自科諾獎：實現不可能的任務

在科學領域，所謂“權威”“定論”“主流看法”都不是真理。此路不通，那就另辟蹊徑。“顛覆現有認知”、“開辟新的研究道路”、“繞過經典光學的束縛”……享受不羈人生，才能摘獲不凡諾獎。

10月6日至8日，2014年度諾貝爾三大自然科學獎項逐一揭曉。生理學或醫(yī)學獎得主發(fā)現了“大腦內部的定位系統(tǒng)”——一種可以定位和導航的腦神經細胞，對攻克阿爾茲海默癥（老年癡呆癥）等腦部疾病，可能意味著“重大飛躍”。物理學獎青睞的藍色發(fā)光二級管（LED）則帶給人們更明亮、穩(wěn)定、節(jié)電、節(jié)材的光源。而化學獎得主使光學顯微技術突破到納米尺度，幫助科學家直觀地看到腦部神經細胞間的突觸如何形成。

奇妙的是，這三項為人類健康和生活帶來莫大福音的科學成果，之前都曾被認為幾乎是“不可能實現的任務”。大腦功能問題已困擾科學家好幾百年，光學顯微技術被認定“永遠不可能獲得比所用光半波長更高的分辨率”，藍光LED同樣是一個長期性難題，令無數科學家鎩羽而歸。

“這簡直不太可能，我從未預料到，這是一項崇高的榮譽。”10月6日，2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者之一的約翰·奧基夫在接受采訪時顯得非常激動。

瑞典卡羅琳醫(yī)學院宣布，將2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予擁有美英雙國籍的科學家約翰·奧基夫以及兩位挪威科學家梅·布里特·莫澤和愛德華·莫澤，以表彰他們發(fā)現大腦定位系統(tǒng)細胞的研究。

諾貝爾獎評選委員會在聲明中說，今年獲獎者的研究成果解決了困擾科學界幾個世紀的難題，發(fā)現了大腦的定位系統(tǒng)，即“內部的GPS”，從而使人類能在空間中定位自我，有助于進一步了解人類大腦空間記憶的中樞機制。

大腦是怎樣構造出一幅描述人們所處環(huán)境的地圖，人們又是如何在復雜環(huán)境中找到線路的？幾個世紀以來，這個問題一直困擾著哲學家和科學家們。

1957年，世界上首個切除雙側海馬腦區(qū)以治療嚴重癲癇的病例被報道，患者術后失去了形成新的長時間記憶的能力，空間認知也出現障礙，這些變化首次證實了人類的“認知地圖”可能存在于海馬腦區(qū)。

此后，全球神經科學家都把研究重心放在了海馬腦區(qū)，他們都在做一個相同的實驗：把電極放在小鼠的海馬腦區(qū)，然后不斷進行光、電、熱等刺激，希望找到與刺激相對應的神經元改變。然而，14年間都沒有人給出答案。

直到1971年，約翰·奧基夫發(fā)現了海馬腦區(qū)的“位置細胞”。奧基夫只是對實驗設計進行革新，便改寫了歷史。他的實驗過程是：小鼠在一個箱子里自由活動，電極被埋置在小鼠海馬腦區(qū)，小鼠在活動中每經過一個特定區(qū)域，一個海馬神經元（位置細胞）就會開始發(fā)放動作電位，與此同時，記錄神經元放電的設備閃爍燈光，并發(fā)出“呲呲”的放電聲。

1978年，奧基夫等人編寫了《海馬是一個認知地圖》一書，第一次比較完整系統(tǒng)地闡述了海馬腦區(qū)的功能，以及空間認知行為機制。在此基礎上，莫澤夫婦于2005年在海馬腦區(qū)上游的“內嗅皮層”區(qū)域發(fā)現了“網格細胞”，當小鼠運動不同距離時，特定的神經元會被激活，當內嗅皮層上百萬神經元放電情況累計后，小鼠就可以判斷自己的運動軌跡。

此后，莫澤夫婦又陸續(xù)發(fā)現嗅腦其他細胞能同時判斷距離和方向以及環(huán)境的“邊界”，而上述細胞與“位置細胞”構成一條完整的回路。這一回路系統(tǒng)構成了一個復雜的定位體系，大腦內置“GPS”的運轉機制被揭示。

