互动科普

2011诺贝尔奖

《科学美国人》作者亚当·G·里斯获奖

在刚刚过去的10月，2011年度诺贝尔奖在瑞典斯德哥尔摩揭晓。在今年的诺贝尔奖得主中，物理学奖获得者亚当·G·里斯曾在2004年2月刊的《科学美国人》上撰写了题为《From Slowdown to Speedup》的文章，分享了他们通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀的故事。自此，已有146位诺贝尔奖得主在《科学美国人》上发表了235篇科学美文。此外，《科学美国人》2008年第5期还介绍了今年物理学奖另两位得主索尔·珀尔马特和布赖恩·P·施密特领导的研究小组有关超新星宇宙学的研究（请参见《环球科学》2008年第6期《追查宇宙“阴暗面”》一文）。

生理学或医学奖

■ 布鲁斯·A·博伊特勒（Bruce A. Beutler）

美国斯克里普斯研究所

■ 朱尔斯·A·霍夫曼（Jules A. Hoffmann）

瑞典斯特拉斯堡分子细胞生物学研究所

■ 拉尔夫·M·斯坦曼（Ralph M. Steinman）

美国洛克菲勒大学

获奖理由：在免疫学领域做出的杰出贡献

机体在与病原体的长期“斗争”中，进化出了高度复杂、极其精密的免疫机制，包括先天性免疫和获得性免疫。本次获得诺贝尔奖的三位免疫学家，他们的研究就集中在这两个方面。

1996年，霍夫曼在果蝇中发现了由Toll基因编码的关键受体蛋白，这种蛋白可识别病原体，激活机体的先天性免疫系统，触发免疫反应的第一步。

而博伊特勒在哺乳动物中也发现了类似的机制。1998年，他的研究团队证实，小鼠中存在一个和Toll类似的基因，它所编码的受体蛋白同样能激活先天性免疫反应。哺乳动物的先天免疫对于抵抗病原微生物的感染也至关重要。

当第一道免疫屏障被病原微生物突破，那么机体第二道免疫防线——获得性免疫系统就将发挥作用。斯坦曼在1973年发现的树突状细胞（Dendritic cell，是机体中功能最强的抗原呈递细胞），是机体第二道免疫防线的重要成员。这种细胞是免疫系统中的“哨兵”，能激活T细胞，并让白细胞识别、记忆并攻击入侵病原体。目前，一些用来治疗自身免疫疾病的新药和很多正在开发的癌症药物，都是基于他们发现的这些机理。

遗憾的是，三人中最先获得重要发现、出生于1943年的斯坦曼在今年的9月30日，也就是诺贝尔生理学或医学奖公布的前三天，就因胰腺癌不幸去世，未能亲耳听到自己获奖的消息。（撰文/褚波）

化学奖

■ 达尼埃尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman）

以色列理工学院、美国能源部埃姆斯实验室、艾奥瓦州立大学

获奖理由：准晶体从根本上改变我们对固体的认识

以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体而独享2011年诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院表示，这一发现从根本上改变了化学家们看待固体物质的方式。与此前人们认为的原子在晶体内呈对称模式分布的理论不同，达尼埃尔·谢赫特曼揭示出原子在晶体内的堆积形态可以不重复。

1982年4月8日早上，正在休假期间的谢赫特曼在位于美国约翰斯·霍普金斯大学的一个实验室内研究铝锰合金，一幅“违反自然定律”的电子衍射图像出现在了他的电子显微镜中。当时的理论认为，在所有的固体物质中，原子都是均匀分布在晶体中，并周期性地重复。对于科学家来说，为了获得晶体，这种重复是必需的。但是，他当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序排列的。

谢赫特曼的发现引起了极大的争议。一年后，他返回位于以色列北部城市海法的以色列工学院继续从事准晶体研究，但当时没有几个人相信准晶体的存在。直到1987年，法国和日本科学家制出足够大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜直接观察，谢赫特曼的理论才终于得到科学界的认可。

诺贝尔化学奖评选委员会在10月５日发表的声明中说，从原子级别观察准晶体形态，会发现原子排列具有规律，符合数学法则，但不以重复形态出现。当科学家描述准晶体的时候，他们使用一个来自于数学和艺术的概念：黄金比例。在准晶体中，原子间不同距离之比与黄金分割相关。

就传统理论而言，固体物质要么是晶体，要么是非晶体，谢赫特曼的发现开辟了第三种可能。由于准晶体原子排列不具周期性，因此准晶体材料硬度很高，同时具有一定弹性，不易损伤，使用寿命长。科学家目前正在实验在不同产品中使用准晶体，比如煎锅和柴油机。（撰文/罗绮）

