細胞膜裡的水和離子的通道
細胞是構成生物體的基本構成要素。一般認為人的身體大約由一千億個細胞組成，其數量可以與銀河系的天體數量相匹敵。細胞有血液細胞（血球）、肌肉細胞、肝細胞、神經細胞等很多種類，它們都在高度複雜的生物體系統中各負其責。細胞由細胞膜來把彼此，還有周圍的基質（細胞外）分離開來。
細胞膜通常不讓水、離子還有其他的分子通過，儘管如此，每個細胞都是「開放的體系」。因為它們會與其他的細胞進行信息交換，還和周圍的環境和物質進行交換和交流。但要想進行信息或物質的交換，就必須要有讓各種各樣的分子從細胞內到外、外到內移動的通道和泵。擔當這個任務的是細胞膜裡的特殊形狀的蛋白質。
2003年，兩位美國的科學家發現並研究了這個作為通道的蛋白質，並共同獲得了諾貝爾化學獎。他們是發現了水通道的彼得·阿格雷和發現了離子通道的羅德裡克·麥金農。
偶然發現的水通道
彼得·阿格雷在美國東部馬裡蘭州巴爾的摩的約翰·霍普金斯醫學院開始研究的時候，對後來被稱為「水通道」或「水通道蛋白」的東西還完全一無所知。這樣的詞也是連聽都沒聽說過。但20年後，阿格雷不但成為這個領域的先驅，還成為了諾貝爾獎的獲得者。
在諾貝爾獎的獲獎演說中，阿格雷這樣敘述水通道的重要性。「水被認為是「生命的溶劑」。因為我們身體的70%是水。人類以外的所有的脊椎動物、無脊椎動物、微生物，還有植物的身體也主要是由水構成的。構成生物體的小房間（細胞）也主要是水，水對生命來說是必不可少的，而水通道蛋白是細胞的給水和排水系統。水通道蛋白可以告訴我們：我們的腦是怎樣分泌或吸收腦脊髓液的，眼睛裡的水狀體（浸泡眼球的液體）是怎樣產生的，眼淚、唾液、汗水、膽汁是怎樣分泌的，腎臟為什麼可以很有效地濃縮尿液，等等。這種蛋白質不僅對發揮哺乳生物的生理機能必不可少，同時對微生物、植物的生存也是至關重要的。
經過其後數十年的研究，科學家們發現這種特殊的水選擇性是通過光的照射而得到的，而80年代後期彼得·阿格雷成功分離出細胞膜蛋白質的時候，人們才真正看到謎底被揭開的曙光，阿格雷用了一年多的時間終於確信了這個蛋白質就是長期以來科學家們尋找的水通道。其實它的發現是個很偶然的事件，雖然這在科學研究的世界裡並不算罕見，它其實是完全不相關的一連串試驗的副產物。
1949年出生的阿格雷在他已經40歲的時候才開始後來獲得諾貝爾獎的研究。他的經歷稍有些與眾不同。某位記者這樣描述他：「彼得·阿格雷是一個讓人感到溫暖並風趣幽默的人，穩重友好、謙虛、不裝模作樣。」
希望，旅行，逃脫
生於南達科他州，長於明尼蘇達州北田市小鎮的阿格雷是挪威的第四代移民，由父母和五個兄弟姐妹組成的家族信仰宗教，並持有保守的價值觀。他的父親是化學博士，在企業工作了幾年之後當了專科大學的老師。阿格雷的父親經常一到周末就把孩子們叫到大學裡一起做一些簡單的試驗。阿格雷小時候很自然地覺得自己長大以後也會從事像父親一樣的工作。學校讓他覺得「學習是一件很開心的事情」，因為他的學校的老師們都是些「你能想像到的最親切、最和藹」的人。
彼得·阿格雷的學生時代還有一件讓人激動的事件。那就是歷史上最有影響力的著名化學家之一、曾兩次獲得諾貝爾獎的美國著名化學家萊納斯·卡爾·鮑林曾在他家住過幾天。阿格雷的父親和鮑林曾在美國化學會教育委員會上見過面，因此鮑林來到明尼蘇達州的時候就住在了阿格雷家。當時阿格雷14歲。在給諾貝爾財團提交的履歷裡面，阿格雷寫道：「著名的鮑林博士來自己家讓孩子們感到諾貝爾獎來到了基督教的聖杯的旁邊」。
