shí)間分離鑒別了新冠病毒，獲得全球首張新冠病毒電鏡相片，為病原的快速鑒別“一錘定音”。
1月12日，中國疾控中心、中國醫(yī)學(xué)科大學(xué)、中國科大學(xué)上海病毒研究所作為國家衛(wèi)生健康委員會(huì)指定機(jī)構(gòu)，向世界衛(wèi)生組織遞交新型冠狀病毒基因組序列信息，在全球鼠疫共享數(shù)據(jù)庫發(fā)布共享，這為全球舉辦卡介苗研制、藥物研究、疫情控制等提供了重要基礎(chǔ)。
▲丙肝病毒示意圖（圖片來源：）
相比于新冠病毒才能被迅速“發(fā)現(xiàn)”，丙肝病毒的發(fā)覺實(shí)在是慢。這其中似乎有科學(xué)技術(shù)發(fā)展的緣由。諸如，核苷酸檢查是新冠病毒被發(fā)覺的關(guān)鍵，而最原始的基因測(cè)序技術(shù)要到上世紀(jì)70年代后期才被發(fā)展下來。
1972年，Alter證明一種“非甲非乙”的病毒是慢性腎病的病癥后，病毒的分離遲遲不能實(shí)現(xiàn)。仍然要到1989年，等人才用最新的分子技術(shù)分離出丙肝病毒的核苷酸；1997年，Rice團(tuán)隊(duì)借助基因工程的方式“改造出”有活性的丙肝病毒，并證明了病毒本身就可導(dǎo)致丙型腦炎。
諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)
2020年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)將一半頒給了羅杰·彭羅斯（Roger）以嘉獎(jiǎng)其給出的黑洞產(chǎn)生的證明，并成為廣義相對(duì)論的有力證據(jù)。另一半由萊因哈德·根澤爾（）和安德里亞·格茲（Ghez）共享，嘉獎(jiǎng)她們發(fā)覺銀河系中心的超高質(zhì)量萊西度物質(zhì)。
去年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)授予了清遠(yuǎn)美三位科學(xué)家，以嘉獎(jiǎng)她們?cè)谔祗w化學(xué)學(xué)，非常是"借助廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)黑洞產(chǎn)生"以及"發(fā)覺銀河中心超大質(zhì)量物體"方面取得的科學(xué)成果。
其中，美國物理化學(xué)學(xué)家羅杰·彭羅斯爵士從理論上推表演黑洞的產(chǎn)生是廣義相對(duì)論原理的必然推論，因而獲得了去年一半的獎(jiǎng)金。
哪些時(shí)侯物理家也能獲得諾貝爾獎(jiǎng)了？雖然，那位任性的物理家的研究成果還"跨界"過生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域……
物理、生物、化學(xué)…獲得化學(xué)諾獎(jiǎng)的霍金舊友，還是一位“任性”的跨界鵜鶘
羅杰·彭羅斯出生于20世紀(jì)科學(xué)快速發(fā)展的時(shí)代，他的女兒萊昂奈爾·彭羅斯是一位杰出的精神病學(xué)、遺傳學(xué)家，哥哥則是知名的超現(xiàn)實(shí)主義作家羅蘭·彭羅斯。成長于這樣"人才輩出"的家庭，彭羅斯從小就玩起了物理，例如和媽媽組裝四面體玩具。"女兒的打鬧和他的工作，并沒有清晰的界限。"在媒體的專訪中，他這么追憶。
其實(shí)是由于這段與眾不同的童年，對(duì)于長大后的彭羅斯來說，物理仍然是一種"愛玩"的體驗(yàn)。幾何圖產(chǎn)生了他所有思維過程的一部份，在他寫過的許多書中，高深難懂的理論常伴隨著圖形化的解釋。
▲1965年的論文中，彭羅斯解釋物質(zhì)坍縮為奇點(diǎn)的過程
（圖片來始于諾獎(jiǎng)委員會(huì)，并非原始論文圖）
羅杰·彭羅斯常與復(fù)雜的空間關(guān)系打交道，他本人也非常欣賞德國作家埃舍爾的作品。
▲埃舍爾代表畫作之一（圖片來始于網(wǎng)路）
