2018諾貝爾三大獎，都被生物學帶著節奏走

從聚焦生物學和學科交叉這兩個角度切入，不僅可以解釋為何諾貝爾自然科學獎青睞生物學，還可以獲得觀察當代前沿學科的機會。

冰川思享號特約撰稿 |張田勘

今年所有的諾貝爾獎項都已公布完畢。

有意思的是，三大自然科學獎的內容都被生物學「收入囊中」。不信你看這頒獎結果：

1. 美國詹姆士·阿利森和日本的本庶佑獲得諾貝爾生理學或醫學獎，因為他們「發現免疫負調控抑製可治療癌症」。

2. 美國的阿瑟·阿什金、法國的傑拉德·莫柔和加拿大的唐娜·史翠克蘭獲得諾貝爾物理學獎，因為他們在雷射物理學領域作出了開創性發明。

3. 美國的弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和英國的格雷戈裡·溫特獲得諾貝爾化學獎，因為他們在酶的定向進化與多肽和抗體的噬菌體展示技術方面做出了貢獻。

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不妨一項一項來了解，為何今年的諾貝爾三大自然獎會聚焦於生物學。

生物學是現代醫學和生理學的基礎，生理學和醫學必然要落地和植根於生物學。阿利森和本庶佑獲得2018年的諾貝爾生理學或醫學獎，就在於兩位科學家通過研究提出了一種與主流思潮不同的治療癌症的新思路。

▲美國科學家詹姆士·艾利森和日本科學家本庶佑（圖/諾貝爾官網）

阿利森和本庶佑分別發現了細胞毒T淋巴細胞相關抗原-4（CTLA-4）和程式性細胞死亡蛋白1（PD-1），它們都可以稱為分子的製動器或剎車，其作用是抑製免疫細胞的抗禦或殺滅癌細胞和病原微生物的功能。

他們認為，如果能研製一類抗體來結合CTLA-4和PD-1分子，就能解除對T細胞的抑製，從而激活免疫細胞，幫助人體抗禦或殺滅癌細胞和病原微生物。實際上他們的研究結果也證實了這一點。

也就是說，治癌不是針對癌細胞進行殺滅，而是對機體的免疫系統進行調控，解放被束縛和抑製的免疫力，讓免疫系統全身心地投入到抗禦癌症的征戰中，從而獲得較好的治療效果。

因此，2018年的諾貝爾生理學或醫學獎其實是獎勵科學家的觀念創新和創新成果。

再說阿什金、莫柔和史翠克蘭獲得2018年的諾貝爾物理學獎，他們是在雷射物理學領域獲得成果，這與生物有一毛錢的關係嗎？當然有！

▲美國科學家阿瑟·阿什金（圖/視覺中國）

事實上，他們發明的光鑷技術（創建超短高強度雷射脈衝）可應用於生物研究和臨床治療，這種光鑷既可以捕捉小分子生物目標，如病毒、DNA分子等，又不會破壞它們的結構，使得人們能研究活體狀態下的生物分子，深入理解生命和疾病，同時還能將這一技術應用於臨床治療，如治療白內障和近視眼（雷射手術）。

最後是化學獎。阿諾德、史密斯和溫特獲得2018年的諾貝爾化學獎同樣涉及甚至大部分是生物學的內容。

阿諾德是獲得了更有活性的酶，從而能催化產生對環境更友好的化學物質，史密斯和溫特則研發了新的抗體藥物，如阿達木單抗，以治療類風濕關節炎、強直性脊柱炎。

▲美國科學家弗朗西斯·阿諾德（圖/東方IC）

所以，從內容看，生理學或醫學、物理和化學都闖入了生物學的範疇。這說明，當代自然科學已經悄然地聚焦於生物學，由此形成了多學科交叉的局面。

從聚焦生物學和學科交叉這兩個角度切入，不僅可以解釋為何諾貝爾自然科學獎青睞生物學，還可以獲得觀察當代前沿學科的機會，總結過去和展望未來的科技發展，了解並瞻望科學對社會繁榮和文明的促進作用。

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交叉學科出成果既是歷史的必然，也是科學發展到今天的一種走向。

