诺奖科学突破：中微子、光遗传与手性分子，现实版“科幻”成真

诺奖科学突破：中微子、光遗传与手性分子，现实版“科幻”成真

科学与技术 | 跳出思维定式

今年的诺贝尔奖得主们，在中微子天文学、光遗传学和镜像分子研究领域开创了先河。

今年晚些时候，当威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑领取诺贝尔物理学奖时，他将独享这份殊荣。大多数物理学奖得主都需要与合作者或竞争对手分享奖项，而哈尔岑博士将是自1992年以来首位独自获得诺贝尔物理学奖的科学家。

周二公布的颁奖词赞扬了他“对冰立方中微子天文台的决定性贡献”。冰立方中微子天文台是一个粒子探测器，覆盖南极附近一立方公里的冰层，汇集了来自14个国家的450名研究人员的努力。然而，据乌普萨拉大学物理学家、诺贝尔物理学奖委员会秘书乌尔夫·丹尼尔森表示，“如果没有他的科学远见，这一切都不可能实现。”

探测中微子需要极强的科学洞察力。中微子不带电（因此得名“中微子”）且体积非常小（因此得名“微子”），它们几乎不受电磁力和引力的影响，能够穿过大多数粒子探测器而不被观测到。它们与普通物质的相互作用主要限于弱核力。

尽管中微子如同幽灵般神秘莫测，但它们在宇宙中却十分丰富。它们是核裂变和核聚变反应的副产品，这使得太阳成为一个强大的近邻中微子源：每秒钟约有650亿个太阳中微子穿过一个指甲盖大小的区域。产生中微子的太阳反应还会释放其他粒子，包括质子。然而，有时到达地球的质子能量比来自太阳的质子高出数百万倍。这表明它们可能来自更遥远、更强大的源。

这些天然粒子加速器究竟是什么，以及它们如何产生如此高能粒子，目前仍知之甚少。质子带电，因此在到达地球的过程中会受到磁场的偏转，这使得它们的起源难以追溯。然而，加速这些质子的相同过程也应该产生高能中微子。20世纪80年代，哈尔岑博士等人意识到，中微子难以与物质相互作用，这使得它们能够畅通无阻地传播很远的距离，并成为来自原本不可见物体的理想信使。

然而，如何探测它们仍然是个问题。以往的中微子探测器依赖于建造大型的四氯乙烯容器（一种干洗剂），然后等待中微子与液体中原子之间罕见的相互作用。虽然类似的方法也可以用于搜寻更为罕见的系外中微子，但要想有机会捕获到它们，就需要比以往建造的探测器大得多的装置。

冰立方探测器的构想由此逐渐成形。它于2004年开始建造，2011年竣工。短短两年内，它就探测到了28个高能宇宙中微子，为探索宇宙打开了一扇新的窗口。周二，当被问及这扇窗口可能揭示什么时，哈尔岑博士在电话中回答说：“真正令人兴奋的是，我现在还无法回答这个问题。”

生理学或医学奖的获得者在阐述其研究的潜在益处时，或许可以更加自信。斯坦福大学的卡尔·戴瑟罗斯、柏林洪堡大学的彼得·黑格曼和维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔因奠定光遗传学的基础而获奖。光遗传学使神经科学家能够利用光瞬间激活单个脑细胞，从而精确地了解特定细胞的活动。这使得研究人员能够探索基础神经生物学以及疾病的神经机制。

故事始于上世纪90年代的黑格曼博士。当时，他正在研究一种名为衣藻的单细胞藻类对光的反应。他发现，衣藻的反应速度比人眼的相应反应速度更快。在人眼视网膜中，一种蛋白质分子探测光线，然后间接触发另一种蛋白质分子（称为离子通道）产生电信号。黑格曼博士推测，在他研究的衣藻中，这一复杂的反应过程被简化了。

