微信关注
中国科技创新人才
近年诺贝尔科学奖中的科技思想史轨迹
作者:张田勘时间:2017-10-30 10:06 来源:《中国科技人才》杂志

2017年度诺贝尔自然科学奖于10月初已相继公布。

由于在“生物节律的分子机制方面的发现”,2017年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国遗传学家杰弗里·霍尔(Jeffrey C. Hall)、迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)和迈克尔·杨(Michael W. Young)。

2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院教授巴里·巴里什(Barry C. Barish)和基普·索恩(Kip Stephen Thorne),以表彰他们在引力波研究方面的贡献。

2017年度诺贝尔化学奖授予瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学的约阿基姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学的理查德·亨德森(Richard Henderson),因为他们“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”。

今年诺贝尔科学奖的3个奖项,既有历史纠缠也有新时代科学研究的特征。从这一视点切入,本文拟探讨近年来诺贝尔科学奖中科技思想史的轨迹。


一、一代代科学家薪火传承

引力波研究,可谓一代代科学家薪火传承的代表之一。

早在1905年,法国科学家庞加莱率先提出引力波概念。他认为,与加速电荷会发射电磁波相似,因而有理由认为,加速运动的质量也应该产生引力波。

10年之后的1915年,爱因斯坦提出并在理论上建立了广义相对论。1918年,爱因斯坦在一篇名为《论引力波》的文章中,深入探讨了引力波问题,给出了引力波方程。而后又曾质疑引力波的存在。

1974年,美国科学家赫尔斯(R. A. Hulse)和泰勒(J. H. Taylor Jr.)发现,脉冲双星的轨道在不断减小,认为可用引力波导致能量损耗的机理解释,这被视为间接观测到了引力波。两人因此获得1993年度诺贝尔物理学奖。

与爱因斯坦1915年建立广义相对论相隔100年,自2015年以来,科学家4次经实验确认发现引力波、1次疑似发现引力波。

2015年9月14日,位于德国汉诺威的马普学会引力物理研究所LIGO团队,首次发现并探测到由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号,被命名为GW150914,持续时间不到1秒钟。同年12月26日,LIGO团队再次直接探测到引力波,将其命名为GW151226,这个引力波同样来自双黑洞并合。2017年1月4日,LIGO团队第三次引力波事件,被命名为GW170104。

与前两次引力波相似,GW170104也来自于黑洞合并。此次合并后的黑洞质量,约为太阳质量的49倍,介于前两次探测到的黑洞质量之间(前两次并合黑洞质量分别为太阳质量的62倍和21倍),进一步证实了大于20个太阳质量的恒星黑洞的存在。

如果说,这3次引力波都是单独由LIGO团队探测到的,那么2017年8月14日第4次发现引力波事件则由不同的研究团队同时发现。LIGO的两台干涉仪(美国华盛顿和路易斯安娜的LIGO引力波天文台)与欧洲“处女座”(意大利的Virgo引力波天文台)的一台干涉仪,从3个地点几乎同时(先后相差仅几毫秒)捕获到了引力波,命名为GW170814。

LIGO团队发现的一次疑似引力波事件,是在2015年10月12日,被命名为LVT151012。由于这个事件距离地球很远(大约30亿光年),信号相对弱一点,显著性也只有1.7倍标准差,因此不能确定为科学发现。

同样,今年诺贝尔生理学或医学奖授予生物时钟成果,也是科研薪火相传的体现。最早是1971年美国加州理工学院的本泽(Seymour Benzer)和他的学生科罗普卡(Ronald Konopka),以果蝇为模型,发现周期(Period)基因(Per基因)。1984年,杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什与迈克尔·杨密切合作,从果蝇体内克隆(分离和提取)出了Per基因。到1994年,迈克尔·杨发现了第二个节律基因,称为Tim基因。

此后,发现生物时钟的研究还在继续。1994年,在美国芝加哥北郊西北大学工作的日裔科学家高桥,用老鼠做实验,发现了哺乳动物的生物时钟基因——Clock基因和CKIε蛋白(激酶)。至此,整个研究才比较完整地解释了人和动物的生物钟。直到今天,这一探索还在进行,因为关于生物时钟,还有很多问题并不清楚。


二、多学科交叉

今年的诺贝尔化学奖,最能体现大科技多学科的交叉融合,因为这既是现代新科技研究的要求和趋势,也是出成果的必由之路。

今年诺贝尔化学奖授予3位研究人员,是表彰他们“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”。电子显微镜是物理学范畴,而研究物质在分子、原子层次上的组成、性质、结构与变化规律又属于化学的范畴,同时生物分子更属于生物学或医学范畴,因而今年化学奖涉及的学科之多前所未有,科学界戏称化学奖又在“不务正业”。

诺贝尔化学奖“不务正业”的实例很多,尤其是在最近几年。

2015年度化学奖授予瑞典的托马斯·林达尔、美国的保罗·莫德里奇和阿齐兹·桑贾尔,以表彰其阐明细胞修复自身DNA机制的成果;2014年度化学奖授予美国的埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国的斯特凡·黑尔,因为他们为发展超分辨率荧光显微镜做出了贡献。

从1901年首次颁诺奖以来,诺贝尔化学奖就很不“专一”,常常与其他学科纠缠和勾连,多次颁发给生物学、生物化学、生理学或医学、生物物理学、物理学等领域,并且显然“染指”生物和医学最多,实在是有点“狗拿耗子”。从2001~2016年,在已颁发的15个诺贝尔化学奖中,与生物学相关的化学奖达10次之多。

由此,诺贝尔化学奖也获得一个中国的俗称——“理综”奖。然而,与其说诺贝尔化学奖“不务正业”甚至“狗拿耗子”,不如称其为多学科共赢,而且,这是现代科学研究发展的一条有效之路和捷径,并且正在从逶迤小道走向“高速公路”。

