出品:科普中國
作者:張昊(大阪大學)
監製:中國科學院計算機網絡信息中心
9月6日,2020年未來科學大獎獲獎名單公布。其中,「生命科學獎」授予了張亭棟和王振義,表彰他們分別發現了三氧化二砷和全反式維甲酸對急性早幼粒細胞白血病的治療作用。盧柯憑藉其對納米孿晶結構及梯度納米結構開創性的發現,同時實現了銅的高強度、高韌性和高導電性,因此獲得本年度「物質科學獎」。彭實戈因其在倒向隨機微分方程理論,非線性Feynman-Kac公式和非線性數學期望理論中的開創性貢獻,榮膺「數學與計算機科學獎」。
未來科學大獎是什麼?獲得這個獎的研究到底有多厲害?
未來科學大獎是中國第一個民間發起的大型科學獎項,旨在獎勵在大中華地區(包含中國大陸地區、香港、澳門及臺灣)完成研究的科學家,且研究要具備原創性、長期重要性和巨大的國際影響。
未來科學大獎單項獎金為一百萬美元(人民幣約700萬元),獎金來源於公共聲譽優良、社會貢獻突出且深度認同科學價值的行業領袖自願出資,每項獎金由四位捐贈人共同捐贈。從2016年至今,已有20位科學家獲此殊榮,本年度獲獎的四位科學家均在各自的研究領域作出了世界級的原創性科研成果。
他們的研究為什麼值得這個獎項?
「生命科學獎」表彰的研究是,發現三氧化二砷和全反式維甲酸對急性早幼粒細胞白血病的治療作用。
急性早幼粒細胞白血病(APL)是一種特殊類型的急性白血病,曾經令世界範圍內的血液病醫生們束手無策。早幼粒細胞也叫前骨髓白血球,是各種血細胞產生過程中的一個中間形態,正常人體內僅存在於骨髓中。大部分APL患者身上帶有的某種基因缺陷(15號、17號染色體易位),導致他們身體中白血球的分化和成熟發生異常,骨髓和外周血中的早幼粒細胞大量增加。而過剩的早幼粒細胞會導致人體出現一系列凝血功能異常,極易發生內出血和微血栓。
在有效的治療方案誕生前,大量患者因此失去生命,平均中位生存期僅僅有12.6個月。
20世紀70年代,張亭棟及其同事的研究首次明確三氧化二砷(ATO,俗稱砒霜)可以治療急性早幼粒細胞白血病。1996年,中國學者陳竺和張亭棟在世界著名學術刊物《血液學》發表文章,闡明ATO誘導白血病細胞凋亡的初步機理。
20世紀80年代,王振義和同事們則首次證明全反式維甲酸(ATRA)對APL有顯著的治療作用。他的成果為APL的分化誘導療法開闢了道路。ATRA是一種維生素A的衍生物,與其它化療藥物不同的是,它的作用機理並非直接摧毀引發人體異常的早幼粒細胞,而是將其分化誘導為白細胞,再像普通白細胞一樣凋亡。
△張亭棟和王振義,來源:未來科學大獎官網
張亭棟和王振義等人的開創性成果,令ATRA及ATO在我國的規範化臨床應用成為可能,國內APL患者的治療5年後生存率也達到了世界領先的90%。目前,APL已成為基本不用進行造血幹細胞移植即可治癒的白血病。他們的工作在國際上同樣得到了驗證和推廣,ATO和ATRA已成為當今全球治療APL白血病的標準藥物,眾多患者的生命因此獲得拯救。
我們在振奮之餘也必須要看到,APL僅僅是白血病的一種分型,在白血病的諸多類型中,所佔比率很小。白血病依照發病原因分為骨髓型和淋巴型兩種,各自根據病程進展情況又分為急性和慢性。APL是急性骨髓型白血病的一種,而且僅佔後者總發病人數的10%左右,綜合發病率約為2—3人/10萬人。
△白血病的分型和發病人數佔比,來源:見圖
王振義在獲獎感言中也對這一現狀表達了一定的失望,「我覺得我這個方法治療的只是一種急性白血病,不是治療所有的急性白血病。每天都有急性白血病的人死去,我非常難過,覺得我們努力了幾十年就解決了一種白血病。」
王振義院士的這番話,讓我們深切地感到一位醫學家的宅心仁厚以及科學技術的進步之艱難。
無論如何,中國科學家在人類戰勝急性早幼粒細胞白血病的徵途上發揮了領軍人物一般的關鍵作用。張亭棟和王振義獲得未來科學大獎,實至名歸。
「物質科學獎」表彰的研究是,「魚與熊掌可兼得」,即同時擁有高強度、高塑性和高電導率特點的納米結構金屬。
讓金屬材料同時具有高強度、高塑性和高電導率曾經被認為是不可能完成的任務。當我們嘗試提高金屬材料的強度,塑性和電導率必然會相應下降。這一現象的原理還要從金屬材料的結構說起。
