今年諾貝爾獎的三大自然科學獎“塵埃落定”。英國理論物理學家彼得·希格斯、比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒特因成功預測希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”）而獲得2013年諾貝爾物理學獎﹔三名美科學家分別為：馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿裡耶·瓦謝勒因在開發多尺度復雜化學系統模型方面所作的貢獻而獲得了本年度的化學獎﹔美國科學家詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼以及德國科學家托馬斯·祖德霍夫三人“共同揭示了控制細胞貨物進行精確轉運的分子機制”而獲得了醫學獎。
三大自然科學諾獎獲得者到底解決了什麼問題？解決這些問題的價值何在？能給我們的生活帶來什麼？為此，記者採訪了有關專家，給您一一解讀。
基本粒子是如何獲得質量的
一年一度的諾貝爾物理獎揭曉，英國人彼得·希格斯和比利時人弗朗索瓦·恩格勒特因為他們的理論預言——“希格斯玻色子的存在”而獲此殊榮，並且在2012年得到了歐洲核子中心實驗的証實。
希格斯玻色子是什麼？為什麼找到它如此重要？復旦大學物理系教授吳詠時說：“該發現奠定了粒子物理學標准模型的基石，如果希格斯理論被証明是錯誤的，希格斯粒子根本不存在，那麼標准模型理論將被推翻，整個物理世界的理論都有可能要重新改寫。”
在標准模型裡，宇宙由62種不可再分的基本粒子構成，分為兩大類：構成物質“實體”的費米子和傳遞基本相互作用的玻色子。基本粒子通過強力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復合粒子，進而構成物質世界。
顯然，物質世界是有質量的。實驗結果也清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質量的，但按照標准模型理論，粒子是沒有質量的。吳詠時說：“標准模型的缺陷，就是該模型無法解釋物質質量的來源。”這給科學家們帶來了很大困擾。
1964年，希格斯等人提出了“希格斯機制”的概念，在理論上解決了這個問題。希格斯等人認為宇宙間遍布“希格斯場”，基本粒子在與希格斯場的相互作用下獲得了質量，而形成希格斯場的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子，且根據對希格斯粒子性質的預言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子。
然而，粒子物理學模型預言的62個基本粒子中的61個都已經得到了實驗數據的支持與驗証，但希格斯粒子仿佛一個幽靈，仍然游離在這座輝煌的大廈之外。由於希格斯粒子未被發現，重要問題懸而未決，因此一直成為科學家們苦苦追求的目標。而希格斯玻色子的發現，最終為這一標准模型畫上了完美的句號。
“如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就會仍然以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質，生命也無從談起。”參與發現“上帝粒子”的中國科學技術大學教授劉衍文此前表示，從科學意義上講，發現希格斯玻色子比人類登上月球更重要，該理論解釋了粒子為何擁有質量，從而演化為萬事萬物，“人類距離了解宇宙誕生之謎或許將要邁進一大步”。
發現希格斯粒子，只是整個過程的第一步。哈佛大學物理學家麗薩·蘭德爾表示，這將進一步為更深層次的問題提供解決的線索，比如為什麼這些粒子擁有這一質量數值？這個值是如何確定的？“這是一個大得多的問題。”
目前我國在粒子物理研究的某些領域也做出了很有影響的工作。比如，在大亞灣進行的中微子振蕩實驗，得出了一個重要的參數，這顯示我國對中微子振蕩領域的研究，在國際上已佔有一席之地。此外，我國正在進行尋找暗物質的研究。“但是，中國在這些粒子物理前沿領域的理論研究上，還需要進一步努力，去趕超國際領先水平。”吳詠時說。
化學反應是如何“歷歷在目”的
“過去，化學家們利用塑料球和小棍來建造分子的模型，而現在，建模則是由計算機完成。”瑞典皇家科學院給出的新聞通稿中這樣寫道。
馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿裡耶·瓦謝勒這三位科學家因在20世紀70年代開發出“多尺度復雜化學系統模型”而摘得了今年諾貝爾獎化學獎桂冠。因為這項研究，科學家得以用計算機揭開神秘的化學反應的面紗，通過計算機程序模擬，讓復雜化學過程中肉眼不可見的每一個細微步驟都“歷歷在目”。
化學反應像閃電般快速發生，在數百萬分之一秒間，電子已經完成從一個原子核向另一個原子核的遷移，科學家的肉眼無法觀察。“在這種情況下，要想借助實驗方法去描繪化學過程中的每一個小步驟幾乎已經是不可能的任務。”北京大學化學與分子工程學院教授高毅勤說。