當初，諾貝爾自然科學獎的各個學科是相對獨立和涇渭分明的。例如，首屆諾貝爾獎於1901年頒發，當時的三個獎項分別是：

1. 德國的醫學家埃米爾·阿道夫·馮·貝林因研究了白喉的血清療法而獲得當年的諾貝爾生理學或醫學獎；

2. 德國物理學家威廉·康拉德·倫琴因發現X射線，為開創醫療影像技術鋪平了路線而獲當年的諾貝爾物理學獎；

3. 荷蘭化學家雅各布斯·亨裡克斯·范托夫由於發現了溶液中的化學動力學法則和滲透壓規律，以及對立體化學和化學平衡理論做出的貢獻，成為首屆諾貝爾化學獎的獲得者。

但隨著科學的發展，需要不同的學科內容和技術相互滲透和相互幫助才能獲得明晰和重要的成果，因而諾貝爾自然科學獎的三個獎項逐漸交叉起來，最明顯的是生物學（生理學或醫學）與化學的相互滲透。

生物學是最多地搶了化學地盤的學科，從1990年以來，就有16次諾貝爾化學獎頒給了生物學方面的成就。

其中，最經典的裡程碑式的科學家是英國的弗雷德裡克·桑格，這位老先生是為數不多的兩度獲得諾貝爾獎的科學家，而且都是生物學與化學交叉的成果，但他獲得的都是諾貝爾化學獎，並非生理學或醫學獎。

▲英國科學家弗雷德裡克·桑格（圖/東方IC）

由於完整測定了胰島素的氨基酸序列，證明蛋白質具有明確構造，桑格獲得1958年的諾貝爾化學獎；由於發明了DNA測序方法並因此「打開了分子生物學、遺傳學和基因組學研究領域的大門」，桑格又獲得1980年的諾貝爾化學獎，並被譽為「人類基因學之父」。

桑格的成就表明，從20世紀40-50年代開始，生物學和化學就開始糾纏在一起，並因為糾纏而獲得重大成果。

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諾貝爾獎歷史上最為經典的頒獎，是對DNA雙螺旋結構發現的承認，同時也是物理學與生物學和化學生動糾纏在一起的傑出成果。可以說，如果不是物理學的方法和技術，人們是不可能很快正確認識DNA的雙螺旋結構的。

1952年，也是兩度獲得諾貝爾獎的美國化學家萊納斯·卡爾·鮑林（1954年因在化學鍵方面的成果獲得諾貝爾化學獎，1962年因反對核彈在地面測試的行動獲得諾貝爾和平獎），發表了關於DNA三鏈模型的研究報告，他認為DNA的三鏈模型使得DNA的結構是一種α螺旋。

▲萊納斯·卡爾·鮑林在課堂上（圖/圖蟲創意）

但是，1953年4月5日英國的莫裡斯·維爾金斯和羅沙林·富蘭克林在英國的《自然》雜誌刊登他們的研究文章，採用X射線衍射技術，他們發現DNA是一些長分子鏈，其排列是呈雙螺旋狀。

這裡需要解釋一下X射線衍射技術。德國物理學家勞厄曾提出，如果分析X射線通過晶體在照相機底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結構。由於證實了這一假說並發現了晶體的X射線衍射現象，他獲得了1912年的諾貝爾物理學獎。

後來，維爾金斯、富蘭克林與詹姆士·杜威·沃森和弗朗西斯·哈利·康普頓·克裡克討論時，也出示了富蘭克林以前拍攝到的DNA的X射線衍射照片，這個照片讓沃森和克裡克靈光閃現，認為DNA的內部是一種雙螺旋結構，而非三鏈的α螺旋結構。

沃森和克裡克循著這個思路深入探討，在理論上得出共識，DNA是一種雙鏈螺旋結構。然後他們在實驗室中聯手開始搭建DNA雙螺旋模型，終於在1953年3月7日，將他們想像中的DNA模型搭建成功，並將這一結果發表於1953年4月25日的《自然》雜誌。

▲沃森和克裡克發現了DNA雙螺旋結構（圖/網路）

DNA雙螺旋結構的確立讓維爾金斯、沃森和克裡克獲得了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎，富蘭克林因病去世未能獲獎。

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進入21世紀，生物學越來越多地進入化學領域，或者是兩者相互糾纏在一起，創造了更多成果和榮譽。

2003年的諾貝爾化學獎授予美國的彼得·阿格雷和羅德裡克·麥金農，因為他們發現了細胞膜水通道，以及對離子通道結構和機理研究做了開創性貢獻。

生物的水通道是一個新的研究領域。水通道蛋白廣泛存在於動物、植物和微生物中，它們的種類很多，僅人體內就有11種，具有十分重要的功能，在人的腎臟中就起著關鍵的過濾作用。

