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2013年诺贝尔自然科学奖解读

2013-10-16
2013年诺贝尔自然科学奖



2013年诺贝尔自然科学奖解读
2013年10月16日 来源:经济日报
  今年诺贝尔奖的三大自然科学奖“尘埃落定”。英国理论物理学家彼得·希格斯、比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒特因成功预测希格斯玻色子(又称“上帝粒子”)而获得2013年诺贝尔物理学奖;三名美科学家分别为:马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒因在开发多尺度复杂化学系统模型方面所作的贡献而获得了本年度的化学奖;美国科学家詹姆斯·罗思曼、兰迪·谢克曼以及德国科学家托马斯·祖德霍夫三人“共同揭示了控制细胞货物进行精确转运的分子机制”而获得了医学奖。

  三大自然科学诺奖获得者到底解决了什么问题?解决这些问题的价值何在?能给我们的生活带来什么?为此,记者采访了有关专家,给您一一解读。

  基本粒子是如何获得质量的

  一年一度的诺贝尔物理奖揭晓,英国人彼得·希格斯和比利时人弗朗索瓦·恩格勒特因为他们的理论预言——“希格斯玻色子的存在”而获此殊荣,并且在2012年得到了欧洲核子中心实验的证实。

  希格斯玻色子是什么?为什么找到它如此重要?复旦大学物理系教授吴咏时说:“该发现奠定了粒子物理学标准模型的基石,如果希格斯理论被证明是错误的,希格斯粒子根本不存在,那么标准模型理论将被推翻,整个物理世界的理论都有可能要重新改写。”

  在标准模型里,宇宙由62种不可再分的基本粒子构成,分为两大类:构成物质“实体”的费米子和传递基本相互作用的玻色子。基本粒子通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子,进而构成物质世界。

  显然,物质世界是有质量的。实验结果也清楚表明,除了光子以外的基本粒子都是有质量的,但按照标准模型理论,粒子是没有质量的。吴咏时说:“标准模型的缺陷,就是该模型无法解释物质质量的来源。”这给科学家们带来了很大困扰。

  1964年,希格斯等人提出了“希格斯机制”的概念,在理论上解决了这个问题。希格斯等人认为宇宙间遍布“希格斯场”,基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量,而形成希格斯场的就是一种新的粒子,被命名为希格斯粒子,且根据对希格斯粒子性质的预言,希格斯粒子的自旋为零,是一种玻色子。

  然而,粒子物理学模型预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证,但希格斯粒子仿佛一个幽灵,仍然游离在这座辉煌的大厦之外。由于希格斯粒子未被发现,重要问题悬而未决,因此一直成为科学家们苦苦追求的目标。而希格斯玻色子的发现,最终为这一标准模型画上了完美的句号。

  “如果没有希格斯粒子,其他的基本粒子就会仍然以光速运行,不能聚合在一起,我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤,根本不能组成物质,生命也无从谈起。”参与发现“上帝粒子”的中国科学技术大学教授刘衍文此前表示,从科学意义上讲,发现希格斯玻色子比人类登上月球更重要,该理论解释了粒子为何拥有质量,从而演化为万事万物,“人类距离了解宇宙诞生之谜或许将要迈进一大步”。

  发现希格斯粒子,只是整个过程的第一步。哈佛大学物理学家丽萨·兰德尔表示,这将进一步为更深层次的问题提供解决的线索,比如为什么这些粒子拥有这一质量数值?这个值是如何确定的?“这是一个大得多的问题。”

  目前我国在粒子物理研究的某些领域也做出了很有影响的工作。比如,在大亚湾进行的中微子振荡实验,得出了一个重要的参数,这显示我国对中微子振荡领域的研究,在国际上已占有一席之地。此外,我国正在进行寻找暗物质的研究。“但是,中国在这些粒子物理前沿领域的理论研究上,还需要进一步努力,去赶超国际领先水平。”吴咏时说。

化学反应是如何“历历在目”的

  “过去,化学家们利用塑料球和小棍来建造分子的模型,而现在,建模则是由计算机完成。”瑞典皇家科学院给出的新闻通稿中这样写道。

  马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒这三位科学家因在20世纪70年代开发出“多尺度复杂化学系统模型”而摘得了今年诺贝尔奖化学奖桂冠。因为这项研究,科学家得以用计算机揭开神秘的化学反应的面纱,通过计算机程序模拟,让复杂化学过程中肉眼不可见的每一个细微步骤都“历历在目”。

  化学反应像闪电般快速发生,在数百万分之一秒间,电子已经完成从一个原子核向另一个原子核的迁移,科学家的肉眼无法观察。“在这种情况下,要想借助实验方法去描绘化学过程中的每一个小步骤几乎已经是不可能的任务。”北京大学化学与分子工程学院教授高毅勤说。

  而此前,经典物理学与量子力学分属于互相对立的世界。科学家们在电脑上模拟时,他们拥有的软件要么是基于经典物理的,要么则是基于量子物理学的。前者的优势在于计算简便,但只能用于大分子,无法模拟化学反应;后者则只能用于小分子并且计算量庞大。

