当科学走近生命

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  生理学或医学奖·解读 揭开神秘病毒的面纱
  
  三名欧洲科学家因为发现两种引发人类致命疾病的病毒而荣获2008年诺贝尔生理学或医学奖。
  德国人哈拉尔德·楚尔·豪森在上世纪70年代开始的研究中发现导致宫颈癌的HPV(人乳头状瘤病毒),为宫颈癌疫苗今天的诞生奠定了基础。法国人弗朗索瓦丝,巴尔一西诺西和吕克,蒙塔尼在上世纪80年代发现了艾滋病病毒,使医学界找到了确诊艾滋病病毒感染的办法,延缓了这种病毒的传播。
  
  人乳头状瘤病毒
  HPV(人乳头状瘤病毒)的发现,使得宫颈癌成为迄今病因最明确的一种癌症。在此基础上,葛兰素史克等制药公司开发出宫颈癌疫苗,使宮颈癌成为人类可以预防和根除的第一种恶性肿瘤。
  豪森教授在研究中证实了宫颈癌和HPV之间存在联系,并使得医学界最终认识到,几乎所有的宫颈癌都是由HPV引起,其中,大部分的病例可以归咎于两种亚型的HPV,即HPV-16和HPV-18。
  豪森还发现,除了上述两种亚型之外,其他一些亚型的HPV病毒也可能导致宫颈癌。此后一些研究证实,还有十多种亚型的HPV病毒可以导致宫颈癌,其中包括导致宫颈癌的第三大病毒亚型HPV-45和第四大病毒亚型HPV-31。
  豪森的成果使得医学界对于宫颈癌的发病机理有了深入了解,为此后制药公司开发宫颈癌疫苗奠定了基础。其中,葛兰素史克公司开发的“Cervarix”疫苗可以有效抵抗引起宫颈癌的前四大病毒亚型:HPV-16、HPV-18、HPV-45和HPV-31,保护期超过6年。
  宫颈癌是女性最常见的癌症之一,约80%有性行为的女性在一生中随时可能感染HPV病毒。全世界每年有49.3万名女性确诊患有宫颈癌,其中27.3万人死亡,多数是在发展中国家。疫苗的问世使得女性终于可以远离这种恶性肿瘤。医学界发现,女性在有性行为前接种宫颈癌疫苗最为有效。
  
  艾滋病病毒
  1981年,美国一些年轻的同性恋者先后因一种奇怪的疾病死去。美国疾病控制和预防中心意识到问题的严重性,迅速成立了一个专门小组,并将这种奇怪疾病命名为“获得性免疫缺陷综合征”,即人们常说的艾滋病。
  1982年,该中心一项大范围的调查得出结论:艾滋病正在全球迅速蔓延,患者主要为同性恋和静脉注射毒品者,特征是血液中CD4 7淋巴细胞下降至几近于零。那么,艾滋病病原体到底是什么呢?
  1983年,在法国巴黎的实验室中,两名科学家弗朗索瓦丝,巴尔一西诺西和吕克·蒙塔尼开始从淋巴结肿大的同性恋艾滋病早期患者身上提取淋巴细胞。他们认为,艾滋病患者血液内CD4 T淋巴细胞数量迅速减少表明它们可能是艾滋病病毒攻击的目标,定期分析艾滋病早期患者的淋巴细胞有助于找到艾滋病病毒。
  这是一个后来给他们带来无数荣誉的决定,他们很快就发现了人类免疫缺陷病毒(HIV),也就是如今人们熟知的艾滋病病毒。1983年5月,他们的论文发表在美国著名学术期刊《科学》上。
  瑞典卡罗林斯卡医学院在新闻公报中说,发现艾滋病病毒是“从生物学上了解艾滋病和其反逆转录病毒疗法的首要条件”,两名法国人的工作“导致了艾滋病诊断和血液产品筛选方法的出现,艾滋病预防与治疗的结合有效减缓了艾滋病的流行,并大幅提高了艾滋病患者的平均寿命”。不过,目前仍没有有效的艾滋病疗法和疫苗。
  值得一提的是,巴尔·西诺西与蒙塔尼得到了美国科学家罗伯特·加洛的帮助,才真正确认HIV就是他们要寻找的艾滋病病毒。后来,双方一度为到底谁是艾滋病病毒的发现者争论不休,这一争论曾引起法国和美国两个国家之间的法律甚至外交纠纷。
  不过,诺贝尔奖评审委员会说,在科学界,对蒙塔尼和巴尔·西诺西首先发现艾滋病病毒这一点没有争议。双方的争论实际上集中在这之后的诸如诊断工具开发等事务上,但这都以发现病毒为基础。
  
