作者:记者 倪伟波 综合报道 来源: 发布时间:2019-11-12 23:29:55
解码未知 探索人类智慧之巅

 
彩世界_[官网首页]“所有剩余的可变现资产将按以下方式分配:由我的遗嘱执行人将资金转换为安全证券,设立基金,其利息将作为奖励,每年给予那些在上一年为全人类最大利益作出贡献的人。
 
利息平均分成五份,分配如下:一份给予在物理学领域做出最重要发现或发明者,一份给予做出最重要化学发现或改进者,一份给予在生理学或医学领域做出最重要发现者,一份给予在文学领域创作出具有理想主义色彩的最杰出作品者,一份给予为增进各国间的友谊、取消或裁减常备军、建立和促进和平会议做出最多或最佳努力者。物理奖和化学奖由瑞典科学院颁发,生理学或医学奖由斯德哥尔摩卡罗琳斯卡研究所颁发,文学奖由斯德哥尔摩学院颁发,和平奖由挪威议会遴选出的五人委员会颁发。
 
我明确希望授予奖励时不考虑(获奖人的)国籍,将奖励颁给最有价值的人,无论他们是否是斯堪的纳维亚人。”
 
彩世界_[官网首页]1895年,历经数次修改,阿尔弗雷德·伯恩哈德·诺贝尔为后世留下了这样一份具有生命力的遗嘱。
 
自1901年首届诺贝尔奖颁发至今,119年间共有817人获奖,其中616人获得了诺贝尔自然科学类奖项。
 
每当“诺奖季”到来之际,人们总会倍加珍惜人类在科学上取得的成就与突破,也对这些科学上的新发现如何影响人类生活与社会进步,产生浓厚的兴趣与探索的欲望。
 
今年10月7日,备受瞩目的2019年诺贝尔奖颁奖季拉开帷幕。彩世界_[官网首页]随着生理学或医学奖、物理学奖和化学奖的逐一揭晓,人类智慧文明的高塔上再次闪现出耀眼的光辉。
 
“生命中最重要的适应过程之一”
 
氧气之于人的重要性不言而喻。彩世界_[官网首页]没有氧气,人体内数以万亿计的细胞将无法生存和运作。每个细胞都需要氧气的帮助才能将营养物质分解为有用的能量。彩世界_[官网首页]可以说,没有氧气就没有能量。
 
然而,氧气并不总是以人体所有细胞所需的水平存在,它可能会在你呼吸的空气和身体的不同部位间波动。彩世界_[官网首页]因此,每个细胞吸收氧气的能力很大程度上取决于其所处的位置。
 
可以想象一下:人体好比是一个拥有许多不同社区的庞大而复杂的城市,红细胞就像一辆小汽车,它从肺部吸收氧气,然后沿着血管把氧气分子输送到身体不同部位。彩世界_[官网首页]正如城市各个地区的道路不同一样,人体内的血管密度和网络也各不相同。这就意味着,人体的每个部位并非能始终获得相同含量的血液和氧气。
 
当血液循环减少或身体某个特定部位的血流中断时,这些差异可能就会加剧。彩世界_[官网首页]所以,就像一个运转良好的城市一样,人体需要通过各种方式来感知周围的环境,并相应地调整氧气含量。
 
一般来说,调整身体氧气供应的一种方法是改变呼吸频率。彩世界_[官网首页]作为颈部的主要血管,颈动脉可以监测经过的血液中的含氧量,通过向神经发送信号,以控制呼吸频率。凭借在这一领域的突出贡献,Corneille Heymans被授予1938年诺贝尔生理学或医学奖。
 
无疑这一方式可能有助于氧气进入肺部和并增加血液中的含氧量,但单靠这种方式无法监测和调节氧气到达整个身体的局部水平。
 
另一种调节氧气含量的物质是促红细胞生成素(EPO),这是一种能刺激身体产生更多红血球从而产生更多氧气的激素。当缺氧时,EPO水平便会升高,红细胞产量也随之增加(促红细胞生成)。
 
