解讀2016年自然科學諾獎
10月初，一年一度的諾貝爾獎大戲上演了。其中備受自然科學界關注的生理學或醫學獎、物理學獎和化學獎，在剛剛過去的國慶節期間陸續揭曉。儘管今年這類獎項的榜單上並沒有中國人的名字，卻依然受到國內不少科學人士的關注，畢竟，每一年自然科學諾獎的出爐，都不失為是對自然科學領域佼佼者的一次梳理和表彰，也是向公眾展示人類最前沿探索研究的一次絕佳機會。
那麼，今年摘得這些桂冠的獲獎人是誰？他們的研究成果是什麼？這些研究對我們未來的生活又有著什麼樣的影響？中國青年報·中青在線記者採訪相關專家對此進行解讀。
生理學或醫學獎
又是日本人，第23位生於日本的諾獎得主！
2016年的第一個諾貝爾獎項，即諾貝爾生理學或醫學獎正式揭曉，日本細胞生物學家大隅良典獲得這一殊榮，獲獎理由是表彰他在自噬反應（autophagy）領域作出的卓越貢獻。中國青年報·中青在線記者採訪中科院青年創新促進會理事、中科院北京基因組所陳科博士，對此進行解讀。
在陳科看來，自噬反應（自我吞噬）就是細胞吞噬自身細胞質或細胞器的過程，形象地說，就是「細胞自己吃自己」。
那麼，為什麼細胞「需要」吃掉自己？
陳科說，這是因為，在一些原因的導致下，有的細胞已經不為人體所需要了——多餘，或者有的細胞被外源微生物「感染」了，變得對人體不利——有害。這些多餘的、有害的細胞成分就需要一個機制來「消滅」。還有一個原因，細胞自噬能提供能量，因此在細胞飢餓時，這一機制也會啟動。
這個機制，就是「細胞自噬」，細胞藉此分解無用蛋白，實現細胞自身的代謝需要和某些細胞器的更新。
別小看這個機制，一旦沒法充分完成，就可能導致一些疾病，比如帕金森症、糖尿病以及部分腫瘤的發生。相應地，搞清楚其機理，生產相應的藥物，則有望治癒這些病症。
事實上，這不是有關「細胞質量控制」研究的第一次獲得諾獎，大隅良典也並非發現「細胞自噬」現象的第一人。
早在上個世紀50年代，科學家就已經「看到」了「細胞自噬」這種現象。當時，科研人員觀察到，在一種新型的細胞器裡面，裝有可以降解、消化蛋白質的酶，這個酶被稱作「溶酶體」，是細胞內生化成分降解的工作站。1974年，比利時科學家克里斯汀·德·迪夫因為「溶酶體」的發現，被授予諾貝爾生理學或醫學獎。
2004年，阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科、歐文·羅斯3位科學家因為「泛素介導的蛋白質降解的發現」而被授予該年度諾獎。不過，這個發現留下一個尾巴，即現象是發現了，但機制卻沒有解釋，即沒有講明白為什麼能夠降解？
1992年，大隅良典發現在缺乏營養的情況下，酵母細胞出現了大量的自噬現象，這也是人類首次在酵母中看到自噬現象。隨後，他進一步實驗找到了和自噬有關的「基因」。至此，和自噬有關的信號通路才得以被闡明。
根據東京大學、東京工業大學官網的介紹，大隅良典，1945年生於日本福岡，1974年獲東京大學博士學位，1974~1977在紐約洛克菲勒大學——細胞生物學的發源地——做了3年博士後研究。後來回到日本，從1977年開始，直到1988年都在東京大學任職，2009年他退休獲得名譽教授稱號，並於同年擔任東京工業大學綜合研究院特聘教授。
10月3日當天，東京工業大學官網刊發了一篇關於大隅良典的報道，這篇報道曾在2012年發表，其中提到大隅良典說過的一句話：「我們生活在一個和平的世界，如果你想實現偉大的事情，那麼你要打破常規思維模式（think outside the box）。」
2013年，湯森路透——作為經常預測年度諾貝爾獎得主的全球知名機構，就在當年度給出的預測中，提及了來自東京工業大學的科學家大隅良典，可能會由於其在細胞自噬研究中的貢獻而獲獎。
