諾貝爾獎陸續公布：題材高冷，成果實用
冷凍顯微術、引力波、人體生物鐘分子機制都有什麼用？英國科學家理察·亨德森
美國科學家約阿希姆·弗蘭克
瑞士科學家雅克·杜博歇
瑞典皇家科學院4日宣布，將2017年諾貝爾化學獎授予瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理察·亨德森，以表彰他們在冷凍顯微術領域的貢獻。
在生物體內，無數複雜分子不斷地運動著，形成又拆解、結合又分離，通過這些過程來實現各種生理功能。如果能任意「抓拍」高清照片、看清某個分子在特定瞬間的模樣，將使我們更深入地理解生命如何運作。
近幾年來迅速躥紅的低溫冷凍電子顯微術（Cryo—EM）就是這樣一種「抓拍」手段。2017年諾貝爾化學獎的三位獲獎者對該技術的發展作出了關鍵貢獻。
20世紀80年代初，工作於歐洲分子生物學實驗室的雅克·杜博歇提出了「急速冷卻」方案，奠定了低溫冷凍電子顯微術樣本製備與觀察的基本技術手段。
電子顯微鏡觀測的樣本通常是只含一層分子的薄膜，可以視為二維的。對大量散布的同一種分子拍攝二維圖像，再把這些圖像整合起來，就可以得到該分子的三維圖像。20世紀70年代，在紐約沃茲沃思研究中心工作的約阿希姆·弗蘭克開始進行這種「三維重構」的理論研究，開發出了多種數學工具和圖像處理方法。
1990年，英國劍橋分子生物學實驗室的理察·亨德森小組報告了他們對一種色素蛋白進行的三維重構，這項成果是低溫冷凍電子顯微術的重要裡程碑，證明「冷凍樣本-二維成像-三維重構」的確可以得到高解析度的三維圖像。它標誌著一種研究生物大分子結構的新方法已經成形，其思路與X射線晶體學迥異，可以給生物體內溶液中、處於工作狀態的分子「抓拍」快照。
近幾年來，傳統的電子顯微術照相機被可以直接檢測電子的設備取代，解決了圖像轉換導致細節丟失的問題，這個重大進展也是亨德森的貢獻。低溫冷凍電子顯微術的「高清時代」終於來臨。
從藍綠藻到真菌、從植物到動物，地球生命普遍擁有一套內置的時鐘，以24小時為周期調節生理活動，以適應我們這顆行星的自轉和晝夜變化。獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家，在分子水平上揭示了生命時鐘怎樣「滴答」走動。
含羞草葉子在黑暗中仍按晝夜規律開閉，向日葵在太陽尚未升起時已經朝向東方，人在亮如白晝的辦公室裡待到半夜照樣犯困——生物的自然節律並不依賴於外界條件刺激，而是由某種內在機制掌控。鐘錶的核心元件是振蕩器，比如鐘擺、機械振子或石英電路，它們產生穩定的周期性振動。
那麼在生物體裡，這個振蕩器是什麼？
人們很早就發現生物節律特徵可以遺傳，隨著分子生物學發展，科學界逐漸提出「生物鐘基因」的設想。20世紀70年代，美國加州理工學院的西摩·本澤和羅納德·科諾普卡用果蠅做實驗，篩選相關的基因突變。
果蠅的破蛹羽化有著特定節律，野生品種只在一天的特定時刻出蛹，周期是24小時。科諾普卡等人培養並篩選出了周期更長或更短，甚至沒有周期的果蠅，發現它們在基因組的同一區域發生突變，從而定位到了生物鐘基因，命名為「周期」基因。但限於技術發展水平，人們當時無法弄清這個基因的代碼序列，因為克隆果蠅DNA的技術於70年代晚期才出現。
1984年，三名美國科學家，傑弗裡·霍爾、麥可·羅斯巴什和麥可·揚克隆出了「周期」基因，並把它編碼的蛋白質命名為PER。他們發現，果蠅體內的PER蛋白質濃度有規律地變動，振蕩周期正是24小時。至此，人們找到了生物鐘的「振蕩器」，看到了它的振蕩。
時隔30多年後，霍爾、羅斯巴什和揚因為這一研究發現最終摘獲諾獎。霍爾在獲獎後接受美聯社採訪時說，弄清這一機制有助於解決因晝夜節律紊亂導致的睡眠問題。
美國科學家雷納·韋斯、巴裡·巴裡什和基普·索恩獲得2017年諾貝爾物理學獎，就是因為他們在「雷射幹涉引力波天文臺」（LIGO）項目和發現引力波方面的貢獻。
根據愛因斯坦的相對論，時空是可以彎曲的，有質量的物體在其中運動，就會產生引力波。這就好比石頭丟進水裡會產生水波，引力波因此常被稱作「時空的漣漪」。
但普通物體產生的這種引力波極為微弱，連愛因斯坦自己也認為很可能無法觀測到。事實上，LIGO項目所觀測到的兩個黑洞合併產生的引力波，在儀器中只引起了比原子核還小得多的變化。相對論發表百年來，許多預言，如水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，但引力波一直沒被探測到。因此，引力波又被稱作廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失「拼圖」。
引力波開啟了人們認識宇宙的新途徑。過去科學界探測宇宙，多是依靠光學望遠鏡、射電望遠鏡等手段，而引力波是與光不同的信息載體。
通過分析引力波信號，我們可以判斷出遙遠宇宙中發生了什麼。引力波的波形特徵與聲波相似，這也是為什麼科學家曾將其轉換成聲波，作為「宇宙的聲音」播放出來。通過探測引力波來分析宇宙中的各種事件，就像根據樂器聲波判斷樂器的質地種類，以及樂手的演奏手法。
至於引力波在實際生活中有什麼應用，科學家說，包括時空旅行這樣的科幻設想還早得很，而利用引力波的宇宙通信目前來看也很遙遠。不過引力波的發現無疑打開了一扇新的大門，給未來增加更多新的可能。
本組稿件均據新華社