其实,激素调控红细胞生成的重要性早在20世纪初就为人们所知,但这种过程本身是如何由氧气控制的,始终是个谜。
 
如今,来自美英的三位科学家William G. Kaelin Jr、Sir Peter J. Ratcliffe和Gregg L. Semenza“发现了细胞如何感知和适应氧气的可用性”,不仅解开了这个困惑世界各国科学家已久的谜题,还因此获得了2019年诺贝尔生理学或医学奖。
 
彩世界_[官网首页]三人通过独立开展研究,在探索细胞感受氧气的过程中,寻径拼图,填补空缺。上世纪90年代,Semenza研究了EPO的基因,发现了一种蛋白复合物——低氧诱导因子(HIF)。它由两种不同的DNA结合蛋白组成,即所谓的转录因子,现在被称为HIF-1α和ARNT。它们的产生和激活会导致一批低氧信号响应基因表达,从而使机体能够对低氧刺激产生一系列反应。
 
Semenza发现,HIF-1α既可以控制EPO基因的工作方式,又对氧气水平有反应。当氧气水平很高时,细胞中几乎不含HIF-1α;而氧气水平低时,HIF-1α的量就会增加。
 
随后,Kaelin和Ratcliffe接过“填补拼图”的接力棒。他们分别鉴定出了一种蛋白质——VHL,其负责在氧气水平高时介导破坏HIF-1α。换句话说,缺氧一定会使VHL失效,只有这样HIF-1α才能存活并激活EPO基因。可是,氧气水平究竟是如何调节VHL和HIF-1α之间相互作用的,仍然没有得到解释。
 
之后,经过不懈地探索,他们二人最终将拼图的最后一块空缺填上了。他们发现:在正常的氧气水平下,一种叫做脯氨酰羟化酶(PHD)的酶会对HIF-1α的两个特定位置进行修饰,这被称为脯氨酰羟基化,其能使VHL识别并结合到HIF-1α;在低氧环境下,HIF-1α不会与VHL结合,而是直接进入细胞核,并与一些特定的基因组结合,从而激活、调节体内多种基因的功能,促进氧气的供应与运输。
 
至此,这三位科学家共同揭示了一种对氧气水平作出反应的分子开关。剑桥大学分子生理学和病理学教授Randall Johnson将这三人的工作描述为“教科书式的发现”。
 
在北京生命科学研究所研究员张二荃看来,“该信号通路的研究,核心生物化学机制方面是非常清楚透彻的,其解析程度超过多数方向,是一项非常漂亮的工作,而且它与健康相关的重要性也是毋庸置疑的。正如这三位获奖人在这之前获得拉斯克奖时被指出来的一样,他们都是临床医生出身,一般临床医生比科学家更了解跟健康相关的重要性。”
 
的确,氧感应在生理学中有着基础性地位,也是许多疾病的关键,如人体的代谢、免疫反应和对锻炼的适应性等,并且许多病理生理过程也受其影响。
 
“血管生成和红细胞生成代表两个典型的低氧反应,足以说明低氧诱导因子正是细胞感受低氧的中心分子。”上海第二军医大学教授孙学军说,“而且大家后来发现,人体内大约5%的基因可能都受到这个因子的转录调控。”
 
此外,心脑血管疾病、炎症以及正常生理过程中的发育等都会受到HIF的影响。张二荃向《科学新闻》解释,以心脑血管疾病为例,心脑血管疾病发生之后会造成局部缺氧,随后 HIF信号被激活,于是“双刃剑效应”产生:“一方面,应对缺氧有一系列保护机制的基因激活,这是好的方面;另一方面,造成组织坏死的信号(凋亡、编程坏死等)也被激活,这是坏的方面。我们的研究就是希望能够尽量增加好的方面而抑制坏的方面,为人工干预(如手术)争取更多的时间。”
 
