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诺贝尔化学奖
解读冷冻显微术,“抓拍”生命分子的高清照片
在生物体内,无数复杂分子不断地运动着,形成又拆解、结合又分离,通过这些过程来实现各种生理功能.如果能任意“抓拍”高清照片、看清某个分子在特定瞬间的模样,将使我们更深入地理解生命如何运作.
近几年来迅速蹿红的低温冷冻电子显微术（Cryo—EM）就是这样一种“抓拍”手段.2017年诺贝尔化学奖的三位获奖者对该技术的发展作出了关键贡献.
20世纪80年代初,工作于欧洲分子生物学实验室的雅克·杜博歇提出了“急速冷却”方案,奠定了低温冷冻电子显微术样本制备与观察的基本技术手段.
电子显微镜观测的样本通常是只含一层分子的薄膜,可以视为二维的.对大量散布的同一种分子拍摄二维图像,再把这些图像整合起来,就可以得到该分子的三维图像.20世纪70年代,在纽约沃兹沃思研究中心工作的约阿希姆·弗兰克开始进行这种“三维重构”的理论研究,开发出了多种数学工具和图像处理方法.
1990年,英国剑桥分子生物学实验室的理查德·亨德森小组报告了他们对一种色素蛋白进行的三维重构,这项成果是低温冷冻电子显微术的重要里程碑,证明“冷冻样本—二维成像—三维重构”的确可以得到高分辨率的三维图像.它标志着一种研究生物大分子结构的新方法已经成形,其思路与X射线晶体学迥异,可以给生物体内溶液中、处于工作状态的分子“抓拍”快照.
近几年来,传统的电子显微术照相机被可以直接检测电子的设备取代,解决了图像转换导致细节丢失的问题,这个重大进展也是亨德森的贡献.低温冷冻电子显微术的“高清时代”终于来临.
诺贝尔生理学或医学奖
解读人体生物钟分子机制,解决失眠的钥匙
从蓝绿藻到真菌、从植物到动物,地球生命普遍拥有一套内置的时钟,以24小时为周期调节生理活动,以适应我们这颗行星的自转和昼夜变化.获得2017年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家,在分子水平上揭示了生命时钟怎样“滴答”走动.
含羞草叶子在黑暗中仍按昼夜规律开闭,向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方,人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困—生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激,而是由某种内在机制掌控.钟表的核心元件是振荡器,比如钟摆、机械振子或石英电路,它们产生稳定的周期性振动.
那么在生物体里,这个振荡器是什么?
人们很早就发现生物节律特征可以遗传,随着分子生物学发展,科学界逐渐提出“生物钟基因”的设想.20世纪70年代,美国加州理工学院的西摩·本泽和罗纳德·科诺普卡用果蝇做实验,筛选相关的基因突变.
果蝇的破蛹羽化有着特定节律,野生品种只在一天的特定时刻出蛹,周期是24小时.科诺普卡等人培养并筛选出了周期更长或更短,甚至没有周期的果蝇,发现它们在基因组的同一区域发生突变,从而定位到了生物钟基因,命名为“周期”基因.但限于技术发展水平,人们当时无法弄清这个基因的代码序列,因为克隆果蝇DNA的技术于70年代晚期才出现.
1984年,三名美国科学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和邁克尔·扬克隆出了“周期”基因,并把它编码的蛋白质命名为PER.他们发现,果蝇体内的PER蛋白质浓度有规律地变动,振荡周期正是24小时.至此,人们找到了生物钟的“振荡器”,看到了它的振荡.
三十多年后,霍尔、罗斯巴什和扬因为这一研究发现最终摘获诺贝尔奖.霍尔在获奖后接受美联社采访时说,弄清这一机制有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题.
诺贝尔物理学奖
解读引力波,探测“时空的涟漪”
美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩获得2017年诺贝尔物理学奖,就是因为他们在“激光干涉引力波天文台”（LIGO）项目和发现引力波方面的贡献.
什么是引力波?
根据爱因斯坦的相对论,时空是可以弯曲的,有质量的物体在其中运动,就会产生引力波.这就好比石头丢进水里会产生水波,引力波因此常被称作“时空的涟漪”.
但普通物体产生的这种引力波极为微弱,连爱因斯坦自己也认为很可能无法观测到.事实上,LIGO项目所观测到的两个黑洞合并产生的引力波,在仪器中只引起了比原子核还小得多的变化.相对论发表百年来,许多预言如水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,但引力波一直没被探测到.因此,引力波又被称作广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”.
引力波有什么用?
引力波开启了人们认识宇宙的新途径.过去科学界探测宇宙,多是依靠光学望远镜、射电望远镜等手段,而引力波是与光不同的信息载体.
通过分析引力波信号,我们可以判断出遥远宇宙中发生了什么.引力波的波形特征与声波相似,这也是为什么科学家曾将其转换成声波,作为“宇宙的声音”播放出来.通过探测引力波来分析宇宙中的各种事件,就像根据乐器声波判断乐器的质地种类,以及乐手的演奏手法.
至于引力波在实际生活中有什么应用,科学家说,包括时空旅行这样的科幻设想还早得很,而利用引力波的宇宙通信目前来看也很遥远.不过引力波的发现无疑打开了一扇新的大门,给未来增加更多新的可能.
（本文所组稿件均据新华社）
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参考文献：
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