值得一提的是，作為2016年第一個揭曉的諾獎獎項，生理學或醫學獎揭曉後，不少人驚呼：又是日本人！
這是繼2012年和2015年以後，諾貝爾生理學或醫學獎再次頒發給日本科學家。去年，當中國人為屠呦呦獲得2015年諾獎生理學或醫學獎而喜出望外時，諾獎官網上關於2015年諾獎生理學或醫學獎的獲獎名單上，還寫著另外兩個人的名字，其中一個就是日本科學家大村智。
據不完全統計，大隅良典是第23位出生於日本的諾貝爾獎得主。在陳科看來，獲獎數量多的背後，和日本政府對基礎研究的重視，以及大力度的資助不無關係，他們也因此從中收益頗多，除了表面上的諾獎獲獎數量，還有背後經濟的騰飛，都離不開科技創新的發展尤其是基礎研究的發展。
物理獎
這項物理研究，中國也走在前面！
2016年諾貝爾物理學獎於北京時間10月4日下午揭曉，大衛·索雷思、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特里茲3位科學家共享這一獎項。
對很多科學的門外漢來說，物理學的諾貝爾獎獲得者，可能是他們所知道的科學家里最耳熟能詳的一批人：愛因斯坦、玻爾、普朗克、居里夫人、倫琴、薛定諤、海森堡，等等。不過，獲得物理學諾獎的成果，也可能是人們最費解的，至少比起生理學醫學和人類健康息息相關的研究，物理學領域的名字聽上去就十分拗口。
拓撲相變，看到這4個字，很多非科學人士恐怕會摸不到頭腦。那麼，拓撲相變究竟是什麼，本次獲物理學諾獎的研究對人類生活意味著什麼，中國在這方面的研究又如何？中國青年報·中青在線記者採訪了中科院物理研究所研究員翁紅明。
來自諾獎官網的消息稱，這3位2016年諾貝爾物理學獎獲得者「打開了一個未知世界的大門」，在那個世界裡，物質呈現奇怪的狀態。這3位獲獎者用一些高等數學方法研究物質的不尋常階段或狀態，如超導體、超流體或薄磁膜，在他們的研究下，人類對物質的探索才進入了一個新的階段。
「這是一項具有開創性的工作。」翁紅明如此評價這項研究，他告訴記者，如今十分熱門的拓撲絕緣體、拓撲半金屬等研究方向，都是在這項研究的基礎上才得以開展。
翁紅明告訴記者，一旦這項研究再往前發展，就可能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題，這也將給未來的計算機發展帶來翻天覆地的變化。
那麼「拓撲相變」究竟是什麼？可以把這個詞拆開來看，拓撲、相變，而相變還可以拆為「相」和「變」。「相」通俗地說可以理解為物質的形態，比如固態、液態、氣態，「變」是指變化，「相變」就是物質形態的變化，比如冰融化成水，就是發生了相變。
在科學界，主流的觀點一度認為，對於很薄的物質，分子的隨機運動會讓它陷入無序之中，即不會存在「相變」。但在1970年代早期，邁克爾·科斯特里茲和大衛·索雷思推翻了這一觀點，他們認為，在溫度足夠低的條件下，很薄的物質也是會發生「相變」的。
他們將自己證明的「相變」，稱之為「拓撲相變」，因為這用到了拓撲學來描述。正如諾獎官網所說，3位獲獎者將拓撲學概念應用到物理學，給他們後來的發現起到了決定性作用。
拓撲是一個數學上的名詞，它研究的是那些「不連續」的特徵，這並不容易理解。在當天公布諾獎的發布會上，諾獎官方的工作人員還舉起了幾塊麵包——沒有洞的肉桂卷、一個洞的麵包圈和兩個洞的鹼水面，充當科普工具，來解釋究竟什麼是「拓撲」——在拓撲上，這幾種結構是完全不一樣的，即洞的數量不同。
在1980年代，索雷思提出用tknn數來標識整數量子霍爾效應，即在一個非常薄的電導層中出現精確的整數霍爾電導的現象，他證明了這些整數在本質上是具備拓撲性質，且直接對應觀測到的整數量子電導。
