解读2015年诺贝尔自然科学奖

三大自然科学奖尘埃落定，但人们对它们的关注仍在持续发酵。三大自然科学诺贝尔奖获得者到底解决了什么问题？解决这些问题的价值何在？能给人们的生活带来什么？

10月5日至7日，2015年度诺贝尔三大自然科学奖项逐一揭晓。我国女药学家屠呦呦，以及爱尔兰科学家威廉·坎贝尔和日本科学家大村智获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在人类对抗寄生虫疾病的斗争找到了新方法。中微子领域研究第四次获得诺贝尔物理学奖的青睐，日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳因发现中微子振荡，证明中微子有质量赢得大奖。瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里奇、拥有美国和土耳其双重国籍的科学阿齐兹·桑贾尔，因揭示了细胞如何修复DNA并维护遗传信息而分享化学奖。

人类对疟疾的存在早已知晓，这是威胁人类生命的一大顽敌，它是一种由蚊子传播的、因单细胞寄生虫——疟原虫入侵红细胞引起发热并在严重情况下造成脑损伤和死亡的疾病。目前，每年还有45万人被疟疾夺去生命，其中大多数是儿童。

疟疾的传统疗法是使用氯喹或奎宁，但在上世纪60年代后期，这种方法成功率不断降低，疟疾感染率呈上升趋势。屠呦呦将目光转向中草药，力求从中找寻治疗疟疾的新方法，她受到中国古代医书关于青蒿治疗疟疾的记载启发，提炼出具有全新化学结构和显著抗疟功效的新药——青蒿素，再将其应用于临床，成为一种能够在疟疾早期阶段扼杀疟原虫的有效药物，这一研究成果具有重要意义。

医学上很重要的另一类寄生虫——线虫也正在折磨世界上1/3的人类，主要分布于撒哈拉以南的非洲地区、南亚、中美洲和南美洲，而河盲症和淋巴丝虫病是两种最常见的由线虫引发的疾病。河盲症患者会因眼睛角膜发炎而致盲，淋巴丝虫病则会诱发淋巴水肿等终身感染的症状，近百万人因此备受折磨。

日本微生物学家大村智专注于研究链霉菌，这一菌群生活在土壤中，能够产生很多活性化合物。他用独特的方式大批培养菌株并保持其特征，然后从土壤中成功分离出新菌株并移植到实验室中，再选出其中最具活性的50株作为新的生物活性化合物来源，这些菌株中的一个，后来被证明是阿维菌素的来源。

威廉·坎贝尔出生在爱尔兰，现在美国任教，他是寄生虫领域的生物学家。坎贝尔从大村智手中收购了大批链霉菌菌株以探求其功效，并证明其中一个菌株对牲畜寄生虫非常有效。这种活性物质提纯后命名为阿维菌素，此后又改进为伊维菌素。伊维菌素最初作为兽药，但后来发现它能治疗河盲症和淋巴丝虫病，由此在非洲、拉美地区广泛分发使用，有效抗击了线虫类寄生虫引发的疾病。

诺贝尔生理学或医学奖评选委员会指出，青蒿素和阿维菌素的发现，从根本上改变了寄生虫疾病的治疗。世界上每年约有2亿人感染疟疾，在全球疟疾的综合治疗中，青蒿素至少降低了20%的死亡率及30%的儿童死亡率，仅就非洲而言，每年就能拯救10万人的生命。

阿维菌素的衍生物伊维菌素目前被运用于全球线虫类寄生虫病的治疗，尤其是在世界上最贫困的地区，它给人类带来的福祉也不可估量。这一研究成果使得相关疾病濒临消灭，也是人类医学史上的一大壮举。

我们生活在一个中微子的世界中。在整个宇宙中，中微子的数量仅次于光子，是宇宙中数量最多的粒子之一。在抵达地球的中微子中，大部分都源自太阳内部的核反应过程。中微子几乎以光速在宇宙中传播，基本不与物质发生相互作用。但中微子在离开太阳向地球运动的过程中，一部分中微子会凭空消失，这成为困扰许多科学家的一道难题。