在了解氧感应机制的背景下,一些创新疗法和药物得以面世。例如,旨在治疗透析患者因慢性肾脏病引起的贫血的全球首个小分子低氧诱导因子PHD酶抑制剂罗沙司他(由获奖人之一Kaelin兼职的Fibrogen公司研发,另一位获奖人Ratcliffe也有类似药物在临床试验)目前已在中国和日本上市,随后将会在中国启动III期临床试验,这也是为数不多的全球首先在中国完成临床III期并获得批准上市的药物。
 
尽管有了积极的尝试与结果,但并不是所有人都感到乐观。“由于该信号通路非常复杂、非常重要,牵扯范围太广,所以其应用前景目前看来不够明朗。”张二荃表示。
 
氧气是生命的基础,随着氧感应机制整个系统的不断发展与丰富,我们期待有更多潜在的医学应用问世,造福更多患者,为全人类的健康福利添砖加瓦。
 
系外行星和宇宙学探索先驱
 
今年的诺贝尔物理学奖由三位科学家共同分享:美国普林斯顿大学教授James Peebles因宇宙学相关研究获奖,瑞士日内瓦大学的Michel Mayor和Didier Queloz因首次发现太阳系外行星获奖。
 
“他们改变了我们对宇宙的认知。”诺贝尔奖委员会一致认为。瑞典皇家科学院发布的新闻公报称,Peebles对宇宙学的洞见丰富了整个领域的研究,成为当代宇宙学的基础。Mayor和Queloz则在宇宙中的邻居那儿找到了未知行星,他们的研究指向一个永恒问题:地球之外是否还有生命存在?
 
1995年10月,Mayor和Queloz率先公布发现了第一个太阳系外的行星:51 Pegasi b。
 
“我们曾以为其他恒星系与我们的太阳系相似,但我们错了。”瑞典乌普萨拉大学理论物理学家、诺贝尔奖委员会成员Ulf Danielsson表示。
 
这一令人瞩目的发现震惊了整个天文学界,也为人类寻找宇宙中的伙伴带来了希望。此后的20余年,寻找系外行星成为了一个热门的研究领域。借助于各类先进的观测技术,截至目前,银河系已有超过4000颗系外行星得到了证实。正如西班牙空间科学研究所天文学家Guillem Anglada-Escudé所说,Mayor和Queloz的发现“开启了现代系外行星科学”。
 
“通过研究这些系外行星,我们将更多地了解行星形成与演化的物理学,并对我们的行星家园有一个全新的视角。”Danielsson表示。
 
除了寻找系外行星,人类也一直在探索宇宙的奥秘。宇宙是由什么构成的?整个宇宙有多大?宇宙存在了多久?宇宙最初是什么样子?宇宙拥有多少个星系?宇宙是如何发展成今天这样的?在遥远的未来,它的最终命运是什么……
 
显然,要解答这些问题是一项艰巨的任务。但是有一种思考方法可以为包括这些问题在内的更多问题提供答案——物理宇宙学。这就不得不提Peebles为此作出的积极探索与开创性贡献。
 
20世纪60年代,Peebles提出宇宙大爆炸中可能出现宇宙微波背景辐射,并做了大量深入的理论研究,为宇宙大爆炸模型作出了重要贡献。他从理论上预测了宇宙的形状及其所包含的物质与能量,这些后来都被宇宙微波背景辐射的测量所证实。他对于宇宙诸多物理过程的分析预测,为人类认识宇宙形成与演化奠定了基础。
 
可以说,Peebles开启了宇宙学研究的新时代,在宇宙学的几乎所有分支都能找到他留下的印记。然而,他并未就此止步。
 
“尽管我们在理解宇宙演化的本质方面取得了长足的进步,但仍有许多悬而未决的问题。”在诺贝尔奖新闻发布会上通过电话联系到Peebles时,他坦言。
 
通过创建理论工具与运算方法,Peebles推算出,宇宙中95%都是暗物质和暗能量。也就是说,我们通常观测到的普通物质只占5%,其余部分仍然是现代物理学未知的谜题。如今,这些悬而未决的谜题正吸引着越来越多的科学家为之“疯狂”,为之不懈努力。
 