進入高中的前一年，他作為某個團體的一員去俄羅斯（當時的蘇聯）進行了野營，他在「被引向了流浪者的方向」後回到了美國。這裡說的流浪者是指想活得自由奔放的人。他回來後開始反對當權派也就是當時的體制和支配階級，並開始讚賞那個時代的文化和政治思潮。阿格雷和幾位朋友一起開始在學校發行地下報紙。在被勒令退學後，他於1967年退學。他的化學成績也降到「D」。後來阿格雷開始到夜間高中學習，並通過給工廠當司機來賺取生活費，最後他決定申請父親所在大學的化學專業。因為他想攻讀醫學。但讓他自己都感到吃驚的是，他竟然拿到了著名的約翰·霍普金斯醫學院的入學通知。
可是阿格雷在去約翰·霍普金斯之前又逃脫了。從1970年開始，他離開美國開始了一個人的亞洲之旅。他搭車旅行了日本和中國臺灣，飛到寮國後又騎摩託車跨越了泰國北部，然後進入了柬埔寨。那時正值越南戰爭，美國空軍對北越南的金邊東邊的越共（越南南方解放民族陣線）開始進行空襲。阿格雷乘坐運載難民的飛機飛到西貢，從那裡又到了馬來半島的高地。之後他又到了斯裡蘭卡、印度、巴基斯坦、阿富汗、伊朗，經過這個對他來說是文化衝擊的路線後，最後到了土耳其的伊斯坦堡。經過了「讓人目瞪口呆的體驗」回到美國的阿格雷終於在1970年秋進入了約翰·霍普金斯進行學習。
在約翰·霍普金斯醫學院的最後一年，他一直想成為醫生的願望也漸漸遠去了。他開始想要繼續研究，特別是成為「在研究室進行臨床問題研究的自立的科學家」的這個願望變得越來越強烈。 之後，阿格雷在北卡羅來納大學又做回了研究者，並得到了很少的獎學金，而不足的生活費則是靠在陸軍醫院做臨床醫生賺來的，就這樣度過了三年的時間。1981年，阿格雷終於成為了約翰·霍普金斯的研究者，三年後被提升為副教授。這樣他終於擁有了自己獨立的研究小組，雖然最初只有他和另一個技術人員。
兩個人的科研小組發現了水通道
阿格雷的兩個人的研究小組在20世紀80年代中期開始了研究。他學的專業是血液學，研究課題是Rh因子血型的抗原。抗原是免疫系統認知應答的分子，多數時候被免疫系統當做體內的入侵者而受到攻擊，其大部分都是蛋白質的Ph抗原。
阿格雷的最初的課題就是從血液細胞中分離出Rh蛋白質。只要能分離出來，就能確定構成它的要素。當時的阿格雷用他自己的話說就是「因為是充滿熱情的年輕科學家」，所以精製了大量的Rh蛋白質。可是調查的結果顯示，這種蛋白質的純度並不是100%，其中還摻雜了5%～10%的32千道爾頓之外的蛋白質，是被「汙染」了的蛋白質。這種「汙染蛋白質」的質量是28千道爾頓，比抗原小一些。就像阿格雷在諾貝爾獎的講演中回想的一樣，當時的他「完全是幸運的」得到了構成細胞膜裡水通道的蛋白質。
最初，他把這第二種蛋白質當成汙染源而除去了，然後利用周末打工的時間又進行了調查。在得出了這個蛋白質與Rh沒有關係的結論後，他又繼續進行了研究。在2009年夏天德國林道舉辦的諾貝爾獎獲獎者的聚會上，阿格雷這樣說道：「如果是聰明的科學家，也許就無視這個問題了。」但阿格雷並不聰明。他花了四年的時間重複這個新的蛋白質的試驗，而終於慢慢興奮起來。
