"早兩天我們就猜到他們會獲得今年的諾貝爾化學獎"。北京大學化學學院第三屆長江特聘教授楊震告訴《新聞周刊》:"其實我覺得這是歷史上最偉大的化學發現,他們提供的方法直接改變了傳統化學的思維,為化學研究提供了壹條高效快捷的通道。"作為同行的他,在1995年前後,曾用今年獲獎的合成試劑方法成果合成了壹種抗腫瘤藥物,效果非常好,因此在心裏對三位諾貝爾獎獲得者充滿了感激之情。
諾貝爾化學獎評委會主席佩爾-阿爾貝格把烯烴分解反應比作 "交換舞伴的舞蹈"。10 月 5 日頒獎當天,阿爾貝格與英國皇家科學院的壹位教授和兩位女工作人員壹起,以舞蹈的形式向觀眾解釋了烯烴分解反應。起初,兩位男士是壹對,兩位女士是壹對,隨著壹聲 "加催化劑",他們交叉換成了兩對男女搭檔。
中國科學院金屬有機化學國家重點實驗室主任馬生明說,碳是地球生命的核心元素。碳原子可以以不同的方式與多種原子相連,形成小到幾個原子、大到數百萬個原子的分子。這種獨特的多樣性奠定了生命的基礎,也是有機化學這門與人類生活密切相關的學科的核心。原子之間的聯系稱為鍵,碳原子可以通過單鍵、雙鍵或三鍵與其他原子相連。碳碳雙鍵鏈形式的有機分子稱為烯烴。在烯烴分子中,兩個碳原子就像二重唱中的舞伴,拉著手翩翩起舞。
研究碳碳鍵的斷裂和形成規律是有機化學要解決的核心問題之壹。要想切斷碳碳鍵並使其按人們希望的方式重新結合,就必須找到合適的催化劑,這對化學家來說也是壹個具有挑戰性的課題。麻生明說,今年諾貝爾化學獎的三位得主,之所以獲獎,就是因為他們想出了如何指揮烯烴分子 "交換夥伴",將分子成分重組為其他物質。
20世紀50年代,科學家研制的催化劑都是多組分催化劑,主要原因是當時沒有認識到反應的機理,不知道哪種活性物質起作用,只好用多種混合物來催化。這些催化體系還受到反應條件苛刻等因素的影響,科學家們不得不進壹步認識和了解反應的機理。
20 世紀 70 年代,法國石油研究所的伊夫-肖萬(Yves Chauvin)取得了理論上的突破。他闡明了烯烴和金屬碳烯通過[2 + 2]環加成反應形成金屬雜環丁烷中間體的相互轉化過程,這壹機理自此得到廣泛認可。金屬碳烯是指壹類碳原子與金屬原子通過雙鍵相連的有機分子,如果用舞蹈來簡單解釋,它們可以被視為壹對拉著手的舞伴。而在烯烴分子中,兩個碳原子也像壹對舞伴,在舞蹈中拉手。當金屬碳烯遇到烯烴分子時,兩對舞伴會暫時結合在壹起,手拉手跳起四人舞。然後,它們 "交換舞伴",結合成兩個新分子,其中壹個是新的烯烴分子,另壹個是金屬原子和它的新舞伴。後者將繼續尋找下壹個烯烴分子,並再次 "交換舞伴"。
據介紹,烯烴復分解反應法目前在化學工業中應用廣泛,主要用於醫藥和先進塑料材料的開發。通過肖萬、格拉貝和施羅克等人的工作,復分解法變得更加有效,反應步驟比以前簡化,所需資源大大減少;使用也更加簡單,只需要在常溫常壓下就可以完成;對環境的汙染也大大減少,使人類向 "綠色化學 "又邁進了壹大步!這項新技術是向 "綠色化學 "邁出的壹大步。
楊振說,20世紀有機化學發明星光燦爛,有很多發明藝術,但最輝煌的發明當屬今年獲得諾貝爾獎的 "有機合成烯烴分解反應方法"。楊振喜歡用 "藝術"、"魅力 "這樣的詞來形容自己的工作。他說,烯烴分解反應方法為有機化學家在研究過程中提供了壹條 "快車道",有助於更快地達到更好的技術水平。
