探索世界 永不止步
——2022年諾貝爾自然科學獎解讀

文|葉雨婷 張渺 張茜

從人類起源，到量子奧秘，再到分子結構，即使從事的工作與科學研究毫無關聯(lián)，人們?nèi)匀粚@些前沿領域充滿興趣。這可能就是人類與生俱來的對未知事物的好奇心。

我們思考自身命運，好奇人類來自何方，是什么讓人類與眾不同；我們將視線投向微觀世界，好奇粒子之間奇妙的超距糾纏；我們好奇分子構建塊是如何有效地結合在一起的。在這個龐大而充滿未知的世界里，人類的探索永遠不會止步。

探索人類起源：揭示演化之謎

10月3日，2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉，瑞典科學家斯萬特·帕博獲獎，以表彰他“在已滅絕古人類基因組和人類進化方面的發(fā)現(xiàn)”。

帕博發(fā)現(xiàn)，在大約7萬年前人類離開非洲后，基因從這些現(xiàn)已滅絕的古人類轉(zhuǎn)移到了智人身上。這種古老的基因流向現(xiàn)代人類，在今天具有生理相關性，比如影響人們免疫系統(tǒng)對感染的反應。

不僅如此，帕博還建立了一門全新的科學學科——古基因組學。他通過揭示現(xiàn)存人類與滅絕古人類之間的基因差異，為探索“是什么使我們成為獨一無二的人類”提供了基礎。

來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站的相關資料指出，現(xiàn)代智人大約起源于30萬年前的非洲，人類的近親尼安德特人大約40萬年前到3萬年前在非洲以外的歐洲和西亞居住，智人和尼安德特人在歐亞大陸共存了數(shù)萬年。

尼安德特人頭骨和斯萬特·帕博教授

對于人類與已滅絕的尼安德特人的關系，人們長期以來了解甚少。關鍵的線索來自基因組信息。到20世紀90年代末，幾乎整個人類基因組都已得到測序。然而，研究現(xiàn)代人與尼安德特人之間的關系，需要對從遠古樣本中收集的基因組DNA進行測序。

帕博意識到了技術上的難度。隨著時間推移，DNA會被化學修飾、降解成片段。數(shù)千年后只剩下微量的DNA，并且殘留的DNA會被細菌和當代人類的DNA污染。帕博開始開發(fā)研究尼安德特人DNA的方法，這項工作持續(xù)了幾十年。

2010年，帕博發(fā)表了首個尼安德特人基因組序列：尼安德特人和智人最近的共同祖先生活在大約80萬年前。帕博和團隊分析尼安德特人和來自世界不同地區(qū)的現(xiàn)代人之間的關系。對比分析表明，尼安德特人的DNA序列與起源于歐洲或亞洲的當代人類的DNA序列更相似，而不是非洲。

這意味著，尼安德特人和智人在共存中進行了雜交。在現(xiàn)代具有歐洲或亞洲血統(tǒng)的人類中，1%～4%的基因組來自尼安德特人。

2008年，帕博教授的團隊對西伯利亞南部一塊距今4萬年前的指骨碎片進行DNA測序。結果引起了轟動：帕博發(fā)現(xiàn)了一種以前不為人知的古人類，命名為“丹尼索瓦人”。與來自世界不同地區(qū)的同時代人類的基因序列比較表明，丹尼索瓦人和智人之間也發(fā)生過基因流動。這種關系首先在美拉尼西亞和東南亞其他地區(qū)的人群中被發(fā)現(xiàn)，那里的個體攜帶高達6%的丹尼索瓦人DNA。

如今，因為帕博的發(fā)現(xiàn)，人們終于可以了解到，這些已經(jīng)滅絕的“親屬”們的古老基因序列仍影響著當今人類。

探索微觀世界：“糾纏”也很美麗

著名物理學家費曼曾說，世界上沒有人真的懂量子力學。量子力學描述的一些現(xiàn)象看上去有些“反常識”，不僅讓普通人頭疼，也讓很多物理學家頭疼。

10月4日，諾貝爾獎官方網(wǎng)站公布，2022年諾貝爾物理學獎得主為法國物理學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·塞林格。他們用光子糾纏實驗確認貝爾不等式在量子世界不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學。