結果，阿格雷發現這個質量為28千道爾頓的蛋白質竟然是大量存在的。它是血球的細胞膜裡含有的三四種最豐富的蛋白質裡的一種，因為對通常的蛋白質著色劑不反應而一直沒有被發現。隨著更進一步的研究，阿格雷發現質量為28千道爾頓的蛋白質特別豐富地存在於腎臟的細胞裡。這個蛋白質由四個要素構成，組成被稱為「四聚體」的構造，分布在細胞膜全體。這個立體空間的特點表明了這個分子具有孔狀的通道。
破裂了的青蛙的卵細胞
到底這種蛋白質有哪些功能呢？不知道它的功能的話，沒有人會對這種新的蛋白質感興趣。阿格雷回想當時的情形時說：「我們停滯不前了。」這時，阿格雷想到了被他稱為「遇到困難時，解決問題的最強有力的資源」，那就是「同事們的洞察力」。他向很多研究血液細胞的研究者們徵求了關於這個蛋白質的意見。可是沒有一個人提出有可能性的想法。給阿格雷提出了決定性意見的是曾經的臨床醫學的顧問約翰帕卡。他向阿格雷指出，紅細胞和腎臟尿細管的水的透過性非常高，「你有沒有想過這可能就是長時間大家探索尋找的水通道？」水通道，阿格雷第一次聽說這個詞。而帕卡給的這個提示就像快刀斬亂麻一樣給了阿格雷令人欣喜的靈感。
他們決定用青蛙卵來試驗這個蛋白質到底有沒有透水機能。青蛙的卵細胞最適合這個試驗，因為它的透水性非常低。試驗從一開始就非常成功。他們在卵細胞中注入這個新的蛋白質後將其放入蒸餾水中。同時把沒進行任何處理的對比用的卵細胞也放入水中，結果它沒有任何變化。可是注入了蛋白質的細胞內部很快就充滿了水，最後終於像爆米花一樣的破裂了。
1991年，阿格雷的科研小組終於解開了其中的秘密，證實了讓水通過細胞膜的新的蛋白質的存在。1992年4月，他們的論文刊登在Science上，全世界這個領域的研究者們都知道了這件事情。
在此之後的很多研究者的研究表明，阿格雷命名的這個蛋白質「水通道蛋白」實際上構成了一個大的蛋白質家族。它們不僅存在於動物細胞中，還存在於細菌、植物細胞內。僅從構成人體的各種細胞裡面就發現至少十一種不同的水通道蛋白。彼得·阿格雷在先前接受紐約時報的採訪時對水通道蛋白質作出了這樣的敘述：「今後會更深入地對其進行了解，當然操作它也將成為可能。」
如果能實現這種操作技術的話，例如心臟病患者的水分儲藏、引起腦中風的腦浮腫、乾眼症候群也就是眼球乾燥等疾病也許就能得到治療。基礎研究已經在進行，剩下的就是醫學方面的應用研究。
從哈佛到洛克菲勒
在彼得·阿格雷的研究小組發現了水通道蛋白的四年後，生化學家羅德裡克·麥金農開始了以後讓他獲得諾貝爾化學獎的研究。1996年，麥金農成為紐約洛克菲勒大學的分子神經生物學、生命物理學研究所的教授。
與因為機緣巧合而發現了水通道蛋白的彼得·阿格雷正相反，麥金農對自己所尋找探索的東西有著明確的想法。他所尋找的東西是應該同樣存在於細胞膜中與水通道不同的類型的通道，也就是細胞之間進行信息交換的離子通道。
這個通道及其機能的存在早在一個世紀前就被發現，但對它在原子水平上的構造卻一無所知，而麥金農正是要試圖闡明它的構造。與離子通道相關的研究已經得過幾次諾貝爾獎，在1909年最早獲獎的是德國物理化學家威廉·奧斯持瓦爾德。他在1890年提出，從生物組織檢出的電信號是由進出細胞膜的離子引起的，這個看法很快就得到科學界的認同。
