2018年諾貝爾獎的九大預測:鈣鈦礦太陽能電池會獲獎嗎?






近年來,一批新的抗癌藥物相繼問世,它們可以將機體對免疫細胞的控製作用完全關閉。每年,諾貝爾生理學或醫學獎、物理學獎和化學獎都會授予那些在科學上取得重大進步和發現的科學家們。在這里,美國物理聯合會 Inside Science 專欄的編輯們總結了今年有望摘取這些著名科學獎桂冠的有力競爭者。

2018年諾貝爾獎的九大預測:鈣鈦礦太陽能電池會獲獎嗎?

供圖:Abigail Malate;版權:美國物理聯合會

諾貝爾生理學或醫學獎——將於2018年10月1日公布

威猛的微生物

在幾十年前,研究人員很少會去關注人體內的微生物,除非它們「為非作歹」,引起了疾病。然而,由於細菌、病毒和真菌在保持人體身體健康方面發揮著許多關鍵的作用,它們不斷地憑借自己的本事躋身到人體器官的行列。換句話說,它們完全可以被視同為人體的器官。

近些年來,微生物領域的關鍵進展是來自聖路易斯市華盛頓大學的傑弗里。戈登(Jeffrey Gordon)實驗室。在1996年,戈登教授和他當時的研究生林恩。布里(Lynn Bry)曾證明,老鼠需要腸道內的微生物來產生某些對其健康非常重要的複雜碳水化合物。而在十年後,戈登教授的研究團隊發現骨瘦如柴的老鼠和大腹便便的老鼠的腸道微生物有著非常重要的區別。研究人員將肥胖老鼠腸道的微生物移植到無該微生物的瘦小老鼠體內後,他們發現瘦小的老鼠也會逐漸發胖;反之亦然,即將瘦小老鼠腸道里的微生物移植到肥胖老鼠體內之後,原先肥胖的老鼠也往往會苗條起來,而在這整個過程中,它們所攝入的食物量至始至終都保持相同。

這些發現促進了人類醫學的進步,包括提高對使用抗生素的風險的認識,以及發展出能夠治愈破壞性胃腸道疾病的「糞便移植」技術。有時,戈登教授更是毫不誇張地被稱為「微生物之父」。至少自2015年起,他便一直是諾貝爾生理學或醫學獎的有力競爭者。

尋找癌症病毒的獵手

據可能,大約有15%~ 20%的人類癌症的病例是由病毒引起的,癌症病毒可以將自身的遺傳物質插入到宿主的基因組中。在1994年,來自匹茲堡大學的夫妻搭檔研究小組,張遠(Yuan Chang)和帕特里克。摩爾(Patrick Moore)通過使用一種獨特的創新技巧發現了一種重要的致癌病毒。在研究的過程中,他們並沒有去尋找病毒粒子,而是直接從癌細胞的基因組中減去正常人類的基因組,隨之剩下的基因便是一種被稱為「人類皰疹病毒8」的病毒基因組。

通常情況下,「人體皰疹病毒8」會被免疫系統直接抑制。但是對於那些免疫功能受損的人群來說,該病毒就會引起細胞的變化,比如促進細胞的生長和關閉細胞的自然死亡,進而增加了被感染細胞逐漸癌變的風險。這種病毒通常會導致三種癌症,這其中就包括卡波西肉瘤,它是一種在愛滋病患者中最為常見的癌症。卡波西肉瘤在一些非洲國家相當普遍,甚至超過了前列腺癌在美國的普遍程度。

在2008年,張教授和摩爾教授通過類似的方法鑒定了另一種會導致癌症的病毒——默克爾細胞多瘤病毒。他們的研究工作為其贏得了許多著名的獎項和數以萬次的文章引用,同時也引發了他們在未來將有可能獲得諾貝爾獎的猜測。

抗癌藥物會關閉免疫系統的抑制機制

原本,人類的免疫系統會自然而然地尋找並摧毀那些癌變的細胞。但是癌症往往會鬼鬼祟祟地尋找反擊的方法,直接躲避免疫細胞,甚至能夠「策反」免疫細胞來保護它們自己。

許多類型的癌症都會提升機體的抑制機制,從而控制免疫細胞,猶如一個個關卡。這些關卡的確有助於防止免疫細胞,例如T細胞,直接攻擊人體自身,但同時也保護了腫瘤細胞,讓它們可以高枕無憂。

近年來,一批新的抗癌藥物相繼問世,它們可以將機體對免疫細胞的控製作用完全關閉。這些「關卡抑制劑」包括針對CTLA-4的藥物和針對PD-1的藥物。CTLA-4是一種可以讓T細胞變得不活躍的關卡,而PD-1則會促使T細胞自我毀滅。

