誰贏得2020年諾貝爾科學獎？

2020年諾貝爾科學獎的得主證明了黑洞的真實存在，創(chuàng)造了基因編輯這項改造生命的神奇方法，發(fā)現(xiàn)、鑒定并解析了丙型肝炎病毒。

對于那些取得重大成就的科學家來說，十月的第一周內(nèi)會出現(xiàn)緊張時刻，因為他們或許會接到來自瑞典斯德哥爾摩的電話。那些宣布諾貝爾科學獎花落誰家的機構——頒發(fā)生理學或醫(yī)學獎的卡羅林斯卡醫(yī)學院與頒發(fā)物理學和化學獎的瑞典皇家科學院——通常需要一兩個小時甚至更久來完成獎項公布以及介紹獲獎者非凡成就的流程，而他們選定的頒獎時間也略引微辭，因為他們撥打電話的時分，正值北美某些地區(qū)科學家的睡夢階段。不過相比于斬獲科學領域的最高榮譽，損失些睡眠當然無足輕重。

遙望黑洞

英國所處的時區(qū)帶給了他們的新科諾獎得主以很大的方便。牛津大學的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）爵士家中的電話響鈴時，他正在洗澡。這位89歲高齡的數(shù)學物理學家與來自加州大學洛杉磯分校的安德莉亞·吉茲（Andrea Ghez）和伯克利分校的萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）分享了大獎。彭羅斯對黑洞進行了理論解釋，其余兩位則發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。

眾所周知，黑洞的密度是如此之大，以至于包括光在內(nèi)的所有物質(zhì)都難逃其巨大的引力。黑洞的中心名喚奇點，被認為是一個密度無窮大的點，在那里，已知的物理定律不再適用。這些預測來自愛因斯坦于一個世紀前提出的廣義相對論（它實際上是一個關于引力塑造宇宙的結構和內(nèi)容的理論），而一些科學家經(jīng)過早期的研究，認為黑洞只可能來源于完美對稱的恒星或氣體云的坍縮，但這種情況又不符合現(xiàn)實——愛因斯坦自己也懷疑它們是否真實存在。

因此黑洞理論自提出后，始終撲朔迷離，直至1965年，當時尚未被授予爵位的彭羅斯博士解析出了真實物質(zhì)在坍縮中形成新物質(zhì)的過程。他提出了一個名為“俘獲面”的數(shù)學概念，并以此證明，即使是不對稱的巨大恒星和塵霧（dust clouds）也可以形成黑洞。這項工作為天文學家尋找黑洞提供了理論依據(jù)。

2020年諾貝爾物理學獎得主

根據(jù)定義，直接觀察黑洞是不可能實現(xiàn)的。物理學家們通過觀測分析其引力對相鄰恒星運動的影響來建立關于黑洞的認知。吉茲博士和根策爾博士通過這種方式證明了人馬座A*——位于銀河系中心的明亮的無線電波源——實際上是一個超大質(zhì)量的黑洞，星系里包括太陽在內(nèi)的所有恒星都圍繞它運行。

吉茲博士和她的團隊在夏威夷通過凱克天文臺望遠鏡（主反射鏡寬達10米）進行了觀察。根策爾博士的團隊則在智利阿塔卡馬沙漠的高山上開展觀測，他們所用的一系列望遠鏡主反射鏡寬8米。上述望遠鏡都足以穿透云層窺視銀河系的中心。

兩個研究團隊在過去的30年里各自獨立工作，追蹤了銀河系中心大約30顆最耀眼的恒星（如上圖所示）。其中一顆名為S2的恒星需要16年才能繞行人馬座A*一圈，二者最接近時的距離為17光時。通過這些觀測，天文學家們拼湊出了一張人馬座A*的照片——它是一個質(zhì)量約為太陽400萬倍的黑洞，被壓縮在一個太陽系大小的空間區(qū)域中。

