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半月谈 读懂2019年诺贝尔科学奖世外桃源藏宝图

发布时间:2019-10-31

  2019年10月7日至9日,一年一度的“诺贝尔颁奖季”公布了三大科学奖——生理学或医学奖、物理学奖、化学奖的得主。从宇宙学的宏大框架,到小小手机的能量来源,今年摘取桂冠的科学家们做出了怎样的不平凡贡献,他们的发现又有何奥妙?

  10月7日,2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,威廉·凯林、彼得·拉特克利夫、格雷格·塞门扎由于发现了氧气感知通路(生命体对缺氧和富氧做出不同反应的分子机制)而获奖。

  “这是一项很伟大的发现,细胞对氧气的响应对于生命的安危非常重要。”有学者表示,面临缺氧的生死威胁时,它给了机体“向死而生”的机会。

  要理解这一诺奖成果,需要先记住两个专有名词:缺氧诱导因子(HIF)、促红细胞生成素(EPO)。

  当机体感受到氧气供应不足时,HIF就好像一杯醒脑咖啡,激活体内基因的转录,使得机体打起“十二万分精神”应对低氧环境,比如召唤来EPO,要求红细胞前来增援。正是研究缺氧如何引起EPO产生,把拉特克利夫和塞门扎引向了HIF的发现,以及整个氧气感知通路的完善。

  其实,即便是不缺氧的状态下,我们的体内也有HIF在不断产生——它并不是在缺氧的时候才产生,而是缺氧的时候才富集。正常情况下,HIF一方面不断产生,另一方面不断降解。这其实是非常浪费资源的,与生命系统“集约为本”的精神不太相符。这也说明HIF在机体里非常重要,世外桃源藏宝图16码。不容有一刻供应不上。

  HIF的重要性还体现在它的迅疾富集速度上。一旦机体意识到缺氧,比如脑梗、心脏缺血等,HIF会迅速在细胞里积累,只需要四五分钟就能够达到很高的浓度。

  这一成果为何重要?高等生物都通过有氧代谢获取能量,生命的过程是将食物转变成能量,并把氧气转变为水。研究表明,人类很多疾病的产生都是由于氧气的利用效率不高造成的。发现人体内的氧气感知通路,不仅意味着发现了一种机体自带的保护机制,还意味着获得了调控氧气利用率的钥匙。

  茫茫宇宙,我们从哪里来?宇宙中还有没有其他类似地球的星球也演化出生命?因为对这两个基本问题的探索成就,三名科学家分享了2019年诺贝尔物理学奖。其中,来自美国的詹姆斯·皮布尔斯因宇宙学的基础研究获奖,来自瑞士的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹因首次发现太阳系外行星获奖。

  “我们从哪里来”,堪称人类一大永恒追问。正是以皮布尔斯为代表的一批科学家上世纪60年代以来奠定的基本框架,让旨在更好理解这一问题的宇宙学成为一门现代科学,并迎来了长达50年的“黄金时代”。

  大约140亿年前,宇宙在大爆炸之初是炙热而密实的。自那以后,宇宙开始不断扩张、变冷。大爆炸约40万年以后,宇宙开始变得“透明”,光线得以穿梭其中。就在这早期辐射中,记录着关于宇宙诞生和演化的秘密。

  利用他创建的理论工具和运算方法,皮布尔斯将宇宙诞生之初留下的“蛛丝马迹”成功解码。根据他的理论可以推算出,宇宙中95%都是神秘的暗物质和暗能量,我们通常观测到的普通物质只占5%。如今,暗物质已成为宇宙学最具挑战性的课题之一。

  许多科学先驱都曾预言,满天繁星中,一定有许多恒星也拥有绕它们旋转的行星。然而那些行星距地球太过遥远,所反射的光又太过微弱,想要“看”到它们并不容易。

  马约尔和奎洛兹的功绩,就是在1995年基于恒星会因行星引力变化而产生微小摆动的理论,宣布首次在太阳系外发现一颗行星。这颗绕着约50光年外飞马座内类日恒星“飞马座51”运转的行星被命名为“飞马座51b”。有人认为这颗行星的发现为人类寻找宇宙中的伙伴带来了新希望;也有人称马约尔和奎洛兹为“新世界的发现者”,认为这一发现堪比哥伦布发现新大陆。

  “飞马座51b”的发现点燃了系外行星探索的星星之火。得益于各类观测技术的突飞猛进,迄今科学家们在银河系发现的行星数量已超过4000颗。

  从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品,到电动车和风能、太阳能等大型储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的“能量源”。

  小电池大作用,这个推动人类社会前进的发明今年终于获得诺贝尔奖的认可。2019年诺贝尔化学奖由美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰分享,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

  锂离子电池依靠锂离子在阴阳极之间的移动产生电流。电池研发,阴阳极材料的选择对于能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂离子电池,使用钴酸锂材料为阴极,碳材料为阳极,具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。而这种电池的基本形态,就是三位获奖研究者于20世纪70、80年代确立的。

  为何想到研制锂离子电池?20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,电池研发形成热潮。当时正致力于超导体研发的惠廷厄姆创新地使用二硫化钛作为阴极材料存储锂离子,以金属锂作为部分阳极材料,制成一款新型电池。但由于金属锂化学特性过于活泼,这种电池具有易爆炸的潜在危险。

  这时,古迪纳夫贡献了恰如其姓——“足够好”(Goodenough)的新灵感。这位创造了诺奖获得者高龄新纪录的科学家在1980年发现,用钴酸锂作为阴极材料更适合存储锂离子。在远隔重洋的日本,吉野彰研发的阳极材料和古迪纳夫的阴极材料形成“天作之合”。吉野彰发现,石油焦炭可作为更好的电池阳极,但他找不到合适的阴极材料。读到古迪纳夫的论文后,吉野彰兴奋难抑:“他的发现给了我所需要的一切!”至此,以钴酸锂为阴极,以碳材料为阳极的锂离子电池诞生。

  1991年,古迪纳夫与吉野彰合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

  诺贝尔委员会认为,锂离子电池不仅有助于我们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式,对于应对气候变化也至关重要。(刊于《半月谈》2019年第20期)