人民日報10月10日消息，過去幾天，2016年諾貝爾獎的部分獎項陸續公布，引來關注無數。

諾貝爾生理學或醫學獎授予日本科學家大隅良典，以表彰他在細胞自噬機制研究中取得的成就。諾貝爾物理學獎授予戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現。諾貝爾化學獎授予讓—皮埃爾·索瓦日、弗雷澤·斯托達特、伯納德·費林加，以表彰他們在分子機器設計與合成領域的貢獻。

大獎為何花落這些科學家？他們的研究成果意義如何？中國在這些領域的研究又處于怎樣的位置與水平？

細胞“吃掉自己”實現自救

雖然在生命科學領域相對落后，但在細胞自噬這個具體方向上，我國科學家處于領先地位

“自噬”字面意思是“將自己吃掉”，實則是一種細胞自身成分降解和循環的基本過程。通俗地說，細胞可以通過降解自身的非必需成分來提供營養和能量，也可以降解一些毒性成分以阻止細胞損傷和凋亡。美國南加州大學醫學院分子微生物學和免疫學專家梁承宇博士將其比喻為一種細胞的“自我救贖”。

梁承宇說，從廣義上說，細胞自噬的運轉機制更像是細胞內龐大運輸機制的一部分。自噬機制就好比是細胞自身凈化和實現自動環保的一條運輸線。它將細胞內代謝廢物以及一些過期無用或有損傷的細胞零件，裝到其獨特的運輸工具——自噬小體中，然后沿著特定路線，送到“垃圾加工廠”——溶酶體中進行回收和廢物再利用。

自噬機制還能在細胞能量匱乏時開啟緊急運輸通道，以供應能量。因此，自噬機制是細胞內龐大運輸網絡體系中非常重要的一部分。“它對于維系細胞基本的生存需求與平衡是不可或缺的，”梁承宇說。

“自噬”概念于上世紀60年代提出，當時研究人員就發現了細胞這種降解自身成分的現象，但有關機制一直不為人知。

上世紀90年代初，日本科學家大隅良典通過利用常見的酵母進行一系列實驗后，發現了對細胞自噬機制具有決定性意義的基因。基于這一研究成果，他隨后又闡明了自噬機制的原理，并證明人類細胞也擁有相同的自噬機制。

評選委員會在當天發布的新聞公報中指出，大隅良典的研究成果有助于人類更好地了解細胞如何實現自身的循環利用。在適應饑餓或應對感染等許多生理進程中，細胞自噬機制都有重要意義，大隅良典的發現為理解這些意義開辟了道路。此外，細胞自噬基因的突變會引發疾病，因此干擾自噬過程可以用于癌癥和神經系統疾病等的治療。

作為國內研究多細胞生物中自噬作用機理和調控機制的專家，中科院生物物理所研究員張宏與大隅良典在學術上有過深入交流。在張宏看來，雖然我國在生命科學領域仍處于相對落后的地位，但在細胞自噬這個具體方向上，我國科學家處于領先地位。“細胞自噬是目前國際上生命科學領域的研究熱點，國內有很多團隊投身其中，中科院動物研究所的陳佺教授團隊、清華大學陳曄光教授、北京大學醫學部朱衛國教授團隊等都有不少原創成果。”張宏說。

清華大學教授俞立2008年回國任教，對于國內近些年在生命科學領域的進步深有感觸。“如果將細胞自噬研究比作一座大樓，那么中國科學家已經為這座大樓增添了新的樓層。”

“細胞自噬的研究才剛剛開始”，張宏說，中國科學家有能力在這個領域做出更大貢獻。

將拓撲概念引入物理學研究

在理論預言的基礎上，我國科學家將TaAs中的外爾費米子行為首次展現到世人面前

評選委員會表示，戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨將拓撲概念應用于物理研究，是他們取得成就的關鍵。

對很多人來說，“拓撲相變和拓撲相”屬于讓人望而生畏的深奧理論。

拓撲本身是一個數學概念，描述的是幾何體在連續彈性形變（不撕破，不截斷）下能夠保持不變的性質。“比如，一塊面團無論怎么揉搓，它的外表面上的孔洞數是0。而如果撕破它，重新粘連，就可以做成面包圈，面包圈的外表面就形成了1個孔洞。這個孔洞的數目就是面團或面包圈在連續彈性形變下保持不變的量，是區分這兩個幾何體的拓撲不變量，即拓撲數。” 中科院物理所研究員翁紅明說。

不同的物質形態稱之為物質的不同“相”或物態。相變，也就是物質“變臉”的過程，即從一種相變換到另一種相的過程。比如水隨著溫度變化而在固、液、氣三態之間的轉化實際上就是相變的過程。相變過程通常伴隨物質性質、性能的改變。物質的“拓撲性質”發生了變化，稱之為“拓撲相變”。拓撲相變伴隨的是拓撲數的變化。

但是，如果物質變得極薄，物質的相還在嗎？評選委員會介紹說，平面中的物理現象和我們認知的周圍世界是截然不同的，甚至分布非常稀疏的物質中也包含了數百萬個原子，每個原子的行為都可以用量子物理學來解釋，而很多原子結合的時候卻顯示完全不同的屬性。3位獲獎者的研究成果正是揭示了拓撲性質在量子物態和量子相變中的決定性影響。

