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■张田勘 今天，人类正进入以信息技术为特征的新科技时代。在这个时代，科学研究和技术发明有着不同于以往的显著特点———规模庞大。 它表现为人员多 (参与一个项目的研究人员可达数千人)、大数据、大设备、大跨度 (研究项目历史久远)、大开销 (花费的钱财巨大)、大学科 (多学科交叉)和大成果 (研究结果可以让人类长久获益，或揭开人类未知的新世界并开创文明的新篇章)。 新近公布的2017年诺贝尔奖自然科学类奖项，就在不同程度上体现出这一特点。 庞大的规模闯荡前沿的新能级 新科技时代的科学研究特点首先体现在科研人员数量之多。 当今，一个科研项目动辄成千上百的科研人员参加并不新鲜。2011年发表于 《物理学进展通讯》 杂志的一篇高能物理学综述的作者有175人，共同署名为欧洲粒子物理研究中心 (CERN)；2001年 《自然》 杂志上一篇人类基因组序列的论文作者超过250人；2010年4月在 《物理快报B》 发表的一篇文章有作者3000多人；2010年在 《自然》 杂志上发表的一篇关于多人联机游戏论文的作者多达5.7万人…… 从大设备和大开销来看，欧洲大型强子对撞机就是一个典型。这个现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，位于瑞士和法国边界，被安装在地下100米深、27公里长的环形隧道内，总投资100亿美元。此前，美国从1989年开始建造大型强子对撞机 (LHC)，经费从30亿美元增加到80亿美元，正是由于经费巨大和公众的反对，不得不在1992年终止。 大量科学家参与、投资巨大的设备，往往会带来科研的大历史。新科技时代的科研大历史是指一些经典研究项目历经久远，并且有一代又一代的科学家薪火传承。 引力波研究可谓代表之一。早在1905年，法国科学家庞加莱就率先提出引力波的概念。此后，接力棒交到爱因斯坦手中，从1907年到1916年，爱因斯坦提出并在理论上建立了广义相对论。 1974年，美国科学家赫尔斯和泰勒发现脉冲双星的轨道在不断减小，认为可以用引力波导致能量损耗的机理来解释，这被视为间接观测到了引力波，两人因此获得1993年诺贝尔物理学奖。接下来便是从2015年以来的4次经实验确认发现引力波，以及1次疑似发现引力波。 2015年9月14日，位于汉诺威的德国马普学会引力物理研究所LIGO (激光干涉引力波天文台) 团队首次发现并探测到由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号。LIGO团队于2015年12月26日再次直接探测到引力波。今年1月4日，LIGO团队报告了第三次引力波事件。如果说这三次引力波都是单独由LIGO团队探测到的，那么2017年8月 14日第4次发现引力波事件则由不同的研究团队同时发现。 今年诺贝尔生理学或医学奖授予生物时钟成果同样也是大科研大跨度的体现。1971年美国加州理工学院的西蒙·本泽和他的学生科罗普卡以果蝇为模型，最早发现了周期基因(Per基因)。1984年，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什与迈克尔·扬密切合作，从果蝇体内克隆 (分离和提取)出了Per基因。再到1994年，迈克尔·扬发现了第二个节律基因，称为Tim基因。 此后，发现生物时钟的研究还在继续。1997年，在美国西北大学工作的日裔科学家高桥用老鼠做实验，发现了哺乳动物的生物时钟 (Clock) 基因和CKI∑蛋白 (激酶)，至此，整个研究才比较完整地解释了人和动物的生物钟。 学科的交叉“不务正业”却成正果 今年诺贝尔化学奖最能体现大科技的多学科交叉融合，这既是现代新科技研究的要求和趋势，也是出成果的必由之路。 今年化学奖授予三位研究人员是因为他们“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”。电子显微镜是物理学的研究领域，研究物质在分子、原子层次上的组成、性质、结构与变化规律又属于化学的范畴，而生物分子则属于生物学或医学。所以，今年化学奖涉及的学科之多，前所未有。 难怪这一奖项颁发后，科学界称化学奖又在“不务正业”了。其实，这早就不是新闻。从1901年首次颁奖以来，诺贝尔化学奖就多次颁发给生物学、生物化学、生理学或医学、生物物理学、物理学等领域的科学家。 然而，这种“不务正业”正是现代新科学时代研究发展的一条有效之路和捷径。 科学研究的必要和重要条件之一是需要适宜和有效的工具，例如显微镜和望远镜，这就天然地把物理学和生物学联系在一起。但一般的显微镜并不足以观察细菌、病毒、支原体等的内部结构，更不用说观察更小的原子层级的分子结构，如蛋白质的分子结构。 电子显微镜的发明当然可以观察更小的分子，但同时面临一个很大的难题：由于其会发射出强大的电子束流，破坏脆弱的生物材料，因此难以观察到活体或有生命的生物材料和生物分子的本尊。 于是，研究人员想尽各种办法来改进。1990年，理查德·亨德森使用电子显微镜观察到了第一个膜蛋白———细菌视紫红质原子层面分辨率的三维结构图像。