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

 

　　諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎——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，它們完全可以被視同為人體的器官。

 

　　近些年來，微生物領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展是來自圣路易斯市華盛頓大學(xué)的杰弗里。戈登（JeffreyGordon）實驗室。在1996年，戈登教授和他當(dāng)時的研究生林恩。布里（LynnBry）曾證明，老鼠需要腸道內(nèi)的微生物來產(chǎn)生某些對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苗條起來，而在這整個過程中，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，包括提高對使用抗生素的風(fēng)險的認(rèn)識，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，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)獎的有力競爭者。

 

　　尋找癌癥病毒的獵手

 

　　據(jù)估計，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。在研究的過程中，他們并沒有去尋找病毒粒子，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”會被免疫系統(tǒng)直接抑制。但是對于那些免疫功能受損的人群來說，該病毒就會引起細(xì)胞的變化，比如促進(jìn)細(xì)胞的生長和關(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。這種病毒通常會導(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的癌癥?？úㄎ魅饬鲈谝恍┓侵迖蚁喈?dāng)普遍，甚至超過了前列腺癌在美國的普遍程度。

 

　　在2008年，張教授和摩爾教授通過類似的方法鑒定了另一種會導(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項和數(shù)以萬次的文章引用，同時也引發(fā)了他們在未來將有可能獲得諾貝爾獎的猜測。

 

　　抗癌藥物會關(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)胞來保護(hù)它們自己。

 

　　許多類型的癌癥都會提升機(jī)體的抑制機(jī)制，從而控制免疫細(xì)胞，猶如一個個關(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，但同時也保護(hù)了腫瘤細(xì)胞，讓它們可以高枕無憂。

 

　　近年來，一批新的抗癌藥物相繼問世，它們可以將機(jī)體對免疫細(xì)胞的控制作用完全關(guān)閉。這些“關(guān)卡抑制劑”包括針對CTLA-4的藥物和針對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，甚至對一些以前無法治療的晚期癌癥也會有明顯的療效。該抑制劑的一位開發(fā)者是來自德克薩斯大學(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重要獎項。然而，鑒于2011年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎在一定程度上是表彰癌癥疫苗的開發(fā)，今年或許諾貝爾獎評審團(tuán)會不太愿意將榮譽(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——將于2018年10月2日公布

 

　　幽靈般的超距作用

 

　　一年前，來自中國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)獎將很有可能會頒發(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，它們的狀態(tài)是相互聯(lián)系的，即使它們相隔“千山萬水”。這種粒子之間的糾纏關(guān)系在量子世界里可能還會引發(fā)一些更為奇怪的現(xiàn)象。這是因為量子態(tài)并不是一成不變的，它會根據(jù)測量的時間不同而得到完全不同的結(jié)果。因此，測量量子糾纏中的某個粒子的特性會瞬間影響其配對粒子的狀態(tài)。這也是愛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）曾提出了一種檢測該“幽靈行動”是否真實的方法。在隨后的幾十年里，科學(xué)家們對所謂的“貝爾不等式”進(jìn)行著越來越嚴(yán)格的測試。

 

　　在2010年，科學(xué)家阿蘭。派拉（AlainAspect）、約翰。克勞澤爾（JohnClauser）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。該獎項有時被認(rèn)為是諾貝爾獎的一個預(yù)測指標(biāo)。在2015年，科學(xué)家們又宣布他們終于對“貝爾不等式”進(jìn)行了一次“無漏洞”式的測試，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。

 

　　太陽能的利用

 

　　太陽在地球上每小時散播的能量足以滿足人類一年的能源消耗。鈣鈦礦太陽能電池的出現(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，其中有些是通過人工合成的材料。在太陽能電池中使用鈣鈦礦材料的想法，是由來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)化性能就超過了20%，完全可以媲美傳統(tǒng)的硅太陽能電池。

 

　　同時，鈣鈦礦太陽能電池有很多優(yōu)點(diǎn)：它們的制造成本相對較低；可以吸收所有可見波段的陽光；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能電池；熱量和水分會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包含有毒金屬——鉛。但是，在未來如果研究人員能夠解決這些不利因素，這種新興的太陽能技術(shù)的前景還是很光明的。

