每年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)都會(huì)授予那些在科學(xué)上取得重大進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家們。在這里，美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)InsideScience專欄的編輯們總結(jié)了今年有望摘取這些著名科學(xué)獎(jiǎng)桂冠的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

 

　　諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)——將于2018年10月1日公布

 

　　威猛的微生物

 

　　在幾十年前，研究人員很少會(huì)去關(guān)注人體內(nèi)的微生物，除非它們“為非作歹”，引起了疾病。然而，由于細(xì)菌、病毒和真菌在保持人體身體健康方面發(fā)揮著許多關(guān)鍵的作用，它們不斷地憑借自己的本事躋身到人體器官的行列。換句話說(shuō)，它們完全可以被視同為人體的器官。

 

　　近些年來(lái)，微生物領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展是來(lái)自圣路易斯市華盛頓大學(xué)的杰弗里。戈登（JeffreyGordon）實(shí)驗(yàn)室。在1996年，戈登教授和他當(dāng)時(shí)的研究生林恩。布里（LynnBry）曾證明，老鼠需要腸道內(nèi)的微生物來(lái)產(chǎn)生某些對(duì)其健康非常重要的復(fù)雜碳水化合物。而在十年后，戈登教授的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)骨瘦如柴的老鼠和大腹便便的老鼠的腸道微生物有著非常重要的區(qū)別。研究人員將肥胖老鼠腸道的微生物移植到無(wú)該微生物的瘦小老鼠體內(nèi)后，他們發(fā)現(xiàn)瘦小的老鼠也會(huì)逐漸發(fā)胖；反之亦然，即將瘦小老鼠腸道里的微生物移植到肥胖老鼠體內(nèi)之后，原先肥胖的老鼠也往往會(huì)苗條起來(lái)，而在這整個(gè)過(guò)程中，它們所攝入的食物量至始至終都保持相同。

 

　　這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了人類醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，包括提高對(duì)使用抗生素的風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，以及發(fā)展出能夠治愈破壞性胃腸道疾病的“糞便移植”技術(shù)。有時(shí)，戈登教授更是毫不夸張地被稱為“微生物之父”。至少自2015年起，他便一直是諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

 

　　尋找癌癥病毒的獵手

 

　　據(jù)估計(jì)，大約有15%~20%的人類癌癥的病例是由病毒引起的，癌癥病毒可以將自身的遺傳物質(zhì)插入到宿主的基因組中。在1994年，來(lái)自匹茲堡大學(xué)的夫妻搭檔研究小組，張遠(yuǎn)（YuanChang）和帕特里克。摩爾（PatrickMoore）通過(guò)使用一種獨(dú)特的創(chuàng)新技巧發(fā)現(xiàn)了一種重要的致癌病毒。在研究的過(guò)程中，他們并沒(méi)有去尋找病毒粒子，而是直接從癌細(xì)胞的基因組中減去正常人類的基因組，隨之剩下的基因便是一種被稱為“人類皰疹病毒8”的病毒基因組。

 

　　通常情況下，“人體皰疹病毒8”會(huì)被免疫系統(tǒng)直接抑制。但是對(duì)于那些免疫功能受損的人群來(lái)說(shuō)，該病毒就會(huì)引起細(xì)胞的變化，比如促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和關(guān)閉細(xì)胞的自然死亡，進(jìn)而增加了被感染細(xì)胞逐漸癌變的風(fēng)險(xiǎn)。這種病毒通常會(huì)導(dǎo)致三種癌癥，這其中就包括卡波西肉瘤，它是一種在艾滋病患者中最為常見(jiàn)的癌癥?？úㄎ魅饬鲈谝恍┓侵迖?guó)家相當(dāng)普遍，甚至超過(guò)了前列腺癌在美國(guó)的普遍程度。

 

　　在2008年，張教授和摩爾教授通過(guò)類似的方法鑒定了另一種會(huì)導(dǎo)致癌癥的病毒——默克爾細(xì)胞多瘤病毒。他們的研究工作為其贏得了許多著名的獎(jiǎng)項(xiàng)和數(shù)以萬(wàn)次的文章引用，同時(shí)也引發(fā)了他們?cè)谖磥?lái)將有可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)的猜測(cè)。

 

　　抗癌藥物會(huì)關(guān)閉免疫系統(tǒng)的抑制機(jī)制

 

　　原本，人類的免疫系統(tǒng)會(huì)自然而然地尋找并摧毀那些癌變的細(xì)胞。但是癌癥往往會(huì)鬼鬼祟祟地尋找反擊的方法，直接躲避免疫細(xì)胞，甚至能夠“策反”免疫細(xì)胞來(lái)保護(hù)它們自己。