深受那位作家的啟發(fā)，還在上研究生的彭羅斯，和他的妻子合作，創(chuàng)造出了知名的"不可能物體"概念。這種不可能物體的每位細(xì)節(jié)的聯(lián)接處都看似合理，但整體是不可能存在于現(xiàn)實(shí)中的。從最簡(jiǎn)單的"彭羅斯三角"，到它的各類變體如"彭羅斯階梯"，雖然都是視覺上的錯(cuò)覺。
▲電影《盜夢(mèng)空間》中出現(xiàn)的彭羅斯階梯
（圖片來始于網(wǎng)路）
在一次化學(xué)學(xué)家弗雷德·霍伊爾在皇家學(xué)會(huì)進(jìn)行的講堂中，當(dāng)時(shí)早已須要手杖的霍金從聽眾席站上去，直白地強(qiáng)調(diào)了霍伊爾的一個(gè)錯(cuò)誤；而同樣發(fā)覺異常的彭羅斯則是離開講堂檢測(cè)結(jié)果。這兩個(gè)人有著不同的性格，但共同的學(xué)術(shù)興趣讓她們走到了一起。
70年代，她們意識(shí)到，"宇宙大爆燃雖然可以看作星體崩塌為奇點(diǎn)的反向過程。"這一理論將不受歡迎的黑洞概念，和宇宙學(xué)理論聯(lián)系在了一起。她們的成果，就是知名的"彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定律"。由于這一成果，她們共同獲得了1988年的沃爾夫數(shù)學(xué)獎(jiǎng)。
▲彭羅斯與生前的霍金合照（來始于網(wǎng)路）
然而黑洞的概念，和數(shù)學(xué)學(xué)中另外一個(gè)基礎(chǔ)理論量子熱學(xué)有所矛盾。量子熱學(xué)覺得，宇宙存在最小的單元，不能被無限分割，因而奇點(diǎn)這些"容積無限小"的概念是不創(chuàng)立的。為此，黑洞成了20世紀(jì)兩大化學(xué)理論的對(duì)決之處。
從上世紀(jì)60年代開始，彭羅斯還發(fā)明了"扭量理論"，企圖聯(lián)接量子熱學(xué)和相對(duì)論。
▲上世紀(jì)60年代的彭羅斯，黑板上圖形即"扭量"（圖片來源：.co.uk）
彭羅斯對(duì)于量子疊加態(tài)的思考，讓他提出了一個(gè)驚人的理論，即"生物的意識(shí)可能始于量子效應(yīng)"。在出版于1989年的專著《皇帝的新腦》中，彭羅斯和一位麻醉學(xué)家提出，腦部中一種稱為微管的蛋白纖維，可能是攜帶量子震動(dòng)疊加態(tài)的載體。
彭羅斯現(xiàn)在承認(rèn)他的看法有點(diǎn)瘋狂，但其實(shí)不是沒有依據(jù)的推測(cè)。彭羅斯覺得自己有這種看法，源自他對(duì)宇宙形狀和規(guī)律的直覺，以及對(duì)職業(yè)安全感和科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)的不甚關(guān)心。那位來自愛因斯坦時(shí)代的老物理家，經(jīng)常提出讓年青學(xué)者大開眼界的理論，但彭羅斯覺得自己"更傾向于接受傳統(tǒng)智慧"，不太認(rèn)同他人給他貼上"特立獨(dú)行"的標(biāo)簽。
彭羅斯的科學(xué)之路，除了能帶我們回顧上個(gè)世紀(jì)的科學(xué)黃金時(shí)代，回顧黑洞理論從暗處亮相的過程，他對(duì)于昨天的科學(xué)家們也是一個(gè)血淋淋的見證：任性的科學(xué)家也可以成功。
諾貝爾物理獎(jiǎng)
2020年諾貝爾物理獎(jiǎng)即將出爐，兩位“剪刀手”女科學(xué)家——美國加洲學(xué)院伯克利校區(qū)院長A.和日本馬普感染生物學(xué)研究所院士獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)，以嘉獎(jiǎng)其“開發(fā)了一種基因組編輯方式”。
