锂电池，系外行星、宇宙学和细胞研究——2019年诺贝尔科学奖概览

编译 思羽

自2019年10月7日，诺贝尔奖陆续揭晓。今年的生理学或医学奖授予威廉·凯林、彼得·拉特克利夫和格雷格·西门扎，以表彰他们在理解细胞感知、适应氧气变化机制中的贡献；物理学奖授予给詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·梅厄、迪迪埃·奎洛兹，以表彰他们在宇宙理论领域、系外行星的发现；化学奖授予给约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他们在锂离子电池方面的贡献。

阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱声明，以他姓氏命名的这个年度大奖应当授予那些“为人类做出重大贡献”的人。然而，诺贝尔奖中的科学奖项往往颁发给那些做出意义深远并显得神秘的进展的科学家，而不仅限于在应用方面做出突出贡献的人。但2019年的诺贝尔化学奖有所不同。三位研究者——两位来自美国，一位来自日本——因为锂离子电池的开发工作而获奖。

锂离子电池因为重量轻，体积小，又可以反复充放电而改变了人类社会。它们已经成为各种设备中无所不在的存在，从移动电话、平板电脑和笔记本电脑再到电动汽车，不一而足。未来，随着全世界化石能源使用殆尽，储存那些由风能和太阳能等可再生、间歇性可获得能源方面，锂离子电池大有用武之地。

锂是元素周期表中最轻的金属，外层有三个电子（锂会漂浮在水面上，然而这维持不了很久，因为锂也是一种性质最活跃的元素之一，在水中会失去电子，迅速变成氢氧化锂）。两个电子紧紧依附着原子核，但第三个电子很容易脱离，从而产生携带正电荷的锂离子。

利用锂和锂离子制造电池发端于20世纪70年代，当时全球遭受石油危机。大型石油公司埃克森对于开发与石油无关的能源感兴趣，斯坦利·惠廷厄姆( M. Stantley Whittingham )当时在埃克森公司的研究部门工作——研究潜在的超导体。他特别对含有原子尺寸空隙的固体材料感兴趣。当离子进入这些空隙（这个现象被称为嵌入），固体材料的部分性质（譬如电导性、热导性、磁导性）会改变。

惠廷厄姆博士发现，锂离子嵌入一种名叫二硫化钛的物质时会储存一些有用的能量。他将锂金属当作阳极，二硫化钛当作阴极，制造了一枚能在室温下工作的可充电电池。在这种电池中，阳极的锂被离子化，产生的锂离子接着移动穿透居间的电解质，进入二硫化钛阴极内的空隙。同时获得自由的电子经过外部电路，产生能被利用的电流。在充电循环中，外部电流翻转方向，锂离子做出反应，穿透电解质，沿原路返还。

最初，埃克森公司认为电池有巨大潜力，决定将它商业化，但是当石油价格跌落，公司就失去了兴趣。同期，今年诺贝尔化学奖的第二位得主、当时在牛津大学工作的约翰·古迪纳夫( John B. Goodenough )偶然发现这个构思，决定尝试改进。在1980年，他发现将阴极的二硫化钛替换成氧化钴的话，能让输出电压翻倍。

第三位得主吉野彰( Akira Yoshino )接手古迪纳夫博士的想法，将它改造成更现代的电池，使它出现在全球电脑和手机中。20世纪80年代，吉野彰在日本的旭化成株式会社工作，当时电子公司对能为摄像机、无绳电话之类电子设备供能的轻质电池越来越感兴趣。吉野博士对古迪纳夫博士创造的氧化钴阴极感到满意，但他觉得阳极部分需要重新设计。

他不再用锂金属，而是尝试用能容纳锂离子的多种碳基材料。他在化石燃料行业的一种副产品石油焦上获得成功。他发现石油焦能容纳大量锂离子。他的设计方案不仅比使用纯态锂阳极更加安全（锂很容易着火），而且也更持久。在吉野博士提出的电池版本中，阳极和阴极都很耐用，因为在电池使用或充电时，阳极和阴极不会受到化学反应的损害。到1991年时，基于吉野博士的设计方案的第一枚锂离子电池由索尼公司成功商业化。

