2020年諾貝爾科學(xué)獎：敬畏生命 心懷宇宙

（本刊綜合）

丙型肝炎的發(fā)病機制是什么，黑洞是如何被發(fā)現(xiàn)的，基因剪刀如何開啟生命科學(xué)研究新時代……10月初，2020年諾貝爾獎三大自然科學(xué)獎項得主陸續(xù)揭曉，8位科學(xué)家分別獲得生理學(xué)或醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)獎項。諾貝爾科學(xué)獎解決了什么問題？解決這些問題的價值何在？

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：捕獲狡猾病毒的“獵手”

相比耳熟能詳?shù)募赘闻c乙肝病毒，大家可能對丙型肝炎病毒不太了解。而今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎3位得主哈維·阿爾特、邁克爾·霍頓與查爾斯·賴斯的獲獎理由就是發(fā)現(xiàn)丙型肝炎病毒。那么，發(fā)現(xiàn)這個并不“出眾”的病毒，有什么了不起？

在上述3位科學(xué)家的研究之前，人們已大致掌握了病毒性肝炎發(fā)生及未來引起肝硬化甚至肝癌的途徑，但除了已知的甲型、乙型肝炎外，仍有一部分血源性肝炎無法解釋其機制。

1974年，一例輸血后出現(xiàn)的非甲非乙型肝炎病例引發(fā)社會關(guān)注。隨后，阿爾特證實：一些接受輸血的人會患上并非由甲型或乙型肝炎病毒引起的肝炎，這表明另一種感染源是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

此后15年間，許多研究人員試圖探究真相。直到1989年，邁克爾·霍頓與同事們利用分子生物學(xué)方法，終于找到引起這種不明原因肝炎的癥結(jié)——是一種病毒，并成功分析出病毒基因序列，克隆了該種病毒，將其命名為丙型肝炎病毒。

然而，單是病毒就能導(dǎo)致肝炎嗎？為回答這個問題，科學(xué)家們必須研究克隆的病毒能否復(fù)制并導(dǎo)致疾病。對此，另一位科學(xué)家賴斯給出了最終證明：單是丙型肝炎病毒就可以導(dǎo)致不明原因的輸血傳播性肝炎病例。

事實上，丙型肝炎病毒異常“狡猾”，它可在體內(nèi)潛藏10年至20年，約80%急性丙肝患者沒有癥狀，漏診率高達90%。而肝癌又與病毒性肝炎關(guān)系密切。2017年，世界衛(wèi)生組織把丙肝病毒列入一類致癌物清單。

這3位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)讓直接作用于丙肝的抗病毒藥物研發(fā)與血液檢測成為可能。2013年起，隨著一系列新藥問世，丙肝正式進入完全治愈時代，目前已有數(shù)百萬丙肝患者的生命得到挽救。

諾貝爾物理學(xué)獎：揭開銀河系中心最黑暗的秘密

黑洞“吸”走了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。獎項一半授予羅杰·彭羅斯，另一半授予萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲，前者是因為“發(fā)現(xiàn)廣義相對論預(yù)測了黑洞的形成”，后者則因為“發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞”。

愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統(tǒng)的空間和時間概念。他的方程式預(yù)言了黑洞的存在：大質(zhì)量的天體會使空間彎曲、時間減慢，一個超大質(zhì)量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片“絕對黑暗”的空間，這就是黑洞。值得一提的是，愛因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

然而，在愛因斯坦去世10年后，彭羅斯用巧妙的數(shù)學(xué)方法論證了黑洞可以形成，并對其進行了詳細描述：在黑洞的核心隱藏著一個奇點，它的時空曲率無窮大，密度也趨于無限大。一旦物質(zhì)開始坍縮，就沒有什么能阻止坍縮的繼續(xù)，所有物質(zhì)只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的“單行道”。

彭羅斯這篇開創(chuàng)性的論文發(fā)表于1965年1月，至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻?，F(xiàn)在，黑洞的中心存在奇點已成為科學(xué)界的普遍認識。

根澤爾和格茲的研究則圍繞黑洞周圍的天體展開。 從20世紀(jì)90年代初開始，兩人各自領(lǐng)導(dǎo)一個天文學(xué)家小組，開始探索銀河系中心一個叫作人馬座A*的區(qū)域。

兩個研究團隊在數(shù)十年如一日的觀測后得出一致結(jié)論：銀河系中心存在一個質(zhì)量非常大且看不見的天體，在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn)。對這個看不見的天體，目前唯一合理的解釋就是它是一個黑洞。

諾貝爾物理學(xué)獎評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎儀式上表示，今年獲獎?wù)邆兊陌l(fā)現(xiàn)為研究致密和超大質(zhì)量天體開辟了新天地。但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進一步解答的問題，并激發(fā)未來的研究。

諾貝爾化學(xué)獎：重寫生命密碼的工具

2020年諾貝爾化學(xué)獎授予法國女科學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷和美國女科學(xué)家珍妮弗·道德納，以表彰她們在基因組編輯方法研究領(lǐng)域作出的貢獻。這里的基因組編輯方法，指的正是當(dāng)下熱門的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。

脫氧核糖核酸（DNA）是重要遺傳物質(zhì)，它呈螺旋互繞的雙鏈結(jié)構(gòu)，在DNA鏈條上含有遺傳信息、具有某種功能的DNA片段就是基因。基因編輯技術(shù)可以斷開DNA鏈條，對其進行改動，然后重新連接。由于對DNA鏈條有剪斷操作，因此該技術(shù)被形象地稱為“基因剪刀”。

基因編輯技術(shù)在20世紀(jì)90年代就已出現(xiàn)，但曾經(jīng)非常耗時，甚至難以完成。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，可在幾周內(nèi)改變DNA。

CRISPR全名為“成簇的、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列”，是細菌防御病毒侵入的一種機制。2012年法國科學(xué)家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國科學(xué)家珍妮弗·道德納發(fā)表研究指出，她們開發(fā)出CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。這項技術(shù)隨后成為生物醫(yī)學(xué)史上第一種可高效、精確、程序化修改細胞基因組包括人類基因組的工具。

相比此前的技術(shù)，CRISPR/Cas9技術(shù)具有成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢，使得對基因的修剪改造“普通化”，因此風(fēng)靡整個生物學(xué)界。

就像在科學(xué)領(lǐng)域時常發(fā)生的“偶然”那樣，“基因剪刀”的發(fā)現(xiàn)過程也出乎意料。沙爾龐捷在研究化膿性鏈球菌時，發(fā)現(xiàn)了一種未知分子——tracrRNA。研究顯示，tracrRNA是細菌的古老免疫系統(tǒng)“CRISPR/Cas”的一部分，能通過切割病毒的DNA來使病毒“繳械”，從而消除其危害。

沙爾龐捷2011年發(fā)表了上述研究成果。同年，她與道德納開始合作研究。在一次具有劃時代意義的實驗中，她們對“基因剪刀”進行改造。在天然形式下，這種“剪刀”能識別出病毒中的DNA。但是沙爾龐捷和道德納發(fā)現(xiàn)能對“剪刀”施加控制，這樣一來就能在任何預(yù)先設(shè)定的位置切割任何DNA分子。一旦DNA被切割，那么重寫生命的密碼就變得簡單了。

科學(xué)界普遍認為，“基因剪刀”技術(shù)為生命科學(xué)研究開啟了一個新時代，是21世紀(jì)以來生物技術(shù)方面最重要的突破。