那些看不见的诺贝尔奖

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文/赵言昌（微信公众号：蝌蚪五线谱）

2015年12月10日，诺贝尔奖的颁奖典礼在斯德哥尔摩举行。这既是科技界的盛宴，也是人类审视自身的时刻。

和很多人想象中不同，诺贝尔奖并非总是宏观、华丽、波澜壮阔的，而是更关注那些在某一领域的关键环节，做出突出性贡献的人。换句话说，在“探索”这条路上，时不时会出现一些羊肠小道、死胡同，甚至高山绝壁，而有的人，却可以凭借自己的聪明才智，拓宽道路，架起飞桥，走出那关键性的一步。

他们的研究，有些过于艰深，有些涉足微观，常游走于众人的视线之外，但绝不应该被遗忘。

斯德哥尔摩音乐厅，诺贝尔奖颁奖典礼举行地

光电效应

1905年，爱因斯坦的头发还没有变得凌乱，却已经有了浓密的胡须；他还不是那个满脸皱纹的“智慧象征”，但已积攒了足够的才华和勇气。这一年，他先后在《物理年鉴》上发表了四篇论文，分别探讨光电效应、布朗运动、质能等价和狭义相对论，好比一个武功高手，既精通少林绝学，又擅长武当心法，抽空练了两下小李飞刀，居然就“例无虚发”了……

1905年的爱因斯坦

现在，高中毕业的人都知道光具有波粒二象性，但是在20世纪初，这可是个了不得的原则性问题。自艾萨克-牛顿爵士精巧地解读了薄膜透光、牛顿环之后，光的粒子学说成为泰斗，渐有一统江湖之势；奈何半路上杀出个托马斯-杨，后者以双缝衍射为武器，重塑光的波动学说；再后来，泊松亮斑现象使得光的粒子学说溃不成军；最终，麦克斯韦关于电磁理论的论述，奠定了光的波动学说的霸主地位。

——起码，当时人们是这么认为的。

但是，没等波动派高兴太久，光电效应就来了。1887年，德国物理学者海因里希•赫兹发现，紫外线照射到金属电极上，可以帮助产生电火花。倘若波动学说是对的，那么光是一种波，不管何种光线，只要强度足够大，就能从金属内部激发出电子来；而光的频率，即波震动的次数，决定着激发电子的数目。然而，实验结果表明，对于特定金属，能不能激发出电子，只由光的频率决定，激发出的电子数目，则和光线的强度有关。

理论推导和实验现象不符，那么其中就必然有一个是错的。

爱因斯坦在《关于光的产生和转变的一个启发性观点》中假设，“从一点发出的光线，在不断扩大的空间中传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的、局限于空间某个点的能量子所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射……”

打个不恰当的比方，这就好比是骑自行车。假如以均匀的力度蹬自行车，那么，自行车能不能走起来，只和你的力度有关；蹬车的频率，决定着自行车的行驶速度。

这篇三月发表的论文，也像三月里的春雨一样，融化了粒子派和波动派之间的冰封，打破了经典力学的黑云压城，催生了量子论，引燃了新能源的希望，开启了一个新的时代；而且，它也很值钱，因为在光电效应上做出的理论性突破，爱因斯坦被授予1921年的诺贝尔物理学奖。

原子结构

1900年4月27日，伦敦阿尔伯马尔皇家研究所举行了一场众星云集的科学报告会。德高望重的开尔文男爵说：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在，这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”

科学史上常有一些集大成者，他们在前人的基础上，凭借着杰出的才智，总结、发展出一套理论，比如牛顿和他的经典力学。然而历史是在否定之否定中前进，随着科学发展，总会出现一些原有理论解决不了的问题。这并非不可知论的借口，恰相反，它表明我们对世界的了解，更深了一步。

开尔文男爵口中的两朵乌云，一朵指的是经典力学在光以太上遇到的难题，另一朵指的是黑体辐射研究中的困境。二者最终导致了相对论和量子论的诞生。

前者，几乎是由阿尔伯特-爱因斯坦独立完成，后者，则交给了玻尔和他的学生。

和爱因斯坦不同，尼尔斯•玻尔出身优渥，不需要进入专利局养家糊口。1911年，玻尔获得了卡尔斯伯格基金会的奖学金，成为剑桥大学卡文迪许实验室博士后，随后，他认识了欧内斯特•卢瑟福，开始着手将卢瑟福的原子模型和普朗克的发现结合起来。

卢瑟福通过粒子轰击实验，提出了自己的假说：原子是由原子核和电子组成的，原子核极小，居于中心，电子则像行星环绕恒星一样，环绕着原子核运动。因而，这一模型也被称为行星模型。