在被授予诺贝尔奖之后不久的新闻发布会上，吉野博士谈到他在20世纪80年代从事研究纯粹是为了满足他自身的好奇心，没有多想自己的发明会不会在某天变得有用。鉴于锂离子电池随后的（而且延续至今）的重要性，吉野博士的好奇心最终完全满足诺贝尔的意愿。

对宇宙的思考

2019年的诺贝尔物理学奖被一分为二，但它们全都授予地球之外的发现。物理学奖的一半被授予这项发现：一颗绕着离我们仅有50光年远的恒星周转的行星；物理学奖的另一半被授予对整个宇宙的概述。

1995年10月，一对当时在日内瓦大学工作的天文学家米歇尔·梅厄（Michel Mayor）与迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）在佛罗伦萨召开的一场科学会议上提交了一篇论文。数月前，他们发现了太阳系外的一颗行星。那是一颗相当于木星2倍大的气态球体，绕着一颗名叫飞马座51的恒星旋转，两者间的距离大约为800万公里——是地球与太阳之间距离的1/20。如此近的距离造成一个结果，那就是在地球上每过四天，这颗行星就会绕飞马座51公转一周，而且该行星的表面温度超过1 000摄氏度。这个发现对于天文学家来说是个谜团。在那之前，他们一直认为如此巨大的、类似木星的行星只可能在远离寄主星（host star）的区域形成。

这颗行星如今被称为飞马座51b，它的发现开创了系外行星天文学的新领域。迄今为止，天文学家已经发现将近4 000颗其他的系外行星——它们的大小、周转轨道、物质构成参差不一，这继续让研究者们惊讶不已，他们尚需要想出一套容易理解的物理理论来解释行星系统是如何形成的。

因为行星自身不会发光，所以天文学家需要建立特殊的方法来寻找行星。梅厄博士与奎洛兹博士使用的方法依赖于一种“多普勒效应”的现象。当一颗行星绕着它的恒星作轨道运行，随着那颗恒星受到行星引力的反向牵引，恒星也会轻微移动。这会导致抵达地球的星光频率发生迁移（也就是说，恒星会轻微改变颜色），就如救护车的警报声频率随着救护车的经过而转变。如今第二种寻找行星的方法更常见，也就是测量行星横越恒星盘面（disc）时星光的下降。但梅厄博士与奎洛兹博士采用的多普勒效应方法仍然有人使用。

今年诺贝尔物理学奖的另外一半授予普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles），他在过去几十年里发展出一套理论框架来描述宇宙如何从137亿年前的大爆炸发展到现今的状态。根据授出物理学奖的瑞典皇家科学院的说法，是皮布尔斯博士在20世纪60年代将宇宙学从推测猜想转变为一门缜密的学科。

直到20世纪的头十年时，天文学家还以为宇宙是静止不动和永恒不变的。在20世纪20年代，随着人类发现所有星系都在远离彼此，上述观点被证明是不正确的。换句话说，宇宙处在膨胀中。倒推回去，这意味着在时间的起点，现在被称为“大爆炸”的时候，宇宙会处在难以置信的微小、炙热和致密的状态。

大约在大爆炸过去40万年时，宇宙膨胀和冷却到足够的程度，使得光能够不受阻碍地穿越宇宙。如今，天文学家能侦测到大爆炸后的第一道光，它显现的方式不再是光亮，而是以充满整个天空的微波辐射来表达，是因为它的波长已经被130亿年间的太空膨胀拉伸。射电天文学家在1964年意外发现这种宇宙微波背景，并用皮布尔斯博士早先的理论工作来解释他们的发现。皮布尔斯博士也指出，微波背景温度的微小波动对于理解物质后来如何凝聚在一起、形成星系和星系团至关重要。

从20世纪90年代初期起，基于太空的观测台已经对宇宙微波背景建立起越来越精准的描绘图，与皮布尔斯博士的预测一样，这些资料显示出，仅仅十万分之一度的温度差异都与我们观测到的宇宙中物质与能量的分布有关。

对于那些获得诺贝尔奖的人来说，奖励人类对宇宙认知的这一转变也许看上去是一项普通的工作。但英国皇家学会前任主席马丁·里斯（Martin Rees）在2019年的诺贝尔物理学奖上看到了新鲜之处。他说，授予诺贝尔奖给皮布尔斯博士的做法会受到物理学家的欢迎，这是对一位公认的智识领袖毕生而持续贡献以及深刻见解的认可，而不是对一次性建树的表彰。这样的终身成就奖通常更让人联想到奥斯卡奖，而不是诺贝尔奖，但那并非是不合适的做法。在许多方面，诺贝尔奖与奥斯卡奖有相通之处——不过是严肃研究取代了明星的多变外表，满腹经纶取代了时尚风格，获奖者真心的谦逊态度取代了明星们雕饰的谦虚。

