2016年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖、化学奖相继揭晓

聊聊拓扑，看看我们

　　过去几天，2016年诺贝尔奖的部分奖项陆续公布，引来关注无数。

　　诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大隅良典，以表彰他在细胞自噬机制研究中取得的成就。诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。诺贝尔化学奖授予让—皮埃尔·索瓦日、弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加，以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。

　　大奖为何花落这些科学家？他们的研究成果意义如何？中国在这些领域的研究又处于怎样的位置与水平？

　　细胞“吃掉自己”实现自救

　　虽然在生命科学领域相对落后，但在细胞自噬这个具体方向上，我国科学家处于领先地位

　　“自噬”字面意思是“将自己吃掉”，实则是一种细胞自身成分降解和循环的基本过程。通俗地说，细胞可以通过降解自身的非必需成分来提供营养和能量，也可以降解一些毒性成分以阻止细胞损伤和凋亡。美国南加州大学医学院分子微生物学和免疫学专家梁承宇博士将其比喻为一种细胞的“自我救赎”。

　　梁承宇说，从广义上说，细胞自噬的运转机制更像是细胞内庞大运输机制的一部分。自噬机制就好比是细胞自身净化和实现自动环保的一条运输线。它将细胞内代谢废物以及一些过期无用或有损伤的细胞零件，装到其独特的运输工具——自噬小体中，然后沿着特定路线，送到“垃圾加工厂”——溶酶体中进行回收和废物再利用。

　　自噬机制还能在细胞能量匮乏时开启紧急运输通道，以供应能量。因此，自噬机制是细胞内庞大运输网络体系中非常重要的一部分。“它对于维系细胞基本的生存需求与平衡是不可或缺的，”梁承宇说。

　　“自噬”概念于上世纪60年代提出，当时研究人员就发现了细胞这种降解自身成分的现象，但有关机制一直不为人知。

　　上世纪90年代初，日本科学家大隅良典通过利用常见的酵母进行一系列实验后，发现了对细胞自噬机制具有决定性意义的基因。基于这一研究成果，他随后又阐明了自噬机制的原理，并证明人类细胞也拥有相同的自噬机制。

　　评选委员会在当天发布的新闻公报中指出，大隅良典的研究成果有助于人类更好地了解细胞如何实现自身的循环利用。在适应饥饿或应对感染等许多生理进程中，细胞自噬机制都有重要意义，大隅良典的发现为理解这些意义开辟了道路。此外，细胞自噬基因的突变会引发疾病，因此干扰自噬过程可以用于癌症和神经系统疾病等的治疗。

　　作为国内研究多细胞生物中自噬作用机理和调控机制的专家，中科院生物物理所研究员张宏与大隅良典在学术上有过深入交流。在张宏看来，虽然我国在生命科学领域仍处于相对落后的地位，但在细胞自噬这个具体方向上，我国科学家处于领先地位。“细胞自噬是目前国际上生命科学领域的研究热点，国内有很多团队投身其中，中科院动物研究所的陈佺教授团队、清华大学陈晔光教授、北京大学医学部朱卫国教授团队等都有不少原创成果。”张宏说。

　　清华大学教授俞立2008年回国任教，对于国内近些年在生命科学领域的进步深有感触。“如果将细胞自噬研究比作一座大楼，那么中国科学家已经为这座大楼增添了新的楼层。”

　　“细胞自噬的研究才刚刚开始”，张宏说，中国科学家有能力在这个领域做出更大贡献。

　　将拓扑概念引入物理学研究

　　在理论预言的基础上，我国科学家将TaAs中的外尔费米子行为首次展现到世人面前

　　评选委员会表示，戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨将拓扑概念应用于物理研究，是他们取得成就的关键。

　　对很多人来说，“拓扑相变和拓扑相”属于让人望而生畏的深奥理论。

　　拓扑本身是一个数学概念，描述的是几何体在连续弹性形变（不撕破，不截断）下能够保持不变的性质。“比如，一块面团无论怎么揉搓，它的外表面上的孔洞数是0。而如果撕破它，重新粘连，就可以做成面包圈，面包圈的外表面就形成了1个孔洞。这个孔洞的数目就是面团或面包圈在连续弹性形变下保持不变的量，是区分这两个几何体的拓扑不变量，即拓扑数。” 中科院物理所研究员翁红明说。

　　不同的物质形态称之为物质的不同“相”或物态。相变，也就是物质“变脸”的过程，即从一种相变换到另一种相的过程。比如水随着温度变化而在固、液、气三态之间的转化实际上就是相变的过程。相变过程通常伴随物质性质、性能的改变。物质的“拓扑性质”发生了变化，称之为“拓扑相变”。拓扑相变伴随的是拓扑数的变化。