碳原子结构示意图

这一假说可以解释轰击实验的结果，但不能回答一个致命的问题：倘若电子环绕原子核运动，那么，电子会在这一过程中辐射能量，跌出轨道，一步步地向着原子核滑落，最终，所有的原子都会塌陷，这显然和现实不符。

玻尔参考了普朗克对黑体辐射的研究，提出：原子核外的电子，只运行在特定的轨道上，由于势能，保持稳定，称之为定态；假如条件发生改变，电子也只能从一个特定的轨道，跃迁到另一个特定的轨道，辐射出恒定的能量。这一模型，称之为玻尔模型。

玻尔模型是个折中的方案，引进了量子论，但半只脚还踩在经典力学上，所以，很快被更好的模型所取代。不过，这无损于他的杰出，因为玻尔模型，他被授予了诺贝尔物理学奖；除了学术成就之外，他还是个伟大的导师，泡利、海森堡、赫维西、朗道、盖莫夫，这一连串伟大的人物，都曾在他的哥本哈根研究所里学习、工作。

玻尔的原子模型

晶体X射线衍射

如果说，爱因斯坦和玻尔是“求仁得仁”的话，那么，晶体的X射线衍射，就有些“无心插柳”的意味了。虽然布拉格父子，很快因为他们的发现，荣获1915年的诺贝尔物理学奖，但后来的事情表明，这一发现的价值，仍然被低估了——起码值三五个诺贝尔奖。

喜欢折腾数码产品的朋友肯定知道，路由器有两个频段，一个是2.4G，一个是5G。这里的2.4G、5G指的是频率，2.4G频率低，波长长，遇到缝隙容易发生衍射，因而2.4G路由器看上去“穿墙”效果更好；5G路由器发射的波长较短，更倾向于通过反射直来直去，所以，5G路由器的能够很好地覆盖特定房间，但是“穿墙”能力比较差。

波，不管是可见光波，还是X射线这种不可见的电磁波，在遇到缝隙的时候，都会面临一个选择：倘若缝隙比波长大，那么，光波就会直射进去；倘若缝隙和波长相当，甚至更小，就会发生衍射。缝隙的数目、形态，影响着衍射后的条纹样式。三者（波长、缝隙、衍射条纹）之间的关系，可以用公式描述出来。这也就意味着，明确其中的两者，可以推导出第三者。

1895年11月8日伦琴发现了X射线，这种不可见的光，很快引起了物理学家们的兴趣。X射线到底是高穿透性的中性粒子流还是波长较短的电磁波呢？眼瞧着粒派和波派又要大打出手，劳厄却用一个精巧的实验，化解了争议。

晶体是由一系列重复的结构组成的，这些不断重复的结构，称之为晶胞；晶胞和晶胞之间，存在着缝隙。换句话说，可以把晶体看作一个三维的充满缝隙的衍射工具。那么，假如X射线是电磁波，它在穿过晶体后，一定会产生衍射。

1912年4月弗里德里希、克里平成功地观察到X射线透过硫酸铜后的衍射斑点，证实了X射线的波动性。这一消息传到英国，引起了布拉格父子的高度关注。1912年暑假后，W.L.布拉格开始做X射线透射ZnS晶体实验时，发现衍射斑点的大小随底片与晶体的距离而变化，判定可能是晶面反射的聚焦结果。同年10月，W.L.布拉格导出了著名的布拉格方程。

晶体X射线衍射的研究，到此可算告一段落，但是它所酝酿的风暴，才刚刚开始成型。41年后，卡文迪许实验室的两个年轻人，正是靠着X光衍射图，解开了生命掩藏最深的奥秘——DNA分子结构。

DNA X射线衍射图谱

一直到现在，晶体X射线衍射，仍然是结构分析的利器，在药品分析等方面，起着重要作用。比如，2005年，美国加利福尼亚大学的研究人员，运用X射线晶体衍射技术，在SARS病毒基因组中发现了一个特殊的RNA片段，在不同的 SARS 病毒株系中，这一片段并不变化，因此这一RNA 片段可能成为未来抗 SARS 药物的“标靶”。

柯霍氏法则

数学是当之无愧的诸学科之母，在数学之外，物理则担当起了兄长的角色。没有对凸透镜成像的研究，哪来的显微镜呢？没有显微镜，又怎么可能发现致病菌呢？

十九世纪中叶，医生们已经建立了近代解剖学，知道了柳树皮解热、消炎、镇痛的有效成分，但是，疾病原因，仍然是一个谜。希波克拉底的体液学说渐渐失去市场，中国的阴阳五行，洋大夫们大约不信……