  2013年诺贝尔化学奖在这两个世界之间打开了一扇门,并带来了活跃的合作前景。诺贝尔奖评审团说,三位科学家的开创性在于,他们让经典物理学与迥然不同的量子物理学在化学研究中“并肩作战”。

  上海交通大学化学化工学院教授孙淮举例说,一个蛋白质分子里有成百上千个原子,但化学反应往往发生在其中的一个小区间。量子物理学能够精确描述如酶催化等小区间的化学反应,但小区间不是孤立的,整个环境也需要纳入研究考量。今年获奖的三位科学家,将量子物理学和分子力学计算相结合,用量子化学计算小区间的化学反应,用分子力学处理环境的影响,弥补了分子力学无法模拟反应过程及量子化学无法完成海量计算的缺陷。

  多尺度复杂化学系统模型的出现无疑翻开了化学史的“新篇章”,让传统的化学实验走上了信息化的快车道。如今,反映真实情况的计算机模型已经成为现在化学界大多数新进展的关键;化学家在计算机上所进行的实验几乎与在实验室里做的一样多,从计算机上获得的理论结果被现实中的实验证实,之后又产生了新的线索,引导我们去探索原子世界工作的原理。

  “多尺度模型的意义在于其具有普遍性,可用来研究各种各样的化学过程,从生物分子到工业化学过程等。”孙淮说。人们发现,借助三位科学家的研究工作,自然界的许多疑问被解答了。例如,绿叶如何进行光合作用?催化剂如何加快化学反应?药物如何在人体中发生作用?科学家们可以以此优化药物设计,制造出更高效的太阳能电池,还可以通过研究催化水分子的分解来开发更多清洁能源等等。

  孙淮介绍,目前中国科学家也在相关领域积极参与研究,但对多尺度模型的建立研究还在初始阶段。他认为,计算化学必将在生物科学、材料科学、化学化工等领域带来新的突破。

细胞是如何组织“货物”运输的

  人体内营养物质是如何运送到身体的每一个角落的?这是一个司空见惯却又很难回答的问题。庆幸的是,2013年诺贝尔生理或医学奖获得者:詹姆斯·罗思曼、兰迪·谢克曼和托马斯·祖德霍夫给了我们答案,他们共同揭开了细胞内部囊泡运输调控机制的神秘面纱,展示了一个基本的细胞生理过程的种种细节。

  中科院动物所研究员李培峰解释说,细胞犹如繁忙而巨大的港口,负责传输营养分子的交通工具——囊泡,好比是港口的“穿梭巴士”,“乘客”搭乘巴士在细胞内外往来。在这一过程中,细胞会产生出各种不同的分子,如膜蛋白、神经递质、激素、各种酶和细胞因子等,它们必须被传递至细胞内不同的位置上,或需要被精确地在正确的时间转运至细胞外部。

  这辆巴士是如何确定自己的启程时间及目的地的,如何确保“货物”会在规定时间配送到规定位置?这正是三位诺贝尔奖获得者要解决的。谢克曼发现“运输状况异常”的酵母与混乱的公共交通系统一样,囊泡堆积在细胞的某一个角落,而导致这一拥堵状况的罪魁祸首——三类编码调节囊泡运输关键蛋白的基因;罗思曼发现了囊泡与“乘客”精确对接的奥秘——一种蛋白质复合物,可令囊泡基座与其目标细胞膜融合,由此解决了囊泡“释放”问题,确保了“乘客”准确、及时到达。如果说罗斯曼与谢克曼的发现可以解释囊泡作为一辆“穿梭巴士”是如何准确接送“乘客”的,那么祖德霍夫的研究成果则阐明细胞运输系统在时间上的精确性,并指出“乘客”须有指令方能下车的信号问题。

  无疑,囊泡运输系统是细胞生命活动的支柱,正是有了囊泡的存在,人体内各种物质才能有条不紊地运输,确保新陈代谢的正常运转和生命的延续。

  囊泡运输的重要性不言而喻。诺贝尔奖评选委员会说,这一机制的发现帮助研究人员更好地了解了多种疾病,包括糖尿病和免疫系统紊乱,希望囊泡运输调控机制的研究能继续推动药物研发,治疗人体代谢缺陷等疾病。

  “若囊泡运输出现障碍,则可导致多种疾病发生。”李培峰说,发育缺陷、免疫缺陷、神经退行性疾病、白化病、肿瘤、精神分裂症、糖尿病与高脂血症等都涉及囊泡运输的异常。在他看来,三位科学家对于囊泡机制的揭示为人们准确清楚地认识相关疾病的发病机理进而寻找治疗靶点提供了理论支持,从而使人类更好地战胜疾病成为可能。

  当前,我国有越来越多从事囊泡转运研究工作的人员都曾在国际知名实验室学习工作,目前我国已经有100多个实验室正在开展与囊泡转运有关的研究,在研究内容上能够紧跟国际的研究热点,研究能力也取得了很大进步。当前,我国对于囊泡转运机制的研究已经渗透在老年痴呆症、糖尿病等多个重大疾病研究的框架内。

  李培峰说:“对于囊泡、线粒体、内质网、高尔基体以及细胞核等膜包围的结构的研究必将成为未来的一个热点。”(刘松柏)



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