读懂2013诺奖，发现世界更奇妙

2013年诺贝尔生理学或医学奖：

获奖人：美国的詹姆斯- E·罗斯曼、兰迪- W·谢克曼和德国的托马斯- C·苏德霍夫

获奖理由：发现了细胞囊泡运输系统的运行与调节机制，破解了细胞“寄包裹”的秘密

2013年诺贝尔物理学奖：

获奖人：比利时的弗朗索瓦·恩格勒和英国的彼得·希格斯

获奖理由：从理论上预言了希格斯玻色子的存在，人类关于物理世界的一系列假说因此产生

2013年诺贝尔化学奖：

获奖人：美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和亚利耶·瓦谢尔

获奖理由：用计算机揭开化学反应的奥秘，将传统的化学实验搬到了虚拟世界

2013年诺贝尔生理学或医学奖：

亲，寄去的囊泡收到了吗

“吹泡泡”的细胞

这3位科学家的发现可能让你眼前一亮，那就是他们发现了细胞是能够“吹泡泡”的！没错，如果在电子显微镜下，你能看到一个个定格在“吹泡泡”瞬间的细胞们，而这些“泡泡”对细胞来讲，意义重大，它们吃喝拉撒全靠这“泡泡”。

这事情还得从细胞膜说起，也就是细胞最外边那层边界。这层细胞膜着实不简单，它是由一类被称为磷脂的分子作为基本成分的，这种分子和我们常说的脂肪有几分相像。它是一种半液态的状态，在上面还“漂浮”混杂着一些蛋白质分子。这种半液态的膜很柔软，可以脱落下一部分，也可以和其他的膜融合。

你可以这样想象，一个水滴表面布满了薄薄的油层，将它和周围的水隔绝了开来，而这个水滴不时会脱落下一个更小的布满油膜的水滴“泡泡”，然后这个小水滴游游荡荡，遇到了相邻的大水滴，两个水滴碰撞在一起，接着合二为一，这是多么奇妙的现象！而在这个过程中，物质被从一个细胞传递到了另一个细胞！

细胞“货运”之谜被解开了

细胞膜可以向外释放出囊泡，很多病毒就是通过这样的方式脱离了被感染的细胞，然后去寻找新的宿主细胞。但事情比我们所想象的还要复杂一些，细胞要知道何时释放出囊泡，更要让囊泡到达目的地，而且这种运输还不仅限于细胞之间，甚至在细胞内也能够发生。细胞内部被很多类似细胞膜的膜结构分割成不同的功能区域，这些功能区域之间也通过囊泡进行传递。打个比方，就像我们网上买了东西，卖家会给我们寄包裹一样，细胞与细胞之间，以及细胞自身内部，也有着无数的“包裹”要寄来寄去，这些“包裹”就是细胞囊泡。

谢克曼发现，细胞中某些基因所合成的蛋白质能够引导细胞内的囊泡运输，使它们运往不同的区域，与那里的膜结构融合。他通过改变这些基因，成功地将囊泡运送到了不同的区域。罗斯曼则更进一步，他发现原来这些蛋白质是镶嵌在囊泡表面的，它们能够和目标区域膜上的蛋白质互补，当囊泡运动到那里的时候，就像握手一样，来自两个膜的蛋白质紧紧“抓”在一起。如果双方不匹配，就“手滑了”，不会发生结合。接下来，就在双方结合的蛋白质的作用下，两个囊泡融合了，就好比水面上两个相互接触的油滴，你用指尖轻轻一蘸，两滴油就被引导融合了，当然，这个比喻并不完全准确。

来自细胞内部的囊泡还能够与细胞膜融合，像抖袋子一样把里面的东西丢到细胞外去，而事实上这更常见，叫作“胞吐”，我们也可以换个更大众的名字，那就是分泌。苏德霍夫便是从神经细胞入手，研究了这个过程。那些神经细胞发出了很多枝杈般的突起，并且在通过突起相互接触。当一个神经细胞兴奋的时候，它会想办法去刺激下一个神经细胞，通过胞吐的方法释放出神经递质，引起下一个神经细胞的兴奋或抑制。

