為什麼是他們獲獎？2017年三項諾貝爾科學獎獲得者背後的科學故事
2017年諾貝爾三大科學獎在十月上旬陸續揭曉。
美國科學家傑弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚，因在研究生物鐘運行的分子機制方面的成就，獲得諾貝爾生理學或醫學獎。美國科學家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，因在「激光干涉引力波天文台」（LIGO）項目和發現引力波方面的貢獻，獲得諾貝爾物理學獎。瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理查德·亨德森，因研發出能對生命分子進行三維成像的冷凍電子顯微鏡技術，獲得諾貝爾化學獎。
九位性格迥異的科學家，為何能夠獲得這三項科學領域最高成就的科學獎項？讓我們一起了解2017年三項諾貝爾科學獎獲得者背後的科學故事。
2017年諾貝爾生理學或醫學獎：解密機體生物鐘奧秘
從藍綠藻到真菌、從植物到動物，地球生命普遍擁有一套內置的時鐘，以24小時為周期調節生理活動，以適應我們這顆行星的自轉和晝夜變化。獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家，在分子水平上揭示了生命時鐘怎樣「滴答」走動。
含羞草葉子在黑暗中仍按晝夜規律開閉，向日葵在太陽尚未升起時已經朝向東方，人在亮如白晝的辦公室里待到半夜照樣犯困——生物的自然節律並不依賴於外界條件刺激，而是由某種內在機制掌控。鐘錶的核心元件是振蕩器，比如鐘擺、機械振子或石英電路，它們產生穩定的周期性振動。
那麼在生物體里，這個振蕩器是什麼？人們很早就發現生物節律特徵可以遺傳，隨著分子生物學發展，科學界逐漸提出「生物鐘基因」的設想。20世紀70年代，美國加州理工學院的西摩·本澤和羅納德·科諾普卡用果蠅做實驗，篩選相關的基因突變。
1984年，三名美國科學家，傑弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚克隆出了「周期」基因，並把它編碼的蛋白質命名為PER。他們發現，果蠅體內的PER蛋白質濃度有規律地變動，振蕩周期正是24小時。至此，人們找到了生物鐘的「振蕩器」。
這項研究成果的最大價值在於，該調控機制也同樣適用於人類，進而能夠從基因變異角度研究哺乳動物的生物節律。弄清這一機制有助於解決因晝夜節律紊亂導致的睡眠問題，亦為後來的科學家們進一步治療遺傳性疾病鋪平了道路。
諾貝爾物理學獎：引力波，聽見宇宙的聲音
在一片嘈雜的背景噪音中，一聲「噗」的清脆聲響，如水滴落水，持續時間短暫得不到1秒，這正是由引力波轉化成的宇宙之聲。這個聲音源自13億年前一個雙黑洞系統的合併，由此產生的引力波信號經過13億年漫長旅行，於2015年9月14日抵達地球，被「激光干涉引力波天文台」（LIGO）的兩個探測器捕捉到。
我們可以通過傾聽聲音來分辨樂器的種類和質地，物理學家也通過類似方式來研究宇宙。引力波就是這樣一種「時空的漣漪」，它能被極為靈敏的探測「聽」到，向我們傳遞宇宙的信息。
雷納·韋斯——LIGO的「發明者」
出生於德國的韋斯在上世紀70年代就提出了用激光干涉技術來探測引力波的實驗構想，這是LIGO裝置的基礎。隨後，韋斯遇到了索恩，二人仔細研究了探測引力波的可行性。韋斯推動了儀器方面的科學研究，使得LIGO相關設備達到了足夠的靈敏度和穩定性，最終捕捉到了「宇宙之聲」。
2015年第一次探測到引力波後，韋斯和索恩緊緊擁抱在一起。韋斯說：「如果我們能把這一消息告訴愛因斯坦，那麼他的表情一定會很好玩。」百年前，愛因斯坦在廣義相對論中預言了引力波的存在。