普通的金屬單質材料都是原子晶體,原子是構成晶體的基礎組分。當金屬原子在三維空間中以一定的規則緊密排列並相互堆疊,就會形成我們肉眼可見的塊狀金屬。實際上,對於一塊普通金屬來說,從原子到塊體之間,還有一種介於二者的結構存在,這就是晶粒。晶粒可以認為是金屬原子們聚集起來形成的團塊組織,它們相互之間的邊界就是晶界,宏觀的金屬塊體其實是由無數的晶粒組合起來形成的。
可以用石榴的結構來輔助理解金屬塊體的結構。如果把整顆石榴看做是塊金屬,其中的每顆種子看做是金屬原子,那麼由白色組織隔開的各個部分就可以看做是不同的晶粒,白色的組織就是晶界。
△石榴的果實,作者:Fir0002,來源:維基百科「石榴」條目
晶粒的尺寸有大有小,大起來大的驚人,小起來也小的離譜。最大的晶粒可以和宏觀材料本身一樣大,一塊材料內部沒有晶界,整個就是一個晶粒,這就是所謂的單晶。
形成單晶需要相對苛刻的條件,因此除非特別製備,自然界中的單晶很少能長大到大型人工單晶的程度。普通金屬材料的晶粒尺寸大概在數十到數千個微米範圍內。而當晶粒尺寸繼續縮小,縮小到數十納米到數百納米的範圍內,就形成了我們經常聽到的納米金屬。
說完了金屬結構的基本知識,我們再來談談為什麼傳統金屬材料的硬度和塑性及電導率存在矛盾。
提高傳統金屬材料的強度有很多種方法,但這些方法大部分情況下都會讓材料的微觀組織細化,也就是晶粒增多,晶界數目增加。
為什麼晶粒和晶界的數目增加了,材料的強度就能提高呢?我們可以大概地將這一問題做如下的粗淺理解。
低溫下,晶界處的強度高於晶粒內部,晶界的存在好比是材料的內部出現了一系列均勻分布的增強筋。當金屬材料受到外力發生變形時,這些增強筋會對變形產生強烈的抵抗,反應到宏觀上,就是材料的強度得以增加。同時,在一定範圍內,晶界還可以給金屬材料提供額外的塑性變形能力,即塑性也得以增加。
△大塊的鎵單晶(圖中各多面體),作者:foobar,來源:維基百科「晶體」條目
晶粒細化在一定範圍內可以同時提高材料的強度和塑性,因此在工業上具有十分廣泛的應用。但當細化程度逐漸增加,比如一直細化到納米級晶粒,即到達所謂納米金屬的領域,提高強度就會帶來塑性的降低。這時晶界密度過高,稍有外界變形就會產生很大的抵抗,強度提高的同時塑性也被犧牲。
此外,電流在金屬導體中進行傳導時,遇到晶界就像是高速公路行駛過程中通過收費站,傳導速度自然會有降低。因此,晶粒越密集,晶界越多,對電流的阻滯效果也就越明顯,納米金屬的導電能力發生降低並不奇怪。
長久以來,人們始終認為,納米金屬的強度和塑性以及導電性之間存在天然的矛盾,無法實現兩全其美的狀態。然而,盧柯在對納米金屬長期的研究和觀察中,卻發現如果對納米金屬的結構再進行一些修飾和調整,完全有可能讓納米金屬集各種性能於一身,成為突破常理的神奇材料。
盧柯和他的研究團隊先後發現了兩種新型納米結構,在金屬材料強化原理上完成了重大突破。這兩種結構是高密度納米孿晶和梯度納米結構,它們在具備超高強度的同時,分別還具有極強的導電性能和塑性變形能力。例如,高密度納米孿晶銅不僅具有遠高於一般金屬銅的強度,還具有和普通無氧銅相媲美的極高導電能力。而具有梯度納米結構的純銅樣品,強度較普通粗晶銅高一倍,同時拉伸塑性不變,突破了傳統強化機制的強度-塑性倒置關係,已被應用在工業界並取得了顯著的經濟效益。
盧柯院士的上述研究成果均在瀋陽材料國家實驗室和中科院金屬研究所完成,是進入新世紀以來我國科學家在物質和材料領域取得的重大原創性成果。
△盧柯與彭實戈,來源:未來科學大獎官網
「數學與計算機科學獎」,頒給了彭實戈,表彰他在倒向隨機微分方程理論,非線性Feynman-Kac公式和非線性數學期望理論中的開創性貢獻。
彭實戈教授是中國金融數學的奠基人,他創立的「倒向隨機微分方程」在期權期貨等金融衍生證券定價中有重要作用。2010年8月在印度海得拉巴召開的國際數學家大會上,他受邀作了一小時大會報告,是中國大陸本土數學界獲此榮譽的第一人。
大會現場與彭實戈教授進行的連線對話中,他表示得知獲獎消息很高興,他希望用這筆獎金來推動自己所研究領域的發展,因為他相信自己所從事的研究是面向未來的科學。
科學成果值得被看見,科學家值得被看見。本年度獲獎的幾位科學家,均在中國大陸做出了世界級的優秀成果。相信隨著中國經濟和科技實力的發展,更多的中國科學家能夠斬獲殊榮,也希望未來科學大獎能夠成為更加重量級的世界科技獎項。