過去幾天，2016年諾貝爾獎的部分獎項陸續(xù)公布，引來關(guān)注無數(shù)。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予日本科學(xué)家大隅良典，以表彰他在細胞自噬機制研究中取得的成就。諾貝爾物理學(xué)獎授予戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們在物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相方面的理論發(fā)現(xiàn)。諾貝爾化學(xué)獎授予讓—皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加，以表彰他們在分子機器設(shè)計與合成領(lǐng)域的貢獻。

大獎為何花落這些科學(xué)家？他們的研究成果意義如何？中國在這些領(lǐng)域的研究又處于怎樣的位置與水平？

細胞“吃掉自己”實現(xiàn)自救

雖然在生命科學(xué)領(lǐng)域相對落后，但在細胞自噬這個具體方向上，我國科學(xué)家處于領(lǐng)先地位

“自噬”字面意思是“將自己吃掉”，實則是一種細胞自身成分降解和循環(huán)的基本過程。通俗地說，細胞可以通過降解自身的非必需成分來提供營養(yǎng)和能量，也可以降解一些毒性成分以阻止細胞損傷和凋亡。美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子微生物學(xué)和免疫學(xué)專家梁承宇博士將其比喻為一種細胞的“自我救贖”。

梁承宇說，從廣義上說，細胞自噬的運轉(zhuǎn)機制更像是細胞內(nèi)龐大運輸機制的一部分。自噬機制就好比是細胞自身凈化和實現(xiàn)自動環(huán)保的一條運輸線。它將細胞內(nèi)代謝廢物以及一些過期無用或有損傷的細胞零件，裝到其獨特的運輸工具——自噬小體中，然后沿著特定路線，送到“垃圾加工廠”——溶酶體中進行回收和廢物再利用。

自噬機制還能在細胞能量匱乏時開啟緊急運輸通道，以供應(yīng)能量。因此，自噬機制是細胞內(nèi)龐大運輸網(wǎng)絡(luò)體系中非常重要的一部分。“它對于維系細胞基本的生存需求與平衡是不可或缺的，”梁承宇說。

“自噬”概念于上世紀(jì)60年代提出，當(dāng)時研究人員就發(fā)現(xiàn)了細胞這種降解自身成分的現(xiàn)象，但有關(guān)機制一直不為人知。

上世紀(jì)90年代初，日本科學(xué)家大隅良典通過利用常見的酵母進行一系列實驗后，發(fā)現(xiàn)了對細胞自噬機制具有決定性意義的基因�；�于這一研究成果，他隨后又闡明了自噬機制的原理，并證明人類細胞也擁有相同的自噬機制。

評選委員會在當(dāng)天發(fā)布的新聞公報中指出，大隅良典的研究成果有助于人類更好地了解細胞如何實現(xiàn)自身的循環(huán)利用。在適應(yīng)饑餓或應(yīng)對感染等許多生理進程中，細胞自噬機制都有重要意義，大隅良典的發(fā)現(xiàn)為理解這些意義開辟了道路。此外，細胞自噬基因的突變會引發(fā)疾病，因此干擾自噬過程可以用于癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的治療。

作為國內(nèi)研究多細胞生物中自噬作用機理和調(diào)控機制的專家，中科院生物物理所研究員張宏與大隅良典在學(xué)術(shù)上有過深入交流。在張宏看來，雖然我國在生命科學(xué)領(lǐng)域仍處于相對落后的地位，但在細胞自噬這個具體方向上，我國科學(xué)家處于領(lǐng)先地位。“細胞自噬是目前國際上生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)有很多團隊投身其中，中科院動物研究所的陳佺教授團隊、清華大學(xué)陳曄光教授、北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部朱衛(wèi)國教授團隊等都有不少原創(chuàng)成果。”張宏說。

清華大學(xué)教授俞立2008年回國任教，對于國內(nèi)近些年在生命科學(xué)領(lǐng)域的進步深有感觸。“如果將細胞自噬研究比作一座大樓，那么中國科學(xué)家已經(jīng)為這座大樓增添了新的樓層。”

