2015诺贝尔奖都有啥

果壳科技小组

生理学或医学奖：

让人类远离寄生虫

数千年来，寄生虫引发的疾病一直是全球一项重大的卫生问题，对全球最贫穷人口的影响尤其严重。2015年诺贝尔生理学或医学奖的获得者针对破坏性最大的几种寄生虫病所研发的疗法，使治疗这些疾病的手段得到了革新。

威廉·坎贝尔和大村智发现了一种名为阿维菌素的新药。阿维菌素的衍生物从根本上降低了盘尾丝虫症（河盲症）和淋巴丝虫病（象皮病）的发病率，同时在治疗一系列其他寄生虫病时也有效果。屠呦呦发现的青蒿素则能显著减低疟疾患者的死亡率。这两个发现为人类对抗这些每年影响数亿人的疾病提供了有力的新手段。它们对提升人类健康、减少患者痛楚方面的意义是无法估量的。

寄生虫可导致毁灭性疾病

很多种寄生生物都会导致疾病，其中医学上极为重要的一类寄生生物就是寄生虫，据估计全世界有1/3的人受寄生虫影响，特别是生活在撒哈拉以南非洲、南亚以及中南美洲的人。

河盲症和淋巴丝虫病就是两种由寄生虫导致的疾病。正如其名，河盲症（盘尾丝虫病）会造成患者角膜感染，最终导致失明。而全世界感染淋巴丝虫病的人约有1亿，这种病会导致慢性肿胀，造成终生的红斑并致残，包括象皮病（淋巴水肿）以及阴囊鞘膜积液。

疟疾伴随人类的历史和我们自己的历史一样漫长。这是一种经蚊子传染的疾病，病原体是一种单细胞寄生生物。这种生物会入侵红细胞，导致发烧，在严重情况下会造成脑损伤和死亡。全世界最易感染的人口中，有超过34亿人面临疟疾感染风险，每年有超过45万人死于疟疾，其中绝大多数是儿童。

从细菌、植物到新型抗寄生虫疗法

能持久治疗寄生虫病的方法在过去几十年里取得的进展有限，而2015年诺奖得主的发现彻底改变了这一状况。

日本微生物学家大村智是分离天然产物的专家，他专注于研究链霉菌。链霉菌是一类生活在土壤中的细菌，能够产生包括链霉素在内的多种抗菌物质（链霉素获得了1952年的诺贝尔奖）。利用自己在大规模培养、鉴定这些细菌方面的非凡能力，大村从土壤样品中分离了链霉菌的新菌株，并成功在实验室进行了纯培养。他从数千种不同的纯培养中筛选了50株最有前途的菌株，并后续分析它们在对抗有害微生物方面的能力。

在美国工作的寄生虫生物学家威廉·坎贝尔拿到了大村智的链霉菌菌株并探索了它们的能力。他发现其中一个菌株产生的一种成分能有效对抗家养和畜牧动物的寄生虫。这种生物活性物质被纯化出来，并被命名为阿维菌素。阿维菌素随后被进一步化学修饰成为一种叫“伊维菌素”的物质，变得更加有效。后来，人们在被寄生虫感染的人类身上试验伊维菌素，发现它能有效地杀死寄生虫蚴。大村智和坎贝尔的贡献使一类能有效对抗寄生虫病的新药得以被发现。

在过去，疟疾一般依靠氯喹或奎宁来治疗，但这些治疗的有效率逐渐下降。到了19世纪60年代后期，彻底消灭疟疾的努力宣告失败，这种疾病又开始重新抬头。在那时，来自中国的屠呦呦将视线转向传统草药，希望从中找到研发疟疾新药的机会。通过在感染动物身上进行的大规模的筛选，植物黄花蒿的提取物成为了一个有趣的候选。然而，实验结果并不稳定。因此屠呦呦翻检了古代文献，并从中找到线索，成功地提取到了黄花蒿中的活性物质。屠呦呦第一次展示了这种后来被称为青蒿素的物质具有很高的抗疟原虫活性，无论是在受感染的动物还是人体内都是如此。青蒿素代表着一类新的抗疟疾物质，它们可以在疟原虫发育的早期阶段快速地杀死它们，而这也解释了它们对重症疟疾空前的疗效。