  生理学或医学奖·人物 2008年若贝尔生理学或医学奖得主简介
  
  豪森德国人,1936年出生,36岁担任德国埃朗根-纽伦堡大学病毒学教授,并开始研究人乳头状瘤病毒(HPV)等病毒与宫颈癌之间的关系。他用了十多年时间终于发现某些类型的HPV就是宫颈癌的病原体,这一发现为开发出宫颈癌疫苗打下了基础,豪森现任职于德国癌症研究中心。
  巴尔-西诺西法国人,出生于1947年,自上世纪70年代初以来一直在法国巴斯德研究中心工作。巴尔一西诺西是近年来少有的诺贝尔科学奖女性获得者之一,以研究艾滋病病毒而闻名,是1983年发现艾滋病病毒的论文作者之一。巴尔一西诺西已与其他一些科学家合作发表了200多篇论文。
  蒙塔尼法国人,生于1932年,也是艾滋病病毒发现者之一。蒙塔尼的父亲是会计师,闲暇时喜欢在家里地下室做科学实验。受父亲影响,蒙塔尼从小便对科学感兴趣,由于他祖父长期受结肠癌困扰,所以后来他决定投身医学。蒙塔尼现任职于世界艾滋病研究与防治基金会,主要致力于寻找艾滋病疫苗和疗法。
  
  物理学奖·解读 探索物质世界存在之谜
  
  现代物理学已知理论认为,大约137亿年前,宇宙在一次“大爆炸”中诞生。之后,夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的反粒子构成了物质。粒子和反粒子一旦碰撞,将在释出光后“同归于尽”。因此,如果两者始终并存,整个纷繁复杂的物质世界、包括人类自身都将不会存在。但是,现在的宇宙中只有粒子“幸存”,没有发现反粒子。
  物质为何会多出反物质?对称性破缺是背后的关键原因。据测算,宇宙中物质粒子的数量只要比反物质粒子多出百亿分之一,就足以形成我们今天的物质世界。但为什么会出现这种对称性的微小“偏离”,一直是科学家未能揭开的一个重大谜团。获得今年诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的有关理论,为解释宇宙的构成提供了重要线索。
  在三位科学家中,小林诚和益川敏英早在1973年就提出了“小林一益川理论”,认为造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同。他们还预言存在6种夸克。夸克是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位。
  在小林诚和益川敏英提出预言之初,科学家只发现了3种夸克,因此一直难以证明他们的理论。1995年,6种夸克都被发现。2001年,日本和美国科学家确认了由夸克构成的正反粒子——B介子和反B介子的“CP对称性破缺”现象,从而证明了“小林-益川理论”。现在,“小林-益川理论”已得到全球基本粒子物理学家的普遍认可。
  另一位获奖者、美籍科学家南部阳一郎则是由于发现了自发对称性 破缺机制而获奖。所谓自发对称性破缺,是指一个物理系统的拉格朗日量(概括整个系统动力状态的函数)具有某种对称性,而基态(系统的最低能阶)却不具有该对称性。
  瑞典皇家科学院用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺:一支以笔尖直立于水平面上的铅笔,可以被看成是完全对称的,任何方向对它来说都没有区别;但如果这支铅笔倒在水平面上,它的对称性就被“打破”了,而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶,此时它的状态最为稳定。
  自发对称性破缺的概念最早出现在凝聚态物理中,20世纪60年代被南部阳一郎引入量子场论。他的理论某种程度上揭示出在大自然混乱的表面下所隐藏着的对称性。目前,有关基本粒子物理学标准模型的所有理论中,几乎都渗入了南部阳一郎的成果,标准模型将自然界4种基本力中的3种以及组成所有物质的基本粒子都统一到一套理论之中。
  但标准模型有个致命缺陷,那就是无法解释物质质量的来源。有科学家认为,其中奥妙可能在于自发对称性破缺机制。根据有关理论,在宇宙大爆炸时存在一种处于完全对称状态的“希格斯场”,其中所有粒子都不存在质量。但“希格斯场”就像笔尖直立的铅笔一样并不稳定,随着宇宙逐渐冷却,它的对称性被破坏,一些基本粒子在这一过程中产生不同的质量。
  “希格斯场”理论预言了希格斯玻色子的存在。标准模型预言了62种基本粒子的存在,其他粒子基本都已被实验证实,唯有希格斯玻色子至今仍未现身。今年9月10日正式启动的欧洲大型强子对撞机,重要任务之一就是寻找希格斯玻色子。
  目前,有关对称性破缺和自发对称性破缺仍有许多悬而未决的问题尚待解决。解决了这些问题无疑将有助于人类进一步了解宇宙的起源、更好地认识当今的物质世界。
  