如今，人們已經知道拓撲相有很多種，它們不僅存在於薄層和線狀物，還存在於普通的三維材料中，這就是所謂的新的奇異的世界。
當天接受媒體記者群訪的鄧肯·霍爾丹，恰巧是翁紅明比較熟悉的一位，翁紅明形容他是一位「非常聰明的」「天才級的」理論物理學家，做了很多開創性的工作。
霍爾丹還提到，他之所以走上研究拓撲相變這條路，最初的契機是為了「證明另一個理論是錯的」。
在翁紅明看來，一個研究人員，如果沒有挑戰現有理論的勇氣，他的研究很可能構不成一個開拓性的發現，畢竟「不破，不立」。
令人欣喜的是，在物理學領域，尤其是拓撲研究領域，中國的表現並不落後。在翁紅明看來，就是說中國物理學界在國際拓撲領域處於前沿位置、走在最前面，也並不為過。
就在去年，翁紅明所在的中科院物理所方忠、戴希研究團隊，就成功在TaAs晶體中發現了外爾費米子，這是這類特殊的電子第一次展現在科學家面前。這一研究入選了英國物理學會主辦的《物理世界》（Physics World）公布「2015年十大突破」，同時也被美國物理學會的《物理》評為2015年八大亮點工作之一。
外爾費米子，就是拓撲半金屬研究方向的一個重要課題。
在此之前的2013年，我國科研團隊獨立實現「量子反常霍爾效應」，也是拓撲研究領域的一個重要延伸課題。1988年，鄧肯·霍爾丹——就是當天的諾獎獲得者，他提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。
在2010年，我國的科研單位率先在該領域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究團隊與斯坦福大學張首晟團隊合作，從理論與材料設計上取得了突破，被《科學》雜誌稱作「實現量子反常霍爾效應的最佳體系」。2013年，這兩個單位的研究人員和清華大學的團隊，又在極低溫輸運測量裝置上觀測到了「量子反常霍爾效應」，至此完成了「量子反常霍爾效應」的實現，其研究結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。
同一年的4月19日，中科院物理所和清華大學召開新聞發布會公布這項成果，當時，楊振寧毫不猶豫地將這一成果稱為「這是第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文」。
這項研究叫「量子霍爾效應」。在那以前，發現「整數量子霍爾效應」與「分數量子霍爾效應」的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。而整個「量子霍爾效應」家族裡，至此仍未被發現的成員就是「量子反常霍爾效應」，也被認為是有望衝擊諾貝爾獎的一個研究。
化學獎
諾貝爾化學獎，終於又頒給了化學家！
2016年諾貝爾獎的最後一個自然科學獎項——化學獎終於揭曉。讓·皮埃爾·索維奇、詹姆斯·弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加，來自法國、美國、荷蘭的3位科學家分享了這一殊榮。諾獎官方給出的獲獎理由是他們「設計與合成了分子機器」。
一獲知這一結果，中科院化學研究所副研究員、中科院青年創新促進會理事梁福鑫就在朋友圈轉發了該獎項公布的消息，並寫下一條評論：「回歸化學！」
在他看來，這一次，諾貝爾化學獎，終於回歸傳統化學，頒給了純化學家。
所謂「傳統化學」，在梁福鑫看來，指的是分子合成，以及與分子性質有關的化學研究，然而在過去的10多年裡，諾貝爾化學獎曾多次頒給生物、生物化學、生物物理、物理等領域的研究成果及相應的科學家，其中生物的佔比最高。他分析，生物方面的研究更為熱門，畢竟，對人類來說，生命健康的重要性是不言而喻的。
