2007:六人分摘三大科学诺奖

　　柯南

　　2007年的诺贝尔奖在过去的一周里落下帷幕，共有两位美国科学家、一位英国科学家、一位法国科学家和两位德国科学家获得了自然科学领域的三大奖项。他们的研究涉及操纵基因、生产氮肥，甚至和播放音乐有关。

　　剔除基因：“你总会发现有篇论文使用了这些技术”

　　小鼠一直是生物实验室的宠物。在过去的20年里，由于基因剔除技术的发展，小鼠在实验室的地位变得愈加重要，是生物学家研究哺乳动物基因功能的最有力工具。而这一切要感谢三位生物学家的工作。10月8日，瑞典卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖委员会宣布，美国犹他大学的马里奥·卡佩奇（MarioCapecchi）、英国加的夫大学的马丁·伊文思（MartinEvans）和美国北卡罗来纳大学教堂山分校的奥利弗·史密斯（OliverSmithies）获得了2007年的诺贝尔生理学或医学奖。他们三人将分享1000万瑞典克朗（约合154万美元）的奖金。

　　“今年的诺贝尔奖得主获得了一系列关于胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组的突破性发现，”卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖委员会在一份新闻稿中说：“他们的发现导致了一种极为有力的技术的诞生，即小鼠的基因打靶技术。如今它已经用于生物医学的几乎所有领域——从基础研究到新疗法的开发。”

　　卡佩奇、伊文思和史密斯三人的研究最终导致了小鼠这种最普通的实验室动物获得了新生——如今，科学家可以关闭小鼠的指定基因（即使之失去作用），从而研究这种基因的作用。在20世纪80年代初，这样操纵小鼠的DNA还被认为是不太可能的。

　　卡佩奇和史密斯各自独立想到了一种称作“同源重组”的现象可以用于准确地操纵某一基因。在同源重组的过程中，一对（DNA折叠后形成的）染色体会相互交换同源区域的基因。如果把与目标基因类似但是加以修改的基因送给细胞，这种修改后的基因就可能通过同源重组准确地插入到细胞的基因组中。这种技术的诀窍在于，你可以制作一个与目标基因很相似但是不起作用的基因，从而让目标基因失去作用。

　　卡佩奇和史密斯的这一方法当时受到一些科学家的怀疑。上世纪80年代初，美国国立卫生研究院（NIH）拒绝为此提供资助，认为这一方法“不值得研究”。

　　这样的挫折对卡佩奇而言并不是第一次。卡佩奇1937年生于意大利。3岁多的时候，盖世太保把他的母亲投入了集中营，他被寄养在另一个家庭，4岁半的时候不得不走上街头，从一个城市流浪到另一个城市，有时候还要偷食物充饥。他的母亲在集中营里幸存了下来，战后与他奇迹般地重逢。随即母子俩移民到了美国。在美国，他进入了哈佛大学学习，曾师从DNA的发现者之一詹姆斯·沃森。

　　卡佩奇和史密斯的基因打靶方法最终被证明是可行的。“这是剔除一个基因的最有力的方法，”北京大学生命科学学院的院长饶毅说，“RNA干扰技术不如基因敲除那么可靠和精确。”

　　1984年，卡佩奇再次向NIH申请资助很快被批准了。这一次，NIH告诉卡佩奇：“我们很高兴你没有听从我们的建议。”

　　但是仅仅修改培养皿中的细胞的基因并不能满足科学家的需要。另一块拼版来自当时在英国剑桥大学的伊文思。1981年，伊文思和他的同事从小鼠胚胎中提取出了胚胎干细胞，它可以分化成各种组织器官的细胞。美国加州大学旧金山分校的女科学家GailMartin也在同年稍晚的时候公布了类似的成果。“很不幸，3人名额的限制使她没有得到应有的承认。这种情况在过去也发生过，”饶毅说，“当然，伊文思实验室培养了许多人，而且做了很多工作推动胚胎干细胞应用于转基因动物和基因剔除动物。”

　　伊文思证明了把经过修改的胚胎干细胞重新注入到另外的小鼠胚胎中，最终能培育出基因被修改的小鼠。1986年，这两项技术开始结合到了一起，特定基因被关闭的小鼠最终诞生了。这种小鼠被习惯地称为“基因敲除小鼠”。后来，科学家还开发出了可以控制基因在小鼠发育的特定时刻关闭的技术。