羅德裡克·麥金農在進入洛克菲勒大學之前是哈佛大學的教授。在哈佛大學，麥金農想要研究離子通道空間構造的想法幾乎沒有得到任何支持。他說：「哈佛的朋友和同事們都說想要搞清楚離子通道的構造至少需要10年時間。」但到了洛克菲勒大學的麥金農僅用不到兩年的時間就成功「觀察」到了通過細胞膜的離子。1998年4月，麥金農和他的小研究組在《科學》雜誌上發表了世界上第一篇關於鈣離子通道構造（圖3.5）的論文，其中的照片登上了那一期《科學》的封面。當時《科學》的論文審閱人對麥金農的業績給出了「實現了生命物理學的一個夢想」這樣高的評價。
放棄醫學而走上科學研究之路
羅德裡克·麥金農此時已過不惑之年，不能算是年輕科學家了。他與阿格雷一樣也是經過各種經歷後才走到科學研究的道路上的。麥金農於1956年出生於麻薩諸塞州的一個小城鎮。曾經在郵局工作的父親通過自學成為IBM大型機的程式設計師，母親雖然是學校的臨時老師，但大部分時間還是用來照顧七個孩子。孩童時代的小羅德裡克雖然充滿好奇心，總是對周圍的人提問題，但沒什麼地方讓人覺得他將來會成為科學家。他收集蝴蝶、烏龜、蛇等各種各樣的生物，收集礦物，讀了很多關於地質學、地球歷史的書。他在自己的履歷中寫到，12歲那年的夏天他擁有了自己的顯微鏡，他經常花上幾個小時的時間來觀察從附近池塘裡採集的微生物和植物的葉子。
高中畢業後的麥金農完全沒考慮過自己將來要做什麼。他在波士頓的麻薩諸塞州大學學習一年後，轉學到了波士頓近郊的布蘭迪斯大學（猶太系的教師和學生佔大多數）。布蘭迪斯大學對他來說成了一個「讓人覺醒的場所」，是他人生中遇到的第一個「真正的知識的環境」，在這裡，他找到了自己的人生目標。他發現自己對科學抱有熱情，適合做科學研究的工作。後來麥金農專攻生物化學，並於1978年拿到了學士學位。他沒有依照自己指導教官的建議，而在本科畢業後用四年的時間拿到了醫學博士的學位，並於1985年完成了內科學的特別教育。但他並有滿足於繼續走醫學研究的道路。因為他發現醫學並不是真正的科學。那是一個極度廣大的死記硬背的世界，是一個基本上不使用分析的方法去解決問題的領域。
29歲的麥金農陷入了困惑，最後他決定放棄醫學而重新返回科學研究的道路。那是一個不能保證一定能成功的需要勇氣的決定。「我雖然已經將近30歲，但除了布蘭迪斯大學，我沒接受過更高的基礎的科學訓練。即便如此也能成為一個科學家嗎？」他反覆問自己這個問題。
比起根本就不嘗試，寧可選擇嘗試後失敗
就這樣，麥金農回到布蘭迪斯大學做了一名博士後，來到了曾被他拒絕了的教授的電生理學的研究室，投入到鉀離子通道的研究中。他在自己的履歷裡坦率地寫道，當時感到自己的知識非常貧乏而不得不拼命努力。
「我覺得自己必須成為電化學、概率過程、線性系統論等學科的專家。為此我看書、做習題、熟練掌握各種課題，還做了很多實驗。」就這樣，當他結束了關於鉀離子通道的生物物理學的研究之後，哈佛大學聘請他做副教授，他欣然應聘了。哈佛大學的研究室曾經在鉀離子通道的研究方面相當領先，但幾年之後卻停滯不前，因為遇到了難以解決的問題，即鉀通道可以讓鉀通過卻不能讓鈉通過的問題，儘管鈉離子比鉀離子還小。麥金農發現，要想理解這個過濾器的功能，就必須闡明以通道的形式發揮作用的蛋白質的構造。