但他同時提到，搞化學的人，卻不買這個賬，「並不認為這些（生物研究）是真正的化學問題和成就」。
曾有人作過專門統計，進入21世紀，即從2001年開始，在過去已頒發的15年諾貝爾化學獎中，與生物相關的化學獎就達10次之多，而有機化學等傳統意義上的化學研究只有5次。也因此，不少傳統化學領域的研究者或調侃，或吐槽，每每化學獎「所頒非人」，便呼籲化學獎「正常一些」。
事實上，化學獎是眾多諾貝爾獎中最重要的獎項之一，諾貝爾獎的發起人阿爾弗雷德·諾貝爾本人就是一名化學家，他的不少發明和成就，都是以化學知識為基礎發展起來的。根據諾貝爾的遺願，諾貝爾化學獎授予「在化學領域作出最重大發現或進展的人」。
如今，距離1901年諾貝爾獎首次頒發已經過去115年，也是諾貝爾化學獎獲獎名單的第108次揭曉，這一回，諾貝爾化學獎終於「正常」了，頒給了「分子機器」，一個「超分子化學」領域的命題。
那麼，獲得今年諾貝爾化學獎的「分子機器」究竟是什麼？這要從分子說起，分子，人們並不陌生，它是構成物質的一種基本粒子。
而鮮為人知的是，分子本身是具有特定結構的，能夠相互作用，能夠識別，甚至能夠「動」起來。當然，要讓它動起來，需要研發一種機器——3位化學諾獎獲得者所做出來的「分子機器」。
根據諾獎官網的介紹，這是「世界上最小的機器」，包括一部微型「起重機」，幾塊人工「肌肉」和微型「馬達」。
它和歷史上的電動馬達有著很大的相似之處。19世紀30年代，電動馬達問世，然而，當時的科學家只能看到，電動馬達是一堆旋轉曲柄和輪子，卻沒意識到這些東西將導致電車、洗衣機、風扇以及食品加工機的產生，並徹底改變了世界。
分子機器則被認為很有可能將在新材料、感測器以及儲能系統的研發中得到應用。梁福鑫說，對「分子機器」乃至對整個超分子領域繼續深入研究，有望實現未來機械的小尺寸化，例如分子機器人、高密度信息存儲等。
回歸到當天的主角，讓·皮埃爾·索維奇、詹姆斯·弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加，他們是如何將分子機器造出來的？
第一步是將兩個環狀分子連接在一起。1983年，索維奇實現了這一步，他成功地將兩個環狀分子連接在一起，形成了一條特殊的鏈，即雙環化合物，並命名其為「索烴」。
一般來說，一個能夠執行任務的機器，必須包含可以相對移動的部分，「索烴」正好滿足了這個條件。
接下來是第二步，利用一個分子推動另一個分子運動。斯托達特實現了這一點，1991年，他成功合成出了「輪烷」，即將一個環形分子套在一個線性分子上，如此，環形分子就能以線性分子為軸，進行運動。
在此基礎上，他設計出了分子「起重機」、分子「肌肉」和分子計算晶元。
第三步是設計分子馬達。費林加就是第一個研究出分子馬達的人。1999年，他研製出一個分子旋轉葉片，能夠朝一個方向持續旋轉——這個東西就是分子馬達。
在這個基礎上，他成功讓一個玻璃圓筒開始旋轉，要知道，這是一個比分子馬達大上1萬倍的圓筒。後來，他又設計了一輛納米小車。至此，他將分子由穩態變為能夠運動的狀態，並初步實現控制。
來自諾獎官網的消息稱，這3位科學家相當於開創了利用超分子自組裝的領域，將分子體系帶出了平衡的僵局，帶進了充滿能量的狀態，在這個狀態中分子的運動可以被控制。
而這一切，僅僅就是靠那個「世界上最小的機器」。它，只有人類頭髮的千分之一那麼大。（邱晨輝）
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