冉浩

2013年，舉世矚目的諾貝爾獎已塵埃落定。除后來追加的經(jīng)濟學(xué)獎外，傳統(tǒng)的諾貝爾獎一共有五項，包括了文學(xué)獎、和平獎和三項科學(xué)獎，后者分別是生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎、化學(xué)獎。其中，科學(xué)獎離政治最遠，被譽為科學(xué)界的第一獎，每次的獲獎?wù)叨伎芍^眾望所歸，這次也不例外?，F(xiàn)在，就讓我們一起扒一扒2013年的科學(xué)獎。

小“泡泡”大作用

諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給了美國的詹姆斯·E·羅斯曼、蘭迪·W·謝克曼和德國的托馬斯·C·蘇德霍夫，因為他們發(fā)現(xiàn)了細胞“吹泡泡”的重要作用。

沒錯，如果在電子顯微鏡下，你能看到一個個定格在“吹泡泡”瞬間的細胞們，而這些“泡泡”對細胞們來講，意義重大，它們吃喝拉撒全靠這些“泡泡”了。這些“泡泡”被稱為囊泡或者膜泡，它們表面覆蓋著薄薄的一層膜，物質(zhì)就是通過囊泡從一個細胞被“打包郵寄”到另一個細胞的。

但事情比我們想象的還要復(fù)雜一些，細胞要知道何時釋放出囊泡，更要讓囊泡到達目的地，而且這種運輸還不僅限于細胞之間，甚至在細胞內(nèi)也能夠發(fā)生。細胞內(nèi)部被很多類似細胞膜的膜結(jié)構(gòu)分割成不同的功能區(qū)域，這些功能區(qū)域之間也可以通過囊泡進行“包裹郵寄”。謝克曼發(fā)現(xiàn)，細胞中某些蛋白質(zhì)能夠引導(dǎo)囊泡運輸，他通過改變這些蛋白質(zhì)，成功地將囊泡運送到了不同的區(qū)域。羅斯曼則更進一步地發(fā)現(xiàn)原來這些蛋白質(zhì)是鑲嵌在囊泡表面的，它們能夠和目標區(qū)域膜上的蛋白質(zhì)進行互補，當囊泡運動到那里的時候，就像握手一樣，來自兩個膜的蛋白質(zhì)緊緊“抓”在一起。如果雙方不匹配，就“手滑了”，不會發(fā)生結(jié)合。接下來，就在雙方結(jié)合的蛋白質(zhì)的作用下，“郵包”被接收了。

細胞還可以把物質(zhì)“打包”，但并不會把整個包裹丟出去，而是像抖袋子一樣把里面的東西丟到細胞外去，至于“袋子”則還在細胞手里。這被稱為“胞吐”，我們也可以取個更大眾化的名字，那就是分泌。蘇德霍夫便是從神經(jīng)細胞入手，研究了這個過程：當上一個神經(jīng)細胞興奮的時候，它會想辦法去刺激下一個神經(jīng)細胞，通過胞吐的方法釋放出物質(zhì)，引起下一個神經(jīng)細胞的興奮或抑制。細胞還可以用類似的“袋子”將外面的東西“兜”進來形成囊泡，如人體的免疫細胞可以用這種方法吞噬病菌，然后在體內(nèi)消化掉它們，再以胞吐的方式將殘渣排出。

至此，我們可以構(gòu)建出一幅生物體內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)木跋螅杭毎ㄟ^胞吞從體液中獲取物質(zhì)，然后通過胞吐把物質(zhì)排放到體液中，而在細胞內(nèi)，囊泡也在傳遞著各種物質(zhì)——這便是生物體中最重要的物質(zhì)運輸景象之一。

當試管的計算機

諾貝爾化學(xué)獎授予了美國科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾，因為他們用計算機揭開了化學(xué)反應(yīng)的奧秘，把計算機當成了反應(yīng)的試管。

這一成果解決了困擾化學(xué)家多年的難題，因為化學(xué)反應(yīng)是非常微觀的變化，一支試管中的反應(yīng)可能在千分之一秒內(nèi)完成，化學(xué)家想要捕捉到反應(yīng)的過程非常困難，所以很多時候要靠計算。

