交叉学科结硕果——解读2018年诺贝尔奖三大自然科学奖

10月1日至3日，2018年诺贝尔奖三大自然科学奖项——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖的逐一揭晓，为人类智慧文明的高塔再次垒上耀眼的一层。

美国科学家詹姆斯·艾利森和日本科学家本庶佑因在癌症免疫治疗方面作出的贡献，获得诺贝尔生理学或医学奖。美国科学家阿瑟·阿什金因发明“光镊”工具、法国科学家热拉尔·穆鲁和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰因发明“啁啾脉冲放大技术”，3人共同获得诺贝尔物理学奖。美国科学家弗朗西丝·阿诺德因实现酶的定向进化、乔治·史密斯以及英国科学家格雷戈里·温特因开发噬菌体展示方法，进行抗体定向进化，3人共同获得诺贝尔化学奖。

有意思的是，今年的三大自然科学奖项均与“生物”相关。其中，化学奖还被不少科学家调侃为“诺贝尔理科综合奖”，因为截至2018年，物理、生物、生物物理、生物化学甚至数学等领域研究成果都获得过这一奖项。

●诺贝尔生理学或医学奖松开免疫系统的抗癌“刹车”

在美国得克萨斯大学MD安德森癌症研究中心官网上，有几个黑体大字概括了新晋诺贝尔生理学或医学奖得主詹姆斯·艾利森对癌症治疗作出的贡献——规则改变者。

在日本京都大学官网上，可以看到今年另一名生理学或医学奖得主本庶佑的获奖感言：一开始以为只是“纯粹的基础性科学研究”，直到这带来切实疗法并听到患者的积极反馈时，“才认识到我所做工作的真正意义”。

诺贝尔奖评奖委员会称，两名科学家“松开”了人体的抗癌“刹车”，让免疫系统能全力对抗癌细胞，“现在已彻底改变了癌症疗法”。

长期以来，癌症一直几乎相当于绝症的代名词，尤其是晚期癌症，迫切需要研发新的抗癌策略。19世纪末20世纪初，一种调动人体免疫系统攻击肿瘤细胞的新思路在医学界出现。科学家曾尝试用细菌感染患者来激发免疫系统，但效果有限。

改变出现在20世纪90年代。当时人们发现，人体内有一些蛋白质会促进或抑制免疫系统发挥作用。如果把免疫系统比作一辆汽车，触发全面免疫反应的蛋白质就是油门，而抑制免疫反应的蛋白质就是刹车。

艾利森的主要工作就是在实验室里对一种名为CTLA-4的蛋白质进行深入分析，当时他和多名科学家都观察到CTLA-4能对与人体免疫T细胞起到“刹车”作用。

与其他研究人员将这一机制作为自体免疫疾病治疗标靶不同，艾利森设想，如果“阻击”CTLA-4，那么T细胞受到的束缚是否会被解除，进而全力对抗肿瘤细胞呢？随后，他利用小鼠实验证实了这一设想，并逐步发展成可应用于人体的新疗法。

几乎与艾利森同时期，本庶佑发现了T细胞上的另一个“刹车”分子PD-1。在2012年进行的一项临床试验中，基于抑制PD-1的新方法被用于不同类型癌症病患的治疗，效果非常好，好几名转移性癌症患者的病情获得长期缓解甚至出现治愈迹象，而转移性癌症此前被认为基本无法治疗。

从累积的临床试验结果来看，PD-1阻断疗法已被证明更为有效，尤其是在治疗肺癌、肾癌和黑色素瘤方面。一些新研究进一步指出，针对CTLA-4与PD-1的联合治疗或许能够带来更好的效果，这已在黑色素瘤患者身上有所体现。

人类对抗癌症之路依然漫长而崎岖。两名获奖者所取得的突破打开了一扇新的大门，让人们了解到，癌症的一个重要解决方案或许就隐藏在人类自己的身体中。

▲美国科学家詹姆斯·艾利森（左）和日本科学家本庶佑（右）获得诺贝尔生理学或医学奖(新华社叶平凡摄)

