文|葉雨婷 張渺 張茜

從人類起源，到量子奧秘，再到分子結(jié)構(gòu)，即使從事的工作與科學(xué)研究毫無關(guān)聯(lián)，人們?nèi)匀粚?duì)這些前沿領(lǐng)域充滿興趣。這可能就是人類與生俱來的對(duì)未知事物的好奇心。

我們思考自身命運(yùn)，好奇人類來自何方，是什么讓人類與眾不同；我們將視線投向微觀世界，好奇粒子之間奇妙的超距糾纏；我們好奇分子構(gòu)建塊是如何有效地結(jié)合在一起的。在這個(gè)龐大而充滿未知的世界里，人類的探索永遠(yuǎn)不會(huì)止步。

探索人類起源：揭示演化之謎

10月3日，2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉，瑞典科學(xué)家斯萬特·帕博獲獎(jiǎng)，以表彰他“在已滅絕古人類基因組和人類進(jìn)化方面的發(fā)現(xiàn)”。

帕博發(fā)現(xiàn)，在大約7萬年前人類離開非洲后，基因從這些現(xiàn)已滅絕的古人類轉(zhuǎn)移到了智人身上。這種古老的基因流向現(xiàn)代人類，在今天具有生理相關(guān)性，比如影響人們免疫系統(tǒng)對(duì)感染的反應(yīng)。

不僅如此，帕博還建立了一門全新的科學(xué)學(xué)科——古基因組學(xué)。他通過揭示現(xiàn)存人類與滅絕古人類之間的基因差異，為探索“是什么使我們成為獨(dú)一無二的人類”提供了基礎(chǔ)。

來自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站的相關(guān)資料指出，現(xiàn)代智人大約起源于30萬年前的非洲，人類的近親尼安德特人大約40萬年前到3萬年前在非洲以外的歐洲和西亞居住，智人和尼安德特人在歐亞大陸共存了數(shù)萬年。

尼安德特人頭骨和斯萬特·帕博教授

對(duì)于人類與已滅絕的尼安德特人的關(guān)系，人們長期以來了解甚少。關(guān)鍵的線索來自基因組信息。到20世紀(jì)90年代末，幾乎整個(gè)人類基因組都已得到測序。然而，研究現(xiàn)代人與尼安德特人之間的關(guān)系，需要對(duì)從遠(yuǎn)古樣本中收集的基因組DNA進(jìn)行測序。

帕博意識(shí)到了技術(shù)上的難度。隨著時(shí)間推移，DNA會(huì)被化學(xué)修飾、降解成片段。數(shù)千年后只剩下微量的DNA，并且殘留的DNA會(huì)被細(xì)菌和當(dāng)代人類的DNA污染。帕博開始開發(fā)研究尼安德特人DNA的方法，這項(xiàng)工作持續(xù)了幾十年。

2010年，帕博發(fā)表了首個(gè)尼安德特人基因組序列：尼安德特人和智人最近的共同祖先生活在大約80萬年前。帕博和團(tuán)隊(duì)分析尼安德特人和來自世界不同地區(qū)的現(xiàn)代人之間的關(guān)系。對(duì)比分析表明，尼安德特人的DNA序列與起源于歐洲或亞洲的當(dāng)代人類的DNA序列更相似，而不是非洲。

這意味著，尼安德特人和智人在共存中進(jìn)行了雜交。在現(xiàn)代具有歐洲或亞洲血統(tǒng)的人類中，1%～4%的基因組來自尼安德特人。

2008年，帕博教授的團(tuán)隊(duì)對(duì)西伯利亞南部一塊距今4萬年前的指骨碎片進(jìn)行DNA測序。結(jié)果引起了轟動(dòng)：帕博發(fā)現(xiàn)了一種以前不為人知的古人類，命名為“丹尼索瓦人”。與來自世界不同地區(qū)的同時(shí)代人類的基因序列比較表明，丹尼索瓦人和智人之間也發(fā)生過基因流動(dòng)。這種關(guān)系首先在美拉尼西亞和東南亞其他地區(qū)的人群中被發(fā)現(xiàn)，那里的個(gè)體攜帶高達(dá)6%的丹尼索瓦人DNA。

如今，因?yàn)榕敛┑陌l(fā)現(xiàn)，人們終于可以了解到，這些已經(jīng)滅絕的“親屬”們的古老基因序列仍影響著當(dāng)今人類。

探索微觀世界：“糾纏”也很美麗

著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說，世界上沒有人真的懂量子力學(xué)。量子力學(xué)描述的一些現(xiàn)象看上去有些“反常識(shí)”，不僅讓普通人頭疼，也讓很多物理學(xué)家頭疼。

10月4日，諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站公布，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主為法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·塞林格。他們用光子糾纏實(shí)驗(yàn)確認(rèn)貝爾不等式在量子世界不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)。