“細胞自噬的研究才剛剛開始”，張宏說，中國科學(xué)家有能力在這個領(lǐng)域做出更大貢獻。

將拓撲概念引入物理學(xué)研究

在理論預(yù)言的基礎(chǔ)上，我國科學(xué)家將TaAs中的外爾費米子行為首次展現(xiàn)到世人面前

評選委員會表示，戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨將拓撲概念應(yīng)用于物理研究，是他們?nèi)〉贸删偷年P(guān)鍵。

對很多人來說，“拓撲相變和拓撲相”屬于讓人望而生畏的深奧理論。

拓撲本身是一個數(shù)學(xué)概念，描述的是幾何體在連續(xù)彈性形變（不撕破，不截斷）下能夠保持不變的性質(zhì)。“比如，一塊面團無論怎么揉搓，它的外表面上的孔洞數(shù)是0。而如果撕破它，重新粘連，就可以做成面包圈，面包圈的外表面就形成了1個孔洞。這個孔洞的數(shù)目就是面團或面包圈在連續(xù)彈性形變下保持不變的量，是區(qū)分這兩個幾何體的拓撲不變量，即拓撲數(shù)。” 中科院物理所研究員翁紅明說。

不同的物質(zhì)形態(tài)稱之為物質(zhì)的不同“相”或物態(tài)。相變，也就是物質(zhì)“變臉”的過程，即從一種相變換到另一種相的過程。比如水隨著溫度變化而在固、液、氣三態(tài)之間的轉(zhuǎn)化實際上就是相變的過程。相變過程通常伴隨物質(zhì)性質(zhì)、性能的改變。物質(zhì)的“拓撲性質(zhì)”發(fā)生了變化，稱之為“拓撲相變”。拓撲相變伴隨的是拓撲數(shù)的變化。

但是，如果物質(zhì)變得極薄，物質(zhì)的相還在嗎？評選委員會介紹說，平面中的物理現(xiàn)象和我們認知的周圍世界是截然不同的，甚至分布非常稀疏的物質(zhì)中也包含了數(shù)百萬個原子，每個原子的行為都可以用量子物理學(xué)來解釋，而很多原子結(jié)合的時候卻顯示完全不同的屬性。3位獲獎?wù)叩难芯砍晒�正是揭示了拓撲性質(zhì)在量子物態(tài)和量子相變中的決定性影響。

科斯特利茨和索利斯的研究集中在一個平面世界中的“怪現(xiàn)象”，相比于通常描述的三維世界，他們發(fā)現(xiàn)極薄層的表面或內(nèi)部可以被認為是二維的，那里一種被稱為“超流體到正常流體的相變”，主要決定因素與人們以往的認識完全不同。霍爾丹發(fā)現(xiàn)可以利用拓撲概念來解釋一些材料中存在的小磁鐵鏈的特性。他發(fā)現(xiàn)，原子磁性的不同使這些鏈條呈現(xiàn)出完全不同的屬性�；魻柕み�在量子霍爾效應(yīng)方面做了許多開創(chuàng)性工作。

正如瑞典皇家科學(xué)院所說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領(lǐng)域。得益于這3位獲獎?wù)唛_創(chuàng)性的研究，科學(xué)家們現(xiàn)在可以繼續(xù)探索物質(zhì)的新相變。研究人員認為，拓撲材料將在未來的電子和超導(dǎo)體以及量子計算機研發(fā)中得到應(yīng)用。

在拓撲研究領(lǐng)域，我國科學(xué)家也有不少值得稱道的工作，一些研究還處于國際拓撲研究領(lǐng)域的前沿。

翁紅明介紹，早在2009年，中科院物理研究所方忠、戴希等與華人科學(xué)家張首晟合作，理論預(yù)言了目前最為廣泛研究的拓撲絕緣體材料Bi2Se3家族。2014年底，中科院物理所方忠、戴希、翁紅明研究團隊，理論預(yù)言TaAs晶體是非磁性的外爾半金屬。在他們的推動下，2015年，中科院物理所的陳根富小組制備出高質(zhì)量樣品，丁洪、錢天小組使用上海光源“夢之線”觀測到了TaAs中的外爾費米子行為，這是該類特殊的電子第一次展現(xiàn)在世人面前。外爾半金屬是拓撲半金屬研究的一個重要方向。該研究成果被英國物理學(xué)會主辦的《物理世界》評為“2015年度十大突破之一”，同時也被美國物理學(xué)會的《物理》評為“2015年度八大亮點工作”之一。

