冷冻显微术、引力波、人体生物钟分子机制都有什么用？

　　瑞典皇家科学院4日宣布，将2017年诺贝尔化学奖授予瑞士科学家雅克·杜博歇、美国科学家约阿希姆·弗兰克以及英国科学家理查德·亨德森，以表彰他们在冷冻显微术领域的贡献。

　　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·罗斯巴什和迈克尔·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。

　　时隔30多年后，霍尔、罗斯巴什和扬因为这一研究发现最终摘获诺奖。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。

　　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。

　　本组稿件均据新华社

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