2022年诺贝尔自然科学奖解读

　　编者按

　　7位科学家，领走了今年诺贝尔奖的3个自然科学类奖项。从人类起源，到量子奥秘，再到分子结构。社交平台上的关注度说明，许多人哪怕从事的工作与科学研究毫无关联，也仍然对这些难以理解的前沿领域充满兴趣。

　　这可能就是人类与生俱来的、对未知事物的好奇心。我们思考自身命运，好奇人类来自何方，好奇是什么让人类与众不同;我们将视线投向微观世界，好奇粒子之间奇妙的超距纠缠;我们好奇分子构建块是如何有效地结合在一起。科学研究让人类掌握规律，让未知成为已知。

　　诺贝尔奖的意义之一，在于它让更多好奇的人知道，这个时代有哪些杰出发现和杰出人才。在这个庞大而未知的世界面前，人类的探索永远不会止步。

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　　探索人类起源：揭示演化之谜

　　北京时间10月3日17时30分许，2022年诺贝尔生理学或医学奖揭晓。瑞典科学家斯万特·帕博(Svante P??bo)获奖，以表彰他“在已灭绝古人类基因组和人类进化方面的发现”。

　　帕博发现，在大约7万年前人类离开非洲后，基因从这些现已灭绝的古人类转移到了智人身上。这种古老的基因流向现代人类，在今天具有生理相关性，比如影响人们免疫系统对感染的反应。

　　不仅如此，帕博建立了一门全新的科学学科——古基因组学。他通过揭示现存人类与灭绝古人类之间的基因差异，为探索“是什么使我们成为独一无二的人类”提供了基础。

　　来自诺贝尔奖官方网站的相关资料指出，现代智人大约在30万年前起源于非洲，人类的近亲尼安德特人大约40万年前-3万年前在非洲以外的欧洲和西亚居住，智人和尼安德特人在欧亚大陆共存了数万年。

　　但对于人类与已灭绝尼安德特人的关系，人们长期以来了解甚少。关键的线索来自基因组信息。到上世纪90年代末，几乎整个人类基因组都已得到测序。然而，研究现代人与尼安德特人之间的关系，需要对从远古样本中收集的基因组DNA进行测序。

　　帕博意识到了技术上的难度。随着时间推移，DNA会被化学修饰、降解成片段。数千年后只剩下微量的DNA，并且，残留的DNA会被细菌和当代人类的DNA污染。帕博开始开发研究尼安德特人DNA的方法，这项工作持续了几十年。

　　2010年，帕博发表了首个尼安德特人基因组序列：尼安德特人和智人最近的共同祖先生活在大约80万年前。帕博和团队分析尼安德特人和来自世界不同地区的现代人之间的关系。对比分析表明，尼安德特人的DNA序列与起源于欧洲或亚洲的当代人类的DNA序列更相似，而不是非洲。

　　这意味着，尼安德特人和智人在几千年的共存中进行了杂交。在现代具有欧洲或亚洲血统的人类中，大约1%-4%的基因组来自尼安德特人。

　　2008年，帕博博士的团队对西伯利亚南部一块距今4万年前的指骨碎片进行DNA测序。结果引起了轰动，帕博发现了一种以前不为人知的古人类，命名为丹尼索瓦人。与来自世界不同地区的同时代人类的序列比较表明，丹尼索瓦人和智人之间也发生过基因流动。这种关系首先在美拉尼西亚和东南亚其他地区的人群中被发现，那里的个体携带高达6%的丹尼索瓦人DNA。

　　如今，因为帕博的发现，人们终于可以了解到，这些已经灭绝的“亲属”们的古老基因序列，仍影响着当今人类。

　　探索微观世界：“纠缠”也很美丽　

  　著名物理学家费曼曾说，世界上没有人真的懂量子力学。量子力学描述的一些现象，看上去甚至有些“反常识”，不仅让普通人头疼，也让很多物理学家头疼。

　　北京时间10月4日17时45分，诺贝尔奖官方网站公布，2022年诺贝尔物理学奖得主为法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国科学家约翰·克劳泽(John F. Clauser)和奥地利科学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)。他们用光子纠缠实验确认贝尔不等式在量子世界不成立，并开创了量子信息科学。

　　“三位科学家都使用纠缠量子态进行了突破性的实验。在量子纠缠中，两个粒子即使在分离时，也像整体一样。他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路。”这是诺贝尔奖官方网站对三位科学家科研成果的描述。