2019年4月，黑洞圖像首次發(fā)布——并非人馬座A*，而是距離地球5 300萬光年，質(zhì)量約為太陽65億倍的M87星系中心的黑洞。該圖像通過事件視界望遠鏡（簡稱EHT）拍攝并處理得到。EHT借助甚長基線干涉技術（簡稱VLBI）結合分布于世界各地的8個射電望遠鏡，構成了一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡；8個“分鏡”聯(lián)合觀測同一目標源并記錄下數(shù)據(jù)，其分辨率遠高于任何單個設備所能達到的水平。隨著技術進步，或許有一天事件視界望遠鏡也能提供人馬座A*周圍區(qū)域更全面的圖像。

修改生命

一如往常，化學獎頒給了一項也適合拿醫(yī)學獎的研究——基因編輯。獲獎者是來自德國馬克斯·普朗克病原體科學研究所的伊曼紐爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和加州大學伯克利分校的詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）。

CRISPR源自一種細菌防御機制：細菌會從病毒入侵者那里剪下一小段DNA序列，并將其復制到自身基因組中，從而創(chuàng)建出一個“剪貼簿”；如果同樣的病毒再次出現(xiàn)，細菌就可以依據(jù)剪貼簿識別出它們。兩位獲獎者將這套機制開創(chuàng)性地應用到了生命體基因的修改上，她們打造的基因編輯工具已經(jīng)被用于設計抗病作物以及新型癌癥療法，或許還有望終結遺傳疾病。

如果基因組可以被看作是某個生物的生命之書，那么CRISPR技術便是能在這本書里識別、選擇、刪除和替換任何特定單詞序列的文本編輯器。編輯者先設計出可與目標DNA序列匹配的向?qū)NA，接著讓它與Cas9酶一起奔赴目的地，到位后的Cas9酶能剪開DNA螺旋，之后，具體的編輯工作便可以展開了。

2011年，在細菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了某種神秘RNA片段的卡彭蒂耶博士策劃了一場與掌握了DNA剪切技法的杜德納博士的會面。她們兩人的合作進展迅速，碩果累累，為此后該技術在醫(yī)學領域的應用奠定了基礎。

不過基因編輯技術一直因倫理問題而飽受爭議。2018年的“基因編輯嬰兒”事件將這一技術推上了輿論的風口浪尖。當時還是南方科技大學副教授的賀建奎通過CRISPR技術編輯了一對雙胞胎女孩的胚胎。編輯思路是通過使胚胎內(nèi)編碼某種蛋白質(zhì)的基因失效，以誘導出機體對HIV的免疫（此蛋白質(zhì)是HIV進入細胞的基礎）。全球?qū)W術界對這項編輯人類胚胎的研究感到震驚和憤怒，并指出該實驗在技術上存在明顯缺陷，給實驗對象帶來了長期的健康風險，其出發(fā)點和必要性更是令人質(zhì)疑。而賀建奎本人于2019年年末，因?qū)嵤┲袊髁罱沟囊陨碁槟康牡娜祟惻咛セ蚓庉嫽顒?，構成非法行醫(yī)罪，被判處有期徒刑三年。

2020年諾貝爾化學獎得主

技術的專利歸屬以及它帶來的利益歸屬也是一個復雜的問題。多年來，加州大學和麻省理工學院-哈佛大學博德研究所一直就基因編輯技術歸屬權的問題爭執(zhí)不下。瑞典皇家科學院把諾獎授予杜德納和卡彭蒂耶，實際上已經(jīng)表明了他們在歸屬爭議上的態(tài)度。

解密丙肝

生理學或醫(yī)學獎頒給了一項老派的醫(yī)學研究——丙型肝炎病毒的發(fā)現(xiàn)、鑒定與解析。

肝炎有兩種主要形式：一種是由甲型肝炎病毒（HAV）引起的急性疾病，病原體通過受污染的水或食物傳播；另一種則由乙型肝炎病毒（HBV）或丙型肝炎病毒（HCV）導致。HBV和HCV主要通過血液傳播，侵入宿主肝臟，嚴重感染者可能有生命危險，它們通常引發(fā)慢性疾病，可能會發(fā)展為肝硬化和肝癌。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，全球有7 000多萬人感染丙型肝炎，每年有40萬名患者死亡。肝炎已經(jīng)成為全球健康問題之一，而血源性肝炎是全世界肝硬化和肝癌的主要原因。