科学研究的必要和重要条件之一,是需要适宜和有效的工具。例如显微镜和望远镜,就天然地把物理学和生物学联系在一起。在生物医学研究史上,较早采用显微镜观察生物并取得成果的是安东尼·列文虎克,他发明的显微镜,首次发现了“狄尔肯”(Dierken),即微生物。

然而,一般的显微镜并不足以观察细菌、病毒、支原体等内部结构,如细胞核和细胞质内物质,更不用说观察更小的原子层级分子结构,如蛋白质的分子结构。电子显微镜的发明,当然可观察更小的分子,然而面临的一个很大难题是,由于其会发射出强大的电子束流,破坏脆弱的生物材料,因而难以观察到活体或有生命的生物材料和生物分子的本尊,大多用于观察无生命物质。

于是,研究人员想尽各种办法改进这种状况。

1990年,理查德·亨德森使用电子显微镜观察到第一个膜蛋白——细菌视紫红质原子层面分辨率的三维结构图像;约阿基姆·弗兰克·弗兰克则研发出一种图像处理方法,能对电子显微镜获得的模糊二维图像进行分析并产生精细的三维图像,由此阐明了细胞内核糖体的结构。这似乎是对电子显微镜观察到的不太清晰的生物图像进行P图,让其更为清晰。

最为关键的是,雅克·杜波切特,发明了在对生物分子进行图像拍摄之前将其冷冻起来的方法,既不损害生物分子又能保持其本尊模样。在20世纪80年代早期,杜波切特将水加入电子显微镜,产生“水的玻璃化”,即通过快速降温让水在保持液态的前提下,在生物样本周围迅速固态化,从而让生物分子能够在真空腔内保持其自然状态下的形态,并在液氮温度下的电子显微镜下观察,由此奠定了冷冻电镜制样与观察的基本技术手段。

这一成果也标志着冷冻电镜(Cryo-Electron Microscopy或 Electron Cryo-Microscopy)技术的诞生,并且让人们能在冷冻电镜下观察到“原汁原味”的有生命力的生物分子。由此这项技术既是物理的也是生物的还是化学的。

正因为有这样的技术,使得人们对生物分子的观察可达到原子层面,能将那些以前所不能观测到的结构和过程,呈现在人们眼前。如今,研究人员使用冷冻电镜技术分析生物分子三维结构已是一种常规做法,无论是研究导致抗药性的蛋白质结构,还是观察寨卡病毒的外观,都达到了极为细致的层面,产生了极其清晰的图像。这样的技术无疑将为生命科学、医学、化学以及药物研究带来飞跃。

其实,多学科结合发现前人极难获得的科学成果,在科学史上早有先例。20世纪50年代,詹姆斯·沃森与弗兰西斯·克里克,受美国化学家鲍林用X射线衍射图谱研究蛋白质和DNA的影响(鲍林获得了一些DNA的X射线晶体衍射图片),认为DNA是三螺旋结构,但是,他们无论如何都无法建立起正确的DNA结构。然而在1953年2月14日的讨论中,另一位物理学家威尔金斯出示了一幅她与同事弗兰克林获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片,这张照片显示,DNA链只能是在双链结构下才会显示漂亮而清晰的结构。

于是,1953年2月28日,沃森和克里克重新搭建出了正确的DNA双螺旋结构,并在1953年4月25日出版的《自然》杂志发表了这一结构。由此,詹姆斯·沃森、弗兰西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯共同获得1962年度诺贝尔生理学或医学奖。

这是典型的生物学与物理学和化学相结合取得重大认知成果范例。今天,当人们说诺贝尔化学奖是“不务正业”或“狗拿耗子”时,其不知很多时候,通过“不务正业”的多学科合作,方有可能真正认识事物的本来面目和规律。


三、科研者众、科研装置巨、花费多、成果大的新时代

21世纪以来,物理学界取得的3项重大突破是:发现希格斯玻色子,获2013年度诺贝尔物理学奖;发现中微子振荡,获2015年度诺贝尔物理学奖;发现引力波,获2017年度诺贝尔物理学奖。

为发现希格斯玻色子而建立的欧洲大型强子对撞机(LHC),是目前世界最大、能量最高的粒子加速器,共有约80个国家的7000名科学家和工程师参与了该项目。为了验证引力波的存在而建立的激光干涉引力波天文台(LIGO)项目则有10多个国家的1000多名科研人员参与。

当今,一个科研项目动辄成千上百科研人员参与并不鲜见。2011年发表于《物理学进展通讯》杂志的一篇高能物理学综述,其作者有175人,共同署名为欧洲粒子物理研究所(CERN);2001年《自然》杂志上的一篇人类基因组序列论文,其作者超过250人;2010年4月在《物理快报B》(Physics Letters B)发表的一篇文章,其作者3000多人;2010年在《自然》杂志上发表的一篇关于多人联机游戏论文,其作者有5.7万人……

从大设备和大开销看,欧洲大型强子对撞机是一个典型,其建造在位于瑞士和法国边界,被安装在地下100米深、27千米长的环形隧道内,总投资100亿美元。此前,美国1989年开始建造大型强子对撞机(LHC),从30亿美元经费增加到80亿美元,由于经费巨大和公众的反对呼声,结果不得不在1992年被终止。


今天,人类进入了科技新时代,科学研究和技术发明的特点,不仅仅体现为规模巨大、研究者众、大设备、大开销,而且是大数据、大历史(研究项目历史久远)、大学科(多学科交叉)和大成果(研究结果可让人类长久获益,或揭开人类未知世界并开创文明新篇章)。