　　但是，如果物质变得极薄，物质的相还在吗？评选委员会介绍说，平面中的物理现象和我们认知的周围世界是截然不同的，甚至分布非常稀疏的物质中也包含了数百万个原子，每个原子的行为都可以用量子物理学来解释，而很多原子结合的时候却显示完全不同的属性。3位获奖者的研究成果正是揭示了拓扑性质在量子物态和量子相变中的决定性影响。

　　科斯特利茨和索利斯的研究集中在一个平面世界中的“怪现象”，相比于通常描述的三维世界，他们发现极薄层的表面或内部可以被认为是二维的，那里一种被称为“超流体到正常流体的相变”，主要决定因素与人们以往的认识完全不同。霍尔丹发现可以利用拓扑概念来解释一些材料中存在的小磁铁链的特性。他发现，原子磁性的不同使这些链条呈现出完全不同的属性。霍尔丹还在量子霍尔效应方面做了许多开创性工作。

　　正如瑞典皇家科学院所说，今年的获奖研究成果开启了一个未知世界的领域。得益于这3位获奖者开创性的研究，科学家们现在可以继续探索物质的新相变。研究人员认为，拓扑材料将在未来的电子和超导体以及量子计算机研发中得到应用。

　　在拓扑研究领域，我国科学家也有不少值得称道的工作，一些研究还处于国际拓扑研究领域的前沿。

　　翁红明介绍，早在2009年，中科院物理研究所方忠、戴希等与华人科学家张首晟合作，理论预言了目前最为广泛研究的拓扑绝缘体材料Bi2Se3家族。2014年底，中科院物理所方忠、戴希、翁红明研究团队，理论预言TaAs晶体是非磁性的外尔半金属。在他们的推动下，2015年，中科院物理所的陈根富小组制备出高质量样品，丁洪、钱天小组使用上海光源“梦之线”观测到了TaAs中的外尔费米子行为，这是该类特殊的电子第一次展现在世人面前。外尔半金属是拓扑半金属研究的一个重要方向。该研究成果被英国物理学会主办的《物理世界》评为“2015年度十大突破之一”，同时也被美国物理学会的《物理》评为“2015年度八大亮点工作”之一。

　　分子机器为化学开启新世界

　　起步虽晚，但近10年来，我国在新的分子机器的构建、原理设计以及应用方面都取得了进展

　　世界上存在小到只有千分之一头发丝粗细的机器吗？答案就是刚刚助力3位科学家摘得2016年诺贝尔化学奖的分子机器。

　　分子机器是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器，在向其提供能量时可移动执行特定任务，是纳米研究领域的重点。评选委员会表示，3位科学家发明了“世界上最小的机器”，将化学发展推向了一个新的维度。

　　所有的化学系统都力图达到平衡态，可以减少能量消耗，但是这也会形成“僵局”。就像人的生命一样，人体内的分子可以从食物中获取能量，进而推动人体的分子系统远离平衡态，向更高水平的能量状态发展，这样人体才有可能利用这些能量推动肌体正常工作，维持生命。而一旦人体处于化学平衡态，人就会死亡。

　　3位科学家的成就能够获得诺奖青睐，就在于他们的研究促使分子系统摆脱了平衡态，并能受控执行特定任务，为化学的发展开启了一个新世界。

　　据介绍，3位获奖者完成了分子机器设计与合成的“三步走”：第一步，索瓦日成功合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子，而且这两个分子能够相对移动；第二步，斯托达特合成了“轮烷”，即将一个环状分子套在一个哑铃状的线形分子轴上，且环状分子能围绕这个轴上下移动，并成功实现了可以上升高度达0.7纳米的“分子电梯”和可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”；第三步，费林加设计出了在构造上能向一个特定方向旋转的分子马达，这个马达可以让1个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。分子机器动起来了。

　　近年来，3位诺奖得主的成果已经成为全世界科研人员开发分子机器的“工具箱”，开创了分子机器的发展道路。目前已有科学家在轮烷的基础上建造出一个可以抓取并连接氨基酸的分子机器人；还有研究人员将分子马达和长聚合物相连，形成复杂的网络，将光能储存在分子中，有望开发出新型电池及光控传感器。

　　评选委员会表示，分子机器未来很有可能将用于开发新材料、新型传感器和能量存储系统等，为人类的未来提供了无限可能。

　　复旦大学化学系教授黎占亭表示，我国分子机器领域起步虽然较晚，但发展迅速。尤其是近10年来，国内在新的分子机器的构建、原理设计以及应用方面都取得了进展，无论是学术研究还是分子机器的应用探索上，都有不少成果，既在国内受到认可，也引起国际关注。例如，华东理工大学田禾院士团队的“有机荧光功能材料”研究，创新合成了新型的可控分子器件和高性能有机光电功能材料，获得2007年度国家自然科学奖二等奖。

　　黎占亭觉得，未来，中国在分子机器研究领域将产出更多创新性成果，中国在分子机器领域将更有作为。