小电池 大作用
 
诺贝尔自然科学类奖项通常被认为是对基础科学取得重大突破的奖励,因此它们似乎与普通百姓的日常生活无关。不过,今年的诺贝尔化学奖却一反常态,非常“接地气”。
 
10月9日下午,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,美国得克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授John B. Goodenough、美国纽约州立大学宾厄姆顿大学特聘教授M. Stanley Whittingham和名古屋明治大学教授Akira Yoshino分享了2019年诺贝尔化学奖,以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。
 
“在我看来,这个奖项来得太迟了。”英国巴斯大学材料化学家Saiful Islam直言。毫无疑问,这一诺奖成果是众望所归。
 
对于生活在技术时代的人而言,没有计算机、手机以及由这些先进技术带来的连通性,我们将寸步难行。
 
但是电子产品需要电源,便携式电子产品需要便携式电源,这就对电池技术提出了更高的要求:轻巧、便携、易于充电且续航时间长。
 
20世纪70年代,在石油危机最严重的时候,Whittingham提出了可充电锂电池的想法,并开发了一个使用二硫化钛为正极材料、金属锂为负极材料的电池原型。该电池具有很高的能量密度,可以充放电。
 
然而,金属锂具有很高的活性,反复的充放电在这些物质之间产生了电化学反应,会导致爆炸,这一致命的缺点使这种电池随时可能变成危险性极高的“炸弹”。
 
20世纪80年代,基于Whittingham的研究,Goodenough继续探索更高性能、更具安全性的锂电池。他带领团队提出并找到了层状氧化物正极材料——钴酸锂,它比之前的二硫化钛更适合存储锂离子。如今,这一材料仍然是锂离子电池的首选正极材料,在我们周围的各类主流电子产品中都能看到其身影。
 
材料的摸索有了突破性进展还不够,还需要有人将所有材料进行融合。跨越科学与工程之间的桥梁,Akira Yoshino解决了在负极材料中使用高活性锂的潜在问题。他发现石油焦具有足够高的稳定性,可作为更好的负极材料插入锂离子。
 
1985年,他制造出了第一个可充电数百次且更安全的锂离子电池。1991年,这些电池开始投入商业生产,从此彻底改变了人们的生活,并预示着在需要大量能源的设备上进行技术应用的新时代的到来。
 
“通过这一神奇的电池,我们可以看到它对社会产生的巨大的、戏剧性的影响。”诺贝尔奖委员会委员Olof Ramström说。
 
这些轻巧、能量密度极高的电池为人类生活与社会发展提供了大量电力,包括智能手机、笔记本电脑、电动汽车以及越来越多的电力系统。可以说,随着化学技术的进步,几乎没有什么可与锂离子电池给人类社会带来的影响相匹敌,而且这种影响还将不断持续。
 
如今,随着发展清洁能源的需求与制造业的迅速崛起,对锂离子电池的价格与性能持续改善的呼声已超出学术界与工业界的预期。
 
作为稀有金属,锂并不具备资源优势,而且锂离子电池的性能仍有限制,安全问题还在持续。因此,世界各国科学家们正忙于尝试可替代锂离子电池的技术以及致力于使现有的电池更安全、更可持续,期待在创造可持续发展的未来中更好地发挥电池的作用。
 
“我们需要保护地球母亲。”今年97岁高龄但仍坚持在科研第一线的Goodenough表示。目前,他依然走在该领域的前沿——正在进行全固态电池的研究。“我没有多少时间了,我必须拼命、努力工作,我希望彻底摆脱化石燃料和能源的束缚。”■
 
《科学新闻》 (科学新闻2019年10月刊 封面)
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