那些看不见的诺贝尔奖

时间:2019-10-08 10:46

今天是国庆假期的最后一天


你准备好重返工作岗位了吗?


为了迎接你的回归


按照惯例


一年一度的科学盛典


2019年诺贝尔


从今天开始陆续公布


和很多人想象中不同


诺贝尔奖并非总是宏观、华丽、波澜壮阔的


而是更关注那些在某一领域的关键环节


做出突出性贡献的人


换句话说


在“探索”这条路上


时不时会出现一些羊肠小道、死胡同


甚至高山绝壁


而有的人


却可以凭借自己的聪明才智


拓宽道路,架起飞桥


走出那关键性的一步


他们的研究


有些过于艰深


有些涉足微观


常游走于众人的视线之外


但绝不应该被遗忘


光电效应


1905年的爱因斯坦


1905年,爱因斯坦的头发还没有变得凌乱,却已经有了浓密的胡须;他还不是那个满脸皱纹的“智慧象征”,但已积攒了足够的才华和勇气。这一年,他先后在《物理年鉴》上发表了四篇论文,分别探讨光电效应、布朗运动、质能等价和狭义相对论,好比一个武功高手,既精通少林绝学,又擅长武当心法,抽空练了两下小李飞刀,居然就“例无虚发”了……


现在,高中毕业的人都知道光具有波粒二象性,但是在20世纪初,这可是个了不得的原则性问题。自艾萨克·牛顿爵士精巧地解读了薄膜透光、牛顿环之后,光的粒子学说成为泰斗,渐有一统江湖之势;奈何半路上杀出个托马斯·杨,后者以双缝衍射为武器,重塑光的波动学说;再后来,泊松亮斑现象使得光的粒子学说溃不成军;最终,麦克斯韦关于电磁理论的论述,奠定了光的波动学说的霸主地位。


——起码,当时人们是这么认为的。


但是,没等波动派高兴太久,光电效应就来了。1887年,德国物理学者海因里希•赫兹发现,紫外线照射到金属电极上,可以帮助产生电火花。倘若波动学说是对的,那么光是一种波,不管何种光线,只要强度足够大,就能从金属内部激发出电子来;而光的频率,即波震动的次数,决定着激发电子的数目。然而,实验结果表明,对于特定金属,能不能激发出电子,只由光的频率决定,激发出的电子数目,则和光线的强度有关。


理论推导和实验现象不符,那么其中就必然有一个是错的。


爱因斯坦在《关于光的产生和转变的一个启发性观点》中假设,“从一点发出的光线,在不断扩大的空间中传播时,它的能量不是连续分布的,而是由一些数目有限的、局限于空间某个点的能量子所组成的。这些能量子是不可分割的,它们只能整份地被吸收或发射……”【1】


打个不恰当的比方,这就好比是骑自行车。假如以均匀的力度蹬自行车,那么,自行车能不能走起来,只和你的力度有关;蹬车的频率,决定着自行车的行驶速度。


这篇三月发表的论文,也像三月里的春雨一样,融化了粒子派和波动派之间的冰封,打破了经典力学的黑云压城,催生了量子论,引燃了新能源的希望,开启了一个新的时代;而且,它也很值钱,因为在光电效应上做出的理论性突破,爱因斯坦被授予1921年的诺贝尔物理学奖。


原子结构


碳原子结构示意图


1900年4月27日,伦敦阿尔伯马尔皇家研究所举行了一场众星云集的科学报告会。德高望重的开尔文男爵说:“动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在,这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……”


科学史上常有一些集大成者,他们在前人的基础上,凭借着杰出的才智,总结、发展出一套理论,比如牛顿和他的经典力学。然而历史是在否定之否定中前进,随着科学发展,总会出现一些原有理论解决不了的问题。这并非不可知论的借口,恰相反,它表明我们对世界的了解,更深了一步。


开尔文男爵口中的两朵乌云,一朵指的是经典力学在光以太上遇到的难题,另一朵指的是黑体辐射研究中的困境。二者最终导致了相对论和量子论的诞生。【2】


前者,几乎是由阿尔伯特·爱因斯坦独立完成,后者,则交给了玻尔和他的学生。


和爱因斯坦不同,尼尔斯•玻尔出身优渥,不需要进入专利局养家糊口。1911年,玻尔获得了卡尔斯伯格基金会的奖学金,成为剑桥大学卡文迪许实验室博士后,随后,他认识了欧内斯特•卢瑟福,开始着手将卢瑟福的原子模型和普朗克的发现结合起来。


卢瑟福通过粒子轰击实验,提出了自己的假说:原子是由原子核和电子组成的,原子核极小,居于中心,电子则像行星环绕恒星一样,环绕着原子核运动。因而,这一模型也被称为行星模型。