“三位科學家都使用糾纏量子態(tài)進行了突破性的實驗。在量子糾纏中，兩個粒子即使在分離時，也像整體一樣。他們的成果為基于量子信息的新技術掃清了道路?！边@是諾貝爾獎官方網(wǎng)站對三位科學家科研成果的描述。

事情可以從1935年說起。當時，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，提出量子力學還不完備，應該還有尚未發(fā)現(xiàn)的理論，即某種隱變量，可以完整解釋物理系統(tǒng)所有可觀測量的演化行為，以避免任何不確定性或隨機性。三位物理學家設計了一個有關量子糾纏的思想實驗來論證這一觀點，這篇論文的論述后來被稱為“EPR佯謬”（EPR為三人姓名首字母縮寫）。

20世紀60年代，物理學家約翰·貝爾基于“EPR佯謬”提出了貝爾不等式，并設計了一個思想實驗，使“EPR佯謬”具備了被實驗驗證的可能性。論文發(fā)表之后的幾十年，物理學者想出很多種實驗來檢試貝爾不等式，其中就包括如今的三位獲獎者。

糾纏示意圖

想要驗證貝爾不等式需要很高的實驗條件，直到20世紀70年代，驗證工作才陸續(xù)開始。約翰·克勞澤首先進行了嘗試，然而他的實驗仍然存在一些漏洞。1982年，阿蘭·阿斯佩第一次真正意義上驗證了貝爾不等式。實驗結果違背貝爾不等式，這說明隱變量不存在，量子力學是“非定域性”的。

1997年，由安東·塞林格所領導的因斯布魯克大學研究組首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證。次年，他們讓光子飛出相距400米，這一實驗使得“將量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到遠處的一個粒子”成為可能。

人類對未知的探索永無止境，量子力學充滿了難以言喻的美麗。

如今，許多基于量子力學的研究成果都已經(jīng)在應用領域發(fā)揮一定作用，比如正在快速發(fā)展的量子計算機和量子加密通信技術。

探索化學王國：讓復雜變簡單

有時候，簡單的答案才是最好的。

2022年諾貝爾化學獎授予美國化學家卡羅琳·露絲·貝爾托西、丹麥化學家摩頓·梅爾達爾、美國化學家卡爾·巴里·夏普萊斯，以表彰他們“開發(fā)點擊化學和生物正交化學”。

2022年諾貝爾化學獎公布現(xiàn)場

三位科學家的科研成果是一個“簡化困難”的過程?？枴ぐ屠铩は钠杖R斯和摩頓·梅爾達爾為化學的一種功能形式——點擊化學奠定了基礎。在這種化學中，分子構建塊快速有效地結合在一起?？_琳·露絲·貝爾托西將點擊化學帶入了一個新的維度，并開始將其應用于生物體。

事實上，卡爾·巴里·夏普萊斯是第二次獲得諾貝爾獎。2000年前后，他提出了點擊化學的概念，這是一種簡單可靠的化學形式。

不久之后，摩頓·梅爾達爾和卡爾·巴里·夏普萊斯相互獨立地發(fā)現(xiàn)了點擊化學王冠上的明珠——銅催化疊氮化物炔烴環(huán)加成反應。這是一種優(yōu)雅而高效的化學反應，目前已被廣泛使用，比如被用于開發(fā)藥物、繪制DNA圖譜和創(chuàng)建更能滿足需求的材料。

卡羅琳·露絲·貝爾托西則將點擊化學提升到了一個新的水平。為了在細胞表面繪制重要但難以捉摸的生物分子——聚糖，她開發(fā)了在生物體內(nèi)起作用的點擊反應，即生物正交反應。生物正交反應不會破壞細胞的正?；瘜W反應，被用于探索細胞和追蹤生物過程。

貝爾托西關注的一個領域是腫瘤細胞表面的聚糖。她的研究揭示了一些聚糖似乎可以保護腫瘤免受人體免疫系統(tǒng)的影響，因為它們會使免疫細胞無法發(fā)揮作用。為了阻斷這種保護機制，她和同事們發(fā)明了一種新型生物藥物。這種藥物目前正在對晚期癌癥患者進行臨床試驗。

雖然我們現(xiàn)在還不能確定這些新療法是否有效，但有一點是明確的，點擊化學和生物正交化學的巨大潛力才剛剛開始顯現(xiàn)。