用当时的工具验证他的猜测十分困难，直到蓬勃发展的基因组学为他提供了帮助。一个日本研究团队绘制了衣藻的DNA图谱，显示其中包含两个基因，与某些其他生物体中编码光敏蛋白的基因相似。当黑格曼博士寻求纳格尔博士的帮助时，这一发现得到了证实。纳格尔博士将这两个新发现的基因的DNA插入一些青蛙卵中，这些卵随后产生了足够数量的目标蛋白，可以进行测试。正如黑格曼博士预测的那样，它们被证实是光刺激离子通道。

意识到他们的发现后，纳格尔博士和黑格曼博士尝试将一种名为通道视紫红质-2的蛋白质基因插入从仓鼠和人类胚胎中提取的肾细胞中。结果也成功了。换句话说，他们发现了一种使哺乳动物细胞对光敏感的方法。然而，是戴瑟罗斯博士提出了将通道视紫红质-2导入以传递电信号为主要功能的细胞——神经元——的想法。当这一想法得到验证时，培养的大鼠神经元不仅在光照下会产生反应，还能将信号传递给邻近的神经元。

宣布这一发现的论文发表于2005年，但其他研究人员也在探索类似的想法。三年前，当时在纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心的格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）就曾利用果蝇的光敏蛋白进行过类似的研究。正如一些人所指出的，米森伯克博士或许有充分的理由感到恼火。另一个令人惊讶的遗漏是麻省理工学院的神经科学家爱德华·博伊登（Edward Boyden），他曾在斯坦福大学攻读博士学位期间与戴瑟罗斯博士合作。

尽管优先顺序的细节尚不明确，但这一领域此后发展迅猛。戴瑟罗斯博士的实验室率先将之前在培养的大鼠细胞中进行的研究成果复制到活体小鼠大脑中，随后又发明了利用极细光纤照射并刺激神经元群的技巧。这些技巧结合起来，使研究人员能够控制小鼠胡须的运动。

光遗传学如今已成为数千篇论文的研究主题。它正被用于动物实验，以研究抑郁症、精神分裂症、失明、耳聋、痴呆症、成瘾和焦虑症。甚至有人尝试用它来恢复患有视网膜色素变性这种致盲症患者的视力。正如谚语所说，参天大树源于小小的橡子。或者，更确切地说，源于小小的藻类。

如同许多奖项一样，化学奖的评选也受到了生命研究的启发。许多对生物学至关重要的分子都具有手性，能够以两种镜像形式存在，理论上，这两种形式在宇宙中应该以相等的数量存在。然而，自然界却有着残酷的选择性。就生物体而言，氨基酸通常是左旋的，而糖类则是右旋的。正是由于在理解这种不对称性是如何产生的方面取得了进展，巴黎-萨克雷大学的亨利·卡根和东京理科大学的曾合健三才接到了来自斯德哥尔摩的电话。

化学家此前已经能够选择性地合成具有特定手性的分子。然而，所有此类反应都依赖于手性催化剂，而这种催化剂通常由不等量的左旋和右旋分子混合而成。人们假设反应产物中左旋分子与右旋分子的比例会与催化剂本身的比例相匹配。这就带来了一个问题：如果反应只能匹配催化剂的不对称性，那么如何才能产生大规模的不对称性呢？

1986年，卡根博士推翻了这一假设，他发现手性催化剂的性能可以超越这一基准。他从一种左旋分子含量是右旋分子三倍的催化剂入手，设计出的反应能够产生一种左旋分子含量是右旋分子含量六倍的溶液。这是一个显著的改进，但仍然不足以将无生命物质近乎完全的对称性转化为生命体所展现的近乎完全的手性。

是索艾博士弥合了这一鸿沟。他在2003年发表的论文中证明，可以通过对含有微小手性分子不平衡的溶液进行工程改造，从而制备出手性不断增强的催化剂。这种自放大效应可以实现快速变化。例如，仅重复三次反应，索艾博士就使溶液的不对称性提高了63万倍。

后来被称为索艾反应的这种反应，并非生命手性产生的途径。首先，索艾博士使用的试剂在40亿年前不可能存在。但是，正如一位评奖委员会成员解释的那样，这仍然是自数十亿年前生命诞生以来，首次有人利用非手性分子组合创造出手性。