玻尔的原子模型


这一假说可以解释轰击实验的结果,但不能回答一个致命的问题:倘若电子环绕原子核运动,那么,电子会在这一过程中辐射能量,跌出轨道,一步步地向着原子核滑落,最终,所有的原子都会塌陷,这显然和现实不符。


玻尔参考了普朗克对黑体辐射的研究,提出:原子核外的电子,只运行在特定的轨道上,由于势能,保持稳定,称之为定态;假如条件发生改变,电子也只能从一个特定的轨道,跃迁到另一个特定的轨道,辐射出恒定的能量。这一模型,称之为玻尔模型。


玻尔模型是个折中的方案,引进了量子论,但半只脚还踩在经典力学上,所以,很快被更好的模型所取代。不过,这无损于他的杰出,因为玻尔模型,他被授予了诺贝尔物理学奖;除了学术成就之外,他还是个伟大的导师,泡利、海森堡、赫维西、朗道、盖莫夫,这一连串伟大的人物,都曾在他的哥本哈根研究所里学习、工作。


晶体X射线衍射


如果说,爱因斯坦和玻尔是“求仁得仁”的话,那么,晶体的X射线衍射,就有些“无心插柳”的意味了。虽然布拉格父子,很快因为他们的发现,荣获1915年的诺贝尔物理学奖,但后来的事情表明,这一发现的价值,仍然被低估了——起码值三五个诺贝尔奖。


喜欢折腾数码产品的朋友肯定知道,路由器有两个频段,一个是2.4G,一个是5G。这里的2.4G、5G指的是频率,2.4G频率低,波长长,遇到缝隙容易发生衍射,因而2.4G路由器看上去“穿墙”效果更好;5G路由器发射的波长较短,更倾向于通过反射直来直去,所以,5G路由器的能够很好地覆盖特定房间,但是“穿墙”能力比较差。


波,不管是可见光波,还是X射线这种不可见的电磁波,在遇到缝隙的时候,都会面临一个选择:倘若缝隙比波长大,那么,光波就会直射进去;倘若缝隙和波长相当,甚至更小,就会发生衍射。缝隙的数目、形态,影响着衍射后的条纹样式。三者(波长、缝隙、衍射条纹)之间的关系,可以用公式描述出来。这也就意味着,明确其中的两者,可以推导出第三者。


1895年11月8日伦琴发现了X射线,这种不可见的光,很快引起了物理学家们的兴趣。X射线到底是高穿透性的中性粒子流还是波长较短的电磁波呢?眼瞧着粒派和波派又要大打出手,劳厄却用一个精巧的实验,化解了争议。


晶体是由一系列重复的结构组成的,这些不断重复的结构,称之为晶胞;晶胞和晶胞之间,存在着缝隙。换句话说,可以把晶体看作一个三维的充满缝隙的衍射工具。那么,假如X射线是电磁波,它在穿过晶体后,一定会产生衍射。


1912年4月弗里德里希、克里平成功地观察到X射线透过硫酸铜后的衍射斑点,证实了X射线的波动性。这一消息传到英国,引起了布拉格父子的高度关注。1912年暑假后,W.L.布拉格开始做X射线透射ZnS晶体实验时,发现衍射斑点的大小随底片与晶体的距离而变化,判定可能是晶面反射的聚焦结果。同年10月,W.L.布拉格导出了著名的布拉格方程。【3】


DNA X射线衍射图谱


晶体X射线衍射的研究,到此可算告一段落,但是它所酝酿的风暴,才刚刚开始成型。41年后,卡文迪许实验室的两个年轻人,正是靠着X光衍射图,解开了生命掩藏最深的奥秘——DNA分子结构。


一直到现在,晶体X射线衍射,仍然是结构分析的利器,在药品分析等方面,起着重要作用。比如,2005年,美国加利福尼亚大学的研究人员,运用X射线晶体衍射技术,在SARS病毒基因组中发现了一个特殊的RNA片段,在不同的 SARS 病毒株系中,这一片段并不变化,因此这一RNA 片段可能成为未来抗 SARS 药物的“标靶”。【4】


柯霍氏法则


著名的曲颈瓶实验


数学是当之无愧的诸学科之母,在数学之外,物理则担当起了兄长的角色。没有对凸透镜成像的研究,哪来的显微镜呢?没有显微镜,又怎么可能发现致病菌呢?