這些「關卡抑制劑」具有很顯著的副作用,但它們被臨床證明是有效的,甚至對一些以前無法治療的晚期癌症也會有明顯的療效。該抑制劑的一位開發者是來自德克薩斯大學安德森癌症中心的詹姆斯。艾里遜(James Allison),他也因此獲得了十多個重要獎項。然而,鑒於2011年的諾貝爾生理學或醫學獎在一定程度上是表彰癌症疫苗的開發,今年或許諾貝爾獎評審團會不太願意將榮譽再次授予那些與免疫系統相關的癌症治療工作。

諾貝爾物理學獎——將於2018年10月2日公布

幽靈般的超距作用

一年前,來自中國的研究人員首次推出了量子加密的視頻通話技術,而該通話技術是基於一種名為量子糾纏的量子現象。今年的諾貝爾物理學獎將很有可能會頒發給那些在量子糾纏領域做出傑出貢獻的科學家們。

當不同的粒子處於糾纏態時,它們的狀態是相互聯繫的,即使它們相隔「千山萬水」。這種粒子之間的糾纏關係在量子世界里可能還會引發一些更為奇怪的現象。這是因為量子態並不是一成不變的,它會根據測量的時間不同而得到完全不同的結果。因此,測量量子糾纏中的某個粒子的特性會瞬間影響其配對粒子的狀態。這也是愛因斯坦曾提及的著名的 「幽靈般的超距作用」,他本人是很不喜歡這種相互作用的。

1964年,物理學家約翰。貝爾(John Bell)曾提出了一種檢測該「幽靈行動」是否真實的方法。在隨後的幾十年里,科學家們對所謂的「貝爾不等式」進行著越來越嚴格的測試。

在2010年,科學家阿蘭。派拉(Alain Aspect)、約翰。克勞澤爾(John Clauser)和安東。齊林格(Anton Zeilinger)因在這一領域的突出工作獲得了沃爾夫物理學獎。該獎項有時被認為是諾貝爾獎的一個預測指標。在2015年,科學家們又宣布他們終於對「貝爾不等式」進行了一次「無漏洞」式的測試,再次證明量子糾纏系統的不可思議之處很可能的確存在。

太陽能的利用

太陽在地球上每小時散播的能量足以滿足人類一年的能源消耗。鈣鈦礦太陽能電池的出現,將有助於捕獲更多這樣的清潔能源。

鈣鈦礦是19世紀發現於俄羅斯烏拉爾山脈的一種礦物,並以俄羅斯礦物學家Lev Perovski的名字來命名。鈣鈦礦材料是一類具有相同晶體結構的材料,其中有些是通過人工合成的材料。在太陽能電池中使用鈣鈦礦材料的想法,是由來自日本桐蔭橫濱大學的宮坂力(Tsutomu Miyasaka)教授和他的同事在2009年首次提出的。起初,其太陽能轉化效率只有可憐的3.8%。但很快,它的轉化性能就超過了20%,完全可以媲美傳統的矽太陽能電池。

同時,鈣鈦礦太陽能電池有很多優點:它們的製造成本相對較低;可以吸收所有可見波段的陽光;可以噴塗到各式各樣的表面。

然而,鈣鈦礦電池目前仍然面臨許多挑戰:鈣鈦礦太陽能電池單元較小,還需改進其生產工藝,制備出更大面積的太陽能電池;熱量和水分會損壞其電池的組成物質,電池的穩定性差;鈣鈦礦電池中往往會包含有毒金屬——鉛。但是,在未來如果研究人員能夠解決這些不利因素,這種新興的太陽能技術的前景還是很光明的。

通常來說,諾貝爾獎委員會比較認可基礎物理領域的科學發現,而這些工程技術上的進步在評選中很可能會處於劣勢。然而,曾今的一項能源創新技術——藍光LED,就贏得了2014年的諾貝爾物理學獎。

光的降速和停止

光在真空中以每秒186000英里(300000 千米/秒)的速度傳播。但近幾十年來,科學家們一直在嘗試使用特殊材料來減緩光速,使其傳播速度可以低於普通人的行走速度,在某些情況下甚至可以完全停止。

在1999年,由丹麥物理學家琳恩。豪(Lene Hau)主管的哈佛大學研究團隊,將光通過冷卻到僅比絕對零度高幾億分之一度的鈉原子氣體,使其速度減慢到每小時僅38英里(約61千米/小時)。在如此低的溫度下,這些冷原子會形成一種被稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」的奇特物質狀態。研究人員發現,處於「玻色愛因斯坦凝聚態」的物質的光學性質可以通過控制雷射來直接操控。

隨後的實驗進一步減慢了光的傳播速,在2001年,研究人員甚至讓光完全停止了大約一毫秒的時間。後來,在2013年,德國科學家在一個晶體中讓光整整靜止了一分鐘。這些實驗絕不僅僅是物理學家的小把戲,這種操縱光的方式在未來很可能會促進計算機和通信網路的進步和發展。

無疑,豪教授是光降速和停止實驗的先驅之一。如果今年她可以被授予諾貝物理學爾獎,這將打破近50多年來諾貝爾物理學獎只有男性得主的魔咒。

諾貝爾化學獎——將於2018年10月3日公布

今年會是CRISPR年麼?