  物理学奖·人物 2008年度若贝尔物理学奖得主简介
  
  南部阳一郎 现年87岁,生于日本,理论物理学家,曾就读于日本东京大学理学部物理系并获博士学位,后加入美国籍,目前在美国芝加哥大学任教授。他在自发对称性破缺研究领域作出了开创性工作,提出了著名的南部一戈德斯通定理,首先将凝聚态物理方法运用于粒子物理理论,并因此获得过沃尔夫奖等学术大奖。
  小林诚 1944年出生,他长期致力于基本粒子理论研究,现为日本高能加速器研究机构名誉教授。
  益川敏英现年68岁,专攻量子场论,现任日本京都大学名誉教授和京都产业大学教授。
  在日本国內外物理学领域各项大奖的获奖名单中,小林诚和益川敏英的名字总是一起出现,他们曾获得2007年“欧洲物理学会高能与粒子物理学奖”等诸多奖项。他们曾提出著名的“小林一益川理论”,根据这一理论作出的有关预言逐渐被实验证实,这一理论也得到全球基本粒子物理学家的普遍认可。
  
  化学奖·解读 现代生物化学的“北斗星”
  
  在没有导航设备的古代,人们走夜路往往需要依靠北斗星判断方向。绿色荧光蛋白正是生物化学中的“北斗星”。在它的指引下,科学家在21世纪初深入大片未知的科学处女地,成果层出不穷。
  瑞典皇家科学院把今年的诺贝尔化学奖授予绿色荧光蛋白的发现者和推广者。其新闻公报说,绿色荧光蛋白“已经成为现代生物科学最重要的工具之一”。在它的帮助下,研究人员能够看到以前所不能见的新世界,这包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。
  20世纪,生物学先后出现两次革命:一是生物化学奠基,其成果包括建立了活体细胞代谢通道的基本原理、了解酶的功能、对蛋白质的结构解析达到原子水平等:二是传统基因学与核酸学结合,形成现代基因组学。通过利用大量的先进分析仪器,这门学科在近年取得包括破译人类基因组图谱等成果。但这两门学科都面临一个重大难题——缺少跟踪活体细胞内部和外部分子实时变化的办法。绿色荧光蛋白的出现,解决了这个难题。
  绿色荧光蛋白是研究中发现的一种副产品。本次诺贝尔化学奖得主之一下村修和同伴在从一种特殊水母中提取水母素时,偶然发现一种在紫外光下发强烈绿色的蛋白。这就是现在大红大紫的绿色荧光蛋白。
  此次同时获奖的马丁·沙尔菲在接下来的研究中指出,水母素和绿色荧光蛋白发光原理不同。水母素仍是荧光酶的一种,需要荧光素才能发光。而绿色荧光蛋白本身就能发光。这意味着,绿色荧光蛋白可以很方便地被植入生物体内,作为一种指示剂,跟踪和判断生物细胞的分子变化。
  第三位获奖者、美籍华裔科学家钱永健在改造绿色荧光蛋白上取得多项成果,世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。现在的荧光蛋白不仅荧光更强,而且除绿色外,还可以呈黄色、蓝色,有的还可激活变色。
  在绿色荧光蛋白与其他技术变革的共同推动下,21世纪是生物学世纪的预言正在成为现实。
  
  化学奖·人物 2008年度若贝尔化学奖得主简介
  
  下村修 现年80岁,出生于日本京都府,1960年获得名古屋大学理学博士学位后赴美,先后在美国普林斯顿大学、波士顿大学和伍兹霍尔海洋生物实验所工作。他1962年从一种水母中发现了荧光蛋白,被誉为生物发光研究第一人。
  马丁·沙尔菲现年61岁,是美国哥伦比亚大学生物学教授,他的主要贡献在于向人们展示了绿色荧光蛋白作为发光的遗传标签的作用,这一技术被广泛运用于生理学和医学等领域。诺贝尔奖评审委员会说,这种蛋白已经成为同时代生物科学研究最重要的工具之一。
  钱永健 1952年出生于美国纽约,现为美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士、国家医学院院士,2004年沃尔夫奖医学奖得主。钱永健的主要贡献在于利用水母发出绿光的化学物来追查实验室内进行的生物反应,他被认为是这方面的公认先驱。
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