但是這真的很難計算，特別是在面對著由數(shù)以萬計的原子構(gòu)成的大分子時，其工作量是不可想象的。就在化學(xué)家們一籌莫展的時候，卡普拉斯等科學(xué)家則開始把目光鎖定在計算機上。計算機擁有遠超人類大腦的計算能力，如果用它來描述分子的結(jié)構(gòu)和預(yù)測反應(yīng)結(jié)果，會不會更容易呢？

但是即使是計算機，也無法監(jiān)控和分析大分子的每一個部分，這時候，他們采取了一種折中的創(chuàng)新方法——用粗略的模型來描述分子的絕大部分，而用細致的模型來分析分子的反應(yīng)活性中心，從而來模擬和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)。他們把注意力轉(zhuǎn)向生物體內(nèi)主要的催化物質(zhì)——酶上面。酶是重要的化合物，因其能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率而作用廣泛，如洗衣粉中普遍添加了酶類物質(zhì)以加快污漬的分解速度。1976年，第一個酶反應(yīng)的計算機模型誕生了。這個程序是革命性的，因為它適用于任何種類的分子，幫助各種分子甚至是超級分子建模。他們還進一步節(jié)省了計算工作量，讓計算機“無視”部分結(jié)構(gòu)，使計算的功能更為強大。

現(xiàn)在，科學(xué)家已能借助計算機模擬極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，一點一點關(guān)注反應(yīng)發(fā)生的過程。這無疑是化學(xué)界的革命。通過該模型，還可以設(shè)計分子實驗。比如我們可以移動一些原子的位置，驗證酶的“工作效率”，重新設(shè)計酶，將其優(yōu)化。再比如，在模擬藥物的作用機理時，電腦可直接對與藥物相互作用的分子結(jié)構(gòu)執(zhí)行計算，精確分析出藥物發(fā)生作用的全過程，全面評估藥物造成的影響。

前進的腳步不止于此，萊維特描述過他的夢想之一：在計算機里制造一個由虛擬分子構(gòu)成的生命。這是一個誘人的想法，至于能夠走多遠，帶給我們的認知有多深，則要由時間來決定。

觸摸“上帝粒子”

諾貝爾物理學(xué)獎頒給了比利時的弗朗索瓦·恩格勒和英國的彼得·希格斯，因為他們從理論上預(yù)言了希格斯玻色子的存在，人類找到了“上帝粒子”。

我們一直在思考世界是怎樣形成的，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力構(gòu)成了世界的基本力。我們也將物質(zhì)分割到目前已知的最小狀態(tài)，稱為“基本粒子”，但并非所有的基本粒子都擁有質(zhì)量，那構(gòu)成我們身體的質(zhì)量是如何產(chǎn)生的呢？

希格斯等人預(yù)言，存在一種玻色子，也是一種基本粒子，能夠使一些基本粒子擁有質(zhì)量，被后人稱為“希格斯玻色子”。按照他們的推測，宇宙在爆炸中誕生，初成之時，所有的粒子都以光速在空間中運動，包括希格斯玻色子。之后，隨著宇宙的冷卻，希格斯玻色子凍結(jié)形成了均勻的結(jié)構(gòu)，它們阻礙了一些粒子的運動，使這些粒子減速，然后具備了質(zhì)量，而光子等粒子則不受影響。

這個說法顯然會讓很多人感覺云里霧里，英國官方甚至為此征集可以讓政客們看得懂的比喻，于是有了這樣的說法：政客們均勻地分布在一間屋子里面，當一個普通人經(jīng)過時，沒人關(guān)注他，他沒有任何阻力地通過了屋子，可當首相到來時，這些政客們則會因為各種原因圍攏過來，聚集在首相周圍，使首相不得不停下來……

慢下來的粒子開始組合在一起，形成中子、質(zhì)子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除，我們身上的電子等粒子就立刻會以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場面。于是，希格斯玻色子以維持物質(zhì)世界穩(wěn)定的作用而被稱為“上帝的粒子”。

2013年，我們終于證實了這種粒子的存在，它的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)的一大進步，關(guān)于世界的基本假說得以證實，一個新的科學(xué)紀元由此展開。