 《三思科学》电子杂志
2004年第1期
2004年1月15日
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2003诺贝尔
物理学奖和化学奖
 柯南
首发于南方周末 2003-11-13
物理学奖：“很久以前我就忘了这回事”
假如您曾经做出一项重大发现，虽然也很有名，长期以来却没有得到重要的奖励。50年后，就在您自己都快要忘掉的时候，突然有人打电话通知您得奖了，会有什么感想？
听上去有点不可思议，然而这正是莫斯科列别杰夫物理研究所的京茨堡(VitalyL.Ginzburg)上星期的遭遇：他与他的俄罗斯同胞阿布里科索夫(Alexei A.Abrikosov)以及英国人莱格特(Anthony J.Leggett)共同分享了2003年的诺贝尔物理学奖。
  
从左到右依次为：Abrikosov , Ginzburg, Leggett | |
“他们已经提名了我30多年，所以在这个意义上，这并非一件始料不及的事，”京茨堡在接受美联社采访时说，“但是我猜想他们并没有打算把奖给我，毕竟有很多竞争者。所以，很久以前我就忘了这回事了。”
京茨堡的获奖简直是一个让人们重新温习超导历史的机会。1911年，荷兰的科学家昂尼斯发现，温度降到零下269摄氏度的水银失去了电阻。这是人类首次发现超导体——电阻为零的导体。20多年后，科学家发现了超导体的另一个特点：超导体排斥磁场进入其内部，但是如果磁场太强，那么它的超导电性就可能被破坏。
1950年，当时只有34岁的京茨堡和前苏联另一位著名的物理学家朗道一同提出了一个描述超导体特性的理论。这个理论可以准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。
然而京茨堡—朗道理论是“从现象或已知的物理量出发而发展出来的描述现象的理论，它未必是最根本的理论”。中科院物理所的闻海虎研究员解释说。
更根本的理论要等到1957年才出现。这一年，三位美国科学家库柏、巴丁和施里弗提出了BCS理论(BCS是三人姓氏第一个字母的组合)，从微观上解释了超导的机制。1972年，他们三人因此而获得了诺贝尔物理学奖。然而，一直以来比BCS理论更早的京茨堡—朗道理论却没有获奖：20世纪五六十年代，正值东西方两大阵营对垒的时刻，西方的科学家可能对京茨堡—朗道理论并没有留下太多的印象。
“BCS理论从微观的角度解释了超导材料为什么会超导，而京茨堡—朗道理论不能解释超导的原因，但是能够描述超导材料进入超导态后在磁场中的行为，两个理论都很伟大，各有侧重点。”闻海虎告诉笔者，“可能冷战对京茨堡—朗道理论的创立者获得诺贝尔奖有些影响，但BCS理论绝对是一个伟大的工作，图像很清晰、准确，应该很快获得诺贝尔奖。”
但是京茨堡以及其研究建立在其基础之上的阿布里科索夫却没有很快得奖。在最初发现超导体之后很多年，人们才知道世界上存在不止一种类型的超导体。那种不允许磁场穿过的，是第一类超导体。而阿布里科索夫在1953年的研究表明，还存在第二类超导体，这种超导体允许磁场穿过。
如果没有阿布里科索夫的发现，或许今年的诺贝尔医学或生理学奖就不会授予劳特布尔和曼斯菲尔德：今天几乎所有产生强大磁场的超导磁铁都是由第二类超导体制造的。而没有强大的磁场，就没有磁共振成像技术。
两类超导体 | |
如果一定要找到一个连接莱格特和其他两位获奖者的人，那么这个人仍然是朗道。1962年，朗道因为对液氦超流动性的研究而获得诺贝尔物理学奖。超流动性在常人看来是非常奇异的现象：如果你把液氦注入一个敞口的容器，那么液氦会“自动地”溢出容器。
当时，人们发现能产生超流动现象的是氦4(氦的一种同位素)，而氦3不会产生这种现象。后来发现事实并非如此。当时还在英格兰苏塞克斯大学的莱格特对这一奇特的现象作出了精彩的解释。
“(莱格特)只用了不到三个星期的时间就给出了解释，”当年发现氦3超流动性的奥谢罗夫在《纽约时报》上回忆说，“这确实是很关键的一步。”
尽管关键，莱格特却和京茨堡一样不太走运。1996年，诺贝尔物理学奖授予了当年康奈尔大学发现氦3超流动性的三个人，莱格特却榜上无名。
岁月流逝，如今京茨堡已届87岁高龄，阿布里科索夫75岁，而莱格特也有65岁了。1980年代末，阿布里科索夫移民到美国，在阿贡国家实验室继续他的科学生涯，京茨堡一直在莫斯科，莱格特则来到了伊利诺伊大学，至今还活跃在超流动研究领域。或许可以认为，今年的诺贝尔物理学奖也含有一点对历史“补偿”的意味。即便没得到补偿，他们也比因车祸而于1960年代逝世的朗道幸运得多。
离子通道：不可能任务