分子機器為化學(xué)開啟新世界

起步雖晚，但近10年來，我國在新的分子機器的構(gòu)建、原理設(shè)計以及應(yīng)用方面都取得了進展

世界上存在小到只有千分之一頭發(fā)絲粗細的機器嗎？答案就是剛剛助力3位科學(xué)家摘得2016年諾貝爾化學(xué)獎的分子機器。

分子機器是指在分子層面的微觀尺度上設(shè)計開發(fā)出來的機器，在向其提供能量時可移動執(zhí)行特定任務(wù)，是納米研究領(lǐng)域的重點。評選委員會表示，3位科學(xué)家發(fā)明了“世界上最小的機器”，將化學(xué)發(fā)展推向了一個新的維度。

所有的化學(xué)系統(tǒng)都力圖達到平衡態(tài)，可以減少能量消耗，但是這也會形成“僵局”。就像人的生命一樣，人體內(nèi)的分子可以從食物中獲取能量，進而推動人體的分子系統(tǒng)遠離平衡態(tài)，向更高水平的能量狀態(tài)發(fā)展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學(xué)平衡態(tài)，人就會死亡。

3位科學(xué)家的成就能夠獲得諾獎青睞，就在于他們的研究促使分子系統(tǒng)擺脫了平衡態(tài)，并能受控執(zhí)行特定任務(wù)，為化學(xué)的發(fā)展開啟了一個新世界。

據(jù)介紹，3位獲獎?wù)咄瓿闪朔肿訖C器設(shè)計與合成的“三步走”：第一步，索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環(huán)狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；第二步，斯托達特合成了“輪烷”，即將一個環(huán)狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環(huán)狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現(xiàn)了可以上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；第三步，費林加設(shè)計出了在構(gòu)造上能向一個特定方向旋轉(zhuǎn)的分子馬達，這個馬達可以讓1個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉(zhuǎn)起來。分子機器動起來了。

近年來，3位諾獎得主的成果已經(jīng)成為全世界科研人員開發(fā)分子機器的“工具箱”，開創(chuàng)了分子機器的發(fā)展道路。目前已有科學(xué)家在輪烷的基礎(chǔ)上建造出一個可以抓取并連接氨基酸的分子機器人；還有研究人員將分子馬達和長聚合物相連，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，將光能儲存在分子中，有望開發(fā)出新型電池及光控傳感器。

評選委員會表示，分子機器未來很有可能將用于開發(fā)新材料、新型傳感器和能量存儲系統(tǒng)等，為人類的未來提供了無限可能。

復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授黎占亭表示，我國分子機器領(lǐng)域起步雖然較晚，但發(fā)展迅速。尤其是近10年來，國內(nèi)在新的分子機器的構(gòu)建、原理設(shè)計以及應(yīng)用方面都取得了進展，無論是學(xué)術(shù)研究還是分子機器的應(yīng)用探索上，都有不少成果，既在國內(nèi)受到認可，也引起國際關(guān)注。例如，華東理工大學(xué)田禾院士團隊的“有機熒光功能材料”研究，創(chuàng)新合成了新型的可控分子器件和高性能有機光電功能材料，獲得2007年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

黎占亭覺得，未來，中國在分子機器研究領(lǐng)域?qū)�產(chǎn)出更多創(chuàng)新性成果，中國在分子機器領(lǐng)域?qū)⒏�有作為�?/p>

（綜合本報記者喻思孌、肖家鑫、管璇悅、王瑨及新華社記者報道）