而细胞也可以用膜来包裹住环境里面的物质或者水分，然后向内鼓出囊泡，这个过程被称为“胞吞”或者“胞饮”。如人体的吞噬细胞可以用这种方法吞噬病菌，然后在体内消化掉它们，再以胞吐的方式将残渣排出。

至此，我们可以构建出一幅生物体内物质运输的景象，细胞通过胞吞从体液中获取物质，然后通过胞吐把物质排放到体液中，而在细胞内，囊泡也在传递着各种物质——这便是细胞之中最重要的物质运输景象之一。

小泡泡，大前景

根据3名科学家的发现，每个细胞都是一个生产和传送分子的工厂，分子通过细胞周围的囊泡，在正确的时间传送到细胞和身体所需部位。这一成果除去能够更好地让我们了解生命运作的机理外，还有广泛的应用意义。

例如，他们的基础发现将有助于治疗因为细胞运输混乱而引起的疾病，如肿瘤、神经性疾病、糖尿病以及免疫组织紊乱等。只要掌握了问题所在，我们可以使用药物针对相应的蛋白质，也可以去修正那些对应的基因，从而达到治疗的目的。

同时，这也给我们送药提供了便利。我们未来也许能够利用这种方式，人工制造一些这样的囊泡，然后把药物填装在里面，这样就能直接将药物导入到目的细胞里面，大大提高了药效。

另一方面，由于很多病毒都是利用细胞内吞进入细胞内侵染宿主细胞，等在宿主细胞内大量复制后，再通过外排的形式释放到感染者的体液中，如艾滋病的病原体HI V。如果我们能够进一步研究这些机制，就有可能阻断这一传播途径，很多不治之症也将有控制的可能。

因此，关于细胞囊泡运输的探索之路才刚刚开始，一切仍需我们继续努力。

2013年诺贝尔物理学奖：

“上帝粒子”，不只上帝看得到

自然界存在着四大最基本的力，即引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力。奠定了力学基石的牛顿发现了引力，但却没能弄清楚引力到底是什么，更没有搞清楚与之密切相关的质量又是什么。

爱因斯坦尝试解开这些谜题，他鼓捣出了能量=质量×光速2这样的公式，也证明了引力是一种力场，甚至和玻色两个人鼓捣出了“玻色子”这个基本粒子的概念，来解释引力场的传播问题。玻色子以光速传播，而且如波一般可以叠加。爱因斯坦还希望将四种相互作用力统一起来，也许，自然界中只有一种最基本的力，但他最终也没能实现这个理想。

当代物理学家试图用多种玻色子来解释这四种力，如胶子是强相互作用力的原因、光子是电磁相互作用的媒介、W及Z玻色子是弱相互作用的造就者、引力子是引力的原因等。与玻色子对应的是费米子，这些粒子有质量，速度低于光速，并且不能叠加，否则就会碰撞。但这仍不足以解释质量的出现。

于是希格斯等人预言，存在一种玻色子，能够使费米子拥有质量，被后人称为“希格斯玻色子”。按照他们的推测，137亿年前，宇宙在爆炸中诞生，初成之时，所有的粒子都以光速在空间中运动，包括后来形成的希格斯玻色子。之后，随着宇宙的冷却，希格斯玻色子冻结形成了均匀的结构，它们的存在阻碍了费米子的运动，使这些粒子减速，然后具备了质量，而玻色子则不受影响。

这说法显然会让很多人感觉脑袋不够用，英国官方甚至为此征集可以让政客们看得懂的比喻，于是有了这样的说法：政客们均匀地分布在一间屋子里面，当一个普通人经过时，没人关注他，他没有任何阻力地通过了屋子，可当首相到来时，这些政客们则会因为各种原因围拢过来，聚集在首相的周围，使首相不得不减速……

这些慢下来的费米子开始组合在一起，形成中子、质子直至原子和我们所熟知的物体。如果将空间中的希格斯玻色子撤除，我们身上的电子等粒子就立刻会以光速飞出，原子解体——这显然不是我们想看到的场面。于是，希格斯玻色子以维持物质世界稳定的作用而被称为“上帝的粒子”。

但是，以上都是推测，除非我们能够找到这个粒子。2013年初，科学家终于利用大功率对撞机找到了它的蛛丝马迹。这是科学前进的一大步，人类关于物理世界的一系列假说因此得以证实，一个新的纪元由此展开。