100多年前阿尔弗雷德·诺贝尔立下遗嘱时，他的要求是奖励前一年作出卓越贡献的科学家。然而在大多数情况下，获奖者总要等上许多年才能接到那个来自斯德哥尔摩的著名电话。不过今年的诺贝尔奖形成了一个有趣的对比：京茨堡和阿布里科索夫（物理学奖）等待了将近半个世纪才获得了这个荣誉，而获得今年化学奖的两位科学家都是因为几年前的成果而获奖的。
出现在10月8日诺贝尔化学奖名单上的两位科学家是美国人阿格雷（Peter Agre）和麦金农（Roderick MacKinnon），他们的发现都涉及到了“细胞膜上的通道”。
 
左：Agre，右：MacKinnon | |
54岁的阿格雷是约翰·霍普金斯大学医学院的生物化学教授。1980年代中期，阿格雷发现了镶嵌在细胞膜上的一种专门供水分子进出的蛋白质。这种蛋白质就是30多年来科学家一直寻找的“水通道”——水分子进出细胞的通道。阿格雷把这种蛋白质称作“水孔”，正如树叶上负责气体进出的气孔。一些至关重要的生理活动依赖于水通道（比如肾脏细胞需要用水通道及时回收尿中的水分）。
“获得诺贝尔奖是一项非凡的荣誉，因为它不仅仅肯定了这些发现，也肯定了它们在推进基础科学的作用。”阿格雷在一个简短的新闻发布会上说。
不过，也有一些科学家对阿格雷的获奖感到惊奇：他的研究成果很好，当然也是真的，但是并没有好到够得诺贝尔奖。
今年诺贝尔化学奖的另一名得主、洛克菲勒大学的麦金农则是一位近几年来人们经常猜测的最有希望得奖的科学家。麦金农领导的研究小组于1998年完成了一项几乎不可能的任务：绘制出了世界上第一张离子通道（蛋白质）的三维结构图。
一个多世纪前，德国物理化学家奥斯特瓦尔德（W ilhelm Ostwald）首先提出，生物体内的电信号是离子进出细胞膜而产生的。到了1950年代初，两位英国科学家霍奇金（Alan Hodgkin）和赫胥黎（Andrew Huxley）发现，钾离子和钠离子进出神经细胞的细胞膜，从而让神经信号传递下去。
“如果把人比喻为细胞，那么离子通道就像人的五官，”中科院神经所的周专研究员告诉笔者，“以神经和心肌细胞为例，目前有关神经和心脏的药物中，有一半以上都是作用于这些细胞上的特种离子通道而起作用的。因而研究离子通道是认识细胞功能和发明治疗许多严重疾病的特效药物所必不可少的。”
离子通道 | |
在过去的半个世纪中，科学家一直想知道离子进出细胞膜的具体机制是什么。20多年前，德国科学家萨克曼和内尔发现了离子通道是细胞膜上的蛋白质。“但是应用分子生物学方法只能得到蛋白质的序列，只有了解离子通道的三维结构，才能彻底解开离子通道功能的奥秘”。周专说。
起初，麦金农通过电生理学的方法向弄清离子通道的结构逼近了一些。但是想彻底弄清楚离子通道的工作原理，还是需要测定出蛋白质中每一个原子的位置。
通常，科学家会让一束X射线穿过需要研究的物质，根据X射线的衍射图案推测出分子中各个原子的空间位置。不过，进行这种分析需要一个前提：这种物质必须能制成纯净的晶体。
试图弄清离子通道蛋白质结构的科学家并非麦金农一人，但是在此之前所有其他人都失败了。周专介绍说，“30年来已经用这种（X射线晶体学）方法解析了数以百计的蛋白质结构，但是关于离子通道蛋白质晶体化方面遇到了巨大的困难，因为离子通道蛋白质纯化很困难，纯化的离子通道蛋白质也很难形成晶体。”很多同事因此劝告麦金农，认为他不应该把时间浪费在这个问题上。但麦金农显然对离子通道充满了热情。
为了解决它的结构，麦金农开始学习晶体学，并且常常出现在哈佛大学的晶体学实验室里。“学生们觉得这有点古怪：一个教授在实验室里转悠。但是他们习惯了，且确实成为我的良师益友。”麦金农在《自然》杂志上回忆说。
“麦金农获奖是人们预料到的事情，他关于钾离子通道结构的工作是卓越的。”华盛顿大学的饶毅教授告诉笔者，“这项研究为人们理解离子如何通过通道进出细胞膜的机制提供了重要见解。它是过去50年在离子通道领域最重要的三四个研究之一。”另外几个研究包括前面提到的霍奇金、赫胥黎、萨克曼与内尔，还有一位因评奖惯例而无法获奖的日本科学家。
“对于日本来说，有点可惜的是一位卓越的科学家Shosaku Numa（沼正作）1992年因患癌症去世了。1980年代初期，Numa克隆出了许多离子通道的基因，在分子水平上获得了对它们的理解。”饶毅认为，“如果他还活着，也应该得奖。”
有趣的是，麦金农在发现离子通道结构和因此而获奖的时候，都经历了一点对比鲜明的戏剧性场面：1998年元旦前夜，麦金农的同事全都去参加元旦的庆祝活动，只有他一个人留在实验室。就在那一天晚上，麦金农第一次看到了离子通道结构。而5年后，当诺贝尔化学奖揭晓、同事和亲友都在为他庆贺的时候，麦金农和他的妻子正在乡间度假，反而成为惟一蒙在鼓里的人。
诺贝尔奖网站
离子通道
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