諾貝爾生理或醫學、物理、化學獎公布！揭秘那些獲獎背後的故事

​10月5日起，2020年諾貝爾獎陸續揭曉。今年的諾貝爾生理學或醫學獎、物理獎、化學獎等自然科學類獎項都花落誰家？每個獎項背後都有著怎樣的成果和故事？一起來和小加君了解一下吧！

1、諾貝爾生理學或醫學獎

2020年諾貝爾生理學或醫學獎於北京時間10月5日17時30分正式揭曉，由分別來自美國、英國和美國的科學家Harvey J. Alter，Michael Houghton和Charles M. Rice共同獲得，獲獎理由是因發現C型肝炎病毒。

正當全世界與新型冠狀病毒進行惡鬥時，今年的諾貝爾生理或醫學獎頒發給了C肝病毒的三位發現者。

▲2020年諾貝爾生理或醫學獎宣布現場

在他們的工作之前，A型肝炎和B型肝炎病毒已被發現，但80%以上的血源性肝炎病例仍然「不明原因」。C型肝炎病毒的發現揭示了其餘慢性肝炎病例的原因，並使驗血檢測和新藥物成為可能，從而挽救了數百萬人的生命。

C肝病毒的發現，花了科學家們數十年時間。這是因為，確認引起某流行性疾病的病原，通常要滿足以下幾點：

（1）可疑病原須在病人中均有發現，在病人臨床樣本中可檢測到病原核酸；

（2）從病人臨床樣本中可成功分離到病原；

（3）分離的病原感染宿主動物後可引起相同的疾病症狀。

為何發現C肝病毒用了20多年，而發現新冠病毒只用了一周？

2019年末，武漢發生了多起「不明原因肺炎」，隨後，致病原迅速被確認為「新型冠狀病毒」。

根據新華社的報導，今年1月2日，接到湖北省送檢的病例標本後，中國疾控中心旋即投入一場「接力賽」：提取核酸、基因測序、比對分析……連續奮戰30多個小時，病毒的遺傳密碼終於在第一時間被破譯。依據這份全基因組序列，核酸檢測試劑快速研製成功。

第二步是病毒分離。冠狀病毒的分離培養本就不易，標本又經歷了凍融和長途運輸，更增加了分離難度。但歷時5天，科研人員第一時間分離鑑定了新冠病毒，獲得全球首張新冠病毒電鏡照片，為病原的快速鑑定「一錘定音」。

1月12日，中國疾控中心、中國醫學科學院、中國科學院武漢病毒研究所作為國家衛生健康委員會指定機構，向世界衛生組織提交新型冠狀病毒基因組序列信息，在全球流感共享資料庫發布共享，這為全球開展疫苗研發、藥物研究、疫情控制等提供了重要基礎。

▲C肝病毒示意圖（圖片來源：sciencenews.org）

相比於新冠病毒能夠被迅速「發現」，C肝病毒的發現實在是慢。這其中顯然有科學技術發展的原因。例如，核酸檢測是新冠病毒被發現的關鍵，而最原始的基因測序技術要到上世紀70年代後期才被發展出來。

1972年，Harvey Alter證明一種「非甲非乙」的病毒是慢性肝炎的病因後，病毒的分離遲遲不能實現。一直要到1989年，Michael Houghton等人才用最新的分子技術分離出C肝病毒的核酸；1997年，Charles Rice團隊利用基因工程的方法「改造出」有活性的C肝病毒，並證明了病毒本身就可造成C型肝炎。

2、諾貝爾物理學獎

2020 年諾貝爾物理學獎將一半頒給了羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）以表彰其給出的黑洞形成的證明，並成為廣義相對論的有力證據。另一半由萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez）共享，表彰他們發現銀河系中心的超高質量高密度物質。