　　小鼠的基因组与人类的非常类似，因此基因敲除小鼠在生物医学研究中扮演着非常重要的角色。例如，卡佩奇利用基因敲除小鼠发现了一些基因在器官发育和身体结构形成的过程中发挥的功能。而史密斯用这种技术建立了高血压和动脉硬化的小鼠模型。

　　基因敲除小鼠的家族迅速壮大，迄今已经有超过1万种小鼠基因被科学家逐一“敲除”。

　　如今，科学家已经测出了小鼠的基因组序列，尚有另外约1万种基因的功能等待科学家去发现。几个国家已经开始着手培育全套基因敲除小鼠，这意味着科学家在未来有可能像在网上购书一样方便地获取特定基因被敲除的小鼠，用于自己的研究。

　　这种关闭特定基因的技术的应用是如此普遍，以至于“翻开一本今天的学术杂志，你总会发现有篇论文使用了这些技术”。今年已经82岁高龄的史密斯说。他出生于英国，后来加入美国国籍。20世纪50年代的时候他还曾改进过凝胶电泳（用于鉴别不同分子）的技术。伊文思则生于1941年，是三位获奖者中最年轻的一位。他于2004年被英国女王封为爵士。

　　巨磁阻效应：“我把这个想法放在了冰箱里……”

　　2008年5月的某个时候，人类迄今为止建造的最大型粒子加速器——大强子对撞机（LHC）将投入运行，这个庞然大物产生的数据量将是空前的：它将日以继夜地以每秒100兆字节的速率为物理学家提供数据（这相当于在不到一分钟的时间内填满一张普通的DVD光盘），最终这些数据将保存在计算机硬盘上。倒退几年，存储这些天文数字般的数据几乎是一项不可能的任务。

　　由于两位2007年诺贝尔物理学奖获得者的工作，不仅仅是贮存超级加速器的数据，在口袋里携带成千上万首歌曲也成为现实。不论你在纸上或是在电脑里读到的文本，其中都离不开他们的发现。10月9日,瑞典皇家科学院宣布，法国巴黎南大学（巴黎第十一大学）的阿尔贝·费尔（AlbertFert）和德国于利希研究中心的彼得·格林贝格尔（PeterGrünberg）获得了本年度的诺贝尔物理学奖。

　　评奖委员会说，他们获奖的原因是由于发现了“巨磁阻效应”，“正是由于这种技术，近年来硬盘才可能变得极为微型化”。

　　“我相信这是一个绝妙的例子，表明了一个意外的科学发现如何能够对技术产生超乎寻常的影响——磁存储技术产生了显著的增长。”美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系的大卫·奥斯查姆（DavidAwschalom）教授告诉笔者。用磁场贮存信息有很长的历史。盒式录音带把声音以强弱不同的磁场的形式记录下来。在电脑里也有一个类似的装置。这个称作硬盘驱动器的装置最初是由国际商用机器公司（IBM）于1956年开发的。信息以微小的磁场区域的形式保存在硬盘上。为了不断提高硬盘的存贮容量，磁场区域就要缩小，磁场也就越弱。这就需要更加灵敏的磁头（传感器）来读出这些磁场所保存的信息。

　　在1997年之前，硬盘的磁头通常利用一种称作“磁阻”的物理现象工作——早在150年前，英国物理学家开尔文勋爵就发现了磁场的变化可以改变铁和镍等导体的电阻。不过，磁阻磁头的灵敏度很低，它的电阻变化范围只有百分之几。

　　1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现，如果用铁和铬制成夹层只有数十个原子厚度的薄膜电阻，磁场的变化导致的电阻变化大得令人吃惊。因此这种现象被称作“巨磁阻”。

　　在发现巨磁阻效应之前，物理学家就已经知道了这种效应的原理：在金属中负责导电的电子拥有一种称为“自旋”的量子力学属性。磁场的方向会影响到不同自旋方向的电子在导体中运动的能力，也就影响了导体的电阻。