 

　　許多類型的癌癥都會(huì)提升機(jī)體的抑制機(jī)制，從而控制免疫細(xì)胞，猶如一個(gè)個(gè)關(guān)卡。這些關(guān)卡的確有助于防止免疫細(xì)胞，例如T細(xì)胞，直接攻擊人體自身，但同時(shí)也保護(hù)了腫瘤細(xì)胞，讓它們可以高枕無(wú)憂。

 

　　近年來(lái)，一批新的抗癌藥物相繼問(wèn)世，它們可以將機(jī)體對(duì)免疫細(xì)胞的控制作用完全關(guān)閉。這些“關(guān)卡抑制劑”包括針對(duì)CTLA-4的藥物和針對(duì)PD-1的藥物。CTLA-4是一種可以讓T細(xì)胞變得不活躍的關(guān)卡，而PD-1則會(huì)促使T細(xì)胞自我毀滅。

 

　　這些“關(guān)卡抑制劑”具有很顯著的副作用，但它們被臨床證明是有效的，甚至對(duì)一些以前無(wú)法治療的晚期癌癥也會(huì)有明顯的療效。該抑制劑的一位開(kāi)發(fā)者是來(lái)自德克薩斯大學(xué)安德森癌癥中心的詹姆斯。艾里遜（JamesAllison），他也因此獲得了十多個(gè)重要獎(jiǎng)項(xiàng)。然而，鑒于2011年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)在一定程度上是表彰癌癥疫苗的開(kāi)發(fā)，今年或許諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審團(tuán)會(huì)不太愿意將榮譽(yù)再次授予那些與免疫系統(tǒng)相關(guān)的癌癥治療工作。

 

　　諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——將于2018年10月2日公布

 

　　幽靈般的超距作用

 

　　一年前，來(lái)自中國(guó)的研究人員首次推出了量子加密的視頻通話技術(shù)，而該通話技術(shù)是基于一種名為量子糾纏的量子現(xiàn)象。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將很有可能會(huì)頒發(fā)給那些在量子糾纏領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家們。

 

　　當(dāng)不同的粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，它們的狀態(tài)是相互聯(lián)系的，即使它們相隔“千山萬(wàn)水”。這種粒子之間的糾纏關(guān)系在量子世界里可能還會(huì)引發(fā)一些更為奇怪的現(xiàn)象。這是因?yàn)榱孔討B(tài)并不是一成不變的，它會(huì)根據(jù)測(cè)量的時(shí)間不同而得到完全不同的結(jié)果。因此，測(cè)量量子糾纏中的某個(gè)粒子的特性會(huì)瞬間影響其配對(duì)粒子的狀態(tài)。這也是愛(ài)因斯坦曾提及的著名的“幽靈般的超距作用”，他本人是很不喜歡這種相互作用的。

 

　　1964年，物理學(xué)家約翰。貝爾（JohnBell）曾提出了一種檢測(cè)該“幽靈行動(dòng)”是否真實(shí)的方法。在隨后的幾十年里，科學(xué)家們對(duì)所謂的“貝爾不等式”進(jìn)行著越來(lái)越嚴(yán)格的測(cè)試。

 

　　在2010年，科學(xué)家阿蘭。派拉（AlainAspect）、約翰?？藙跐蔂枺↗ohnClauser）和安東。齊林格（AntonZeilinger）因在這一領(lǐng)域的突出工作獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)有時(shí)被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)的一個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)。在2015年，科學(xué)家們又宣布他們終于對(duì)“貝爾不等式”進(jìn)行了一次“無(wú)漏洞”式的測(cè)試，再次證明量子糾纏系統(tǒng)的不可思議之處很可能的確存在。

 

　　太陽(yáng)能的利用

 

　　太陽(yáng)在地球上每小時(shí)散播的能量足以滿足人類一年的能源消耗。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，將有助于捕獲更多這樣的清潔能源。

 

　　鈣鈦礦是19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)于俄羅斯烏拉爾山脈的一種礦物，并以俄羅斯礦物學(xué)家LevPerovski的名字來(lái)命名。鈣鈦礦材料是一類具有相同晶體結(jié)構(gòu)的材料，其中有些是通過(guò)人工合成的材料。在太陽(yáng)能電池中使用鈣鈦礦材料的想法，是由來(lái)自日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力（TsutomuMiyasaka）教授和他的同事在2009年首次提出的。起初，其太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率只有可憐的3.8%。但很快，它的轉(zhuǎn)化性能就超過(guò)了20%，完全可以媲美傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池。