今年的諾貝爾物理學獎授予了英德美三位科學家，以表彰他們在天體物理學，特別是"利用廣義相對論預測黑洞形成"以及"發現銀河中心超大質量物體"方面取得的科學成果。

其中，英國數學物理學家羅傑·彭羅斯爵士從理論上推演出黑洞的形成是廣義相對論原理的必然結論，因此獲得了今年一半的獎金。

什麼時候數學家也能獲得諾貝爾獎了？其實，這位任性的數學家的研究成果還"跨界"過生物學、化學等領域……

數學、生物、化學…獲得物理諾獎的霍金老友，還是一位「任性」的跨界奇才

羅傑·彭羅斯出生於20世紀科學快速發展的時代，他的父親萊昂奈爾·彭羅斯是一位傑出的精神病學、遺傳學家， 叔叔則是著名的超現實主義畫家羅蘭·彭羅斯。成長於這樣"人才輩出"的家庭，彭羅斯從小就玩起了數學，比如和父親組裝多面體玩具。"孩子的玩耍和他的工作，並沒有清晰的界限。"在媒體的採訪中，他如此回憶。

也許是因為這段與眾不同的童年，對於長大後的彭羅斯來說，數學依舊是一種"玩兒"的體驗。幾何圖形成了他所有思維過程的一部分，在他寫過的許多書中，深奧難懂的理論常伴隨著圖形化的解釋。

▲1965年的論文中，彭羅斯解釋物質坍縮為奇點的過程

羅傑·彭羅斯常與複雜的空間關係打交道，他本人也十分欣賞荷蘭畫家埃舍爾的作品。

▲埃舍爾代表畫作之一（圖片來源於網絡）

受到這位畫家的啟發，還在上研究生的彭羅斯，和他的父親合作，創造出了著名的"不可能物體"概念。這些不可能物體的每個細節的連接處都看似合理，但整體是不可能存在於現實中的。從最簡單的"彭羅斯三角"，到它的各種變體如"彭羅斯階梯"，其實都是視覺上的錯覺。

▲電影《盜夢空間》中出現的彭羅斯階梯

在一次物理學家弗雷德·霍伊爾在皇家學會進行的講座中，當時已經需要拐杖的霍金從觀眾席站起來，直白地指出了霍伊爾的一個錯誤；而同樣發現異常的彭羅斯則是離開講座檢查結果。這兩個人有著不同的性格，但共同的學術興趣讓他們走到了一起。

70年代，他們意識到，"宇宙大爆炸其實可以看作恆星坍塌為奇點的反向過程。"這一理論將不受歡迎的黑洞概念，和宇宙學理論聯繫在了一起。他們的成果，就是著名的"彭羅斯-霍金奇點定理"。因為這一成果，他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。

▲彭羅斯與生前的霍金合影（來源於網絡）

但是黑洞的概念，和物理學中另外一個基礎理論量子力學有所矛盾。量子力學認為，宇宙存在最小的單元，不能被無限分割，因此奇點這種"體積無限小"的概念是不成立的。因此，黑洞成了20世紀兩大物理理論的交鋒之處。

從上世紀60年代開始，彭羅斯還發明了"扭量理論"，試圖連接量子力學和相對論。

▲上世紀60年代的彭羅斯，黑板上圖形即"扭量"（圖片來源：thetimes.co.uk）

彭羅斯對於量子疊加態的思索，讓他提出了一個驚人的理論，即"生物的意識可能源於量子效應"。在出版於1989年的著作《皇帝的新腦》中，彭羅斯和一位麻醉學家提出，大腦中一種稱為微管的蛋白纖維，可能是攜帶量子振動疊加態的載體。

彭羅斯如今承認他的想法有點瘋狂，但畢竟不是沒有根據的猜測。彭羅斯認為自己有這些想法，源自他對宇宙形狀和規律的直覺，以及對職業安全感和科學獎項的不甚關心。這位來自愛因斯坦時代的老數學家，常常提出讓年輕學者大開眼界的理論，但彭羅斯認為自己"更傾向於接受傳統智慧"，不太認同別人給他貼上"特立獨行"的標籤。