阿维菌素、青蒿素与全球健康

阿维菌素与青蒿素的研发从根本上改变了寄生虫疾病的治疗。现在，由阿维菌素衍生的伊维菌素在全世界被寄生虫困扰的各个地区广为使用。伊维菌素对一系列寄生虫都非常有效，副作用较少，而且在全球各地都可获得。治疗是如此成功，以至于这些疾病已经到了被消灭的边缘。而这是人类医学史上的一大壮举。每年大约会有2亿人感染疟疾，而青蒿素也在世界上所有疟疾流行地区得到使用。单是在非洲，就意味着每年有10万以上生命得到拯救。

2015年诺贝尔奖物理学颁发给了梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳，奖励他们分别身为各自团队中的核心研究者，和同事一起发现了中微子振荡，在粒子物理领域开辟了新的疆土。

狩猎的号角吹响在地球深处的巨大设施中，成千上万的人造眼睛全神凝视，等待着揭示中微子秘密的时机。1998年，梶田隆章的团队证明，中微子似乎会发生转化，它们在飞向日本超级神冈探测器的路上变换了身份。被超级神冈探测器捕获的中微子是在宇宙射线和地球大气层的相互作用中诞生的。

而在地球的另一边，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中微子会切换身份。

这两项实验一同发现了一个被称为“中微子振荡”的新现象。它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，其实必须是存在且有质量的。这个结论无论是在粒子物理领域，还是我们对宇宙本身的理解，都具有开创性的意义。

中微子的存在

我们生活在中微子的世界中，每一秒都有数万亿的中微子从你身体中穿过。你既看不到它们，也感觉不到它们。中微子以近乎光速的速度在空间中穿行，却很少和周围的物质发生作用。

一些中微子在宇宙大爆炸时就已诞生了，而在此后，太空和地球上的很多活动—— 超新星爆发、大质量恒星死亡、核电站内的核反应以及自然发生的放射性衰变——还会持续不断地创造出另一些中微子。甚至在我们的身体里，因为钾的同位素的衰变，平均每秒钟就有5000个中微子释放出来。抵达地球的中微子，绝大多数来自于太阳内部发生的核反应。它是宇宙中数量第二多的粒子，仅次于光子。

然而很长时间里，人们甚至不确定中微子是否存在。相反，当奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（1945年诺贝尔物理学奖得主）提出这种粒子的存在时，其目的主要是为解释β-衰变过程中的能量守恒而做出的绝望尝试。他猜想，一部分丢失的能量是被电中性的、弱相互作用的、质量很小的粒子带走了。泡利自己都不怎么相信真的存在这种粒子。他自己曾这么说过：“我做了一件可怕的事，我假设了一种不能被探测到的粒子。”endprint

不久之后，意大利物理学家恩里克·费米（1938年诺贝尔物理学奖得主）提出了一个精妙的理论。这个理论中就包含了泡利假设的那种质量很小的中性粒子，它被称作中微子。没有人预想到，这种微小的粒子同时革新了理论物理学和宇宙学。

直到25年后，人们才真的发现了中微子。机遇降临于20世纪50年代，新建成的核电站中涌出了大量的中微子。1956年6月，两位美国物理学家，弗雷德里克·莱茵斯（1995年诺贝尔物理学奖得主）和克莱德·科温给泡利寄了一封电报——他们的探测器检测到了中微子的痕迹。这一发现表明，幽灵般的中微子是真实存在的粒子。

中微子谜团

2015年诺贝尔物理学奖的获得者，解决了一个长久以来困扰众人的中微子谜团。从1960年起，科学家们理论计算出了太阳核反应中诞生的中微子数量（正是这个反应让太阳发光）。但地球上的测量发现，超过三分之二的中微子不见了。中微子究竟哪儿去了？

关于中微子转变类型的假说，长期以来只是一个假说——直到更庞大、更复杂的设备登场。为了去除宇宙辐射和周围环境中自发的放射性衰变造成的噪音影响，人们在地下建造了巨大的探测器，夜以继日地搜索着中微子。然而，要从万亿假信号中分离出少数真实的中微子信号是一项艰难的技艺，就连矿坑中的空气和探测器本身的材料都会有天然的痕量元素自发衰变，干扰测量。