1864年，伟大的生物学家，巴斯德，设计了著名的曲颈瓶实验。他把肉汤倒入烧瓶内，然后将烧瓶放在火焰上，拉出弯曲的长颈，将其静置，结果发现，肉汤很长时间也不会变质；一旦将长颈去掉，肉汤则很快腐败变酸。

巴斯德的实验表明，空气中存在着一些微生物。这些微生物虽然看不见、摸不着，却可以对肉汤产生实实在在的影响。

那么，这些微生物，是否就是某些疾病的原因呢？

罗伯特•科赫在前人的基础上（卡西米尔•达韦纳发现炭疽病在牛与牛之间可直接传染），以其杰出的才智，化解了血液纯化、细菌培养等难题，最终在1876年，发现了炭疽杆菌的致病作用，成为人类历史上第一个发现致病原的科学家。其后，他又运用染色、纯化、培养等技术，找出了结核病病原菌——结核杆菌，并因此获得了1905年的诺贝尔生理或医学奖。

在研究微生物的过程中，科赫总结出了一套判断病原菌的方法，称之为柯霍氏法则。这套法则一共四条：首先，在病人或患病部位，可以发现某种微生物，但这种微生物，不能在健康个体中找到；其次，这种病原菌可以被分离培养，同时应该记录它的各种特征；再次，将分离、提纯过的病原菌，接种到健康个体内，健康个体应该会和患者出现类似或相同的症状；最后，这位新患者体内，应该可以分离出与之前完全相同的病原菌。

不管是分离提纯技术，还是培养基的发明、制作，又或者这一套判断原则，都在生物学界和医学界产生了巨大的影响。他也因为这一连串的突出性贡献，和巴斯德并称，被尊为细菌学的鼻祖。

当然喽，技术也好，方法论也罢，总是不断向前的。随着新的检测手段、新的病原菌不断出现，如今，柯霍氏法则已经不是金科玉律，不过，这一方法里体现的严谨精神和聪明才智，一直会是笔宝贵的财富。

炭疽杆菌

心电图

说到检测技术，就不能不提到心电图。

1791年，一个阳光明媚的日子里，意大利解剖学家路易吉•伽伐尼（意：Luigi Aloisio Galvani），摆动着试验台上的青蛙。在一个电光石火的瞬间，他忽然发现，切下来的蛙腿，碰到电火花会出现抽动；之后，他又发现，即使不直接接触电源，只用金属解剖刀，也能复制这种抽动。于是，他得出了结论：动物体内存在肌肉电流。

尽管这个说法是错误的，但是，生物学家们的兴趣已被成功点燃，神经电生理的研究一发不可收。

时光荏苒，到了1832年，意大利生理学家们在进行了一系列的有关蛙肌肉的实验后，发现并不是肌肉存在电流，而是收缩的肌肉产生了电流；接着，德国的同行们重复了他们的实验，并且用动作电位来描述这种随着肌肉收缩产生电反应。就这样，一步一步，顺理成章的，科学家们向着人体内最神秘的肌肉——心肌——进发了。

现在我们知道，静息状态下，心肌细胞的细胞膜外排布着带正电荷的阳离子，膜内排列着同等比例的带负电荷的阴离子。当细胞的一端受到刺激时，细胞膜的通透性产生改变，受刺激部位，细胞膜内外的正负离子分布发生逆转。这种逆转沿着心肌细胞传递，就形成了电流。

既然心脏是由心肌组成的，而心肌每次收缩都可以产生电生理变化，那么，可不可以通过检测这种电生理变化，来推断心脏的健康状况呢？

1887年，英国皇家学会玛丽医院举行了一场具有划时代意义的科学演示：该院生理学教授Waller在犬和人的心脏上应用毛细管静电计记录心电图。演示中，Waller当场成功记录了人类第一例心电图。尽管以现代眼光看来，这一心电图十分粗糙，连心房的P波都没有，但是，0到1的突破已经完成了。

Waller的实验吸引了很多人，许多科学家们从此投身心电图的改进，试图减少外在环境的干扰、创造出有临床意义的测量工具。

十六年后，威廉-埃因托芬拿出了自己的方案。

受阿德（Ader）于1897年发明的弦线式电流计的启发，他将镀银石英拉成弦线（直径仅2.1μm，用放大镜才能看到），悬浮在两侧的磁铁间；当体表心电有微弱变化时，弦线便出现摆动；通过装置，将这种摆动放大近500倍后，他终于得到了清晰的心电图，并且将各波命名为P、Q、R、S、T、U波。这些命名，沿用至今。