而此前，經典物理學與量子力學分屬於互相對立的世界。科學家們在電腦上模擬時，他們擁有的軟件要麼是基於經典物理的，要麼則是基於量子物理學的。前者的優勢在於計算簡便，但隻能用於大分子，無法模擬化學反應﹔后者則隻能用於小分子並且計算量龐大。
2013年諾貝爾化學獎在這兩個世界之間打開了一扇門，並帶來了活躍的合作前景。諾貝爾獎評審團說，三位科學家的開創性在於，他們讓經典物理學與迥然不同的量子物理學在化學研究中“並肩作戰”。
上海交通大學化學化工學院教授孫淮舉例說，一個蛋白質分子裡有成百上千個原子，但化學反應往往發生在其中的一個小區間。量子物理學能夠精確描述如酶催化等小區間的化學反應，但小區間不是孤立的，整個環境也需要納入研究考量。今年獲獎的三位科學家，將量子物理學和分子力學計算相結合，用量子化學計算小區間的化學反應，用分子力學處理環境的影響，彌補了分子力學無法模擬反應過程及量子化學無法完成海量計算的缺陷。
多尺度復雜化學系統模型的出現無疑翻開了化學史的“新篇章”，讓傳統的化學實驗走上了信息化的快車道。如今，反映真實情況的計算機模型已經成為現在化學界大多數新進展的關鍵﹔化學家在計算機上所進行的實驗幾乎與在實驗室裡做的一樣多，從計算機上獲得的理論結果被現實中的實驗証實，之后又產生了新的線索，引導我們去探索原子世界工作的原理。
“多尺度模型的意義在於其具有普遍性，可用來研究各種各樣的化學過程，從生物分子到工業化學過程等。”孫淮說。人們發現，借助三位科學家的研究工作，自然界的許多疑問被解答了。例如，綠葉如何進行光合作用？催化劑如何加快化學反應？藥物如何在人體中發生作用？科學家們可以以此優化藥物設計，制造出更高效的太陽能電池，還可以通過研究催化水分子的分解來開發更多清潔能源等等。
孫淮介紹，目前中國科學家也在相關領域積極參與研究，但對多尺度模型的建立研究還在初始階段。他認為，計算化學必將在生物科學、材料科學、化學化工等領域帶來新的突破。
細胞是如何組織“貨物”運輸的
人體內營養物質是如何運送到身體的每一個角落的？這是一個司空見慣卻又很難回答的問題。慶幸的是，2013年諾貝爾生理或醫學獎獲得者：詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·祖德霍夫給了我們答案，他們共同揭開了細胞內部囊泡運輸調控機制的神秘面紗，展示了一個基本的細胞生理過程的種種細節。
中科院動物所研究員李培峰解釋說，細胞猶如繁忙而巨大的港口，負責傳輸營養分子的交通工具——囊泡，好比是港口的“穿梭巴士”，“乘客”搭乘巴士在細胞內外往來。在這一過程中，細胞會產生出各種不同的分子，如膜蛋白、神經遞質、激素、各種酶和細胞因子等，它們必須被傳遞至細胞內不同的位置上，或需要被精確地在正確的時間轉運至細胞外部。
這輛巴士是如何確定自己的啟程時間及目的地的，如何確保“貨物”會在規定時間配送到規定位置？這正是三位諾貝爾獎獲得者要解決的。謝克曼發現“運輸狀況異常”的酵母與混亂的公共交通系統一樣，囊泡堆積在細胞的某一個角落，而導致這一擁堵狀況的罪魁禍首——三類編碼調節囊泡運輸關鍵蛋白的基因﹔羅思曼發現了囊泡與“乘客”精確對接的奧秘——一種蛋白質復合物，可令囊泡基座與其目標細胞膜融合，由此解決了囊泡“釋放”問題，確保了“乘客”准確、及時到達。如果說羅斯曼與謝克曼的發現可以解釋囊泡作為一輛“穿梭巴士”是如何准確接送“乘客”的，那麼祖德霍夫的研究成果則闡明細胞運輸系統在時間上的精確性，並指出“乘客”須有指令方能下車的信號問題。
無疑，囊泡運輸系統是細胞生命活動的支柱，正是有了囊泡的存在，人體內各種物質才能有條不紊地運輸，確保新陳代謝的正常運轉和生命的延續。
囊泡運輸的重要性不言而喻。諾貝爾獎評選委員會說，這一機制的發現幫助研究人員更好地了解了多種疾病，包括糖尿病和免疫系統紊亂，希望囊泡運輸調控機制的研究能繼續推動藥物研發，治療人體代謝缺陷等疾病。
“若囊泡運輸出現障礙，則可導致多種疾病發生。”李培峰說，發育缺陷、免疫缺陷、神經退行性疾病、白化病、腫瘤、精神分裂症、糖尿病與高脂血症等都涉及囊泡運輸的異常。在他看來，三位科學家對於囊泡機制的揭示為人們准確清楚地認識相關疾病的發病機理進而尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類更好地戰勝疾病成為可能。
當前，我國有越來越多從事囊泡轉運研究工作的人員都曾在國際知名實驗室學習工作，目前我國已經有100多個實驗室正在開展與囊泡轉運有關的研究，在研究內容上能夠緊跟國際的研究熱點，研究能力也取得了很大進步。當前，我國對於囊泡轉運機制的研究已經滲透在老年痴呆症、糖尿病等多個重大疾病研究的框架內。
李培峰說：“對於囊泡、線粒體、內質網、高爾基體以及細胞核等膜包圍的結構的研究必將成為未來的一個熱點。”（記者 劉鬆柏）