 

　　同時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有很多優(yōu)點(diǎn)：它們的制造成本相對(duì)較低；可以吸收所有可見(jiàn)波段的陽(yáng)光；可以噴涂到各式各樣的表面。

 

　　然而，鈣鈦礦電池目前仍然面臨許多挑戰(zhàn)：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池單元較小，還需改進(jìn)其生產(chǎn)工藝，制備出更大面積的太陽(yáng)能電池；熱量和水分會(huì)損壞其電池的組成物質(zhì)，電池的穩(wěn)定性差；鈣鈦礦電池中往往會(huì)包含有毒金屬——鉛。但是，在未來(lái)如果研究人員能夠解決這些不利因素，這種新興的太陽(yáng)能技術(shù)的前景還是很光明的。

 

　　通常來(lái)說(shuō)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)比較認(rèn)可基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而這些工程技術(shù)上的進(jìn)步在評(píng)選中很可能會(huì)處于劣勢(shì)。然而，曾今的一項(xiàng)能源創(chuàng)新技術(shù)——藍(lán)光LED，就贏得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 

　　光的降速和停止

 

　　光在真空中以每秒186000英里（300000千米/秒）的速度傳播。但近幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在嘗試使用特殊材料來(lái)減緩光速，使其傳播速度可以低于普通人的行走速度，在某些情況下甚至可以完全停止。

 

　　在1999年，由丹麥物理學(xué)家琳恩。豪（LeneHau）領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，將光通過(guò)冷卻到僅比絕對(duì)零度高幾億分之一度的鈉原子氣體，使其速度減慢到每小時(shí)僅38英里（約61千米/小時(shí)）。在如此低的溫度下，這些冷原子會(huì)形成一種被稱為“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)”的奇特物質(zhì)狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，處于“玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)”的物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)控制激光來(lái)直接操控。

 

　　隨后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步減慢了光的傳播速，在2001年，研究人員甚至讓光完全停止了大約一毫秒的時(shí)間。后來(lái)，在2013年，德國(guó)科學(xué)家在一個(gè)晶體中讓光整整靜止了一分鐘。這些實(shí)驗(yàn)絕不僅僅是物理學(xué)家的小把戲，這種操縱光的方式在未來(lái)很可能會(huì)促進(jìn)計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步和發(fā)展。

 

　　無(wú)疑，豪教授是光降速和停止實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)之一。如果今年她可以被授予諾貝物理學(xué)爾獎(jiǎng)，這將打破近50多年來(lái)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)只有男性得主的魔咒。

 

　　諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)——將于2018年10月3日公布

 

　　今年會(huì)是CRISPR年么？

 

　　近年來(lái)，基因編輯技術(shù)CRISPR的發(fā)明者一直都在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選名單上，今年自然也是一樣。這項(xiàng)基因編輯技術(shù)是利用從細(xì)菌中提取的分子工具，將DNA片段剪切并粘貼到有機(jī)體的基因組中。其影響是非常巨大的：科學(xué)家們認(rèn)為通過(guò)該基因編輯技術(shù)可以消滅像亨廷頓氏舞蹈癥這樣的遺傳疾病，也可以增強(qiáng)脆弱作物對(duì)氣候變化的抵抗力，甚至還可以創(chuàng)造出產(chǎn)絨量極多的絨山羊。然而，有些人擔(dān)心，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致一些倫理的困境，比如涉及到設(shè)計(jì)嬰兒和復(fù)活滅絕物種。

 

　　而且，CRISPR并不能毫無(wú)爭(zhēng)議地切斷基因，幾位相互競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)家聲稱已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的基因編輯技術(shù)。來(lái)自伯克利加州大學(xué)的生物化學(xué)家詹妮弗。杜德納（JenniferDoudna）和德國(guó)柏林的馬克斯。普朗克感染生物學(xué)研究所的生物學(xué)艾曼紐?？ㄅ硖兀‥mmanuelleCharpentier），在最近一輪激烈的專利糾紛中落敗。其競(jìng)爭(zhēng)者是來(lái)自馬薩諸塞州劍橋市的哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院博德研究所的生物化學(xué)家張鋒（FengZhang）。

 

　　便攜的電源：鋰離子電池

 

　　今天，鋰離子電池為全世界提供著電力，然而，它并沒(méi)有為其發(fā)明者贏得諾貝爾獎(jiǎng)。從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，鋰離子電池已經(jīng)無(wú)處不在，它為日益機(jī)動(dòng)的世界掃平了障礙。