隨著諾獎的頒發(fā)，梅·布里特·莫澤和愛德華·莫澤也晉升為“諾獎夫婦俱樂部”成員，成為迄今第5對獲得諾貝爾獎的夫妻搭檔。該俱樂部的成員是獲得過諾貝爾獎的多位科學家夫婦，包括瑪麗·居里和皮埃爾·居里。

莫澤夫婦都是挪威科技大學卡夫利科系統(tǒng)神經科學研究所和記憶生物學中心的教授，二人一起創(chuàng)始了該研究中心，在過去數十年中領導了一系列腦機理的前沿研究。愛德華和梅·布里特的家庭都沒什么學術背景和氛圍，愛德華曾在采訪中提到，“我們成長的地方，沒有幾個人受過大學教育，也沒人會去要求。根本沒有人知道要怎么去做這些事?！?/p>

梅·布里特提及婚姻在她研究中的作用時說，她和丈夫有相同的愿景，樂于相互溝通和理解，并致力于解決兩人共同關心的問題?！爱斖蝗幌氲揭粋€問題時，你能馬上和丈夫探討，而不是或不得不計劃在幾周后開一次會，兩者效果截然不同。”

現在，人們隨處可見LED的“倩影”：它在電腦前閃爍，在城市的霓虹燈中展露燦爛笑臉，它是黑暗中新型手電里的一束光，也組成了廣場中央的電視墻……城市和世界的光彩來自于科學家的心血。

10月7日，日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二因發(fā)明“高亮度藍色發(fā)光二極管”榮膺2014年諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評選委員會在聲明中表示，三位獲獎者在發(fā)明新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍光LED方面做出了巨大的貢獻。借用藍光LED，白光可以以新的方式被創(chuàng)造出來。使用LED燈，人們可以擁有更持久和高效的燈光代替原有光源，不僅能為人類節(jié)省大量能源，也能照亮全球更多地方。

1962年，美國通用電氣公司34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見光的LED。1972年，何倫亞克的學生喬治·克勞福德站在巨人的肩膀上，發(fā)明了第一顆橙黃光LED，亮度是先前紅光LED的10倍，這標志著LED向提高發(fā)光效率方向邁出第一步。

20世紀70年代末，LED已經出現了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，并被用于機器儀器的顯示光源，但依然沒有藍光LED。由于光的三原色中包含有紅、綠、藍，藍色光源的缺失，使得照明的白色光源總是無法獲得。藍光LED的市場價值巨大，也是當時世界性的攻關難題，引無數科學英雄競折腰。

1973年，當時供職于日本松下電器公司東京研究所的赤崎勇最早開始了藍光LED的研究。后來，赤崎勇和天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發(fā)，1989年首次成功研發(fā)了藍光LED。1993年，在日本日亞化學工作的39歲的中村修二終于發(fā)明了基于氮化鎵和銦氮化鎵的具有商業(yè)應用價值的藍光LED，從而引發(fā)了照明技術的新革命。

不久之后，人們在藍光LED的基礎上加入黃色熒光粉，就得到了白色光LED，利用這種熒光粉技術可以制造出任何顏色光的LED，如紫色光和粉紅色光等。藍光和白光LED的出現拓寬了LED的應用領域，使全彩色LED顯示、LED照明等應用成為可能。據預測，到2020年，LED光源可能成為最便宜的光源，如果屆時人人用上LED，全球照明耗電將減少一半。

得獎雖是眾望所歸，但獲獎者的身份卻再次讓不少人嘖嘖驚嘆。

中村修二曾經只是一個普通公司的職員，生活在日本一個叫阿南的小城市里，因為與工廠鬧矛盾才離開。而之前，他也只是一個不知名大學畢業(yè)的碩士生。2002年，田中耕一獲得諾貝爾化學獎也是如此，一時間化學界并不知道這個人是誰。尋究起來才發(fā)現，他只是一個擁有本科學歷的小職員。

