人類知識向前推進的「一小步」
——解讀2020年諾貝爾科學獎
今年10月，隨著一年一度的諾貝爾獎「開獎周」落幕，2020年諾貝爾生理學或醫學、物理、化學等自然科學獎項得主也塵埃落定。無論是C型肝炎病毒的發現，還是在黑洞理論和觀測研究方面取得的突破性進展，抑或是CRISPR/Cas9基因組編輯方法的開發，都在人類認識和改造自然的過程中將人類知識向前推進了「一小步」。正是這些「一小步」的匯聚，讓科學為人類作出了巨大貢獻。
LB-1的藝術想像圖，中心黑色的點表示黑洞。新華社發
生理學或醫學獎：捕獲狡猾病毒的「獵手」
提起C型肝炎病毒，大家可能對它的兄弟A肝與B肝病毒耳熟能詳。
今年諾貝爾生理學或醫學獎3位得主哈維·阿爾特、麥可·霍頓與查爾斯·賴斯的獲獎理由就是——發現C型肝炎病毒。那麼，發現這個並不「出眾」的病毒，了不起在哪兒？
「在醫學研究上，有時科學家在找到確鑿證據，提出解決實際問題方案前，對於現有認知的突破十分重要。」專家解釋，比如幽門螺旋桿菌在被發現之前，人們無法合理解釋胃癌是如何發生發展的。直到科學家發現幽門螺旋桿菌是主要致病因素後，攻克預防胃癌的道路才逐漸明朗。
C型肝炎病毒的發現之旅亦是如此。
早在1940年，有兩種主要的傳染性肝炎。第一種稱為A型肝炎，通過汙水或食物傳播，通常對患者幾乎不會造成長期影響。第二種通過血液和體液傳播，這類肝炎會帶來更嚴重的威脅，因為它可以導致慢性病，並發展為肝硬化和肝癌。「這種形式的肝炎是隱性的，因為對於健康個體而言，在出現嚴重併發症前，它往往能使患者隱性感染多年。」河北醫科大學第四醫院感染性疾病科主任兼醫院感染管理科主任邢亞威解釋說。
成功阻止傳染病的關鍵在於確定病原體。
在三位科學家的研究之前，人們已大致掌握了病毒性肝炎發生及未來引起肝硬化甚至肝癌的途徑，但除了已知的甲型、B型肝炎外，仍有一部分血源性肝炎無法解釋其機制。
1974年，一例輸血後出現的非甲非B型肝炎病例引發社會關注。隨後，本次獲獎的3位科學家之一阿爾特教授證實：一些接受輸血的人會患上並非由甲型或B型肝炎病毒引起的肝炎，這表明另一種感染源是罪魁禍首。
此後15年間，許多研究人員試圖探究真相。在製藥公司工作的麥可·霍頓承擔了分離病毒遺傳序列這份艱巨的工作。麥可·霍頓和同事們從感染的黑猩猩血液中提取核酸，合成一個DNA片段。這些片段大部分來自黑猩猩本身的基因組，但研究人員預測，其中一些片段可能來自未知病毒。
假設肝炎患者的血液中存在針對病毒的抗體，那麼這意味著研究人員就可以利用患者血清，來鑑定那些編碼病毒蛋白的克隆DNA片段。
之後，經過全面搜索，他們終於發現一個陽性克隆片段。進一步的工作表明，這個克隆片段來源於黃病毒家族的一種新型RNA病毒，被稱為C型肝炎病毒（HCV）。
然而，單是病毒就能導致肝炎嗎？
為回答這個問題，科學家們必須研究克隆的病毒能否複製並導致疾病。對此，另一位科學家賴斯給出了最終證明：單是C型肝炎病毒就可以導致不明原因的輸血傳播性肝炎病例。
事實上，C型肝炎病毒異常「狡猾」。有專家指出，該病毒可在體內潛藏10年至20年，約80%急性C肝患者沒有症狀，漏診率高達90%。而肝癌又與病毒性肝炎關係密切——業內普遍認為，肝癌的發生呈現一種連續性病變，一般會經歷肝炎—肝硬化—肝癌的順序。據世界衛生組織（WHO）不完整統計，全球有近2億人攜帶C型肝炎病毒。2017年，WHO把C肝病毒列入一類致癌物清單。
在與病毒性疾病的鬥爭中，諾貝爾獎獲得者發現的C肝病毒具有裡程碑式意義。
這三位科學家的發現讓直接作用於C肝的抗病毒藥物研發與血液檢測成為可能。「我們現在可以對該病毒進行高敏感性的血液檢查，並且這些檢查基本上已經消除世界許多地方的輸血性肝炎，很大程度上改善了人們的健康狀況。」邢亞威說，他們的發現還使針對C型肝炎的抗病毒藥物得以快速發展。
C肝的治癒在人類歷史上堪稱首次，也為在全世界人口中根除C型肝炎病毒帶來了希望。2013年起，隨著一系列新藥問世，C肝正式進入完全治癒時代，目前已有數百萬C肝患者生命得到挽救。
物理學獎：揭示宇宙「最黑暗的秘密」
又是天體物理！今年諾貝爾物理學獎由羅傑·彭羅斯、萊因哈德·根澤爾與安德裡亞·格茲摘得。他們的科研成果均與宇宙「最黑暗的秘密」——黑洞相關。
1915年11月，愛因斯坦發表廣義相對論，描述了引力如何掌控著宇宙中的一切：是引力讓我們站在地球上，控制著行星繞太陽運行的軌道以及太陽繞銀河系運行的軌道。引力也促使恆星從星際雲中的誕生，而最終恆星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間並減慢時間；極大質量物質甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。