物理学奖

■ 索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）

美国加利福尼亚大学伯克利分校

■ 布赖恩·P·施密特（Brian P. Schmidt）

澳大利亚国立大学

■ 亚当·G·里斯（Adam G. Riess）

美国约翰斯·霍普金斯大学

获奖理由：通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀

1998年1月，珀尔马特和施密特各自领导的研究组几乎同时发表了他们研究“Ia型超新星”的结果，他们的结果证实宇宙正在加速膨胀。里斯在施密特研究组中扮演了关键角色。

质量较小的恒星在燃料耗尽后会变成白矮星。处在双星系统中的白矮星（这相当常见）会从伴星抢夺气体。当白矮星质量达到约1.4倍太阳质量时，它就无法维持下去，几秒钟内爆炸形成“Ia型超新星”。每颗“Ia型超新星”爆发时质量都差不多，所以有理由认为爆发时其“绝对亮度”都一样，根据观测到的视亮度就可以推算超新星到我们的距离。另外，根据超新星光谱红移的程度可以确定它们远离的速度。通过研究各种不同距离的星球远离的速度，就可以了解宇宙的状况。但是，要发现超新星并不容易。比如，20世纪80年代中期，一些丹麦天文学家经过两年搜索才找到第一颗超新星。

珀尔马特于1988年执掌超新星宇宙研究组（SCP）。他们利用自己开发的一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件，以及一套高效利用望远镜资源的“批处理”方法，到20世纪90年代初期开始发现大量的超新星。这时天文学家开始准备加入竞争。施密特和里斯等组成的High-z研究组，就在这时迅速加入到竞争的行列。施密特只用一个月就通过组合现成的天文软件而开发出了自动搜星软件，而里斯则开发出了一套能够修正多种影响因素的数学方法。1998年1月，两个小组几乎同时发表各自的结果，SCP组有42颗超新星数据，High-z组有16颗超新星数据，但误差更小。他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。

至于这项研究的意义，就像诺贝尔物理学奖评选委员会所说：“尽管科学家在将近一个世纪前便知晓宇宙正在膨胀，但三名获奖者关于宇宙加速膨胀的发现依然令人震惊，他们的研究成果‘震动了宇宙学理论基础’。”（撰文/刘明）

经济学奖

■ 托马斯·J·萨金特（Thomas J. Sargent）

美国纽约大学

■ 克里斯托弗·A·西姆斯（Christopher A. Sims）

美国普林斯顿大学

获奖理由：对宏观经济中因果的实证研究

利息的临时性增长或减税如何影响GDP与通货膨胀？如果中央银行永久性改变通胀目标，或者政府调整预算平衡目标，经济将如何发展？萨金特和西姆斯已创立的一系列方法可以回答上述问题，以及许多与经济政策及GDP、通胀、就业和投资等不同宏观经济变量之间因果关系的问题。

政策与经济通常是双向影响的，而对未来的预期则是这种双向影响关系的基本方面。私营领域对未来经济活动和政策的预期，将影响他们在薪酬、储蓄和投资方面的决定。与此同时，决策者对私营领域的发展预期也将影响经济决策。萨金特与西姆斯所创立的方法可以确立这些因果关系，同时可解释预期在其中所扮演的角色。在这些方法的帮助下，确定预期之外政策措施，以及系统性政策转换的影响都变得可能。

萨金特已经展示了结构性的宏观经济计量学可以用于分析经济政策的长期变化。这一方法可用于研究家庭与企业根据经济发展来调整预期的宏观经济关系。萨金特以二战后的情况为例说明了这一点：许多国家都采用高通胀政策，但是最终在经济政策中施行了系统性的改变，从而使通胀回归到较低水平。

西姆斯基于所谓的向量回归提出了一种方法，用以分析经济如何受临时改变的经济政策和其他因素的影响。例如，西姆斯和其他研究者运用这一方法解释了央行提高利率所带来的影响。通常要一两年时间，通胀率才会下降，而短期内经济增长已经逐渐下滑，直到多年以后才能恢复。

尽管萨金特和西姆斯进行了各自的独立研究，但他们的贡献在好几个方面都相辅相成。他们的理论在上世纪七八十年代已经在世界范围内被研究者和政策制定者所采用。今天，萨金特和西姆斯所发展出来的方法成为了宏观经济分析中必不可少的分析工具。（撰文/申宁馨）

诺贝尔和平奖：埃伦·约翰逊-瑟利夫（Ellen Johnson-Sirleaf）、莱伊曼·古博薇（Leymah Gbowee）、塔瓦库·卡曼（Tawakkul Karman）