近年來,基因編輯技術CRISPR的發明者一直都在諾貝爾化學獎的候選名單上,今年自然也是一樣。這項基因編輯技術是利用從細菌中提取的分子工具,將DNA片段剪切並黏貼到有機體的基因組中。其影響是非常巨大的:科學家們認為通過該基因編輯技術可以消滅像亨廷頓氏舞蹈症這樣的遺傳疾病,也可以增強脆弱作物對氣候變化的抵抗力,甚至還可以創造出產絨量極多的絨山羊。然而,有些人擔心,這項技術可能會導致一些倫理的困境,比如涉及到設計嬰兒和復活滅絕物種。

而且,CRISPR並不能毫無爭議地切斷基因,幾位相互競爭的科學家聲稱已經開發出更新的基因編輯技術。來自伯克利加州大學的生物化學家珍妮佛。杜德納(Jennifer Doudna)和德國柏林的馬克斯。普朗克感染生物學研究所的生物學艾曼紐。卡彭特(Emmanuelle Charpentier),在最近一輪激烈的專利糾紛中落敗。其競爭者是來自馬薩諸塞州劍橋市的哈佛大學和麻省理工學院博德研究所的生物化學家張鋒(Feng Zhang)。

便攜的電源:鋰離子電池

今天,鋰離子電池為全世界提供著電力,然而,它並沒有為其發明者贏得諾貝爾獎。從智慧型手機到電動汽車,鋰離子電池已經無處不在,它為日益機動的世界掃平了障礙。

在電池內部,帶電的原子,也被稱為離子,沿著兩個電極之間的路徑運動,並產生電流。在當前最常見的一種可反復充放電的鋰離子電池中,其富含鋰的陰極是由氧化鈷組成,而陽極是由碳組成。這一電極的組合在最初發現時就是完美的:電池緊湊且穩定,而且能比其他同等大小的電池存儲更多的能量。在1991年,第一個商用的鋰離子電池投放市場,並且在這隨後的每天里,科學家們都在測試和開發更為高效和安全的鋰離子電池。

來自賓厄姆頓大學 (紐約州立大學)的斯坦利。惠廷漢姆(Stanley Whittingham)在紐約起草了鋰離子電池的初始設計方案,而隨後,鋰離子電池能夠更加安全和便攜地使用則在很大程度上歸功於來自德州大學奧斯丁分校的約翰。班尼斯特。古迪納夫(John b 。 Goodenough)和來自日本名古屋市的日本旭化成公司和名城大學的旭化成(Akira Yoshino)教授。如果這項技術最終得到認可,這三位科學家都有可能因此獲得諾貝爾獎。

聚焦一位可能再次榮獲諾貝爾獎的科學家

在2001年,斯克里普斯研究所的卡爾。巴里。夏普萊斯(K。 Barry Sharpless)因其在「手性催化氧化反應」中的傑出工作獲得了該年的諾貝爾化學獎。作為該研究所唯一的科學作家,我責無旁貸地迅速撰寫了一篇新聞稿,向記者介紹了他在不對稱催化方面的獲獎作品。那天早上,從紐約到聖地亞哥,所有的電視、廣播和報紙的記者們都忙著想要採訪我,而我的老板卻只給我安排了不到一個小時的新聞發布會。

幸運的是,一位來自夏普萊斯教授實驗室的名叫瓦雷利。福金(Valery Fokin)的年輕研究員(他現在在南加州大學工作)給予了我很大的幫助。他巧妙地向我解釋了什麼是不對稱催化科學——一種選擇性合成化合物的方法,然後迅速地回顧並巧妙地糾正了我所寫的那篇關於這項研究突破的文章。不對稱催化作用最後生成的不是右旋分子和左旋分子的混合物(這可能是有害的,比如沙利度胺,其右旋構型有鎮靜功效,而左旋構型卻會導致嬰兒畸形),而是有選擇性地產生其中一種或是另一種構型。

同年,夏普萊斯教授創造了「點擊化學」這個詞匯,用來描述合成化學領域的另一項突破。該項突破是他與福金以及前斯克里普斯研究教授芬恩(M.G.Finn)(現在是喬治亞理工大學)共同開創的。在過去的幾年里,「點擊化學」一直是諾貝爾獎的有力競爭者,而夏普萊斯、福金和芬恩也因此列入了諾貝爾化學家候選名單之列。

「點擊化學」是材料合成夢想的組成部分。它是一種簡單的、快速的、在單個容器中進行不對稱催化反應以獲得高收率並使隨之產生的副產品是良性或易於純化的材料合成方法。這些都是藥物設計中所要重點考慮的因素,其中一個主要的挑戰是如何在工業規模上開發出合成工藝,以製造出小分子藥物。

如果夏普勒斯教授今年再次獲獎,他將成為少數幾個可以同時榮獲兩項諾貝爾獎的人。如果福金教授獲獎,我會再打電話給他,要知道他的專訪必須歸我!(稿源:科普中國)

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