生物钟的运行机制得以揭示
冷冻电子显微图片——人们直观看到的生物世界又清晰了一大步
引力波是广义相对论的基本预言，将是探索宇宙的强有力工具
■ 野马
不到一周前，当瑞典皇家科学院宣布了三位诺贝尔化学奖新科得主后，2017年自然科学类诺奖的9位得主便悉数亮相。紧接着，“冷冻电子显微术”“引力波”“生物钟”这几个对公众而言或深奥高冷或习以为常似曾相识的关键词，就势不可挡地在媒体上开始刷屏。
冷冻显微术：“抓拍”生命分子的高清照片
◆拓宽对生命的理解，加速对新药的研制
根据新华社报道，瑞典皇家科学院宣布，将2017年诺贝尔化学奖授予瑞士科学家雅克·杜博歇、美国科学家约阿希姆·弗兰克以及英国科学家理查德·亨德森，以表彰他们在冷冻电子显微术领域的贡献。
近年来，带有生物分子的高清照片的论文频频占据世界顶尖学术刊物的版面，生物学家们对生命的观察明显变得清晰细密起来。
在生物体内，无数复杂分子不断地运动着，形成一个个拆解、结合又分离的过程，从而实现各种生理功能。这些运动着的生物分子一直让科学家们着迷。
如果能任意“抓拍”高清照片、看清某个分子在特定瞬间的模样，将使科学家更深入地理解生命如何运作。
冷冻电子显微术就是这样一种“抓拍”手段。上述三位获奖者对这项技术的发展作出了关键贡献。
实际上，电子显微镜技术面世已久，但因其会发射出破坏性的电子束，之前只适于观察“无生命”的样品，并不适用于生物材料和生物分子的研究。
一般来说，电子显微镜需要在真空环境下工作，样本中的水分需要被蒸发，从而破坏样品中的生物分子。为终结这一难题，20世纪80年代，雅克·杜博歇提出了“急速冷却”方案，成功将水溶液迅速冷却转变为玻璃态，使玻璃态水中的生物分子冻结，让生物分子能保持天然结构状态，以便于电子显微镜观察而不被破坏。杜博歇的“急速冷却”方案和相关技术为电子显微镜在生物学上的应用打开了大门。
玻璃态水是水在一定条件下，可以变成低温下呈极黏滞的粥状透明液体，体积不会像冰一样膨胀。
通常，电子显微镜观测的样本是只含一层分子的薄膜，可以视为二维的。
在美国纽约沃兹沃思研究中心工作的约阿希姆·弗兰克则在1975～1986年间开展了一种图像处理技术的理论研究，这种“三维重构”的理论研究希望能将电子显微镜模糊的二维图像转化成清晰的三维结构图。期间，弗兰克开发出了多种数学工具和图像处理方法。
从设想到现实，走过了15年的时间。1990年，英国剑桥分子生物学实验室的理查德·亨德森小组报告，他们完成了对一种色素蛋白的三维重构，这项成果是低温冷冻电子显微术的重要里程碑，证明“冷冻样本-二维成像-三维重构”的确可以得到高分辨率的三维图像。它标志着一种研究生物大分子结构的新方法已经成形，生物学家可以借此给生物体内溶液中、处于工作状态的分子“抓拍”快照。
业界普遍认为，无论是拓宽对生命的理解，还是加速对新药的研制，这一技术都意义非凡。
“周期”基因：决定生物钟“嘀嗒”走动原理
◆有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题
2017年诺贝尔生理学或医学奖授予给了三名美国科学家，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬，以表彰他们在研究生物钟运行的分子机制方面的成就。
多少年来，人们已经知晓，含羞草叶片在黑暗中仍按昼夜规律开闭，向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方，人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困——生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激，而是受某种内在机制掌控。
正如评奖委员会所说，人们过去知道，包括人类在内的许多生物都有内在的生物钟，但是对生物钟的工作原理长期不清楚，这一直是科学家探索的课题。
今年获奖者的研究成果解释了许多动植物和人类是如何让生物节律适应随地球自转而来的昼夜变换的，也即在分子水平上揭示了生命时钟怎样“滴答”走动。