這裡所說的構造的闡明意味著「看到原子層次的構造」。但那需要麥金農的科研小組還沒有掌握的技術。因此他決心學習「X射線結晶學」這個對他來講完全未知的領域。
在經過艱難的抉擇後，他決定離開哈佛大學。因為他覺得只有這樣才能讓自己全心全意地投入到新的挑戰中，集中精力研究通道構造這個唯一的目標。
麥金農找到了紐約的洛克菲勒大學，這是一座規模比較小的大學，但卻非常具有創造性。根據美國的社會學家J·羅傑斯的調查，洛克菲勒大學的研究者們在20世紀的生物學研究領域取得了比包括哈佛、斯坦福、劍橋大學等在內的其他任何地方都多的開拓性的研究業績。洛克菲勒大學是非常靈活的大學，沒什麼等級的差別，經常投資給新的領域和技術，率先承擔風險。實際上，麥金農之所以被邀請，是因為當時的校長託斯坦·維厄瑟爾（1981年諾貝爾生理或醫學獎獲得者）聽到了他的計劃。維厄瑟爾被公認為是一位「傑出的校長，他具有發現人才的獨到眼光，並創造了培養年輕科學家的良好環境」。
當時哈佛的同事們忠告麥金農，說他離開現在一切順利的研究室而去追求鈣離子通道的構造，這個風險太大了。但他都無視了這些忠告。因為他為研究鉀離子通道的選擇性而甘願冒險。「比起根本就不嘗試，我寧願選擇嘗試了而失敗。」他在履曆書上這樣寫道。哈佛研究室的成員裡只有一個人願意跟他一起走，她就是麥金農的妻子，有機化學家艾麗絲·李。她決定加入麥金農新的研究室。
在非主流的地方存在著重要的工作
作出了這樣決定的麥金農很快就確信自己一定是挖到了金子。因為他發現「洛克菲勒大學提供了能讓自己全心全意投入到對困難課題的研究的最好的環境」。麥金農在那裡首先開始了新領域——X射線結晶學的學習。幾位「熱情的博士後」加入到他的研究裡面，他的研究室迅速地成長壯大起來。麥金農這樣記述當時的這個研究小組：「細胞膜蛋白質的研究和預想的一樣非常難。我們幾經灰心氣餒的時期，但每當我們覺得沒有別的選擇的時候就會有好事發生，氣餒又變成興奮。終於，我們的堅持和不懈努力收到了回報。我們得到了比想像中更多的選擇性地讓鉀離子通過的過濾器的原子構造的信息，它也以更漂亮的姿態呈現在我們面前。」
麥金農把他們發現的鉀離子通道的構造稱為「單純中的優美」。一個一個的通道具有四個相同的子單位，它們圍繞在中心的孔周圍像樽板一樣排列，構成鉀離子專用的通道。
麥金農他們通過在納米層次上對這種現象的觀察，找到了為什麼鉀離子可以通過過濾器而鈉離子不能通過的原因。在這個試驗結果的論文發表在《科學》雜誌上僅僅五年之後的2003年，諾貝爾委員會就決定授予麥金農諾貝爾獎。從發現到得獎只用了非常短的時間，顯示了這個研究的重要性。不過這還沒有結束。在接受克羅託教授的採訪時，麥金農說在細胞膜裡存在的6000個以上的通道裡面，只有不到100個被研究者闡明了構造。離子通道還是一個可能性非常大的研究領域。他在諾貝爾獲獎演講中這樣說：「離子通道的研究是一個讓人激動的時代的開始。很多疑問還亟待解決，我們得到了找到答案的工具。我對將來充滿信心，我向現在正致力於離子通道以及其他細胞膜蛋白質研究的年輕科學家們保證，將來一定會有非常大的可能性在等著你們。」
他在克羅託的訪問中送給學生們以下的話：「如果從我的經驗來講的話，那就是不能被周圍環境同化。追蹤自己自身的問題，不管哪裡，只要是能找到答案的地方，就要勇往直前。在偏離很多人追求的主流的地方，有著更加重要的工作。」