不過，在水通道研究的生物和化學相結合的範疇，其實還融進了物理學的內容和方法，正是物理學的方法讓人們深刻了解了水通道。

1988年，麥金農利用X射線衍射晶體成像技術獲得了世界第一張離子通道的高清晰度照片，這是第一次從原子層次揭示了離子通道的工作原理。

▲水通道結構示意圖（左）與利用X射線衍射晶體成像技術獲得的離子通道的高清晰度照片

麥金農通過對青鏈黴菌（也是一種蛋白）的觀察獲得了離子在進入離子通道前的狀態、在通道中的狀態，以及穿過通道後的狀態。這一發現對於理解生命現象和本質，以及了解疾病有重要幫助。一些神經系統疾病和心血管疾病就是由於細胞膜通道功能紊亂造成的，因此通過對細胞膜通道的研究可以幫助科學家尋找具體的病因，並研製相應藥物。

離人們比較近的一次生動的生物學與化學糾纏的成果是2015年的「DNA修復機制」獲獎，而且這一成果與今年的諾貝爾化學獎同樣聚焦於一種特殊的蛋白質——酶。

由於描述並解釋了細胞修復DNA的機制以及對遺傳資訊的保護措施，瑞典的托馬斯·林達爾、土耳其的阿齊茲·桑賈爾和美國的保羅·莫德裡奇獲得2015年的諾貝爾化學獎。

林達爾發現，糖基化酶能幫助進行細胞的DNA修復。桑賈爾則是成功克隆出了光解酶的基因，這種酶能修復被紫外線損傷的DNA，並且，他成功讓細菌批量生產了這種酶。莫德裡奇發現，Dam甲基化酶能夠幫助啟動對DNA的修復。

2015年的諾貝爾化學獎更是明確提示，不僅生物與化學交叉，而且生物研究聚焦於酶學領域更是前途無量，在迄今的約50項諾貝爾獎中都有酶的身影，說明在生物學和化學中酶具有十分重要的作用。

當然，還可以念叨一下生物學（醫學）與化學糾纏的其他獲獎成果：2004年的「泛素調節的蛋白質降解」、2006年的「真核轉錄的分子基礎」、2009年的「核糖體結構和功能」和2012年的「G蛋白偶聯受體研究」獲得諾貝爾化學獎，都是如此。

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諾貝爾自然科學獎在歷史上尤其是在最近幾十年，開始三流交融，不分彼此。

較為突出的成果是2017年的諾貝爾化學獎，把生物、物理和化學有機結合在一起，可以把這一現象形象地表述為，2017年的諾貝爾化學獎是「一個發給物理學家的諾貝爾化學獎，獎勵他們幫助了生物學家」。

▲瑞士的雅克·杜波切特、美國的約阿希姆·弗蘭克和英國的理查德·亨德森（圖/諾貝爾官網）

瑞士的雅克·杜波切特、美國的約阿希姆·弗蘭克和英國的理查德·亨德森由於「研發出冷凍電子顯微鏡，用於溶液中生物分子結構的高解析度測定」而獲得2017年的諾貝爾化學獎。這項技術簡化了生物分子成像並促進了其發展，將生物學和化學帶入一個新時代。

在他們的研究成果基礎上，今天研究人員能很輕鬆地獲得生物分子的3D結構，如導致抗生素耐藥性產生的蛋白質以及多種病毒（寨卡病毒）的外觀，並且可以看到活的生物分子，為研發新葯和理解生命現象開闢了新途徑。

從電子顯微鏡到冷凍電子顯微鏡，再到影像處理技術，都是物理學的光學和電子學的技術和內容，但通過它們介入到化學和生物學，有力地幫助生物學家研究生物小分子。生物學、物理學和化學就這樣自然而然地結合和糾纏在一起。

同樣值得一提的是，三位獲獎者之一的杜波切特本身也有多學科交叉的經歷，他認為自己原本是物理工程師，但是後來就幾乎變成生物學家了。

未來，生物學將不可避免地會成為前沿學科，化學、物理學，甚至數學和電腦科學也將不可避免地會介入生物學，在多學科交融和糾纏之後，也不可避免地會湧現更多更重大的成果，造福於人類社會。