2013年诺贝尔化学奖：

把化学实验“放进”电脑里

化学家的难题

化学反应是非常微观的变化，一支试管中的反应可能在千分之一秒内完成，化学家想要捕捉到反应的过程变得非常困难，所以，很多时候要靠计算。

经典的分子力学可以通过考虑原子之间电荷的引力和斥力等来计算出分子的大致结构，化学家们更是习惯了以此为基础制作出球棍模型，摆放在桌子上把玩。这些模型可以将很大的分子结构解读出来，但是却不能用来描述原子中的电子的运动特征和能量，也就是无法预测出反应的结果。除非，将量子力学引入到化学反应中来，它能充分关注原子核和每一个电子，但是这样一来，精细的描述必然对应着海量的计算。化学家们只能在小分子上算一算，绝对没有胆量触及那些稍大一些的分子，甚至连溶剂的影响都无法计算，至于那些包含了数十万甚至更多原子的生物大分子，更是想都不敢想的。

就在化学家们一筹莫展的时候，马丁·卡普拉斯等科学家则开始把目光锁定在计算机上。

虚拟化学反应

计算机拥有远超人类大脑的计算能力，如果用它来描述分子的结构和预测反应的结果，是不是会容易很多呢？

但是即使是计算机，也无法利用量子力学将大分子的每一个部分进行监控和分析，这时候，他们采取了一种折中的创新——用经典物理学来描述分子的绝大部分，而用量子力学来描述分子的化学反应的活性中心，从而来模拟和预测整个反应的过程。在他们的计算机模型中，牛顿和他的苹果与薛定谔和他的猫携手合作了。

在用计算机成功模拟了简单的视网膜反应以后，他们开始把注意力转向生物体内主要的催化物质——酶上面。1976年，第一个酶促反应的计算机模型诞生了。这个程序是革命性的，因为它适用于任何种类的分子，帮助对各种分子甚至是真正的大生物分子建模。当模拟化学反应时，尺寸再也不是问题了。

他们还进一步节省了计算工作量，让计算机“放弃”分子中的每个他们不感兴趣的部分。研究已经表明，在计算过程中可以合并一些原子。这样，计算的效果就更好。

现在，科学家已经能够借助计算机模拟极复杂的化学反应，然后可以一点一点关注反应所发生的过程了。

化学的革命

以计算机为媒介，从不同的尺度去模拟复杂的化学系统，这无疑是化学界的革命。通过该模型，我们不仅可以观察过程，也可以改造分子设计实验。我们可以关注酶的催化过程，改变其中一些原子的位置，验证酶的“工作效率”，重新设计酶，之后将催化等过程最优化。

再比如，在模拟药物如何到达体内靶蛋白的实验中，电脑可直接对与药物相互作用的靶蛋白原子执行量子理论计算，精确分析出药物发生作用的全过程，全面评估药物造成的影响。

前进的脚步不止于此。莱维特在其著作中描述了他的梦想之一：在分子水平上模拟生物体。这是一个诱人的想法，他们现在拥有多尺度复杂化学系统模型这个强有力的工具，但是他们需要一台超级强大的计算机，并且要深入探讨复杂性科学和自组织理论。至于能够走多远，带给我们的认知有多深，则要由时间来决定。

小链接：生物大分子

生物大分子是生物界特有的分子，执行特定的生命功能。它们的规模远远超过了非生物界的分子，常见的生物大分子包括蛋白质、多糖（如纤维素、淀粉等）和核酸（DNA和RNA）。

小链接：复杂性科学与自组织

我们周围充满了这样的现象——粒子之间通过几种简单的相互作用，最终构成了这个丰富多彩的世界。但是几种简单的相互作用真的能够形成复杂有序的结构吗？这便是复杂性科学要探讨的。

2005年，数学家克利夫·瑞特尔决定通过计算机程序，模拟水分子之间的几种相互作用力，制作雪花！结果，程序运行过程中，他真的获得了和现实中几乎一样的六角形“雪花”！而整个程序运行中，他只输入了两个参数。这种按照某些规则、自发形成有序结构的行为，就是自组织。