 

　　在電池內(nèi)部，帶電的原子，也被稱為離子，沿著兩個(gè)電極之間的路徑運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生電流。在當(dāng)前最常見(jiàn)的一種可反復(fù)充放電的鋰離子電池中，其富含鋰的陰極是由氧化鈷組成，而陽(yáng)極是由碳組成。這一電極的組合在最初發(fā)現(xiàn)時(shí)就是完美的：電池緊湊且穩(wěn)定，而且能比其他同等大小的電池存儲(chǔ)更多的能量。在1991年，第一個(gè)商用的鋰離子電池投放市場(chǎng)，并且在這隨后的每天里，科學(xué)家們都在測(cè)試和開(kāi)發(fā)更為高效和安全的鋰離子電池。

 

　　來(lái)自賓厄姆頓大學(xué)（紐約州立大學(xué)）的斯坦利?；萃h姆（StanleyWhittingham）在紐約起草了鋰離子電池的初始設(shè)計(jì)方案，而隨后，鋰離子電池能夠更加安全和便攜地使用則在很大程度上歸功于來(lái)自德州大學(xué)奧斯丁分校的約翰。班尼斯特。古迪納夫（Johnb。Goodenough）和來(lái)自日本名古屋市的日本旭化成公司和名城大學(xué)的旭化成（AkiraYoshino）教授。如果這項(xiàng)技術(shù)最終得到認(rèn)可，這三位科學(xué)家都有可能因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

 

　　聚焦一位可能再次榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家

 

　　在2001年，斯克里普斯研究所的卡爾。巴里。夏普萊斯（K。BarrySharpless）因其在“手性催化氧化反應(yīng)”中的杰出工作獲得了該年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。作為該研究所唯一的科學(xué)作家，我責(zé)無(wú)旁貸地迅速撰寫(xiě)了一篇新聞稿，向記者介紹了他在不對(duì)稱催化方面的獲獎(jiǎng)作品。那天早上，從紐約到圣地亞哥，所有的電視、廣播和報(bào)紙的記者們都忙著想要采訪我，而我的老板卻只給我安排了不到一個(gè)小時(shí)的新聞發(fā)布會(huì)。

 

　　幸運(yùn)的是，一位來(lái)自夏普萊斯教授實(shí)驗(yàn)室的名叫瓦雷利。福金（ValeryFokin）的年輕研究員（他現(xiàn)在在南加州大學(xué)工作）給予了我很大的幫助。他巧妙地向我解釋了什么是不對(duì)稱催化科學(xué)——一種選擇性合成化合物的方法，然后迅速地回顧并巧妙地糾正了我所寫(xiě)的那篇關(guān)于這項(xiàng)研究突破的文章。不對(duì)稱催化作用最后生成的不是右旋分子和左旋分子的混合物（這可能是有害的，比如沙利度胺，其右旋構(gòu)型有鎮(zhèn)靜功效，而左旋構(gòu)型卻會(huì)導(dǎo)致嬰兒畸形），而是有選擇性地產(chǎn)生其中一種或是另一種構(gòu)型。

 

　　同年，夏普萊斯教授創(chuàng)造了“點(diǎn)擊化學(xué)”這個(gè)詞匯，用來(lái)描述合成化學(xué)領(lǐng)域的另一項(xiàng)突破。該項(xiàng)突破是他與福金以及前斯克里普斯研究教授芬恩（M.G.Finn）（現(xiàn)在是喬治亞理工大學(xué)）共同開(kāi)創(chuàng)的。在過(guò)去的幾年里，“點(diǎn)擊化學(xué)”一直是諾貝爾獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，而夏普萊斯、福金和芬恩也因此列入了諾貝爾化學(xué)家候選名單之列。

 

　　“點(diǎn)擊化學(xué)”是材料合成夢(mèng)想的組成部分。它是一種簡(jiǎn)單的、快速的、在單個(gè)容器中進(jìn)行不對(duì)稱催化反應(yīng)以獲得高收率并使隨之產(chǎn)生的副產(chǎn)品是良性或易于純化的材料合成方法。這些都是藥物設(shè)計(jì)中所要重點(diǎn)考慮的因素，其中一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是如何在工業(yè)規(guī)模上開(kāi)發(fā)出合成工藝，以制造出小分子藥物。

 

　　如果夏普勒斯教授今年再次獲獎(jiǎng)，他將成為少數(shù)幾個(gè)可以同時(shí)榮獲兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)的人。如果福金教授獲獎(jiǎng)，我會(huì)再打電話給他，要知道他的專訪必須歸我！