人民日报：中国距离诺奖这些领域还有多远

在过去的几天里，2016年诺贝尔奖的一些奖项相继宣布，吸引了众多的关注。

诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大久美惠，以表彰他在自噬机制研究方面的成就。诺贝尔物理学奖授予大卫·索利斯、邓肯·霍尔登和迈克尔·科斯特利兹，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。诺贝尔化学奖授予让-皮埃尔·萨沃、弗雷泽·斯托达特和伯纳德·费里加，以表彰他们在分子机器的设计和合成领域的贡献。

为什么大奖会颁给这些科学家？他们的研究成果有什么意义？中国在这些领域的研究地位和水平如何？

细胞“吃掉自己”来实现自助

尽管在生命科学领域相对落后，但中国科学家在自噬的具体方向上处于领先地位。

“自噬”字面意思是“吃掉自己”，但实际上它是细胞自身成分降解和循环的基本过程。一般来说，细胞可以通过降解自身的非必需成分来提供营养和能量，也可以降解一些有毒成分来防止细胞损伤和凋亡。南加州大学医学院的分子微生物学和免疫学专家梁承宇博士将其比作细胞的“自我拯救”。

梁承宇说，从广义上讲，自噬机制更像是细胞中巨大运输机制的一部分。自噬机制就像细胞自我净化和实现自动环保的运输线。它将细胞内的代谢废物和一些过期的无用或受损的细胞部分装入其独特的运输工具——自噬体，然后将它们沿着特定的路线送到“垃圾处理厂”——溶酶体进行回收和废物再利用。

当细胞缺乏能量时，自噬机制也可以打开紧急运输通道来提供能量。因此，自噬机制是细胞内巨大运输网络系统的重要组成部分。“维持基本的生存需求和细胞平衡是至关重要的，”梁承宇说。

“自噬”的概念是在20世纪60年代提出的，当时研究人员发现了细胞降解自身成分的现象，但相关的机制尚不清楚。

20世纪90年代初，日本科学家大相美善纪(yoshinori ohsumi)在使用普通酵母进行了一系列实验后，发现了对细胞自噬机制起决定性作用的基因。基于这一研究结果，他进而阐明了自噬机制的原理，并证明了人类细胞也具有同样的自噬机制。

遴选委员会在同一天发布的新闻稿中指出，yoshinori ohsumi的研究成果将帮助人类更好地理解细胞如何实现自身的循环利用。在许多生理过程中，如适应饥饿或应对感染，细胞的自噬机制是非常重要的，和yoshinori ohsumi的发现打开了理解这些意义的途径。此外，细胞自噬基因的突变会导致疾病，因此干扰自噬过程可用于治疗癌症、神经系统疾病等。

中国科学院生物物理研究所研究员张虹作为国内多细胞生物自噬机制和调控机制方面的专家，与大苏美善纪进行了深入的学术交流。在张虹看来，虽然我国在生命科学领域仍处于相对落后的地位，但我们的科学家在自噬的具体方向上处于领先地位。“细胞自噬是目前世界生命科学领域的一个热门研究课题。许多国内球队都加入了进来。中国科学院动物研究所陈泉教授的团队、清华大学陈教授的团队和北京大学健康科学中心教授的团队都取得了许多原创性的成果。”张虹说。

清华大学李煜教授于2008年回国任教，对近年来中国生命科学领域的进步深有感触。“如果将自噬研究比作一座建筑，那么中国科学家已经给这座建筑增加了一层新的地板。”

“自噬的研究才刚刚开始，”张虹说，并补充说中国科学家有能力在这个领域做出更大的贡献。

将拓扑概念引入物理研究

在理论预测的基础上，中国科学家首次向世界展示了TaAs中费米子的行为。

评选委员会表示，大卫·索利斯、邓肯·霍尔登和迈克尔·科斯特利兹将拓扑概念应用于物理研究是他们取得成就的关键。

对许多人来说，“拓扑相变和拓扑相变”属于一个强大而深刻的理论。

拓扑本身是一个数学概念，它描述了在连续弹性变形(没有撕裂，没有截断)下几何可以保持不变的性质。例如，不管面团是怎样揉成的，它的外表面上的孔数都是0。如果它被撕裂并重新连接，它可以被制成一个油炸圈饼，并且在油炸圈饼的外表面上形成一个孔。孔的数量是在连续弹性变形下保持不变的面团或甜甜圈的数量。正是拓扑不变量区分了两个几何，即拓扑数。”中国科学院物理研究所研究员翁宏明。

不同形式的物质被称为物质的不同“阶段”或状态。相变，即物质“变脸”的过程，即从一个阶段变化到另一个阶段的过程。例如，随着温度的变化，水在固态、液态和气态之间的转变实际上是一个相变过程。相变过程通常伴随着材料性质和性质的变化。物质的“拓扑性质”发生了变化，这被称为“拓扑相变”。拓扑相变伴随着拓扑数的变化。