小職員登上大舞臺，一次次創(chuàng)造奇跡。這些堪稱偉大的成就與他們在科學道路上的堅守和探索精神密不可分。

1988年，中村修二提出要制備氮化鎵藍光發(fā)光二極管，而此時，其他人都還在十年如一日地生產磷化鉀砷化鎵。沒有實驗員沒有助手，中村修二卻在短短四年時間內獲得了理想的試驗結果。

已經80多歲的赤崎勇也曾是在神戶工業(yè)公司（現富士通公司）和松下電器產業(yè)公司從事科研工作的一名職員。對待科研，他一直都強調堅持不懈和不氣餒的精神。他在一次對年輕研究人員的講話中說道：“即使是失敗，也絕對不要放棄。想做一件全新的事情，失敗會如影隨形。在失敗的情況下，不要氣餒、不言放棄非常重要。另外，對研究來說，直覺也非常重要，而直覺需要在經歷無數次失敗的過程中培養(yǎng)?！?/p>

瑞典皇家科學院10月8日宣布，將2014年諾貝爾化學獎授予美國科學家埃里克·貝齊格，德國科學家斯特凡·黑爾和美國科學家威廉·莫納，以表彰他們?yōu)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡所做的貢獻。

長期以來，光學顯微鏡的分辨率被認為不會超過光波波長的一半，這被稱為“阿貝分辨率”。諾貝爾化學獎評選委員會在當天的聲明中說，借助熒光分子的幫助，今年獲獎者們的研究成果巧妙地繞過了經典光學的這一“束縛”，他們開創(chuàng)性的成就使光學顯微鏡能夠窺探納米世界。

由于光會衍射，一個發(fā)光點被眼睛或底片捕捉到的是一塊暈斑。19世紀德國光學家阿貝發(fā)現，兩個點靠太近，近到光波的一半左右，顯微鏡下就顯示為一塊暈斑。根據“阿貝極限”，傳統(tǒng)顯微鏡能看清200納米以上的細菌，但看不見200納米以下的病毒和蛋白質分子。

后來，電子顯微鏡問世了。電子也是一種光波，波長極短，電子顯微鏡分辨率可以突破200納米?！暗?，電子顯微鏡時間分辨率低，不能觀察運動的東西?！敝锌圃夯瘜W所研究員方曉紅說，“要觀察生物，得把對象冷凍了，放進真空。沒法看到活著的細胞器怎么運動和行使功能。”

一直到20世紀90年代，鉆研顯微鏡技術的德國人黑爾提出了新辦法。他給普通的光源套上了一個面包圈一樣的環(huán)裝光源。“面包圈”負責“擦除”。

兩束光波長是一定的，一束用來激發(fā)熒光分子使其發(fā)光；環(huán)形的一束則將大部分熒光抵消，只留下中間一塊納米大小的區(qū)域。顯微鏡通過對樣本逐個納米地進行掃描，生成的圖像分辨度終于突破了200納米。黑爾給他的這項發(fā)明取名STED，即“受激發(fā)射損耗”。

回憶起研究成果，黑爾稱自己的研究最開始時遭到業(yè)內人士的強烈抵制，“人們覺得這個‘極限自1873年就存在，再去做一些研究有點瘋狂，不太現實”?！叭欢?，20世紀有那么多物理學研究發(fā)現，我覺得一定有某種東西或現象能幫助你突破那個極限，”黑爾說，“我一直都樂于挑戰(zhàn)事物，挑戰(zhàn)公共智慧?！?/p>

STED技術之后，另一些技術方案也獲得成功。此次兩位美國諾獎得主的PALM技術，思路就截然不同。STED是靠擦除光暈提高分辨率，PALM則是打開和關閉單個分子的熒光，并設法讓光點不要挨得太近。

利用生物基因改造，被觀察的蛋白質分子與熒光蛋白質分子整合。燈泡要發(fā)熒光，先得被一種特定波長的激光激活。當受到波長488納米的光激發(fā)時，蛋白開始發(fā)出熒光，但不久就會逐漸熄滅。PALM技術的要訣就是每次只給很低能量的激光，這樣，燈泡的大海之中，只有幾個激活，燈泡挨在一起的幾率基本為零。PALM會拍很多張照片，每張照片上，都有稀稀拉拉、位置清楚的發(fā)光分子，疊加在一起就顯示出蛋白質分子精確的分布。（本刊綜合）※