彭羅斯的科學之路，不僅能帶我們回顧上個世紀的科學黃金時代，回顧黑洞理論從暗處現身的過程，他對於今天的科學家們也是一個活生生的見證：任性的科學家也可以成功。

3、諾貝爾化學獎

2020年諾貝爾化學獎正式揭曉，兩位「剪刀手」女科學家——美國加州大學伯克利分校教授Jennifer A. Doudna和德國馬普感染生物學研究所教授Emmanuelle Charpentier獲得這一獎項，以表彰其「開發了一種基因組編輯方法」。

「我認識很多此生都與它（這個獎）無緣的傑出科學家，這（無緣獎項）跟他們是不是傑出的科學家其實並沒有什麼關係」，珍妮弗·道德納說——在接到《自然》雜誌打來的賀電之前，這位新晉諾貝爾獎得主甚至還不知道，今年「勝出」的人竟是自己。可以說，如今只要談及基因編輯，「珍妮弗·道德納」這個響噹噹的名字絕對無法避開。

2012年，珍妮弗·道德納和埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷二人聯合發表論文，首次向世人揭開了CRISPR-Cas這一天然免疫系統的神奇之力，從理論上解釋了CRISPR-Cas這一系統的生物學現象，頗具創新性和開拓性地向世人揭開了這把「基因剪刀」的神秘面紗，為此後人類對基因進行「定點」剪裁和編輯提供了堅實的理論基礎。

▲CRISPR-Cas9基因編輯技術原理漢化版（圖源：hudsonalpha）

事實上，自從1970人類就開始嘗試「剪切」、「粘貼」重組基因編輯技術來改寫細胞。然而，彼時科研人員所使用的方法基於天然細菌酶，無法精準地靶向定位研究人員所需的特定基因序列，在「剪裁」基因時出現偏差並導致最後被改寫的基因結果無法預測。相比於此前的其它技術，CRISPR-Cas基因編輯技術不僅精準度高且「準入門檻」低，這種易用性為該技術贏得了更高的普及性，讓CRISPR-Cas基因編輯技術在全球各大實驗室中得以快速推廣。

自此，更多的科學家開始嘗試利用CRISPR-Cas基因編輯技術「修復各類基因損傷」，其研究範圍也快速從基礎細胞生物學、動物研究，發展到了對細胞性貧血、HIV等更為廣闊的人類疾病治療。

在該技術應用最為普遍的農業領域，研究人員利用CRISPR-Cas基因編輯技術改良了玉米、棉花等農作物的先天不足，讓基因經過「剪刀」修剪後的創新性農作物變得更抗蟲、更耐旱、更不易生病；在醫學上，一方面，科學家和醫生嘗試利用CRISPR-Cas基因編輯技術，「從骨子裡」精準地幫助病人發現病因、治療疾病，這也為人類治療諸如癌症、漸凍症這些如今屬於「不治之症」的疾病提供了希望和可能；另一方面，CRISPR-Cas基因編輯技術的出現也為人類抗擊疾病提供了更多的主動性——在突然來襲的疫病面前，該技術能幫助人類更快更精準地「剪」出「最可疑」的基因片段，方便科學家定點、高效地放大檢測「嫌疑對象」。

針對2020年肆虐全球的新型冠狀病毒，珍妮弗·道德納曾於今年9月公開表示，CRISPR-Cas基因編輯技術的三大優勢——能提供更直接的RNA檢測、能更簡單地被改寫以應對病毒的突變、能更容易地批量製造相關檢測設備，將有望為人類抗擊新型冠狀病毒提供更加強有力的支持。

「如果你要問我為什麼認為公眾應該多多支持哪些以興趣為驅動的科學研究，那麼我要說，其原因就在於這（以興趣為驅動）才是科學的本質。畢竟，我們永遠無法預測未來的走向」，珍妮弗·道德納說。

文字 | 北京科技報記者 丁林、王雪瑩

編輯 | 丁林、王雪瑩

新媒體編輯丨許藐文​​​​