更神奇的是,這種方法為後基因組時代的生命科學研究提供了更好的可能性。楊震解釋說,生命科學研究進入 "後基因組時代",主要是研究人體的功能,其中最難的部分不在生物學部分,而在用什麽樣的化學方法來研究生命系統。人體隱藏著壹個復雜而宏大的微觀世界,當某些蛋白質的空間建模或表達出現問題時,人體就會表現出某些疾病癥狀。醫學的目的就是改變這種異常狀態,恢復健康。在這壹研究過程中,最大的瓶頸是人體內 3 萬個活躍基因表達的所有蛋白質到底在做什麽?當人體生理出現疾病癥狀時,哪些基因會發生變化?就像人類登月需要探測器壹樣,了解這壹過程的手段或 "探測器 "就是壹種小的化學分子,即能檢測到患病部位並能迅速修復和調整患病部位使其恢復正常的小分子。如果能達到這個水平,我們就再也不用擔心癌癥等 "不治之癥 "了。這是人們期待的未來奇跡。
因此,快速合成成千上萬的小分子是下壹步醫學和制藥研究的最大瓶頸。有機合成中的烯烴復分解反應方法為快速合成這種活性小分子探測器提供了可能,從而為人類最終了解自身提供了新的可能。
人們也關註中國在這壹領域的研究水平。楊震說,中國在這壹領域的研究還很薄弱,與諾貝爾獎成果的差距不可同日而語。科學觀察》指出,從論文被引用次數來看,該領域是國際上炙手可熱的前沿科學。但中科院文獻情報中心的統計數據顯示,我國在這壹領域幾乎沒有重大課題和項目。
病原微生物研究的驚喜
中國科學院微生物研究所所長高福在接受《新聞周刊》采訪時,用 "驚喜 "表達了很多業內同行的心情。
高福的 "驚 "在於,在病原微生物研究已不再占據基礎研究主流地位的今天,壹個小小的幽門螺旋桿菌的發現,竟能獲得科學界的最高獎。"喜悅 "來自於 "非典"、禽流感、豬鏈球菌病等傳染病的 "考驗",世人再次把目光投向了看似壹度平靜的病原微生物。關註微生物,關註傳染病。更重要的是,諾貝爾獎的評選往往透露出壹個新的研究方向,這壹信號勢必引發全球科技界的資源向這壹冷門多年的研究領域集結,進而引發包括中國在內的世界各國在傳染病防控政策上的積極變革,對禽流感的預防無疑將產生積極而深遠的影響。
從更廣闊的視野來評價今年的諾貝爾生理學或醫學獎,再壹次證明了它所倡導的 "鼓勵驚喜 "的科研理念。1982 年以前,醫學界壹直認為是情緒緊張、工作壓力大等導致胃病,有 "胃是人的第二張臉 "之說。因此,當沃倫在 1979 年第壹次註意到幽門螺旋桿菌時,他與傳統的醫學教條產生了分歧。20 多年後,在接到獲獎的電話通知後,現年 68 歲的沃倫仍然記得當時艱難的研究狀況:"要改變由壓力和其他因素(如胃潰瘍和其他疾病)引起的觀點是如此困難,幾乎沒有人相信它真的是由細菌引起的!"沃倫的合作者馬歇爾為了證明疾病的機理,也喝下了含有病菌的溶液,結果大病壹場。兩人 "頑強拼搏 "的創新精神和獻身科學的精神,也贏得了科技界的尊重。