十九世纪中叶,医生们已经建立了近代解剖学,知道了柳树皮解热、消炎、镇痛的有效成分,但是,疾病原因,仍然是一个谜。希波克拉底的体液学说渐渐失去市场,中国的阴阳五行,洋大夫们大约不信……


1864年,伟大的生物学家巴斯德设计了著名的曲颈瓶实验。他把肉汤倒入烧瓶内,然后将烧瓶放在火焰上,拉出弯曲的长颈,将其静置,结果发现,肉汤很长时间也不会变质;一旦将长颈去掉,肉汤则很快腐败变酸。


巴斯德的实验表明,空气中存在着一些微生物。这些微生物虽然看不见、摸不着,却可以对肉汤产生实实在在的影响。


那么,这些微生物是否就是某些疾病的原因呢?


罗伯特•科赫在前人的基础上(卡西米尔•达韦纳发现炭疽病在牛与牛之间可直接传染),以其杰出的才智,化解了血液纯化、细菌培养等难题,最终在1876年,发现了炭疽杆菌的致病作用,成为人类历史上第一个发现致病原的科学家。其后,他又运用染色、纯化、培养等技术,找出了结核病病原菌——结核杆菌,并因此获得了1905年的诺贝尔生理学或医学奖。


炭疽杆菌


在研究微生物的过程中,科赫总结出了一套判断病原菌的方法,称之为柯霍氏法则。这套法则一共四条:首先,在病人或患病部位,可以发现某种微生物,但这种微生物,不能在健康个体中找到;其次,这种病原菌可以被分离培养,同时应该记录它的各种特征;再次,将分离、提纯过的病原菌,接种到健康个体内,健康个体应该会和患者出现类似或相同的症状;最后,这位新患者体内,应该可以分离出与之前完全相同的病原菌。


不管是分离提纯技术,还是培养基的发明、制作,又或者这一套判断原则,都在生物学界和医学界产生了巨大的影响。他也因为这一连串的突出性贡献,和巴斯德并称,被尊为细菌学的鼻祖。


当然喽,技术也好,方法论也罢,总是不断向前的。随着新的检测手段、新的病原菌不断出现,如今,柯霍氏法则已经不是金科玉律,不过,这一方法里体现的严谨精神和聪明才智,一直会是笔宝贵的财富。


心电图


说到检测技术,就不能不提到心电图。


1791年,一个阳光明媚的日子里,意大利解剖学家路易吉•伽伐尼(意:Luigi Aloisio Galvani),摆动着试验台上的青蛙。在一个电光石火的瞬间,他忽然发现,切下来的蛙腿,碰到电火花会出现抽动;之后,他又发现,即使不直接接触电源,只用金属解剖刀,也能复制这种抽动。于是,他得出了结论:动物体内存在肌肉电流。


尽管这个说法是错误的,但是,生物学家们的兴趣已被成功点燃,神经电生理的研究一发不可收。


时光荏苒,到了1832年,意大利生理学家们在进行了一系列的有关蛙肌肉的实验后,发现并不是肌肉存在电流,而是收缩的肌肉产生了电流;接着,德国的同行们重复了他们的实验,并且用动作电位来描述这种随着肌肉收缩产生电反应。就这样,一步一步,顺理成章地,科学家们向着人体内最神秘的肌肉——心肌——进发了。


现在我们知道,静息状态下,心肌细胞的细胞膜外排布着带正电荷的阳离子,膜内排列着同等比例的带负电荷的阴离子。当细胞的一端受到刺激时,细胞膜的通透性产生改变,受刺激部位,细胞膜内外的正负离子分布发生逆转。这种逆转沿着心肌细胞传递,就形成了电流。


既然心脏是由心肌组成的,而心肌每次收缩都可以产生电生理变化,那么,可不可以通过检测这种电生理变化,来推断心脏的健康状况呢?


1887年,英国皇家学会玛丽医院举行了一场具有划时代意义的科学演示:该院生理学教授Waller在犬和人的心脏上应用毛细管静电计记录心电图。演示中,Waller当场成功记录了人类第一例心电图。尽管以现代眼光看来,这一心电图十分粗糙,连心房的P波都没有,但是,0到1的突破已经完成了。


Waller的实验吸引了很多人,许多科学家们从此投身心电图的改进,试图减少外在环境的干扰、创造出有临床意义的测量工具。


十六年后,威廉·埃因托芬拿出了自己的方案。


受阿德(Ader)于1897年发明的弦线式电流计的启发,他将镀银石英拉成弦线(直径仅2.1μm,用放大镜才能看到),悬浮在两侧的磁铁间;当体表心电有微弱变化时,弦线便出现摆动;通过装置,将这种摆动放大近500倍后,他终于得到了清晰的心电图,并且将各波命名为P、Q、R、S、T、U波。这些命名,沿用至今。【5】