　　事情可以从1935年说起，当时，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森联合发表了一篇论文，提出量子力学还不完备，应该还有尚未发现的理论，即某种“隐变量”，可以完整解释物理系统所有可观测量的演化行为，以避免任何不确定性或随机性。三位物理学家设计了一个有关量子纠缠的思想实验来论证这一观点，这篇论文的论述后来被称为“EPR佯谬”(三人姓名首字母缩写)。

　　20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔基于“EPR佯谬”，提出了贝尔不等式并设计了一个思想实验，使“EPR佯谬”具备了被实验验证的可能性。论文发表之后的几十年，物理学者想出很多种实验来检试贝尔不等式，其中就包括如今的三位获奖者。

　　想要验证贝尔不等式需要很高的实验条件，因此直到20世纪70年代，验证工作才陆续开始。美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽首先进行了尝试，然而他的实验仍然存在一些漏洞。1982年，阿兰·阿斯佩第一次真正意义上验证了贝尔不等式。实验结果违背贝尔不等式，这说明隐变量不存在，量子力学是“非定域性”的。

　　1997年，由安东·塞林格所领导的因斯布鲁克大学研究组，首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证。次年，他们让光子飞出相距400米，这一实验使得“将量子态从一个粒子转移到远处的一个粒子”成为可能。

　　人类对未知的探索永无止境，量子力学充满了难以言喻的美丽。如今，许多基于量子力学的研究成果，都已经在应用领域发挥一定作用，比如正在快速发展的量子计算机和量子加密通信技术。

　　“越来越清楚的是，一种新的量子技术正在兴起。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作极其重要，甚至涵盖了对于量子力学基本问题的解释。”诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克说。

　　探索化学王国：让复杂变简单

　　有时候简单的答案才是最好的。

　　2022年诺贝尔化学奖授予卡罗琳·露丝·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi)、摩顿·梅尔达尔(Morten Meldal)、卡尔·巴里·夏普莱斯(K. Barry Sharpless)，以表彰“开发点击化学和生物正交化学”。

　　诺贝尔奖官方网站介绍，点击化学和生物正交反应“将化学带入了功能主义时代”。

　　可以说，2022年诺贝尔化学奖是关于“简化困难”的过程。卡尔·巴里·夏普莱斯和摩顿·梅尔达尔为化学的一种功能形式——点击化学——奠定了基础。在这种化学中，分子构建块快速有效地结合在一起。卡罗琳·露丝·贝尔托西将点击化学带入了一个新的维度，并开始将其应用于生物体。

　　长期以来，化学家们一直渴望构建越来越复杂的分子。在药学研究中，这通常涉及人工再造具有药用性质的天然分子。研究过程中确实产生了许多令人叹服的分子结构，但通常都很耗时，而且生产成本很高。

　　诺贝尔化学委员会主席约翰·克维斯特说：“今年的化学奖处理的不是过于复杂的问题，而是简单易行的问题。即使采取简单的方法也可以构建功能分子。”

　　事实上，卡尔·巴里·夏普莱斯是第二次获得诺贝尔奖。2000年前后，他提出了点击化学的概念，这是一种简单可靠的化学形式。

　　不久之后，摩顿·梅尔达尔和卡尔·巴里·夏普莱斯相互独立地发现了点击化学王冠上的明珠——铜催化叠氮化物炔烃环加成反应。这是一种优雅而高效的化学反应，目前已被广泛使用。比如被用于药物开发、绘制DNA图谱和创建更能满足需求的材料。

　　卡罗琳·露丝·贝尔托西则将点击化学提升到了一个新的水平。为了在细胞表面绘制重要但难以捉摸的生物分子——聚糖，她开发了在生物体内起作用的点击反应。她的生物正交反应不会破坏细胞的正常化学反应。

　　贝尔托西关注的一个领域是肿瘤细胞表面的聚糖。她的研究揭示了一些聚糖似乎可以保护肿瘤免受人体免疫系统的影响，因为它们会使免疫细胞无法发挥功能。为了阻断这种保护机制，她和同事们发明了一种新型生物药物。这种药物目前正在对晚期癌症患者进行临床试验。

　　虽然我们现在还不能确定这些新疗法是否有效，但有一点是明确的，点击化学和生物正交化学的巨大潜力才刚刚开始显现。