“三位科學(xué)家都使用糾纏量子態(tài)進(jìn)行了突破性的實(shí)驗(yàn)。在量子糾纏中，兩個(gè)粒子即使在分離時(shí)，也像整體一樣。他們的成果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路?！边@是諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站對(duì)三位科學(xué)家科研成果的描述。

事情可以從1935年說起。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，提出量子力學(xué)還不完備，應(yīng)該還有尚未發(fā)現(xiàn)的理論，即某種隱變量，可以完整解釋物理系統(tǒng)所有可觀測量的演化行為，以避免任何不確定性或隨機(jī)性。三位物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)有關(guān)量子糾纏的思想實(shí)驗(yàn)來論證這一觀點(diǎn)，這篇論文的論述后來被稱為“EPR佯謬”（EPR為三人姓名首字母縮寫）。

20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家約翰·貝爾基于“EPR佯謬”提出了貝爾不等式，并設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，使“EPR佯謬”具備了被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可能性。論文發(fā)表之后的幾十年，物理學(xué)者想出很多種實(shí)驗(yàn)來檢試貝爾不等式，其中就包括如今的三位獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

糾纏示意圖

想要驗(yàn)證貝爾不等式需要很高的實(shí)驗(yàn)條件，直到20世紀(jì)70年代，驗(yàn)證工作才陸續(xù)開始。約翰·克勞澤首先進(jìn)行了嘗試，然而他的實(shí)驗(yàn)仍然存在一些漏洞。1982年，阿蘭·阿斯佩第一次真正意義上驗(yàn)證了貝爾不等式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果違背貝爾不等式，這說明隱變量不存在，量子力學(xué)是“非定域性”的。

1997年，由安東·塞林格所領(lǐng)導(dǎo)的因斯布魯克大學(xué)研究組首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。次年，他們讓光子飛出相距400米，這一實(shí)驗(yàn)使得“將量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處的一個(gè)粒子”成為可能。

人類對(duì)未知的探索永無止境，量子力學(xué)充滿了難以言喻的美麗。

如今，許多基于量子力學(xué)的研究成果都已經(jīng)在應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮一定作用，比如正在快速發(fā)展的量子計(jì)算機(jī)和量子加密通信技術(shù)。

探索化學(xué)王國：讓復(fù)雜變簡單

有時(shí)候，簡單的答案才是最好的。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國化學(xué)家卡羅琳·露絲·貝爾托西、丹麥化學(xué)家摩頓·梅爾達(dá)爾、美國化學(xué)家卡爾·巴里·夏普萊斯，以表彰他們“開發(fā)點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)”。

2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布現(xiàn)場

三位科學(xué)家的科研成果是一個(gè)“簡化困難”的過程?？枴ぐ屠铩は钠杖R斯和摩頓·梅爾達(dá)爾為化學(xué)的一種功能形式——點(diǎn)擊化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。在這種化學(xué)中，分子構(gòu)建塊快速有效地結(jié)合在一起?？_琳·露絲·貝爾托西將點(diǎn)擊化學(xué)帶入了一個(gè)新的維度，并開始將其應(yīng)用于生物體。

事實(shí)上，卡爾·巴里·夏普萊斯是第二次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。2000年前后，他提出了點(diǎn)擊化學(xué)的概念，這是一種簡單可靠的化學(xué)形式。

不久之后，摩頓·梅爾達(dá)爾和卡爾·巴里·夏普萊斯相互獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)擊化學(xué)王冠上的明珠——銅催化疊氮化物炔烴環(huán)加成反應(yīng)。這是一種優(yōu)雅而高效的化學(xué)反應(yīng)，目前已被廣泛使用，比如被用于開發(fā)藥物、繪制DNA圖譜和創(chuàng)建更能滿足需求的材料。

卡羅琳·露絲·貝爾托西則將點(diǎn)擊化學(xué)提升到了一個(gè)新的水平。為了在細(xì)胞表面繪制重要但難以捉摸的生物分子——聚糖，她開發(fā)了在生物體內(nèi)起作用的點(diǎn)擊反應(yīng)，即生物正交反應(yīng)。生物正交反應(yīng)不會(huì)破壞細(xì)胞的正?；瘜W(xué)反應(yīng)，被用于探索細(xì)胞和追蹤生物過程。

貝爾托西關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是腫瘤細(xì)胞表面的聚糖。她的研究揭示了一些聚糖似乎可以保護(hù)腫瘤免受人體免疫系統(tǒng)的影響，因?yàn)樗鼈儠?huì)使免疫細(xì)胞無法發(fā)揮作用。為了阻斷這種保護(hù)機(jī)制，她和同事們發(fā)明了一種新型生物藥物。這種藥物目前正在對(duì)晚期癌癥患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

雖然我們現(xiàn)在還不能確定這些新療法是否有效，但有一點(diǎn)是明確的，點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的巨大潛力才剛剛開始顯現(xiàn)。