 

　　通常來說，諾貝爾獎委員會比較認(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)步在評選中很可能會處于劣勢。然而，曾今的一項能源創(chuàng)新技術(shù)——藍(lán)光LED，就贏得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎。

 

　　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，科學(xué)家們一直在嘗試使用特殊材料來減緩光速，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，將光通過冷卻到僅比絕對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僅38英里（約61千米/小時）。在如此低的溫度下，這些冷原子會形成一種被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)”的奇特物質(zhì)狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，處于“玻色愛因斯坦凝聚態(tài)”的物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)可以通過控制激光來直接操控。

 

　　隨后的實驗進(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間。后來，在2013年，德國科學(xué)家在一個晶體中讓光整整靜止了一分鐘。這些實驗絕不僅僅是物理學(xué)家的小把戲，這種操縱光的方式在未來很可能會促進(jìn)計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步和發(fā)展。

 

　　無疑，豪教授是光降速和停止實驗的先驅(qū)之一。如果今年她可以被授予諾貝物理學(xué)爾獎，這將打破近50多年來諾貝爾物理學(xué)獎只有男性得主的魔咒。

 

　　諾貝爾化學(xué)獎——將于2018年10月3日公布

 

　　今年會是CRISPR年么？

 

　　近年來，基因編輯技術(shù)CRISPR的發(fā)明者一直都在諾貝爾化學(xué)獎的候選名單上，今年自然也是一樣。這項基因編輯技術(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，這項技術(shù)可能會導(dǎo)致一些倫理的困境，比如涉及到設(shè)計嬰兒和復(fù)活滅絕物種。

 

　　而且，CRISPR并不能毫無爭議地切斷基因，幾位相互競爭的科學(xué)家聲稱已經(jīng)開發(fā)出更新的基因編輯技術(shù)。來自伯克利加州大學(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。卡彭特（EmmanuelleCharpentier），在最近一輪激烈的專利糾紛中落敗。其競爭者是來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，它并沒有為其發(fā)明者贏得諾貝爾獎。從智能手機(jī)到電動汽車，鋰離子電池已經(jīng)無處不在，它為日益機(jī)動的世界掃平了障礙。

 

　　在電池內(nèi)部，帶電的原子，也被稱為離子，沿著兩個電極之間的路徑運(yùn)動，并產(chǎn)生電流。在當(dāng)前最常見的一種可反復(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，而陽極是由碳組成。這一電極的組合在最初發(fā)現(xiàn)時就是完美的：電池緊湊且穩(wěn)定，而且能比其他同等大小的電池存儲更多的能量。在1991年，第一個商用的鋰離子電池投放市場，并且在這隨后的每天里，科學(xué)家們都在測試和開發(fā)更為高效和安全的鋰離子電池。

 

　　來自賓厄姆頓大學(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。

 

　　聚焦一位可能再次榮獲諾貝爾獎的科學(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。作為該研究所唯一的科學(xué)作家，我責(zé)無旁貸地迅速撰寫了一篇新聞稿，向記者介紹了他在不對稱催化方面的獲獎作品。那天早上，從紐約到圣地亞哥，所有的電視、廣播和報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小時的新聞發(fā)布會。

 

　　幸運(yùn)的是，一位來自夏普萊斯教授實驗室的名叫瓦雷利。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的那篇關(guān)于這項研究突破的文章。不對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)”這個詞匯，用來描述合成化學(xué)領(lǐng)域的另一項突破。該項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)）共同開創(chuàng)的。在過去的幾年里，“點(diǎn)擊化學(xué)”一直是諾貝爾獎的有力競爭者，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)”是材料合成夢想的組成部分。它是一種簡單的、快速的、在單個容器中進(jìn)行不對稱催化反應(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)計中所要重點(diǎn)考慮的因素，其中一個主要的挑戰(zhàn)是如何在工業(yè)規(guī)模上開發(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，他將成為少數(shù)幾個可以同時榮獲兩項諾貝爾獎的人。如果福金教授獲獎，我會再打電話給他，要知道他的專訪必須歸我！