●诺贝尔物理学奖用激光工具“玩转”微观世界

随着人类的研发和技术应用走入更高阶段，人们往往要不断地“钻牛角尖”，比如在实验室中观测并分析极其微小的病毒、分毫不差地在眼球上进行微创手术等。要实现这些难度极高的操作，人们需要驾驭光，让光成为奇迹工具。

美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰正是通过开创性发明和研究为人们提供了这方面的强大工具。他们共同获得2018年诺贝尔物理学奖。

为了探究突出物间距对纱线牵引特性的影响，通过Fluent可数值模拟获得突出物的速度及密度大小，即可通过阻力大小公式计算出突出物的阻力，从而可得到突出物间距对纱线牵引力的影响。假设突出物的直径d为2mm，取3个突出物，其数值分析示意图如图3所示。

阿什金发明了一种光镊工具，它能用一束高度汇聚的激光形成三维势阱来捕获、操纵极其微小的粒子，也就是说，让激光将小粒子推向光束中心，并将它们固定在那里，从而更好地操纵它们。1987年，阿什金在这方面取得了实质突破。他在不伤害活细菌的情况下，成功用光镊捕获了它们。

瑞典皇家科学院院士埃娃·林德罗特说：“有了这种光镊，我们能够抓取分子，把它们移动到你想要的地方，并对它们展开操作，这是非常实用的工具，事实上我们也经常使用它。”

有了通过驾驭光而形成的新工具，人们可以操纵和移动原子、病毒和其他活细胞。阿什金的发明让科研人员有机会在不破坏细胞膜的前提下，深入分析细胞内发挥关键作用的分子马达，探讨其中的运作机制。如今在许多生物实验室中，光镊已经是标配的设备。

穆鲁和斯特里克兰发明了一种叫作“啁啾脉冲放大”的技术，简单解释就是将短激光脉冲适时拉伸以减少峰值功率，然后放大它，并最终把它彻底压缩，这能让更多的光被压缩在一个极小空间内，从而大幅提高脉冲的强度。

啁啾脉冲放大技术为科研和一些产业发展提供了全新视角，在物理、化学以及医学等领域都得到应用。科研人员有机会一窥微观且快速变化中的分子和原子世界中发生了什么。超强的激光束能够精准地在不同材料上实现切割和钻孔。

林德罗特说：“这项研究涉及如何让激光变得更强，有了强大的激光我们可以做很多实际的事情，比如精准、低成本地为粒子加速，强激光带来的短脉冲又可以帮助我们以简单且尽可能不损伤眼球的方式来矫正视力。”

▲2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金（左）、法国科学家热拉尔·穆鲁（中）以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（右）（新华社 叶平凡 摄）

●诺贝尔化学奖揭示并利用“进化”的力量

地球的生命经过长期进化最终获得强大的适应力，散布于各种严酷环境，包括热温泉、深海以及沙漠等。如果能够借助进化的力量，人们在化工、医学等众多领域中遇到的难题也就迎刃而解。

在全球发展清洁能源的过程中，成本与高效、清洁一直存在矛盾，传统的方法已很难适应发展，需要研究人员找到新方法来实现这一目标。阿诺德并没有把希望寄托在传统化学方法上，而是将目光投向了酶。酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA，是一类重要的生物催化剂。

华南理工大学生物科学与工程学院院长林章凛曾在阿诺德的实验室担任博士后。在他看来，阿诺德的巨大原创性贡献在于改变了原先人类希望理性设计生物分子的想法，提出在实验室中模拟自然界的自然进化，通过随机突变、随机杂交，再加以适当规模的筛选或者选择，来进化出新的生物分子。