约阿希姆·弗兰克则研发出一种图像处理方法，能够对电子显微镜获得的模糊二维图像进行分析并产生精细的三维图像，由此阐明了细胞内核糖体的结构。 最关键的是，雅克·杜博歇发明了在对生物分子进行图像拍摄之前让生物分子冷冻起来的方法，既不损害生物分子，又能保持其本尊模样。这奠定了冷冻电镜制样与观察的基本技术手段。 这一成果也标志着冷冻电镜技术的诞生，并且让人能在冷冻电镜下观察到原汁原味的有生命力的生物分子。所以，这项技术既是物理的，也是生物的，还是化学的。 正因为有这样的技术，对生物分子的观察可以达到原子层面。如今，研究人员使用冷冻电镜技术分析生物分子三维结构已经是一种常规做法。这样的技术无疑将为生命科学、医学、化学以及药物研究带来飞跃。 这是典型的生物学与物理学和化学相结合取得重大认知成果范例。今天，当人们说诺贝尔化学奖是“不务正业”时，那是没有领会到，很多时候这或许是真正认识事物的本来面目和规律的一条正途。 困难的抉择谁有资格获奖？ 新科技时代的大科技特点也决定了科研人员选题时的困难和成果认定的不易和纠结，尤其体现在诺贝尔奖的选择和颁发上。 比较2017年和2013年的诺贝尔物理学奖就比较清楚。2017年诺贝尔物理学奖依据的成果是发表在《物理快报》 上的文章，署名作者有1011名。按国际惯例，论文的主要贡献是第一作者和通讯作者，但是，该篇文章的第一作者并未获得诺贝尔奖。原因在于，这个庞大合作项目中主要研究人员的贡献在圈子内有目共睹。 从成果衡量排序，在引力波的研究上，应该获得诺贝尔奖的第一人是韦斯，第二人是罗纳德·德雷弗，第三人是索恩。但由于德雷弗于今年3月7日在苏格兰的一家疗养院去世 (享年86岁)，就产生了另一位替补者———巴里什。 显然，圈子内的共同认知帮助诺贝尔委员会作出了比较公平的选择。但是，对于其他大项目，诺贝尔委员会很可能既无能力，也无精力，更无时间去遴选和甄别。 比如，2013年诺贝尔物理学奖授予了希格斯玻色子的发现，但证明希格斯玻色子的科学家没有得奖，这个奖项简单地授予在理论上预测希格斯玻色子存在的比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国理论物理学家彼得·希格斯。因为，参与到欧洲大型强子对撞机 (LHC)项目以证实希格斯玻色子的研究共有约80个国家的7000名科学家和工程师，实在难以确定这些实验科学家中哪三位贡献更大。 同样，更宏伟、更贴近于人类生活的科学研究项目“人类基因组计划”，迄今并没有获得诺贝尔奖，原因也在于这个历经13年、对人类基因组全部30亿个碱基对进行测序的研究，汇集了来自多个国家、学科和年龄层的2000余名研究人员，诺贝尔委员会绞尽脑汁也难以确认哪三人能获奖，干脆就不颁奖。 在人类基因组计划之后，同样宏伟的研究项目———个人基因组、微生物基因组也没有能获奖，这些研究更与地球上的人类和生物密切相关，也是人类未来生活得更为健康、长寿和舒适的科学基础。 所以，大科技时代的科学研究既要参与大项目，更要选择适宜自身条件的小项目。面对新科技时代的研究需要大设备大经费的情况，显然发展中国家难与发达国家相比。而且，即便是发达国家，也需要大量研究人员的协作。 如果仅从如何更高概率获得诺奖而言，1993年诺贝尔生理学或医学奖得主之一理查德·约翰·罗伯茨曾发表文章，专门谈论获得诺贝尔奖的10个简单原则，其中两条特别适合于中国科学家：一是合作求小而精，不求大而全；二是从事生物医学研究，因为诺贝尔化学奖常常授予生物化学和生物医学，因此这类研究有1.5次机会获诺贝尔奖，但化学只有0.5次机会，其他研究则有1次机会。 然而，获得诺贝尔奖并非科研的唯一动力。所以，更客观的态度应是根据本国国情和实力，从参与国际大型研究起步，逐步发展到由本国科学家牵头实施大科学项目。 【诺贝尔生理学或医学奖】 由于在“生物节律的分子机制方面的发现”，本年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国遗传学家杰弗里·霍尔 (Jeffrey C. Hall)、迈克尔 · 罗斯巴什( Michael Rosbash) 和迈克尔·扬(Michael W. Young)。 【诺贝尔化学奖】 2017年诺贝尔化学奖授予瑞士洛桑大学的雅克·杜博歇 (Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学的约阿希姆·弗兰克 (Joachim Frank) 和英国剑桥大学的理查德·亨德森(Richard Henderson)，因为他们“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”。 【诺贝尔物理学奖】 2017年诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯 (Rainer Weiss)、加州理工学院教授巴里·巴里什 (Barry C. Barish) 和基普·索恩( Kip Stephen Thorne)，以表彰他们在引力波研究方面的贡献。 |
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