高福透露,在諾貝爾獎揭曉之前,人們普遍看好已獲得 "阿爾伯特-瑪麗-拉斯克基金會獎 "的DNA "指紋圖譜 "和幹細胞研究領域。與分子生物學、神經科學和幹細胞等前沿研究成果相比,1982 年幽門螺桿菌的發現可以說是最 "普通 "的成果。因此,該獎項的宣布引起了不小的震動,甚至引發了壹些爭議。但人們也不得不承認,正是在馬歇爾和沃倫的發現發表後,全球相關研究急劇升溫,通過人體試驗、抗生素治療和流行病學研究,幽門螺桿菌在胃炎和胃潰瘍等疾病中的作用逐漸明晰,科學家對該菌發病機制的認識也在不斷深化。目前,醫生已經可以通過抗體檢測、內鏡檢查和呼氣試驗來診斷幽門螺桿菌感染。研究表明,超過 90% 的十二指腸潰瘍和大約 80% 的胃潰瘍是由幽門螺桿菌感染引起的。正如評委會在頒獎公報中所說,"胃潰瘍終於不再是壹種反復發作的慢性疾病",而是壹種 "只需短期服用抗生素和胃酸分泌抑制劑即可治愈的疾病"。馬歇爾和沃倫的發現徹底改變了世界對胃病的認識,大大增加了胃潰瘍患者徹底治愈的機會,為提高人類的生活質量做出了貢獻。
胃潰瘍是由微生物感染引起的這壹結論激發了科學家們的思考:微生物在類風濕性關節炎等疾病的發病機制中是否也起著作用?幽門螺桿菌與胃癌和某些淋巴腫瘤發生之間的聯系也是目前科學研究的重點。盡管這些研究尚無定論,但正如諾貝爾獎評委會所說:"幽門螺桿菌的發現加深了人類對慢性感染、炎癥和癌癥之間關系的認識"。
幽門螺桿菌似乎對人類 "情有獨鐘",因為人類是這種細菌唯壹的天然宿主。據估計,全球約有50%的人的胃裏 "藏 "有幽門螺桿菌,但只有極少數感染者會患上胃潰瘍和其他疾病。重慶第三軍醫大學微生物與免疫學教研室主任鄒全明在接受《希望新聞周刊》采訪時滿臉興奮,他領導的課題組十多年來壹直在研究的 "幽門螺桿菌疫苗 "有望在不久的將來投入商業化生產。發現幽門螺桿菌的兩位同事獲得諾貝爾獎,這對他們的研究無疑是壹大利好消息。他說,幽門螺桿菌的發現獲得諾貝爾獎是實至名歸,因為全球有壹半人口或多或少受到幽門螺桿菌的危害,與非典、禽流感等烈性傳染病相比,該菌隱藏在胃黏膜中,發病過程是漸進的、緩慢的,因而具有很強的隱蔽性和欺騙性。我國是胃病大國,世界衛生組織研究發現,幽門螺桿菌感染高發地區同時也是胃癌的高發地區,兩者有著密切的相關性。中國每年有20萬人死於胃癌,居癌癥死亡人數的前兩位。
人們曾經認為抗生素可以有效控制大多數傳染病,但非典和禽流感的爆發使這壹問題變得嚴重起來。鑒於幽門螺旋桿菌感染廣泛,抗生素治療的危害是容易產生耐藥性,且療程較長,鄒全明課題組從1987年開始研究幽門螺旋桿菌疫苗,希望從預防入手,造福人類健康。令人欣慰的是,這壹課題得到了科技部 "863計劃 "重要科技項目的支持,在相繼完成第壹、二期臨床試驗後,2004年進入第三期臨床試驗,預計明年投產。據鄒全明介紹,他所在的課題組在國內有關幽門螺桿菌疫苗的研究單位中是進展最快的,國際上也有壹些同行在進行疫苗研究,但也只進行了第二期臨床試驗。
"光梳 "獲獎感言
"科學創新的機會往往在於不同學科的交叉,本來飛秒激光和頻率測量是兩個不同的研究內容,但亨施等人巧妙地將飛秒激光應用於頻率測量,從而引出了光梳這壹新概念。"今年的諾貝爾物理學獎讓中國科學院物理研究所研究員魏誌毅感慨萬千。他告訴《新聞周刊》,光梳其實並不是壹個非常復雜的概念,並不像人們猜想的那樣晦澀難懂。比如,我們可以問這樣壹個問題:"光梳 "和 "光導 "到底有什麽區別?蠟燭發出的光和 CD 播放器中使用的激光束到底有什麽區別?光能否作為比原子鐘更精確的時間測量手段?今年諾貝爾物理學獎的研究成果回答了這些問題。