诺贝尔文学奖：托马斯·特兰斯特罗默（Tomas Tranströmer）

我的老友 ——缅怀诺贝尔奖得主斯坦曼

撰文 杨定一 （本文作者是中国台湾长庚生物科技股份有限公司、长庚大学、长庚科技大学、明志科技大学的董事长以及长庚纪念医院董事会执行董事。21岁时，杨定一在美国洛克菲勒大学－康奈尔医学院获得生物化学和医学双博士学位，27岁升任洛克菲勒大学分子免疫及细胞生物学系的主任。在洛克菲勒大学时期，他曾与斯坦曼长期共事，一起开展免疫学研究，俩人有很深厚的情谊。）

每年诺贝尔生理学或医学奖的颁发，都是生理学或医学研究者最高荣誉的表征，也代表研究者的贡献受到肯定。2011年10月3日，诺贝尔生理学或医学奖名单公布，我多年的好友拉尔夫·斯坦曼医师与另两位免疫学家共享这项殊荣。得知拉尔夫获奖，很是为他开心，立即拨电话想传达恭喜之意，但电话另一端却传来噩耗，拉尔夫在奖项揭晓3天前因胰腺癌辞世，尚不知自己获得这科学家梦寐以求的荣耀，令人感叹命运安排真是喜悲交集。诺贝尔奖评审委员会在1974年改变规章，不再颁奖给已辞世者。今年评审委员会投票定案时，并不知道拉尔夫已辞世，这也是新规章后首度颁奖给辞世者。如果委员会在公布名单前获知拉尔夫与世长辞，拉尔夫可能与此殊荣无缘，现今获此荣耀却遗憾地未能得知。

几年前拉尔夫曾计划探访我，可惜因诊断出胰腺癌而未能成行。回首和拉尔夫在洛克菲勒大学埋首研究的情景彷佛昨日，那时他是来自哈佛大学的年轻医师，我甫取得生化、医学双博士，对于培育无数科学家的洛克菲勒大学，我与拉尔夫都由衷感恩。成立于1901年的洛克菲勒大学，是世界著名的生物医学教育研究中心，特色之一是仅设立博士班而无大学部或硕士班，由于招募标准相当严格，因此每年招募的学生不超过20位。与一般大学不同，为鼓励学生积极主动地思索自己的研究方向，因此在洛克菲勒是学生选择指导教授而非教授选学生。

热爱研究的年轻人

我和拉尔夫的指导教授科恩博士（Zanvil A.Cohn）不仅是巨噬细胞生物学之父，更是有资格获得诺贝尔奖的免疫学大师。在科恩博士领导的布朗克实验室4楼的狭小空间中，两个热衷研究的年轻人总是隔着实验桌相伴，拉尔夫研究的是树突状细胞(dendritic cell)，且于1973年确认树突状细胞是具有免疫功能的白细胞的一分子。值得一提的是，当时也在实验室的稻叶女士（Kayo Inaba）提供的抗原担任了“临门一脚”的角色，实在是功不可没。

实验桌另一侧的我则尝试解开自然界“杀手细胞”（包括T细胞、变形虫、菌类等）暗杀系统之机制。上世纪80年代，我搬到2楼设立新的研究中心，拉尔夫的实验室主要是进行生物细胞方面的研究，我的实验室则偏重分子免疫与细胞基因方面的研究。拉尔夫和我各自的实验室都是当时发表最多免疫研究论文的单位，虽吸引各界目光，却也引起不少质疑，令人欣慰的是，我们各自的大胆推论日后都被证明是正确的。

拉尔夫潜心研究的树突状细胞是免疫系统最前线的哨兵，有着星状或树状的手臂，在皮肤、鼻腔、肺脏及肠道等身体和外界接触的组织中来回巡逻，随时捕捉身体因损伤或感染而入侵的外来病原，不管是细菌、病毒或危险的毒素，树突状细胞会立即将它们吞噬，分解成小分子片段的抗原讯息并呈现于细胞表面。接着，树突状细胞就会携带着抗原信息迅速前往淋巴结或脾脏，展现抗原呈递细胞的特殊功能，将这些入侵病原的独特讯息正确无误地呈现，并指挥免疫系统中的B细胞及杀手T细胞，分别以分泌抗体和直接攻击的方式正确辨认外来入侵者并予以歼灭，而不会误伤正常细胞及组织。

树突状细胞因为同时具备吞噬功能（先天免疫）及抗原呈递细胞（获得性免疫）的功能，曾经被认为是巨噬细胞的一种，然而年轻的拉尔夫以坚毅的研究精神力排众议，发现树突状细胞是一种新的免疫细胞，并不属于巨噬细胞一类。后来更发现，分化完成的树突状细胞，可以刺激免疫系统对抗外来病原，而未分化完成的树突状细胞也具备维持免疫耐受性的功能。

拉尔夫证明了树突状细胞对免疫系统的重要性，38年后的今日更充分证明他当时的看法是正确的。越来越多的证据表明，树突状细胞不仅是能提供抗原和所有类型的淋巴细胞之间联系的重要角色，最新的研究更应用树突状细胞的多重且特殊的功能发展出免疫疗法，树突状细胞本身也成为治疗癌症的重要工具。也正因此，他所获得的诺贝尔奖，正是表彰他对于免疫及医学的特殊贡献。