搭载生物信息芯片,可以检测心电图的智能手表


又过了21年,即1924年,为表彰埃因托芬发明心电图,当年的诺贝尔生理学或医学奖授予了他。100多年来,因为价格低廉、检测准确、不会对病人造成痛苦,心电图一直是临床最常用的检测手段。时至今日,心电图技术正在朝着更小、更智能的方向迈进。比如今年,三星宣布开发出了一种新型的生物信息处理器。这种处理器专门为可穿戴设备(如智能手表)设计,具有心电图监控、血流量记录等功能。假以时日,说不定能取代四四方方的心电图机,成为医生们的可信赖的新一代“雷达”。


G蛋白偶联受体


G蛋白偶联受体生理作用示意图


马克思曾说:“哲学家们只是用不同的方式解释世界,问题在于改变世界。”不过,对于医生们来说,生命的奥秘太过艰深,能够合理的解释,就已经很难了。


古诗有云:“长江绕郭知鱼美,好竹连山觉笋香。”人的嗅觉、味觉是怎么来的呢?


不同的人,有不同层次的答案。爱看书的小朋友,可能会说:“气味从食物里跑出来,进到鼻子里,人就闻到了。”大学生们,对神经系统有着基本的了解,知道神经元之间存在着突触。神经元通过突触释放神经递质,神经递质使相邻神经元兴奋,一环扣一环,最终将神经冲动传进嗅觉中枢。


问题是,在气味分子进入鼻腔之后、神经元兴奋之前,发生了点什么呢?


这就需要专业人士去回答了。


2012年的诺贝尔化学奖授予了美国科学家RobertJ. Lefkowitz 以及 Brian K. Kobilka,以表彰他们在G蛋白偶联受体”研究中作出的突出贡献。其中,Robert J. Lefkowitz首先详细地阐述了β2- 肾上腺素及其相关受体的序列、结构和功能,同时他还发现了两个可以调控其功能的蛋白家族,即G蛋白偶联受体(GPCR)和β-arrestins。而Brian K. Kobilka则因为其在 GPCR 结构和活性方面的研究而为世人所知。【6】


G蛋白偶联受体是一类膜蛋白受体的统称。所谓膜蛋白,顾名思义,它长在细胞膜上。G蛋白偶联受体具有很多不同的种类,每一种结构皆有所不同,但不管是哪一类,都跨越细胞膜七次。这也是G蛋白偶联受体最典型的特征之一。


当某些化学物质,比如气味分子,药物中的有效成分,和G蛋白偶联受体结合时,会引起G蛋白偶联受体的结构发生改变,这种改变,又会使其他物质产生变化,层级传递之下,引起各种各样的生物效应。目前已经知道的和 G 蛋白偶联受体相互作用的化学物质或者激活因子,包括气味、费洛蒙、激素、神经递质、趋化因子,等等。这些受体可以是小分子的糖类、脂质、多肽,也可以是蛋白质等生物大分子。


这就好像是工厂里的流水线,各种原料被分拣机分析传递,经由诸多工人的手,最终变成成品。G蛋白偶联受体在其中扮演了分拣机的角色,不仅重要,而且是个多面手。


由于 G 蛋白偶联受体的广泛功能性,以及其与癌症等相关信号通路之间的紧密联系,使得 G 蛋白偶联受体作为一个药物设计的靶点,有着十分广阔的应用前景。


倘若你能在小学、中学、大学的诸多考试中脱颖而出,如果你能从基本技能训练、专业技能训练、实验室事故的轮番轰炸下存活,假如你觉得金钱生不带来死不带去、声名与你如浮云,那么,你很可能会成为一个科研工作者。


爱因斯坦和贝尔代表了科研工作者的一种,他们崇高的品格、严肃的态度毋庸置疑,但是相比于国计民生,他们更关注科学本身。对未知的好奇支撑着他们,走上了人类智慧的巅峰。


埃因托芬等则代表了另一条道路,他们在知识和实用之间找到了平衡。


那么你呢,你会选哪一种?


1927年,索尔维会议合影


参加这次会议的29人中有17人获得或后来获得诺贝尔


本文为蝌蚪五线谱原创文章


作者:赵言昌


参考文献


1.On a Heuristic Point of View Concerning the Production andTransformation of Light,Ann. Der. Physik,17(1905)132。


2.曹天元. 量子物理史话: 上帝掷骰子吗[J]. 2008.


3.麦振洪. 晶体 X 射线衍射的发现及其深远影响[J]. 现代物理知识, 2003, 15(5): 53-55.


4.美国发现SARS病毒特异RNA片段[J]. 中国生物工程杂志, 2005, 25(1): 95.


5.郭继鸿.百年辉煌,万众泽被——记心电图百年发展史.中国医学论坛报,2014.10.13


6.肖鹏, 杨乐, ZHANG C, et al. G 蛋白偶联受体家族的发现和结构机理研究——2012 年诺贝尔化学奖解读[J]. 生物化学与生物物理进展, 2012, 39(011): 1050-1060.



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