氧气浓度

诺贝尔生理学或医学奖所聚焦的工作对于弄懂人类身体如何运转至关重要，它不像锂离子电池、系外行星和宇宙学，相对于外部世界来说几乎不可见。然而彼得·拉特克利夫（Peter J.Ratcliffe）爵士、格雷格·西门扎（Gregg Semenza）和威廉·凯林（William G. Kaelin）一起解答了一个重要问题：细胞如何侦测并适应可获得的氧气水平，以满足细胞活动所需能量。

人体系统将细胞活动与氧有效利用关键分子称之为缺氧诱导因子（HIF）相匹配，这是一种蛋白复合物。在约翰霍普金斯大学工作的西门扎博士发现并命名了缺氧诱导因子。20世纪90年代，西门扎博士在研究红细胞生成过程。红细胞是在血流中传输氧气的细胞，它们的数量视附近有多少氧气而定。比如说，职业运动员经常在高海拔地区训练（那儿稀薄的空气意味着氧气较为稀少），为的是增加身体红细胞储备，那样当他们在更靠近海平面的地区竞赛时，额外的红细胞会有助于他们的高负荷呼吸。

触发红细胞生成的激素名叫红细胞生成素，或者简称为EPO。EPO被制造出来，作为药物帮助贫血症患者，但一些运动员也违法使用EPO，那样他们不用去高海拔地区训练也能提高他们的红细胞储备。（譬如说，红细胞生成素在自行车运动中已经臭名昭著。）西门扎博士当时在查看基因中负责编码EPO的一段DNA，那段DNA时而激活，时而失活。他在观察中发现了HIF，一种通过连接或者脱离DNA达到开、关作用的蛋白复合物。从西门扎博士的发现开始，300段受到HIF相似调节的基因已经被科研人员发现。

凯林博士的贡献在于其发现了另一种调节细胞内HIF水平的蛋白质——VHL，这种蛋白受到氧气水平的调控。HIF实际上由两种蛋白质组成，如今被称为HIF-1α和arnt(芳香烃受体核转位子)。arnt总是存在于细胞中，但HIF-1α的水平依赖于细胞内存在的氧气量。越多氧气就意味着越少HIF-1α，那意味着越少HIF复合物。EPO之类基因需要HIF来开启，当HIF复合物变少，其就保持不活跃状态。

凯林博士在波士顿的丹娜-法伯癌症研究所工作，当时在研究一种名叫“希佩尔-林道综合征”的遗传性疾病，这种疾病会大幅增加出现某些肿瘤的可能性（有时良性，有时恶性，会影响包括肾脏和眼睛在内的器官）。负责VHL蛋白质编码的基因出现变异因而失去功能时，会引起希佩尔-林道综合征。凯林博士指出， VHL编码基因失去功能导致许多受到HIF调节的基因进入过激活状态——这是上述肿瘤出现的潜在原因。

接着，在牛津大学工作的彼得爵士将这些拼图块组合在一起。他指出，VHL与HIF-1α相互作用，这种相互作用将含有羟基的分子转化成混合物，使得HIF-1α在氧气浓度合适时降解。当然，这种降解不是直接的（并不是HIF-1α受到氧化而降解），而是HIF-1α和氧气发生反应，生成羟基，依靠细胞的蛋白质降解机制降解。

所有这些研究的实际效用是让我们更好地理解贫血症、希佩尔-林道综合征引发的肿瘤和许多其他对氧气敏感的生命活动过程中潜藏的生物学机制，这涉及创伤愈合、血管新生（与肿瘤有关，因为肿瘤的生长需要额外的血管）、心脏病发作和中风等。幸运的话，“量身定做”的药物能调节各种受到HIF控制的相关基因的活动，进而使防治疾病成为可能。

纵使这项研究比起锂离子电池看似更加悄无声息，但诺贝尔遗嘱中的意图仍会在这项研究中得到实现。