1998年，在深埋于地球深处的巨大设施中，成千上万的机器眼等待着解释中微子秘密的时机。通过实验，梶田隆章所在的超级神冈探测器团队证明，中微子似乎会发生身份“转化”，当时探测器捕捉的中微子是在宇宙射线和地球大气层的相互作用中诞生。

而在地球的另一端，加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家们则在研究从太阳过来的中微子。2001年，阿瑟·麦克唐纳所带领的研究小组也证明了这些中微子同样存在类似的转变现象。

殊途同归，二人的这两项实验结果导致了一种新现象的发现——中微子振荡。这一研究解释了中微子消失之谜，也就是说，中微子只是在飞行途中变了身，而并未消失。此外还带来了一个影响深远的结论：长期被认为没有质量的中微子，其实是有质量的。

按照评审委员会的说法，梶田隆章和麦克唐纳的发现对美籍华裔物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁所开创的标准模型理论而言是一个挑战。

标准模型理论是一套描述基本粒子的物理理论，隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容，是自牛顿经典物理学之后最接近“大一统”的一套自然哲学观。“梶田隆章和麦克唐纳的实验揭示出经典模型理论第一个明显的裂缝，”评审委员会说，“显而易见的是，标准模型理论不可能成为描述宇宙基本构成物如何运作的一套完全理论。”

评审委员会的声明认为，中微子是人类不知如何进一步细分的基本粒子之一，探索它们有助于了解宇宙的演变进程，而证明它们具有质量有助于揭开宇宙奥秘。

人类一个细胞里的脱氧核糖核酸即DNA全长超过2米，人体总共有数十亿个细胞，所有的DNA加起来可以往返地球和太阳250次。DNA承载了人类的全部遗传信息，而它们全是从最初受精卵内的2米长DNA复制而来。

DNA每天都受到紫外线辐射、致癌物等外界物质的攻击，但是就算没有外界伤害，从化学角度而言，任何化学过程内部都很容易出现随机错误。照理说，经几十亿次的DNA复制后，基因应该乱成一锅粥，但基因仍年复一年地保持完整。这得归功于一大群专门负责监视DNA的蛋白质。它们持续地校对着基因组，并对任何已发生的损伤进行修复。

这套被细胞用来修复DNA的工具箱，就这样被今年诺贝尔化学奖的3名得主发现了。

上世纪70年代，科学界曾认为基因是非常稳定的分子。但林达尔看来，DNA是生命大厦的基石，若听任它成为流沙，则一切生命演化现象都将土崩瓦解。他认为，肯定存在一种机制，阻止这块基石的“风化”。在此后的研究中，林达尔找到了“碱基切除修复”——这一概念如今已是教科书中的必修内容——细胞中存在一类蛋白质，寻找碱基错误，将其从DNA链上切掉，从而修复它。

林达尔发现了细胞用来修复DNA的一种办法，实际上，内容丰富的“工具箱”赋予细胞许许多多的手段，来应对种种难题。如果说林达尔发现了一个扳手，那么桑贾尔就是找到了一个钳子，莫德里奇则又发现一把螺丝刀。

桑贾尔的发现揭示了细胞如何应对紫外线对DNA带来的伤害，即将一小段被紫外线损伤的核苷酸切除，切除的范围要比单个碱基更大。

莫德里奇则发现细胞如何修正在细胞分裂过程中可能发生的DNA复制错误。双螺旋结构的DNA在复制时拆成两条，各自作为模板形成新的双螺旋结构，莫德里奇指出，细胞通过标记DNA链条，让自己知道哪条是原有的、哪条是新产生的，从而以旧的为“标准答案”，去修正新产生的链条上不匹配的地方，这就是“DNA错配修复”。

诺贝尔化学奖评审委员会在声明中说，3名获奖者的研究在人类了解活细胞功能、从分子层面解释遗传性疾病成因以及癌症发生发展和人体衰老的机制方面作出了“决定性贡献”。“他们这一发现不仅深化了我们对人体如何运作的了解，还会为丰富拯救生命的治疗手段开辟前景。”（本刊综合） ※