又过了21年，即1924年，为表彰埃因托芬发明心电图，他被授予了诺贝尔生理或医学奖。100多年来，因为价格低廉、检测准确、不会对病人造成痛苦，心电图一直是临床最常用的检测手段。时至今日，心电图技术正在朝着更小、更智能的方向迈进。比如今年，三星宣布开发出了一种新型的生物信息处理器。这种处理器专门为可穿戴设备（如智能手表）设计，具有心电图监控、血流量记录等功能。假以时日，说不定能取代四四方方的心电图机，成为医生们的可信赖的新一代“雷达”。

搭载生物信息芯片，可以检测心电图的智能手表

G蛋白偶联受体

马克思曾说：“哲学家们只是用不同的方式解释世界,问题在于改变世界。”不过，对于医生们来说，生命的奥秘太过艰深，能够合理的解释，就已经很难了。

古诗有云：“长江绕郭知鱼美，好竹连山觉笋香。”人的嗅觉、味觉是怎么来的呢？

不同的人，有不同层次的答案。爱看书的小朋友，可能会说：“气味从食物里跑出来，进到鼻子里，人就闻到了。”大学生们，对神经系统有着基本的了解，知道神经元之间存在着突触。神经元通过突触释放神经递质，神经递质使相邻神经元兴奋，一环扣一环，最终将神经冲动传进嗅觉中枢。

问题是，在气味分子进入鼻腔之后、神经元兴奋之前，发生了点什么呢？

这就需要专业人士去回答了。

2012年的诺贝尔化学奖授予了美国科学家RobertJ. Lefkowitz 以及 Brian K. Kobilka，以表彰他们在G蛋白偶联受体”研究中作出的突出贡献。其中，Robert J. Lefkowitz首先详细地阐述了β2- 肾上腺素及其相关受体的序列、结构和功能，同时他还发现了两个可以调控其功能的蛋白家族，即G蛋白偶联受体(GPCR)和β-arrestins。 而Brian K. Kobilka则因为其在 GPCR 结构和活性方面的研究而为世人所知。

G蛋白偶联受体是一类膜蛋白受体的统称。所谓膜蛋白，顾名思义，它长在细胞膜上。G蛋白偶联受体具有很多不同的种类，每一种结构皆有所不同，但不管是哪一类，都跨越细胞膜七次。这也是G蛋白偶联受体最典型的特征之一。

当某些化学物质，比如气味分子，药物中的有效成分，和G蛋白偶联受体结合时，会引起G蛋白偶联受体的结构发生改变，这种改变，又会使其他物质产生变化，层级传递之下，引起各种各样的生物效应。目前已经知道的和 G 蛋白偶联受体相互作用的化学物质或者激活因子，包括气味、费洛蒙、激素、神经递质、趋化因子，等等。这些受体可以是小分子的糖类、脂质、多肽，也可以是蛋白质等生物大分子。

这就好像是工厂里的流水线，各种原料被分拣机分析传递，经由诸多工人的手，最终变成成品。G蛋白偶联受体在其中扮演了分拣机的角色，不仅重要，而且是个多面手。

由于G 蛋白偶联受体的广泛功能性，以及其与癌症等相关信号通路之间的紧密联系，使得 G 蛋白偶联受体作为一个药物设计的靶点，有着十分广阔的应用前景。

倘若你能在小学、中学、大学的诸多考试中脱颖而出，如果你能从基本技能训练、专业技能训练、实验室事故的轮番轰炸下存活，假如你觉得金钱生不带来死不带去、声名与你如浮云，那么，你很可能会成为一个科研工作者。

爱因斯坦和贝尔代表了科研工作者的一种，他们崇高的品格、严肃的态度毋庸置疑，但是相比于国计民生，他们更关注科学本身。对未知的好奇支撑着他们，走上了人类智慧的巅峰。

埃因托芬等则代表了另一条道路，他们在知识和实用之间找到了平衡。

那么你呢，你会选哪一种？

1927年，索尔维会议合影。参加这次会议的29人中有17人获得或后来获得诺贝尔奖

参考文献

1.On a Heuristic Point of View Concerning the Production andTransformation of Light，Ann. Der. Physik，17（1905）132。

2.曹天元. 量子物理史话: 上帝掷骰子吗[J]. 2008.

3.麦振洪. 晶体 X 射线衍射的发现及其深远影响[J]. 现代物理知识, 2003, 15(5): 53-55.

4.美国发现SARS病毒特异RNA片段[J]. 中国生物工程杂志, 2005, 25(1): 95.

5.郭继鸿.百年辉煌，万众泽被——记心电图百年发展史.中国医学论坛报，2014.10.13

6.肖鹏, 杨乐, ZHANG C, et al. G 蛋白偶联受体家族的发现和结构机理研究——2012 年诺贝尔化学奖解读[J]. 生物化学与生物物理进展, 2012, 39(011): 1050-1060.

重庆_Smart

不应取法，不应取非法。