囊泡和上帝粒子
策劃/ 本刊編輯部
統籌/ 謝 飛
看文章之前，先給同學們做個小測試：看到本篇文章的標題，你會想到什麼呢？
呵呵，難度是不是有點大啊？
如果關注每年諾貝爾獎的人，就會知道，囊泡和上帝粒子，可是今年諾獎的關鍵詞。如果你還不清楚囊泡和上帝粒子是怎麼回事，就跟著一起來了解一下吧。
2013年諾貝爾生理學或醫學獎
獲 獎 人： 美國的詹姆斯· E·羅斯曼【美國】
蘭迪·W·謝克曼【美國】
託馬斯·C·蘇德霍夫【德國】
獲獎理由：發現了細胞囊泡運輸系統的運行與調節機制。
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詹姆斯· E·羅斯曼 蘭迪·W·謝克曼 託馬斯·C·蘇德霍夫
細胞內的「快遞員」
在電子商務高度發達的今天，快遞員在各地的大街小巷中穿梭，把包裹為人們快遞到家。在我們身體內，也有不少「快遞員」在忙忙碌碌地輸送著各種物質，有的是營養物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一類「快遞員」專門幫助細胞運輸物質，這個「快遞員」的名字叫囊泡。
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細胞的3D 模型圖
說到囊泡，還得從細胞膜說起。細胞膜，就是細胞最外邊的那層邊界。以前人們一直很困惑，細胞膜是怎麼組成的呢？後來經過研究發現，這層膜是由一類叫「磷脂」的特殊的分子構成。磷脂分子的樣子很奇妙，它有一個「腦袋」，這個「腦袋」可以溶解在水裡；它還有兩條「小尾巴」，而「小尾巴」不溶於水。
於是，這些磷脂分子們，手拉手，分兩層：外層的磷脂分子頭朝外；內層的磷脂分子頭朝內。這樣，它們不溶於水的尾部就形成了一個隔絕內外液體環境的薄薄「油層」！這層可以流動的薄薄的油膜，就是細胞膜。
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細胞的胞吞和胞吐
細胞膜就像一個表面布滿了油層的水滴。而這個水滴不時會脫落下一個更小的、包裹著油膜的小「水滴」。這個更小的「水滴」就是囊泡。當囊泡遇到了相對應的細胞，就會和它碰撞在一起，合二為一。而在這個過程中，物質被從一個細胞傳遞到了另一個細胞。
揭示囊泡的秘密
長期以來，囊泡一直被視為細胞運輸系統的關鍵部分。但囊泡如何把物質在正確的時間傳遞到正確的地點，一直是個謎。美國和德國的3 位科學家對此進行了深入研究，他們因此獲得了2013 年諾貝爾生理學或醫學獎。
謝克曼發現了囊泡的基因秘密
早在20 世紀70 年代，謝克曼就對細胞內的組織運輸系統很著迷，他決定用酵母作為模型系統，研究其遺傳基礎。通過研究，他發現由於某些基因的變化，會導致囊泡堆積在細胞的特定部位，造成類似公交擁堵現象。通過逐步定位這些基因，他發現了3 類調節囊泡運輸的基因。
他的研究成果極大促進了現代生物、製藥工業的發展。
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細胞內的結構
羅斯曼發現了囊泡與細胞膜結合的秘密
羅斯曼發現一種蛋白複合物能使囊泡與目標膜進行對接、融合。在融合過程中，囊泡和目標膜上的蛋白以拉鏈的方式相結合。
囊泡融合如何精確被控制，蘇德霍夫給出了答案
20 世紀90 年代，蘇德霍夫對大腦內神經細胞是如何相互溝通的很感興趣。傳遞信息的物質被稱為神經遞質。這種特殊分子正是由囊泡負責運輸至神經細胞的細胞膜上，並能在準確的時機獲得釋放。
科學家們此前便已經知道鈣離子參與了這一過程，後來蘇德霍夫在神經細胞中找到對鈣離子敏感的蛋白質。他還揭示了這種蛋白質的作用原理：它會對注入的鈣離子做出反應，並控制鄰近的蛋白質迅速讓囊泡與神經細胞的外部細胞膜相結合，然後迅速釋放信號物質。
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神經細胞之間，通過「胞吐」的方式傳遞神經遞質
研究囊泡的意義
諾貝爾評獎委員會在聲明中寫道，3 位獲獎者的發現，讓我們了解到細胞生成的物質如何及時且精確地在細胞內傳遞。從酵母到人，不同的生物體利用相同的機制進行囊泡運輸和融合。就像現實中的快遞員會出錯一樣，囊泡也會因為種種原因出錯，有的「罷工」不運輸物質，有的運輸能力減弱，有的會運錯物質。這些紊亂的囊泡會讓人們生病。
囊泡秘密的發現幫助研究人員更好地了解了多種疾病，如帕金森病、腦神經功能障礙和免疫系統紊亂等。3 位科學家的研究可讓人們準確清楚地認識相關疾病的發病機理，並為尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類更好地戰勝疾病成為可能。