所謂的 "光梳 "是壹系列間隔均勻的頻譜,類似於梳子的齒或尺子的刻度。光梳 "可用於確定未知光譜的特定頻率。20 世紀末,霍爾和亨施對 "光梳 "技術進行了有效改進,現在該技術已精確到小數點後 15 位。
在我們無意識的生活中,"時間 "的流逝對物理學家來說有著特殊的意義。魏誌毅說,時間是目前所有物理量中最精確、最準確的基本單位,國際計量委員會已正式宣布時間長度成為出口單位。由於時間計量的精確性,它不僅是現代科技大廈的重要基石,而且在全球定位系統(GPS)、太空導航等方面發揮著核心作用;日常生活中無處不在的手機,正是基於高精度頻率標準的微波原子鐘的應用。
如何提高頻率標準的精度壹直是物理學家們關註的問題。早在激光誕生之初,人們就想到用光頻代替微波鐘作為新的時間標準。然而,如何高精度地實現微波頻率與光頻率的連接,成為多年來制約這壹研究的主要瓶頸。
早在上世紀七十年代,德國科學家亨施等人就提出了利用超短激光脈沖作為橋梁連接微波頻率和光頻率的可能性。上世紀末,隨著飛秒激光技術的飛速發展,霍爾研究小組率先成功實現了穩定的飛秒激光束,並利用它成功測量了波長為772 nm的激光頻率。
正是光學梳的發明,使得首次利用微波頻標直接測量光學頻標成為可能,進而為研制精度更高的下壹代光學鐘、實現光學頻標校準微波頻標提供了可能,這壹重大突破不僅被廣泛認為是頻率測量史上具有革命性意義的進步、這壹突破不僅被廣泛認為是頻率測量史上具有革命性意義的進展,而且推動了激光精密光譜學、阿秒級(10 到 18 秒)激光物理學等學科的發展,在精確測量基本物理常數、進壹步提高 GPS 精度等方面具有重要的應用價值。
諾貝爾獎評委會發布的材料說,由於霍爾和亨施的工作,"光梳 "等技術的測量精度有望在未來得到進壹步提高,並將在許多領域得到應用。這些技術有望改進現有的全球定位系統(GPS),並提高太空望遠鏡的觀測精度。此外,類似的超高精度測量技術還可用於研究物質與反物質之間的關系,以及探測某些自然常數可能發生的變化。
中國科學院理論物理研究所孫昌璞研究員說,我國在量子光學方面的研究是從上世紀80年代才逐步開始的,雖然起步較晚,但發展很快,也取得了壹些成績。目前在中國科技大學、上海光機所、山西大學以及中科院理論物理研究所等科研機構,都有較好的研究成果。
回顧近幾年諾貝爾物理學獎的獲獎情況,可以看到已有多位科學家從事與今年獲獎者相關的研究並獲獎,如2001年諾貝爾獎獲得者從事玻色-愛因斯坦凝聚相關研究,1997年獲獎的華裔科學家朱棣文則通過激光冷卻和捕獲原子的方法,獲得了1997年諾貝爾物理學獎。孫昌璞認為,諾貝爾物理學獎近年來更加關註光學領域的研究成果,壹方面是因為這壹領域的研究成果往往與最先進、最新的技術發展密切相關;另壹方面,這些高科技的發展,恰恰又需要在非常基礎的理論研究上下功夫。
魏誌毅認為,國家應該營造更好的科研氛圍,讓科研人員有足夠的時間去吸收新鮮的知識和營養,能夠不斷地思考探索,而不是把大部分時間花在按部就班地去完成壹些程序、填寫很多急於反映成果的表格和報告上。他認為,中科院倡導和推動的知識創新工程和創新文化建設,從根本上認識到了我國以往科研體制的弊端。因此,"有理由相信,經過若幹年的積累和科研人員的辛勤努力,中國本土的諾貝爾物理學獎將誕生"。