“我認(rèn)識(shí)好多今生都與它（這個(gè)獎(jiǎng)）無緣的杰出科學(xué)家物理有哪些著名的獎(jiǎng)，這（無緣獎(jiǎng)項(xiàng)）跟她們是不是杰出的科學(xué)家雖然并沒有哪些關(guān)系”，珍妮弗·道德納說——在接到《自然》雜志打來的賀電之前，那位新晉諾貝爾獎(jiǎng)得主甚至還不曉得物理有哪些著名的獎(jiǎng)，去年“勝出”的人竟是自己?？梢哉f，現(xiàn)在只要談及基因編輯，“珍妮弗·道德納”這個(gè)響當(dāng)當(dāng)?shù)拿咏^對(duì)難以避免。
2012年，珍妮弗·道德納和?，敿~埃勒·沙爾龐捷三人聯(lián)合發(fā)表論文，首次向世人揭露了-Cas這三天然免疫系統(tǒng)的神奇之力，從理論上解釋了-Cas這一系統(tǒng)的生物學(xué)現(xiàn)象，富有創(chuàng)新性和開拓性地向世人揭露了這把“基因剪子”的神秘面紗，因此后人類對(duì)基因進(jìn)行“定點(diǎn)”剪裁和編輯提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
▲-Cas9基因編輯技術(shù)原理漢化版（圖源：）
事實(shí)上，自從1970人類就開始嘗試“剪切”、“粘貼”重組基因編輯技術(shù)來改寫細(xì)胞。但是，彼時(shí)科研人員所使用的方式基于天然真菌酶，難以精準(zhǔn)地靶點(diǎn)定位研究人員所需的特定基因序列，在“剪裁”基因時(shí)出現(xiàn)誤差并造成最后被改寫的基因結(jié)果未能預(yù)測(cè)。相比于此前的其它技術(shù)，-Cas基因編輯技術(shù)除了精準(zhǔn)度高且“準(zhǔn)入門檻”低，這些易用性為該技術(shù)博得了更高的普及性，讓-Cas基因編輯技術(shù)在全球各大實(shí)驗(yàn)室中得以快速推廣。
此后，更多的科學(xué)家開始嘗試借助-Cas基因編輯技術(shù)“修復(fù)各種基因損傷”，其研究范圍也快速從基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)、動(dòng)物研究，發(fā)展到了對(duì)細(xì)胞性胃炎、HIV等更為寬廣的人類癌癥醫(yī)治。
在該技術(shù)應(yīng)用最為普遍的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，研究人員借助-Cas基因編輯技術(shù)改良了小麥、棉花等農(nóng)小麥的先天不足，讓基因經(jīng)過“剪刀”修剪后的創(chuàng)新性農(nóng)小麥顯得更抗病、更耐寒、更不易得病；在醫(yī)學(xué)上，一方面，科學(xué)家和大夫嘗試借助-Cas基因編輯技術(shù)，“從骨子里”精準(zhǔn)地幫助患者發(fā)覺病癥、治療癌癥，這也為人類醫(yī)治例如乳癌、漸凍癥這種現(xiàn)在屬于“不治之癥”的疾患提供了希望和可能；另一方面，-Cas基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)也為人類抵御癌癥提供了更多的主動(dòng)性——在忽然襲來的疫病面前，該技術(shù)能幫助人類更快更精準(zhǔn)地“剪”出“最可疑”的基因片斷，便捷科學(xué)家定點(diǎn)、高效地放大檢查“嫌疑對(duì)象”。
針對(duì)2020年席卷全球的新型冠狀病毒，珍妮弗·道德納曾于去年9月公開表示，-Cas基因編輯技術(shù)的三大優(yōu)勢(shì)——能提供更直接的RNA檢查、能更簡(jiǎn)單地被改寫以應(yīng)對(duì)病毒的突變、能更容易地批量制造相關(guān)檢查設(shè)備，將有望為人類抵御新型冠狀病毒提供更加大有力的支持。
“如果你要問我為何覺得公眾應(yīng)當(dāng)多多支持什么以興趣為驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究，這么我要說，其緣由就在于這（以興趣為驅(qū)動(dòng)）才是科學(xué)的本質(zhì)。雖然，我們永遠(yuǎn)沒法預(yù)測(cè)未來的邁向”，珍妮弗·道德納說。
文字|天津科技報(bào)記者丁林、王雪瑩
編輯|丁林、王雪瑩
新媒體編輯丨許藐文