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細胞胞吞的作用
2013年諾貝爾物理學獎
上帝粒子：希格斯玻色子
獲 獎 人：弗朗索瓦·恩格勒【比利時】
彼得·W·希格斯【英國】
獲獎理由：從理論上預言了希格斯玻色子的存在。
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弗朗索瓦·恩格勒 彼得·W·希格斯
當你站到電子秤上稱體重時，你可能會氣惱：最近的體重貌似又增加，看來晚上真的不能吃太多。牛頓是不是也曾為體重煩惱過呢？沒人知道。不過他卻為質量是什麼困惑了很久。
質量是怎麼來的呢？愛因斯坦曾經鼓搗出了「能量= 質量× 光速2 這樣的公式，可也沒搞清楚質量究竟是如何產生的。
希格斯等人預言，存在一種玻色子，能夠使物質帶有質量，這種玻色子就是「希格斯玻色子」。按照他們的推測，137 億年前，宇宙在爆炸中誕生，初成之時，所有的粒子都以光速在空間中運動，包括希格斯玻色子。之後，隨著宇宙的冷卻，希格斯玻色子凍結形成了均勻的結構。這時候，它們的存在阻礙了一種叫做費米子的粒子的運動，使這些粒子減速，然後具備了質量，而玻色子則不受影響。
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對撞機
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希格斯玻色子在對撞機中
這個說法顯然會讓很多人如墜雲裡霧裡，更有英國官方徵集一個可以讓政客們看得懂的比喻，於是有了這樣的說法：有一間屋子，政客們均勻的分布在裡面，當一個普通人經過時，沒人關注他，他沒有任何阻力地通過了屋子；可當首相到來時，這些政客們則會因為各種原因圍攏過來，聚集在首相的周圍，使首相不得不停下來減速……
正是這些慢下來的費米子開始組合在一起，形成中子、質子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除，我們身上的電子等粒子就立刻會以光速飛出，原子解體——這顯然不是我們想看到的場面。希格斯玻色子以其作為物質構成的基礎而被稱為「上帝粒子」。
理論上希格斯玻色子無處不在，但我們卻觀察不到它。科學家利用大功率對撞機在最近幾年找到了它的蛛絲馬跡，並最終在2013 年初確認了它的存在。這是科學前進的一大步，人類關於物理世界的一系列假說因此得以證實，一個新的紀元由此展開。
2013 年 諾貝爾化學獎
計算機裡的化學反應
獲 獎 人：馬丁·卡普拉斯【美國】
麥可·萊維特【美國】
和亞利耶·瓦謝爾【美國】
獲獎理由：發展了多尺度模型來研究複雜的化學體系。
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馬丁·卡普拉斯 麥可·萊維特 和亞利耶·瓦謝爾
化學家的難題
化學反應是非常微觀的變化，一支試管中的反應可能在千分之一秒內完成，化學家想要捕捉到反應的過程非常困難，所以，很多時候要靠計算。
經典的分子力學可以通過考慮原子之間電荷的引力和斥力等來計算出分子的大致結構，化學家們更是習慣了以此為基礎製作出球棍模型擺放在桌子上把玩。這些模型可以將很大的分子結構解讀出來，但是卻不能用來描述原子中的電子的運動特徵和能量，也就是無法預測出反應的結果。
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如此多的數據，只有計算機能有那個實力去計算
計算機擁有遠超人類大腦的計算能力，如果用它來描述分子的結構和預測反應的結果是不是會容易很多呢？
但是，即使是計算機也無法利用量子力學將大分子的每一個部分進行監控和分析。這時候，研究人員採取了一種折中的創新——用經典物理學來描述分子的絕大部分，而用量子力學來描述分子的化學反應的活性中心，從而來模擬和預測整個反應的過程。
現在，科學家已經能夠藉助計算機模擬極複雜的化學反應，然後科學家可以一點一點關注反應所發生的過程了。
化學革命
以計算機為媒介從不同的尺度去模擬複雜的化學系統，這無疑是化學界的革命。通過該模型，我們不僅可以觀察過程，也可以改造分子、設計實驗。比如，在模擬藥物如何到達體內靶蛋白的實驗中，電腦可直接對與藥物相互作用的靶蛋白原子執行量子理論計算，精確分析出藥物發生作用的全過程，全面評估藥物造成的影響。
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滑雪分子的球棍模型