為證明黑洞的形成是一個穩定過程，英國理論學家羅傑·彭羅斯發明了巧妙數學方法來探索廣義相對論，也就是使用新的數學概念來解決這一理論問題。
彭羅斯設計了一套數學工具，特別引入數學概念「被困表面」。不同於可以使光線沿任何方向射出的普通表面，「被困表面」是封閉的二維表面，即使扭曲使其不再是球體，也只允許光線向一個方向射出，即朝向中心點，使物理學家得以準確確定黑洞的邊界。在邊界上，即使是光也無法逃脫被萬有引力無情拖拽的命運。
最終，他的研究揭示了廣義相對論如何預測黑洞的形成——這些時空和空間的「怪物」會捕獲一切進入其中的東西，甚至是光。
萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲則各自帶領著一群天文學家，從20世紀90年代初開始研究銀河系中心區域。隨著精確度提高，他們成功繪製出距離銀河系中心最近的最亮恆星軌道。兩個小組的測量結果非常一致，他們得出的結論是：銀河系中心的黑洞質量應該相當於400萬倍太陽質量，被擠壓到一個太陽系大小的區域內。
那又是什麼使得銀河系中心附近恆星以驚人速度圍繞其旋轉呢？
根據當前引力理論，可能的解釋是：銀河系中央藏著一個超大質量黑洞。2019年4月10日，人類首張黑洞照片面世，這是人類獲得關於黑洞的首個直接視覺證據，黑洞的存在再次被印證。
「黑洞的形成與宇宙結構形成有著十分緊密的聯繫，也許還有其他更奇特的物理過程，比如有人說有些黑洞形成時有上萬倍太陽質量這麼重。像這些未解之謎，都有待科學家們作出更進一步的研究。」河北大學物理科學與技術學院副教授肖勇說。
化學獎：基因剪刀改寫「生命劇本」
2020年諾貝爾化學獎授予兩位女性科學家——埃馬紐埃爾·夏彭蒂耶和詹妮弗·杜德納，她們因對新一代基因編輯技術CRISPR的貢獻而獲獎。瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松表示，「今年的獎項關乎重寫生命準則」。
基因工程極大推動了現代醫學進程。那麼，基因編輯是什麼？
「基因是遺傳信息的最小單位，不但承載著代代相傳的生物特徵，也指導著生物體有條不紊地生存生長。」石家莊學院化工學院教授馬聞師說，如果某個發生了變異，可能會導致單基因遺傳病，通常症狀嚴重，且無法治癒。
1990年，科學家首次嘗試基因療法大獲成功，讓罹患重症免疫缺陷的4歲女孩Ashanti重獲新生。這是人類歷史上第一次在基因層面上治癒一種疾病，劃時代的成功燃起前所未有的希望，但很快卻被接二連三的失敗澆滅。
2002年，兩個與Ashanti病症類似的法國孩子也接受了基因療法。雖然免疫系統有所恢復，卻患上了白血病。失敗的原因可能是，外來的隨機插入無意間破壞了其他的結構，使其喪失功能，導致了細胞癌變。
科學家們意識到，相較於盲目的插入替代，基因療法需要更精準的方法。
「基因編輯是一種可以永久改變DNA的方法，可以從根源上解決基因疾病。」馬聞師解釋，類似文字編輯，基因編輯可以修復一些突變的基因，或者敲除、插入目的基因。具體而言，這是一項對基因組進行定點修飾的新技術。利用該技術可以精確地定位到目標基因組的某一位點上，在該位點上剪切靶標DNA片段並插入新的基因片段。
然而，早期基因改造方法每想要修改一段DNA序列，科研人員就必須設計一個新的蛋白對DNA剪切，這種工作非常耗時，且難以量產。
CRISPR則是基因組DNA上的一段特殊序列，源於細菌及古細菌中一種獲得性免疫系統。利用這組序列，細菌可以對侵襲過它的病毒產生「記憶」，並通過一種特殊蛋白酶「搗碎」這些病毒的DNA。與從前的基因編輯方法不同，CRISPR系統採用一個通用酶——Cas9來執行剪切。「研究人員能以此作為稱手的工具，改變他們想要修飾的DNA序列，這遠比合成一個酶要容易得多。」專家說。
如今，憑藉簡單、廉價和高效，CRISPR/Cas9已成為全球最流行的基因編輯技術，被稱為編輯基因的「魔剪」。該技術經過改造被廣泛應用於農業和生物醫藥領域。
兩位科學家的研究對生命科學產生了革命性影響，不僅可幫助開發新的癌症療法，還能使治癒遺傳性疾病的夢想成為現實。目前，這種先進技術已加快了基因工程產業發展，研究人員正運用該技術探索愛滋病、阿爾茨海默病、精神分裂症等疾病的治療方法。 （河北日報記者 王璐丹）