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| 自科诺奖：实现不可能的任务 | 发布于:2014/11/30 | |
| 在科学领域，所谓“权威”“定论”“主流看法”都不是真理。此路不通，那就另辟蹊径。“颠覆现有认知”、“开辟新的研究道路”、“绕过经典光学的束缚”……享受不羁人生，才能摘获不凡诺奖。 10月6日至8日，2014年度诺贝尔三大自然科学奖项逐一揭晓。生理学或医学奖得主发现了“大脑内部的定位系统”——一种可以定位和导航的脑神经细胞，对攻克阿尔兹海默症（老年痴呆症）等脑部疾病，可能意味着“重大飞跃”。物理学奖青睐的蓝色发光二级管（LED）则带给人们更明亮、稳定、节电、节材的光源。而化学奖得主使光学显微技术突破到纳米尺度，帮助科学家直观地看到脑部神经细胞间的突触如何形成。 奇妙的是，这三项为人类健康和生活带来莫大福音的科学成果，之前都曾被认为几乎是“不可能实现的任务”。大脑功能问题已困扰科学家好几百年，光学显微技术被认定“永远不可能获得比所用光半波长更高的分辨率”，蓝光LED同样是一个长期性难题，令无数科学家铩羽而归。 “这简直不太可能，我从未预料到，这是一项崇高的荣誉。”10月6日，2014年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一的约翰·奥基夫在接受采访时显得非常激动。 瑞典卡罗琳医学院宣布，将2014年诺贝尔生理学或医学奖授予拥有美英双国籍的科学家约翰·奥基夫以及两位挪威科学家梅·布里特·莫泽和爱德华·莫泽，以表彰他们发现大脑定位系统细胞的研究。 诺贝尔奖评选委员会在声明中说，今年获奖者的研究成果解决了困扰科学界几个世纪的难题，发现了大脑的定位系统，即“内部的GPS”，从而使人类能在空间中定位自我，有助于进一步了解人类大脑空间记忆的中枢机制。 大脑是怎样构造出一幅描述人们所处环境的地图，人们又是如何在复杂环境中找到线路的？几个世纪以来，这个问题一直困扰着哲学家和科学家们。 1957年，世界上首个切除双侧海马脑区以治疗严重癫痫的病例被报道，患者术后失去了形成新的长时间记忆的能力，空间认知也出现障碍，这些变化首次证实了人类的“认知地图”可能存在于海马脑区。 此后，全球神经科学家都把研究重心放在了海马脑区，他们都在做一个相同的实验：把电极放在小鼠的海马脑区，然后不断进行光、电、热等刺激，希望找到与刺激相对应的神经元改变。然而，14年间都没有人给出答案。 直到1971年，约翰·奥基夫发现了海马脑区的“位置细胞”。奥基夫只是对实验设计进行革新，便改写了历史。他的实验过程是：小鼠在一个箱子里自由活动，电极被埋置在小鼠海马脑区，小鼠在活动中每经过一个特定区域，一个海马神经元（位置细胞）就会开始发放动作电位，与此同时，记录神经元放电的设备闪烁灯光，并发出“呲呲”的放电声。 1978年，奥基夫等人编写了《海马是一个认知地图》一书，第一次比较完整系统地阐述了海马脑区的功能，以及空间认知行为机制。在此基础上，莫泽夫妇于2005年在海马脑区上游的“内嗅皮层”区域发现了“网格细胞”，当小鼠运动不同距离时，特定的神经元会被激活，当内嗅皮层上百万神经元放电情况累计后，小鼠就可以判断自己的运动轨迹。 此后，莫泽夫妇又陆续发现嗅脑其他细胞能同时判断距离和方向以及环境的“边界”，而上述细胞与“位置细胞”构成一条完整的回路。这一回路系统构成了一个复杂的定位体系，大脑内置“GPS”的运转机制被揭示。 随着诺奖的颁发，梅·布里特·莫泽和爱德华·莫泽也晋升为“诺奖夫妇俱乐部”成员，成为迄今第5对获得诺贝尔奖的夫妻搭档。该俱乐部的成员是获得过诺贝尔奖的多位科学家夫妇，包括玛丽·居里和皮埃尔·居里。 莫泽夫妇都是挪威科技大学卡夫利科系统神经科学研究所和记忆生物学中心的教授，二人一起创始了该研究中心，在过去数十年中领导了一系列脑机理的前沿研究。爱德华和梅·布里特的家庭都没什么学术背景和氛围，爱德华曾在采访中提到，“我们成长的地方，没有几个人受过大学教育，也没人会去要求。根本没有人知道要怎么去做这些事。” 梅·布里特提及婚姻在她研究中的作用时说，她和丈夫有相同的愿景，乐于相互沟通和理解，并致力于解决两人共同关心的问题。“当突然想到一个问题时，你能马上和丈夫探讨，而不是或不得不计划在几周后开一次会，两者效果截然不同。” 现在，人们随处可见LED的“倩影”：它在电脑前闪烁，在城市的霓虹灯中展露灿烂笑脸，它是黑暗中新型手电里的一束光，也组成了广场中央的电视墙……城市和世界的光彩来自于科学家的心血。 10月7日，日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二因发明“高亮度蓝色发光二极管”荣膺2014年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评选委员会在声明中表示，三位获奖者在发明新型高效、环境友好型光源，即蓝光LED方面做出了巨大的贡献。借用蓝光LED，白光可以以新的方式被创造出来。使用LED灯，人们可以拥有更持久和高效的灯光代替原有光源，不仅能为人类节省大量能源，也能照亮全球更多地方。 1962年，美国通用电气公司34岁的普通研究人员尼克·何伦亚克发明了可以发出红色可见光的LED。1972年，何伦亚克的学生乔治·克劳福德站在巨人的肩膀上，发明了第一颗橙黄光LED，亮度是先前红光LED的10倍，这标志着LED向提高发光效率方向迈出第一步。 