　　但是当时利用电子自旋的技术还不成熟。“我把这个想法放在了冰箱里，”费尔在接受《科学》杂志网站采访时说，“然后到了80年代，制造这类材料才变得有可能。”因此，诺贝尔奖委员会将巨磁阻效应称作“充满希望的纳米技术领域最早的实际应用之一”。

　　费尔和格林贝格尔在实验室制造的巨磁阻器件费时费力，而且难于大规模生产。感谢IBM的研究员斯图尔特·帕金（StuartParkin），他改进了巨磁阻器件的生产方法，让工厂可以批量生产巨磁阻器件。1997年，硬盘开始使用巨磁阻磁头，其容量也开始出现另一次飞跃。

　　“帕金博士帮助把这些发现变成了可制造的技术，而且他对商业领域也有巨大的影响。”奥斯查姆说。不过，帕金的名字并没有出现在这次物理奖的获奖名单上。

　　巨磁阻效应不仅最终导致了iPod等便携式硬盘音乐播放器的出现，它还标志着一门新的学科“自旋电子学”的开始。通过巧妙地操纵电子的自旋，科学家预测，在不久的将来可能出现关闭电源也不会丢失信息的计算机内存。

　　表面化学：“你必须有耐心，那是非常重要的”

　　这是一个很浅的研究领域，浅到只有数个原子的深度。但是它的重要性让这个领域的先驱者之一获得了今年的诺贝尔化学奖。10月10日，瑞典皇家科学院宣布，德国马克斯·普朗克学会弗里茨—哈伯研究所的格哈德·埃特尔（GerhardErtl）由于“对固体表面的化学过程的研究”而获得了2007年的诺贝尔化学奖。

　　埃特尔的研究领域是表面化学。诺贝尔奖委员会说，埃特尔的见解为现代表面化学提供了科学基础，他的方法既可以应用在学术研究，也可以应用在工业研发中。美国化学会主席凯瑟琳·亨特（CatherineHunt）在祝贺埃特尔获奖的时候说：“我很高兴化学奖认可了一个常常没有受到公众注意的化学领域，然而这个领域在许多方面改变了我们的生活。”她说，表面化学的研究为消除空气污染技术到现代电子产品的创新奠定了基础。

　　尽管公众对表面化学领域感到陌生，“了解埃特尔教授的人们对他的获奖其实并不惊奇，”波鸿鲁尔大学化学系的汪跃民博士说，“因为他在表面科学领域很久以来一直享有极高的声誉和威望，今年的获奖其实是众盼所归。”

　　诺贝尔奖委员会说，埃特尔的成果之一是弄清了合成氨的哈伯—博施法的运作机制。氨是生产农作物所需的氮肥的原料。大多数农作物需要人工添加氮肥才能获得较高的产量。空气中存在大量的合成氨的免费原料——氮气。德国化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博施因为发明和改进了用氮气和氢气人工合成氨的方法而分获1918年和1931年的诺贝尔化学奖。

　　这个方法能够运作的关键之一是铁。铁不会出现在反应的产物中，但是可以促进反应的发生。化学家把这种角色称之为催化剂。但是铁如何促进了氮与氢的结合？这是一个哈伯和博施都没能回答的问题。利用一系列的现代表面分析技术，埃特尔解决了这个难题：氮分子被铁的表面分解吸收，形成单个氮原子。氮原子然后与氢原子结合，产生氨分子。此外，埃特尔还研究过用于消除汽车尾气一氧化碳的钯催化剂。诺贝尔奖委员会说，埃特尔为整个表面化学学科确立了一套试验思想。

　　埃特尔也是一位良师益友。汪跃民曾经在弗里茨—哈伯研究所师从埃特尔6年。“很多人和埃特尔教授认识不久，就会被他渊博的学识和伟大的人格力量所感染。”

　　埃特尔此前已经获得过诸多荣誉，包括与美国加州大学伯克利分校的盖博·索马杰（GaborSomorjai）分享了1998年的沃尔夫奖。埃特尔1936年生于德国斯图加特，10月10日化学奖宣布的时候，正是他的71岁生日。

　　埃特尔在回答诺贝尔奖基金会网站的电话采访时说，从事科学研究“应该永不放弃，尽可能解决问题”。“你必须有耐心，那是非常重要的。”