超级神冈探测器位于东京西北部250千米处的一个锌矿之中，于1996年投入使用。而在安大略省一处镍矿中构筑的萨德伯里中微子观测站，则于1999年开始运行。它们会一同揭示中微子变色龙般的神秘本质。而这项发现2015年就被授予了诺贝尔物理学奖。

从一个细胞到另一个细胞，从一代生命到下一代生命，控制人类形态的遗传信息在我们身体内已经流淌了几十万年。DNA持续受到来自环境的攻击，但它们的结构完整程度却出人意料。来自精子的23条染色体和来自卵子的23条染色体结合，决定了你的基础。它们一同构成了你基因组的最初版本。在精子卵子相遇时，构成你所需的遗传物质就已经齐备了。如果从这最初的细胞中取出DNA分子，并把它们排成一线，大概会有2米长。当受精卵继续分裂时，DNA分子会进行复制，子细胞也会得到一整套完整的染色体。之后，细胞会再次分裂：两个变成四个，四个变成八个。一周后，受精卵就分裂成了128个细胞，每一个细胞都有自己的一套遗传物质。你的DNA的总长度此时已接近300米。在细胞进行了数十万亿次分裂后，你的DNA的长度已经可以在地球和太阳之间往返了250次。尽管你的遗传物质进行了很多次复制，但最新一次复制的产物仍几乎和最初受精卵中的版本一模一样。

这就是生物分子的伟大之处。因为从化学的角度来说，这本应该是不可能的，任何化学过程都很容易出现随机错误。另外，你的DNA每天还要受到有害辐射和活性分子的攻击。实际上，从化学角度来说，早在你发育成胎儿之前，你就应该变得乱成一锅粥了。

DNA之所以能年复一年地保持完整，归功于一系列分子修复机制的存在：众多蛋白质监控着基因们。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。托马斯·林达尔、保罗·莫德里奇以及阿齐兹·桑贾尔因为描述并解释了细胞修复DNA的机制以及对遗传信息的保护措施，而被授予了2015年的诺贝尔化学奖。他们系统性的工作对理解细胞运作做出了卓越的贡献，并为了解一系列遗传病的分子成因、癌症和衰老的发生机制提供了知识。

生命在延续，所以DNA必须可修复

“DNA到底有多稳定？”托马斯·林达尔早在20世纪60年代末就对这个问题深感好奇。那时，科学界相信作为生命基础的DNA分子必须极度坚实，没有别的可能。演化确实需要突变的存在，但每一代的突变都是有限的。如果遗传信息太过不稳定，多细胞生物就无法存在了。一些直截了当的实验验证了他的怀疑：DNA其实会发生缓慢但可观测的降解。据林达尔估计，基因组每天会发生数千起灾难性的潜在损伤，人类要在地球上延续，这些损伤显然不可能真的发生。他的结论是，肯定有分子机制负责对这些DNA缺陷进行修复。本着这个思路，托马斯·林达尔打开了通向崭新研究领域的大门。

和人的DNA一样，细菌DNA同样由核苷酸的四种碱基腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）组成。托马斯·林达尔开始利用细菌DNA来寻找修复酶。DNA的化学弱点之一是，它的胞嘧啶（C）很容易丢失一个氨基，这可能导致遗传信息改变。在DNA的双螺旋中，C总是与G配对，但当氨基丢失后，受损的碱基往往与A配对。因此，如果允许这个缺陷继续存在，下一次DNA复制时就会发生一次突变。林达尔意识到，细胞对此必然有某种防范机制。他成功发现，有一种细菌酶能去除DNA里受损的胞嘧啶。

托马斯·林达尔完成了“碱基切除修复”的拼图

35年的成功工作就此展开，在此期间，托马斯·林达尔发现并研究了许多细胞用来修复DNA所用的工具蛋白。一点一滴，林达尔拼起了“碱基切除修复”是如何作用的分子图景。糖基化酶正是DNA修复过程中的第一步。碱基切除修复也发生在人类身上。在1996年，托马斯·林达尔还在体外设法重建了人类的修复过程。