然而，如果物质变得极其稀薄，物质的相位还在吗？选拔委员会说，飞机上的物理现象与我们周围的世界完全不同。即使分布非常稀疏的物质也含有数百万个原子。每个原子的行为可以用量子物理学来解释，而许多原子结合在一起时表现出完全不同的性质。三位获奖者的研究结果揭示了拓扑性质对量子态和量子相变的决定性影响。

科斯特利兹和索利斯把他们的研究集中在平面世界中的“奇怪现象”上。与通常描述的三维世界相比，他们发现极薄层的表面或内部可以被认为是二维的。从超流体到正常流体有一个相变，主要的决定因素与人们以前的理解完全不同。霍尔丹发现拓扑概念可以用来解释一些材料中存在的小磁链的特征。他发现原子的不同磁性使这些链呈现出完全不同的性质。霍尔丹在量子霍尔效应方面也做了很多开创性的工作。

正如瑞典皇家科学院所说，今年获奖的研究成果打开了一个未知的世界。由于三位获奖者的开创性研究，科学家现在可以继续探索物质的新相变。研究人员相信拓扑材料将应用于未来电子、超导体和量子计算机的研究和发展。

在拓扑学研究领域，中国科学家也有很多值得称道的工作，有些研究仍然处于国际拓扑学研究的前沿。

翁宏明表示，早在2009年，中国科学院物理研究所的、戴等中国科学家就与合作，从理论上预测了目前研究最广泛的拓扑绝缘体材料Bi2Se3家族。2014年底，中国科学院物理研究所的、戴、翁宏明等研究团队从理论上预测，TaAs晶体为非磁性外半金属。在他们的推动下，中国科学院物理研究所的陈根福团队在2015年准备了高质量的样品。丁洪和前田的团队使用上海光源的“梦想线”来观察TaAs中的费米子行为。这是这种特殊的电子第一次出现在世界面前。外半金属是拓扑半金属的一个重要研究方向。该研究成果被英国物理学会主办的物理世界评为“2015年十大突破之一”，被美国物理学会评为“2015年八大亮点之一”。

分子机器开启了化学的新世界

尽管起步较晚，但在过去的10年里，中国在新型分子机器的结构、原理设计和应用方面取得了进展。

世界上有没有小到头发厚度千分之一的机器？答案是分子机器，它刚刚帮助三名科学家获得了2016年诺贝尔化学奖。

分子机器是指在分子水平上设计和开发的机器，当向其提供能量时，它可以移动以执行特定的任务，并且是纳米研究的焦点。评选委员会称，三位科学家发明了“世界上最小的机器”，将化学的发展推向了一个新的层面。

所有的化学系统都试图达到一个平衡状态，这可以减少能量消耗，但这也会形成一个“僵局”。就像人类的生命一样，人体内的分子可以从食物中获取能量，从而推动人体的分子系统远离平衡，向更高的能量水平发展，这样人体就可以利用这种能量来促进身体的正常工作和维持生命。一旦人体处于化学平衡状态，人就会死亡。

这三位科学家的成就获得了诺贝尔奖，因为他们的研究帮助分子系统摆脱了平衡状态，在控制下完成了特定的任务，为化学的发展打开了一个新的世界。

据报道，三位获奖者已经完成了分子机器设计和合成的“三个步骤”。在第一步中，索瓦里成功地合成了两个连锁的环状分子，称为“氢碳”，这两个分子可以相对移动。第二步，斯托达特合成了“轮烷”，即将环状分子套在哑铃状的线性分子轴上，环状分子可以绕轴上下移动，成功实现了0.7纳米高度的“分子升降机”和能弯曲金箔的“分子肌肉”。在第三步中，费里加设计了一种分子马达，它可以在结构上向特定的方向旋转。这个马达可以旋转一个28微米长的玻璃圆筒，比马达本身大10，000倍。分子机器正在移动。

近年来，三位诺贝尔奖获得者的成就已经成为全世界研究人员开发分子机器的“工具箱”，开辟了分子机器的发展道路。目前，科学家已经建立了一个基于轮烷的分子机器人，可以抓取和连接氨基酸。其他研究人员已经将分子马达与长聚合物连接起来，形成复杂的网络，将光能储存在分子中，并有望开发新的电池和光控传感器。

评选委员会表示，分子机器有可能在未来被用于开发新材料、新传感器和能量存储系统，为人类的未来提供无限的可能性。

复旦大学化学教授李占庭说，虽然中国的分子机器领域起步较晚，但发展很快。特别是近10年来，中国在新型分子机器的结构、原理设计和应用方面取得了进展。分子机器的学术研究和应用探索取得了许多成果，这些成果在国内得到了认可，并引起了国际关注。如华东理工大学田禾院士对“有机荧光功能材料”的研究，创新性地合成了新型可控分子器件和高性能有机光电功能材料，获得了2007年国家自然科学二等奖。

李占庭认为，未来中国将在分子机器研究领域产生更多的创新成果，中国将在分子机器领域做更多的工作。

(于思迪、肖佳欣、关、、新华社报道)