過去，丙肝病毒給輸血工作帶來了不小風險，因為那時人們無法判斷某一批血液內(nèi)是否存在HCV；而現(xiàn)在的情況全然不同，這在很大程度上要歸功于2020年的獲獎者——哈維·奧爾特（Harvey Alter）、邁克爾·霍頓（Michael Houghton）和查爾斯·賴斯（Charles Rice）的工作。

奧爾特博士最早確證了丙肝病毒的存在。20世紀60年代，他的同事巴魯克·布倫伯格（Baruch Blumberg）發(fā)現(xiàn)了乙型肝炎病毒，并因此于1976年獲得了諾貝爾獎，之后更是研制出了乙肝疫苗。1973年，甲型肝炎病毒也在電鏡下進入人類視野。

然而，人們雖已能夠篩查出血液中的HAV和HBV，但輸血引發(fā)肝炎的情況仍然存在。當時在美國國立衛(wèi)生研究院工作的奧爾特與同事研究了接受輸血的患者的肝炎發(fā)生情況，結果發(fā)現(xiàn)有近80%的肝炎病例既非乙肝又不屬甲肝——這意味著有第三種肝炎病毒以血液等體液為傳播途徑，隱匿在人群中無聲地傳播，成為影響輸血乃至人類健康的潛在風險。

2020年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主

1978年，奧爾特等人發(fā)現(xiàn)患者的血液可以將病原體傳遞給黑猩猩，使其患上肝炎。他們將其命名為“非甲，非乙”肝炎。1989年，霍頓博士在Chiron公司利用分子生物學克隆技術分離出了HCV的核酸片段。（Chiron是當時一家位于加州的生物技術公司，后被瑞士制藥巨頭諾華公司收購。）

霍頓等人從被感染黑猩猩的血液中獲得核酸，并提取到DNA片段，其中大部分來自黑猩猩自身基因組。但他們推測有一小部分可能源于某種未知的肝炎病毒，并將其與感染人群產(chǎn)生的抗體進行了對比。經(jīng)過全面搜查，霍頓和同事們最后確定了來自某種新型RNA病毒的陽性克隆就是他們尋找的目標，并將其命名為丙型肝炎病毒。

鑒別出丙型肝炎病毒非常關鍵。但新的謎團又擺在了科學家的面前：丙肝真的是僅由HCV這一種病毒引起的嗎？為了回答這個問題，科學家不得不通過克隆的病毒研究這種HCV能否復制并致病。

華盛頓大學的賴斯博士和同事發(fā)現(xiàn)丙肝病毒基因組末端的一個未知區(qū)域（突變能力極強）可能對病毒復制至關重要。他們推測這些突變可能會阻礙病毒復制。借助基因工程技術，賴斯等人獲得了未失活丙型肝炎病毒的變異體（這種變異體包含在病毒基因組發(fā)現(xiàn)的那個新區(qū)域），并將這種病毒注射到黑猩猩的肝臟中。之后，研究人員在它們血液中檢測到病毒，并觀察到它們出現(xiàn)了與慢性病患者相似的病理變化。這些成果有力證明了丙型肝炎病毒就是引發(fā)當時那個難以解釋的血源性肝炎的唯一元兇。

三位新晉諾獎得主在丙肝病毒方面的工作可以說是里程碑式的醫(yī)學成就。因為他們的發(fā)現(xiàn)，我們現(xiàn)在可以對HCV做高度敏感性的血液檢測，從而基本排除了發(fā)生輸血后肝炎的風險；也因為他們的發(fā)現(xiàn)，針對丙型肝炎的抗病毒藥物的研發(fā)工作進展神速。

資料來源 The Economist