对于托马斯·林达尔而言，关键的一点是意识到了DNA不可避免地会发生变化，哪怕是当分子位于细胞的保护性环境中时也不例外。但是，我们早已知道DNA会因环境因素如UV辐射而受到损伤。而多数细胞用于修复紫外线伤害的机制“核苷酸切除修复”，是被阿齐兹·桑贾尔阐明的。

阿齐兹·桑贾尔：研究细胞如何修复紫外线损伤

阿齐兹·桑贾尔的兴趣是被一个特别的现象所激发的：细菌暴露在致命的紫外线照射下之后，如果再用可见蓝光照射，它们突然就能死里逃生。桑贾尔对这近乎魔法的反应感到非常好奇。1976年，使用当时的粗糙工具，他成功地克隆出能修复被紫外线损伤的DNA的酶——光解酶——的基因，并成功让细菌批量生产这种酶。这成为了他的博士论文。但在当时，并没有引起很多反响。他申请了三次博士后职位，却都遭到驳回，对于光解酶的研究也被搁置了。为了继续对DNA修复进行研究，阿齐兹·桑贾尔在耶鲁大学医学院（这是居于业内领先地位的机构）找了个实验室技术员的工作。在这里，他的工作最终让他获得了诺贝尔化学奖。endprint

当时，人们已经知道细菌有两套修复紫外线损伤的机制：一条系统是依赖光的作用的“光修复”，需要光解酶；另一个系统则可以在暗处发挥作用。阿齐兹·桑贾尔在耶鲁大学的新同事们从20世纪60年代中叶开始就开始研究暗修复系统，研究对象是三个对紫外线敏感的细菌突变系。这三个细菌系中分别有不同的基因发生了突变，分别被称为uvrA、uvrB与uvrC。

就像此前对光修复的研究一样，桑贾尔开始探索暗修复的分子机制。只花了几年的时间，他就鉴定、分离与描述了这三个基因编码的酶。在突破性的体外实验中，他证明了这些酶可以发现紫外线伤害的位点，然后在DNA链上切开两个切口，分别发生在紫外损害位点两侧。一段12-13个碱基对的片段，包括损伤位点，就被这样被切掉了。

阿齐兹·桑贾尔从分子水平的细节中获取对这一途径认知的能力改变了整个研究领域。接着，桑贾尔与其他研究人员，包括托马斯·林达尔，同时进行着人类中的核苷酸切除修复的研究。在人体中，紫外线损伤修复的机制远比细菌中的程序复杂。但是从化学上来说，所有有机体里的核苷酸切除修复都是类似的。

保罗·莫德里奇：解释“DNA错配修复”

DNA的错配修复是一个天然的过程。在DNA复制过程中，以未甲基化为标志来识别出错的DNA链，修复错配。保罗·莫德里奇的这个发现引发了长达十年的系统性工作——克隆和测定错配修复过程中一个又一个酶。到20世纪80年代末，他已经可以体外重建这套复杂的分子修复机理，并且深入了解它的细节。

在人类基因组复制时产生的所有错误中，只有千分之一逃过了错配修复的法眼。但是，在人类错配修复中，我们仍然不能确切地知道怎么判断哪条链是原本的链。DNA甲基化在我们的基因组中有与微生物中不同的功能。所以，一定是什么别的东西在掌管究竟应该修复哪条链——这个东西是什么还有待查明。

除了碱基切除修复、核苷酸切除修复和DNA错配修复这三种，还有其他多种机制维护着我们的DNA。每天，它们修复几千起因为日照、吸烟或其他遗传毒性物质导致的DNA损伤；它们不断抵抗着DNA的自发改变。而且，每一次细胞分裂，错配修复都会纠正几千个错配。没有这些修复机制，我们的基因组将会崩溃。其中哪怕只有一个机制失灵了，遗传信息就会很快改变，致癌风险也会增加。事实上，在很多类癌症中，就是上述一到多个修复体系，被部分或者全部关闭。这使得癌细胞的DNA变得不稳定。这也是癌细胞经常突变且能够抵抗化疗的原因之一。

同时，这些生病了的细胞会更加依赖还在正常工作的修复体系：没有剩下的这些修复体系，它们的DNA受到的损伤会过于严重，细胞也会死亡。研究者试图利用这种弱点来研发新的抗癌药物。通过抑制残留的修复体系，人们可以减缓或者完全阻止癌症的生长。endprint