科斯特利茨和索利斯的研究集中在一個平面世界中的“怪現象”，相比于通常描述的三維世界，他們發現極薄層的表面或內部可以被認為是二維的，那里一種被稱為“超流體到正常流體的相變”，主要決定因素與人們以往的認識完全不同。霍爾丹發現可以利用拓撲概念來解釋一些材料中存在的小磁鐵鏈的特性。他發現，原子磁性的不同使這些鏈條呈現出完全不同的屬性。霍爾丹還在量子霍爾效應方面做了許多開創性工作。

正如瑞典皇家科學院所說，今年的獲獎研究成果開啟了一個未知世界的領域。得益于這3位獲獎者開創性的研究，科學家們現在可以繼續探索物質的新相變。研究人員認為，拓撲材料將在未來的電子和超導體以及量子計算機研發中得到應用。

在拓撲研究領域，我國科學家也有不少值得稱道的工作，一些研究還處于國際拓撲研究領域的前沿。

翁紅明介紹，早在2009年，中科院物理研究所方忠、戴希等與華人科學家張首晟合作，理論預言了目前最為廣泛研究的拓撲絕緣體材料Bi2Se3家族。2014年底，中科院物理所方忠、戴希、翁紅明研究團隊，理論預言TaAs晶體是非磁性的外爾半金屬。在他們的推動下，2015年，中科院物理所的陳根富小組制備出高質量樣品，丁洪、錢天小組使用上海光源“夢之線”觀測到了TaAs中的外爾費米子行為，這是該類特殊的電子第一次展現在世人面前。外爾半金屬是拓撲半金屬研究的一個重要方向。該研究成果被英國物理學會主辦的《物理世界》評為“2015年度十大突破之一”，同時也被美國物理學會的《物理》評為“2015年度八大亮點工作”之一。

分子機器為化學開啟新世界

起步雖晚，但近10年來，我國在新的分子機器的構建、原理設計以及應用方面都取得了進展

世界上存在小到只有千分之一頭發絲粗細的機器嗎？答案就是剛剛助力3位科學家摘得2016年諾貝爾化學獎的分子機器。

分子機器是指在分子層面的微觀尺度上設計開發出來的機器，在向其提供能量時可移動執行特定任務，是納米研究領域的重點。評選委員會表示，3位科學家發明了“世界上最小的機器”，將化學發展推向了一個新的維度。

所有的化學系統都力圖達到平衡態，可以減少能量消耗，但是這也會形成“僵局”。就像人的生命一樣，人體內的分子可以從食物中獲取能量，進而推動人體的分子系統遠離平衡態，向更高水平的能量狀態發展，這樣人體才有可能利用這些能量推動肌體正常工作，維持生命。而一旦人體處于化學平衡態，人就會死亡。

3位科學家的成就能夠獲得諾獎青睞，就在于他們的研究促使分子系統擺脫了平衡態，并能受控執行特定任務，為化學的發展開啟了一個新世界。

據介紹，3位獲獎者完成了分子機器設計與合成的“三步走”：第一步，索瓦日成功合成了一種名為“索烴”的兩個互扣的環狀分子，而且這兩個分子能夠相對移動；第二步，斯托達特合成了“輪烷”，即將一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線形分子軸上，且環狀分子能圍繞這個軸上下移動，并成功實現了可以上升高度達0.7納米的“分子電梯”和可以彎折黃金薄片的“分子肌肉”；第三步，費林加設計出了在構造上能向一個特定方向旋轉的分子馬達，這個馬達可以讓1個28微米長、比馬達本身大1萬倍的玻璃缸旋轉起來。分子機器動起來了。

近年來，3位諾獎得主的成果已經成為全世界科研人員開發分子機器的“工具箱”，開創了分子機器的發展道路。目前已有科學家在輪烷的基礎上建造出一個可以抓取并連接氨基酸的分子機器人；還有研究人員將分子馬達和長聚合物相連，形成復雜的網絡，將光能儲存在分子中，有望開發出新型電池及光控傳感器。

評選委員會表示，分子機器未來很有可能將用于開發新材料、新型傳感器和能量存儲系統等，為人類的未來提供了無限可能。

復旦大學化學系教授黎占亭表示，我國分子機器領域起步雖然較晚，但發展迅速。尤其是近10年來，國內在新的分子機器的構建、原理設計以及應用方面都取得了進展，無論是學術研究還是分子機器的應用探索上，都有不少成果，既在國內受到認可，也引起國際關注。例如，華東理工大學田禾院士團隊的“有機熒光功能材料”研究，創新合成了新型的可控分子器件和高性能有機光電功能材料，獲得2007年度國家自然科學獎二等獎。

黎占亭覺得，未來，中國在分子機器研究領域將產出更多創新性成果，中國在分子機器領域將更有作為。

（原題為《2016年諾貝爾生理學或醫學獎、物理學獎、化學獎相繼揭曉：聊聊拓撲，看看我們》）