“这对于生物化学界来说，是一种哲学和方法学的巨大贡献。”林章凛说。

阿诺德在1993年完成了首个酶的定向演化实验，首次实现了她的理论。经过多年发展，阿诺德的实验室生成的酶已经能够催化那些自然界中都不存在的化学反应，从而制造出全新材料。她的这些“量身定制”酶如今已是包括药物在内许多材料制作的重要工具，它在生产过程中能避免产生许多污染环境的副产物。

与阿诺德分享今年诺贝尔化学奖的史密斯则研发了一种名为噬菌体展示的新技术。他利用了一种能感染细菌的病毒噬菌体，将外源蛋白或多肽的DNA序列插入噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，同时，外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面。这种技术可应用于研究与蛋白质相互作用的配体，以及进行蛋白质演化等。

温特将史密斯的这项技术用于抗体的定向演化，以便提升它们在疾病治疗方面的一些特性。基于这种新技术开发的药物已在2002年获得相关批准，可用于类风湿性关节炎等疾病的治疗。

诺贝尔化学奖评选委员会成员彼得·绍姆福伊说，基于史密斯和温特研究成果开发出的全新抗体能够有效用于人体，如今许多畅销药品问世都有他们的功劳。

▲2018年诺贝尔化学奖授予美国科学家弗朗西丝·阿诺德（左）和乔治·史密斯（中）以及英国科学家格雷戈里·温特（右）（图/诺贝尔奖官方网站）

交叉学科更易出现引领性原创成果

从生物学家发现免疫系统制动机制而衍生癌症治疗新方法，到物理学家用光镊探索和调整细胞内部结构，利用短激光脉冲技术治疗白内障和近视眼（激光手术），再到化学家掌控酶和抗体定向进化的力量，2018年诺贝尔自然科学三大奖项均与生命科学有关。

其实，诺贝尔自然科学奖项交叉学科趋势越来越明显，其中化学奖是跨学科研究的一个典型。据统计，自1990年以来，有16次诺贝尔化学奖颁给了生物学方面的成就。唯一获得过两次诺贝尔化学奖的便是英国生物化学家桑格尔。他在1958年凭借开创蛋白质测序领域，测定胰岛素氨基酸序列而首次获奖，之后在1980年因发明测定DNA序列方法梅开二度。

化学奖除了与生物学有“碰撞”，也与物理学有跨界，2017年诺贝尔化学奖就是颁给了英国生物物理学家理查德·亨德森、美国生物物理学家约阿希姆·弗兰克以及瑞士生物物理学家雅克·杜博歇，以表彰他们在冷冻显微术领域的贡献。此外，诺贝尔化学奖获得者中还有数学家——1998年的诺贝尔化学奖颁给了美国物理学家瓦尔特·科恩和英国数学家约翰·波普。

为什么生命科学、医学、化学和物理学的交叉学科成果最容易受到诺贝尔奖的青睐？答案是比较清晰的，交叉学科是比较容易出成果的富矿，而且学科交叉更容易获得突破性的发现和发明。

“交叉学科在他人尚未耕种的土地上耕耘，获得新发现新成果的概率会更大一些，因此，交叉学科就成为创新的基地之一。”苏州大学基础医学与生命科学学院院长高晓明说，譬如化学包括有机化学、无机化学、理论化学和生物化学等几个分支学科，生物化学就是用化学最基本的理论来解释生命现象。“尤其是生命科学发展得特别迅速，在化学领域获得有影响的研究结果，在生物化学领域出现的机会比较高。”

作为两个及以上学科的“集大成者”，交叉学科最有可能产生颠覆性技术和引领性原创成果，而这恰恰是诺贝尔奖关注的焦点。诺贝尔奖获奖“大户”美国在交叉学科方面一直走在领先位置。例如，美国麻省理工学院与哈佛大学在2004年共建的博德研究所在交叉学科开展上就非常成功，博德研究所创立的根本思路就是通过理工医多学科交叉，增进对人类疾病的深刻认知，为攻克人类重大疾病奠定科学基础。这里已汇聚来自全球的3000多名科学家共同开展交叉研究，成果丰硕。（本刊综合）※