2016：诺贝尔奖的“一大步”

梅松

截止2016年10月13日，2016年诺贝尔奖的6个奖项得主已全部揭晓。让我们来看一看，这一次，科技又给我们带来了哪些惊喜？

2016年诺贝尔奖，民谣歌手鲍勃·迪伦“跨界”夺得文学奖；奥利弗·哈特、本特·霍姆斯特罗姆荣因对契约理论做出的贡献获经济学奖；和平奖授予哥伦比亚总统胡安·曼努埃尔·桑托斯，以表彰其在结束哥伦比亚长达50多年的内战中所做的坚定努力；日本科学家大隅良典获得了生物学或医学奖；大卫·索利斯和邓肯·霍尔丹及迈克尔·科斯德里茨获物理学奖；让·皮埃尔·索瓦、詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特以及伯纳德·费灵格获化学奖。就让我们来看看这些推动时代进步的研究，探寻一下科技的一小步如何给人类带来一大步。

细胞自噬为“七分饱”找到理论依据

北京时间10月3日，在瑞典卡洛林斯卡医学院诺贝尔大厅，诺贝尔生理学或医学奖评委会宣布：将2016年诺贝尔生物学或医学奖授予日本科学家大隅良典，表彰他对细胞自噬机制的发现。

细胞自噬到底是什么？简单来说，这是为吃饭要吃七分饱找到了依据。

所谓自噬作用，是指细胞在应对短暂的生存压力时，可通过降解自身非必要成分来提供营养和能量，从而维持生命。相应地，自噬作用也可能降解潜在的毒性蛋白来阻止细胞损伤，或是阻止细胞的凋亡进程。然而自噬并不总是良性反应，它更像是在走投无路时进行的一场豪赌。

据了解，在上世纪90年代初期，大隅教授筛选了上千种不同的酵母细胞，找到了15种和自噬有关的基因，他的研究令全世界的科研人员豁然开朗。

当然，对于普通老百姓来说，更关心是这些研究会给我们今后的生活带来怎样的变化。近年来，细胞自噬受到热捧的一个重要原因就在于其与人类生老病死的关联。首当其冲是衰老，简单点说，中国人常说的吃饭要吃七分饱，通过研究细胞自噬，让这一说法有了理论基础。七分饱可以让细胞自噬，维持细胞的代谢，从而让人更长寿。另外，细胞自噬的研究对于治疗帕金森症在内的神经退行性疾病都有帮助。

而细胞自噬与肿瘤的关系更为密切，虽然到目前为止激活细胞自噬来预防肿瘤发生的直接临床依据稍显不足，但自噬在肿瘤早期发生过程中的抑制作用已被广泛证实，因此适当地提高基础自噬水平可能成为未来肿瘤预防的重要措施。

走进薄层物质的“平面世界”

北京时间10月4日，瑞典皇家科学院宣布将2016年度诺贝尔物理学奖授予大卫·索利斯（DavidJ.Thouless）和邓肯·霍尔丹（F.DuncanM.Haldane）和迈克尔·科斯德里茨（J.MichaelKosterlitz），以奖励他们在物质拓扑相变和拓扑相的重大理论发现。

这三位科学家使用了先进的数学方法来解释异乎寻常的物质状态——比如超导体、超流体或者薄层磁性物质的奇特属性。科斯特利茨和索利斯研究了平面世界的现象，也就是在物体表面或者很薄的物质上所发生的事情，它们可以被认为是二维的世界，和日常描述的三维世界不同。霍尔丹还研究了细丝状的物质，它们可以被认为是一维的。

拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

三位科学家采用拓扑学作为研究物理的工具，这一举动在当时让同行感到吃惊。在上世纪70年代早期，当时的理论认为超导现象和超流体现象不可能在薄层中产生，而迈克尔·科斯特利兹和大卫·索利斯推翻了这一理论。他们证明了超导现象能够在低温下产生，并阐释了超导现象在较高温度下也能产生的机制——相变。