20世纪70年代末，LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色，并被用于机器仪器的显示光源，但依然没有蓝光LED。由于光的三原色中包含有红、绿、蓝，蓝色光源的缺失，使得照明的白色光源总是无法获得。蓝光LED的市场价值巨大，也是当时世界性的攻关难题，引无数科学英雄竞折腰。 1973年，当时供职于日本松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究。后来，赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发，1989年首次成功研发了蓝光LED。1993年，在日本日亚化学工作的39岁的中村修二终于发明了基于氮化镓和铟氮化镓的具有商业应用价值的蓝光LED，从而引发了照明技术的新革命。 不久之后，人们在蓝光LED的基础上加入黄色荧光粉，就得到了白色光LED，利用这种荧光粉技术可以制造出任何颜色光的LED，如紫色光和粉红色光等。蓝光和白光LED的出现拓宽了LED的应用领域，使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。据预测，到2020年，LED光源可能成为最便宜的光源，如果届时人人用上LED，全球照明耗电将减少一半。 得奖虽是众望所归，但获奖者的身份却再次让不少人啧啧惊叹。 中村修二曾经只是一个普通公司的职员，生活在日本一个叫阿南的小城市里，因为与工厂闹矛盾才离开。而之前，他也只是一个不知名大学毕业的硕士生。2002年，田中耕一获得诺贝尔化学奖也是如此，一时间化学界并不知道这个人是谁。寻究起来才发现，他只是一个拥有本科学历的小职员。 小职员登上大舞台，一次次创造奇迹。这些堪称伟大的成就与他们在科学道路上的坚守和探索精神密不可分。 1988年，中村修二提出要制备氮化镓蓝光发光二极管，而此时，其他人都还在十年如一日地生产磷化钾砷化镓。没有实验员没有助手，中村修二却在短短四年时间内获得了理想的试验结果。 已经80多岁的赤崎勇也曾是在神户工业公司（现富士通公司）和松下电器产业公司从事科研工作的一名职员。对待科研，他一直都强调坚持不懈和不气馁的精神。他在一次对年轻研究人员的讲话中说道：“即使是失败，也绝对不要放弃。想做一件全新的事情，失败会如影随形。在失败的情况下，不要气馁、不言放弃非常重要。另外，对研究来说，直觉也非常重要，而直觉需要在经历无数次失败的过程中培养。” 瑞典皇家科学院10月8日宣布，将2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家埃里克·贝齐格，德国科学家斯特凡·黑尔和美国科学家威廉·莫纳，以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所做的贡献。 长期以来，光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半，这被称为“阿贝分辨率”。诺贝尔化学奖评选委员会在当天的声明中说，借助荧光分子的帮助，今年获奖者们的研究成果巧妙地绕过了经典光学的这一“束缚”，他们开创性的成就使光学显微镜能够窥探纳米世界。 由于光会衍射，一个发光点被眼睛或底片捕捉到的是一块晕斑。19世纪德国光学家阿贝发现，两个点靠太近，近到光波的一半左右，显微镜下就显示为一块晕斑。根据“阿贝极限”，传统显微镜能看清200纳米以上的细菌，但看不见200纳米以下的病毒和蛋白质分子。 后来，电子显微镜问世了。电子也是一种光波，波长极短，电子显微镜分辨率可以突破200纳米。“但是，电子显微镜时间分辨率低，不能观察运动的东西。”中科院化学所研究员方晓红说，“要观察生物，得把对象冷冻了，放进真空。没法看到活着的细胞器怎么运动和行使功能。” 一直到20世纪90年代，钻研显微镜技术的德国人黑尔提出了新办法。他给普通的光源套上了一个面包圈一样的环装光源。“面包圈”负责“擦除”。 两束光波长是一定的，一束用来激发荧光分子使其发光；环形的一束则将大部分荧光抵消，只留下中间一块纳米大小的区域。显微镜通过对样本逐个纳米地进行扫描，生成的图像分辨度终于突破了200纳米。黑尔给他的这项发明取名STED，即“受激发射损耗”。 回忆起研究成果，黑尔称自己的研究最开始时遭到业内人士的强烈抵制，“人们觉得这个‘极限’自1873年就存在，再去做一些研究有点疯狂，不太现实”。“然而，20世纪有那么多物理学研究发现，我觉得一定有某种东西或现象能帮助你突破那个极限，”黑尔说，“我一直都乐于挑战事物，挑战公共智慧。” STED技术之后，另一些技术方案也获得成功。此次两位美国诺奖得主的PALM技术，思路就截然不同。STED是靠擦除光晕提高分辨率，PALM则是打开和关闭单个分子的荧光，并设法让光点不要挨得太近。 利用生物基因改造，被观察的蛋白质分子与荧光蛋白质分子整合。灯泡要发荧光，先得被一种特定波长的激光激活。当受到波长488纳米的光激发时，蛋白开始发出荧光，但不久就会逐渐熄灭。PALM技术的要诀就是每次只给很低能量的激光，这样，灯泡的大海之中，只有几个激活，灯泡挨在一起的几率基本为零。PALM会拍很多张照片，每张照片上，都有稀稀拉拉、位置清楚的发光分子，叠加在一起就显示出蛋白质分子精确的分布。（本刊综合）来源：发明与创新·大科技 |
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