回想当年，拉尔夫试图研究含量极微仅占白细胞总数0.2%的树突状细胞时，真是历经千辛万苦。虽然他后来发现树突状细胞的表面特征（surface phenotype）而突破困境，到今日获颁诺贝尔奖受到全球的肯定，但在我眼中，其间他忍受长期的质疑且坚持到底，才是最令人钦佩的！当时20多岁的我大胆揭露“杀手细胞”如何杀灭肿瘤与病毒感染细胞之机制时，也同样受到严峻的质疑，最后证明我们各自的发现都是正确的。因此，我与拉尔夫彼此都有很深刻的认同感。

自由且独特的研究氛围

洛克菲勒大学腹地虽小，却是孕育近30位诺贝尔奖得主的医学殿堂，这归功于它浓厚且独特的学术研究风气。洛克菲勒校风自由开放，不采用僵固的教育体制约束学生，教学模式丰富且多元。比如说，拉尔夫的免疫学采用了轻松的个别指导教学方式，与学生如朋友般一对一教学，在愉快的气氛下传授最严谨、完整的免疫架构。而我则和1999年诺贝尔生理学或医学奖得主布洛贝尔（Gunter Blobel）共同开课细胞生物学十多年，我们安排的讲师中近1/3是诺贝尔奖得主。教授们虽采用不同教学模式，但共同的理想都是运用活泼的氛围激发学生科学上的灵感与创意。

许多学生在第2学年就已有参与国际知名学术研讨会议的经验，例如发起于1931年的高登研究会议（Gordon Research Conference）是目前国际上学术水平最高的会议之一，与会者都是各领域的佼佼者，能以学生身份参与这学术盛会可以说是不可思议的。在自由且鼓励研究的环境中，许多学生出色的表现令人印象深刻。如学生时期的埃德尔曼（Gerald Edelman）的博士论文因发表在抗体结构上的发现，于1972年获得诺贝尔生理学或医学奖，而巴尔的摩（David Baltimore）则因为发现病毒的反转录，于1975年获得诺贝尔生理学或医学奖。这些在医学发展史上是不可思议的，除了奖项颁给学生而非指导教授相当罕见，凭借一篇博士论文而获颁诺贝尔奖更是前所未有。医学发展与科学发展方式略有不同，科学发表可能来自一次突破性的实验成果，但医学突破往往来自持续研究的累积，很少能单凭一篇论文就取得重要奖项。除此之外，洛克菲勒共有14位师生获颁“国家科学奖章”（National Medal of Science），设立于1959年的“国家科学奖章”是美国科学界最高荣誉，由美国总统亲自颁授荣誉勋章，借以表彰在物理、生物、数学、科学等领域有卓越贡献者。

除了课堂，洛克菲勒的教师俱乐部是激荡科学火花的另一重要场所。在这个校园酒吧里，师生们轻松地喝着啤酒与交流，愉快的气氛激发出了无数细胞生物学、遗传学、免疫学革命性观念。洛克菲勒打破了教育的藩篱，没有严格的教育框架却开创出无限的创意与可能性，值得每位教育工作者探究学习。

精彩的布朗克实验室

当时布朗克有两个实验室共83个研究员，规模较大。实验室里有许多同事因杰出表现而获颁诺贝尔奖。3楼有发现蛋白质如何在细胞内运送的布洛贝尔（Gunter Blobel，1999年）；5楼有发现辅酶A的李普曼（Fritz Lipmann，1953年）；6楼有证明细胞核糖体是蛋白质合成工厂的帕拉德（George Palade，1974年）；7楼有发现溶酶体的德迪夫（Christian de Duve，1974年）；9楼则有阐明免疫球蛋白结构的埃德尔曼（1972年）。你可别以为8楼并无重大突破，事实上他们的研究也堪称科学界中的里程碑：8楼的马卡蒂（Maclyn McCarty）曾发现DNA就是遗传物质，我们都看好他会因此突破性发现而获颁诺贝尔奖，可惜后来诺贝尔奖是由DNA双螺旋结构的发现者沃森（James Watson）与克里克（Francis Crick）共同获得。不论得奖与否，这些杰出科学家都值得我们学习。

拉尔夫和我在洛克菲勒已各自完成研究中最困难的部分，所以他对我在研究最高峰离开洛克菲勒耿耿于怀。虽然多年后的我们各有不同发展，但一直保持联系与关怀。老朋友对我在科学界的发展有所期许，我也真诚地为他的成就感到骄傲，虽然拉尔夫已辞世，但他在免疫学的贡献是不朽的。