这三位科学家以果蝇为研究对象，成功分离出一个能够控制生物节律的“周期”基因，它可以编码一种在夜间积聚、在白天分解的蛋白质，这种蛋白质在细胞中的数量变化就引起了细胞生物节律的昼夜变化。后来这几位科学家又发现了在这一过程中发挥作用的其他几种蛋白质，从而在分子层面较好地揭示了细胞内生物钟的工作机制。
有意思的是，看起来和人类差异巨大的果蝇，已经被科学家们研究了上百年。对它们的研究越多，就会发现它们与人类越相似：75%的人类疾病基因在黑腹果蝇身上都有可识别的对应基因。
对包括人类在内的生物而言，生物钟具有重要作用。在一天中的不同时段，人体生物钟可以精准地调节我们的生理机能，包括激素水平、睡眠需求、体温和新陈代谢等。若外部环境与生物钟节律暂时不匹配，比如长途旅行需要倒时差的时候，人就会有不适感。还有证据表明，当一个人的生活方式与内在生物钟节律长期不相符时，患上多种疾病的风险会增加。
霍尔在获奖后接受美联社采访时说，弄清这一机制有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题。
发现引力波：“这是全人类的胜利”
◆将是未来几百年内人类探索宇宙的强有力工具
雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩三位科学家，因发现引力波作出的贡献摘取了2017年诺贝尔物理学奖的桂冠。
“引力波将成为未来几年、几十年甚至几个世纪人类探索宇宙的强有力工具，”77岁的基普·索恩获奖后接受媒体采访时说，“这是全人类的胜利。”
2015年9月14日，一个持续时间不到1秒、由引力波转换成的宇宙之声，经过13亿年漫长的旅行，抵达地球，被“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的两个探测器捕捉到。据称，这个声音源自13亿年前一个双黑洞系统的合并。
引力波开启了人们认识宇宙的新途径。过去科学界探测宇宙，多是依靠光学望远镜、射电望远镜等手段，而引力波是与光不同的信息载体。
通过分析引力波信号，科学家们可以判断出遥远宇宙中发生了什么。引力波的波形特征与声波相似，这也是为什么科学家曾将其转换成声波，作为“宇宙的声音”播放出来。透过探测引力波来分析宇宙，就像根据乐器发出的声音判断乐器的质地种类，以及乐手的演奏手法。
受中国科技工作者之家“科猫”APP邀请，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南教授这样解读今年的诺贝尔物理学奖。
“2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了引力波，不但是众望所归，而是也对百年现代物理学做了一个了断！”
他介绍，导致此次发现引力波的实验，起于20世纪70年代。LIGO项目的创始人之一雷纳·韦斯早在那时候就开始研究激光干涉探测引力波的技术了。
探测到引力波之前，人类对于宇宙的了解只是“看”，不能“听”，“天文学家和整个人类面对宇宙只是个聋子！”
就像我们需要借助强大的望远镜才能看到遥远宇宙的天体一样，我们需要借助强大的引力波探测器才能听到遥远宇宙中的天体发出的引力波，因此引力波探测器就是人类的“助听器”，从此人类就不再是聋子了。
那么，什么是引力波？原来，这是百年之前爱因斯坦的一个预言。根据爱因斯坦的相对论，时空是可以弯曲的，有质量的物体在其中运动，就会产生引力波。这就好比石头丢进水里会产生水波，引力波因此常被称作“时空的涟漪”。但普通物体产生的这种引力波极为微弱，连爱因斯坦自己也认为很可能无法观测到。
另据媒体报道，捕捉到引力波的LIGO团队背后，是上千位科学家的参与。语言表达能力很强的获奖者之一索恩撰写了不少科普书籍，并被翻译成多国文字。他还在退休后担当电影《星际穿越》的科学顾问，让全世界的年轻人开始对引力波、相对论、时间旅行等话题好奇，激发更多年轻人投身自然科学探索。
至于引力波在实际生活中有什么应用，科学家说，时空旅行依然属于科幻设想，利用引力波的宇宙通信目前来看也还相当遥远。
（资料源于新华社、人民网、凤凰新闻客户端、百度百科、中国科技工作者之家）