后来到了80年代，大卫·索利斯成功地解释了之前的一个实验，即超薄导电层中的电导系数可被精确测量到整数。他证明了这些整数在自然属性中处于拓扑状态。同时，邓肯·霍尔丹发现，可以用拓扑学来理解某些材料中的小磁体链的性质。

现在，我们已经知道拓扑相有很多种，它们不仅存在于薄层和线状物，还存在于普通的三维材料中。过去十年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展，人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用。此刻，研究者依然在探索三位诺奖得主开创的薄层物质“平面世界”的奇特属性。

比头发丝直径还要小1000倍的分子机器

北京时间10月5日，2016年度诺贝尔化学授予法国斯特拉斯堡大学的让·皮埃尔·索瓦（Jean.PierreSauvage）、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（SirJ.FraserStoddart）以及荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费灵格（BernardL.Feringa），以奖励他们“在分子机器的设计和合成”方面的贡献。

何为分子机器？简单来说，就是生物体内那些像机器一样运转的东西，可用烧瓶、试管等仪器，用基本的非生命体化合物合成出来，并用这些非生命体的分子机器来模拟生命体分子机器的运转。

人类能用自己的“巨手”造出微小尺度的机器吗？科学家有两种思路：一种是通过制造比人类手更小的机器，由它再制造更小的机器；另一种是曾经的诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼的构想：在例如硅表面上，由下而上地喷射一层又一层原子，之后将一些层溶解，从而得到可使用电流来控制的移动部件。

事实上，早在费曼提出其构想前，科学家们就尝试用多种方式把分子连接起来，以实现某种功能。索瓦日在1983年成功地将两个环状分子连接在一起，形成了一条特殊的“分子锁链”，学名“索烃”。

索瓦日的办法是“辅助连接体法”：这种方法借用一个一价铜离子，将一个半圆形分子和环状分子吸引在一起，再将两个半圆形分子“焊死”成一个环，从而达成“一环套一环”的效果。至今，科学家们已经制造了类似奥运五环和央视台标等多种多样的“分子锁链”。

更进一步，上世纪90年代，斯托达特设计出了“轮烷”：简单来说，就是将一个分子环套在一个长条状的哑铃状分子上，在这条轴的两端设置有键连接点，通过改变环境的PH值，就能控制分子环在连接点来回移动。而除了用PH值控制开关外，随后科学家们又研究出可用光、热乃至某些特定化学物质控制的开关。

此后，科学家基于互锁型有机超分子组装体，设计合成了多类分子机器，例如：分子电梯、分子肌肉、分子缆车和分子滑轮等。

而这“最小机械”该怎么用呢？在索瓦日等科学家的研究基础上，费林加首先研究出了能够做功的分子马达。在1999年，他制作了一个分子转子叶片，能够持续朝一个方向旋转。费林加的分子机器主要利用具有拥挤结构的烯烃类有机分子，巧妙地设计合成了一类可重复进行单向旋转的分子马达。这种分子马达在光和热的驱动下进行旋转，可驱动比其自身大数千倍的物体运动。颇为有趣的是，2011年，费林加团队制作了一个纳米尺度的“小车”，同汽车一样，它也有底盘，有四个车轮，通过分子马达车轮旋转向前行驶。

对于分子马达，诺奖委员会给出了这样的评价：“从历史发展来看，分子马达和19世纪30年代的电动机的地位相似，当时科学家们展示了各种各样的旋转曲柄和轮子，却并不知道这些东西最终将导致电车、洗衣机、风扇以及食品加工机的产生。”

分子机器如何接近实际应用，至少可从以下几方面来继续研究：首先是分子机器理论的突破，比如分子机器的设计方法、原理以及确定分子机器做功参数。其次是能够做功和响应刺激分子机器的设计与构建，如何利用目前已积累的功能基团来构造复杂的、多功能的精巧分子机器，仍是一个挑战与难题。当前绝大多数分子机器研究集中在溶液中，将分子机器与外界整合是实现其对外部环境做功的重要途径，这可能也是分子机器由基础研究走向实际应用需要解决的问题之一。（编辑/夏冬）