基普·索恩——LIGO的「代言人」
「引力波將成為未來幾年、幾十年甚至幾個世紀人類探索宇宙的強有力工具，」77歲的基普·索恩獲獎後接受媒體採訪時說，「這是全人類的勝利。」不過，他說1000多名參與引力波探測工程的科學家沒能分享這一獎項，「有些令人失望」，但他還是十分榮幸能夠代表他們接受這一榮譽。
擅長科普寫作，語言表達能力極強的索恩被認為是美國引力波探測項目公認的「代言人」。1970年，年僅30歲、打扮「嬉皮」的他成為加州理工學院歷史上最年輕的教授。他「任性」地依照個人興趣，開創了物理學多個分支領域，促成了引力波探測各相關領域研究的大發展。
LIGO科學合作組織的研究成員、加州理工學院物理學教授陳雁北在上世紀90年代曾是索恩的學生。他對新華社記者說，索恩推動了引力波探測研究合作，幫助搭建了整個研究理論框架，促成了這一領域研究「大生態」的發展。
索恩不僅對科研充滿激情，還是一位在文學和藝術領域遊刃有餘的「跨界達人」。2009年退休後，他前往好萊塢參與電影製作。首部電影便是著名的《星際穿越》，索恩擔任科學顧問。這部科幻電影成為很多物理課堂的必放影片。
索恩撰寫的科普書籍被翻譯成多國語言，其科普演講節目在媒體上反覆播放，他推動科幻小說新的創作方向……正是索恩等人的努力，讓全世界無數年輕人開始對引力波、相對論、時間旅行等話題著迷，激發更多年輕人投身自然科學探索。
巴里·巴里什——LIGO的「大主管」
對於81歲的巴里·巴里什來說，獲得諾貝爾獎是「意料之中」的事。
曾主持過國際直線對撞機項目的巴里什在科研項目管理方面特別有一套，威望極高。早期LIGO項目內部也曾充滿競爭、矛盾和對立，一度關係僵化。負責該項目的加州理工學院和麻省理工學院「脾氣」和「秉性」各異，在合作中遇到很多問題。直到加州理工學院找到巴里什來主持實驗工作，才逐漸把兩個學校的合作拉上正軌。
他於1997年至2006年擔任LIGO項目主管，把早期「各自為政」的幾個研究小組，成功轉化為由1000多名科學家參與的高效的國際大科學合作工程。他在採訪中說，是科學目標和不斷的技術挑戰激勵著他堅持走下去。
美國《科學》雜誌在一篇關於巴里什的報道中寫到：「他雖然沒有發明LIGO，但是他讓LIGO成為了現實。」
諾貝爾化學獎：冷凍電鏡，讓你看清生物大分子的模樣
見人所未見的世界，一直是科學探索的一個目標。但如何去見呢？理論在先，還是工具改進在先？比如量子理論，是典型的概念帶來實踐和認知革命，而工具改進是否也會帶來類似革命？2017年諾貝爾化學獎對這一問題做了一個交待。
英國科學家理查德·亨德森、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及瑞士科學家雅克·杜博歇因為在冷凍顯微術領域的貢獻而獲諾獎。
消息宣布後，不少科學界人士善意地調侃說，三個搞物理工作的「工匠」得了個化學獎。科學界利用三人不斷改進的技術，得以高解析度測定溶液中的生物分子結構，而又不破壞其形態，這一突破對生物化學產生了革命性影響。
正如化學獎評選委員會成員彼得·布熱津斯基所說，今年的化學獎是跨學科研究的一個典型，技術在科學發現中正發揮越來越重要的作用。
「電鏡鼻祖」——亨德森
「我一直覺得如果你做一些有趣的事情並且把它做好了，那麼在某個階段你就會因為做你喜歡的事情而獲得很好的回報。」英國劍橋大學的分子生物學家亨德森幾年前的預言今天應驗了。
亨德森生於1945年，作為電子顯微鏡領域的開創者之一，他也是個生物物理學家，以一個物理學家的特有眼光看待生物化學領域，或許總能獲得別樣的思路。「我把從事的研究當成了一項吸引人的愛好，因為從來不會重複，總有新東西。」
把研究當愛好，就彷彿孩子愛玩並好奇周圍一切一樣，讓亨德森在上世紀90年代才思泉涌，改進了傳統電子顯微鏡，取得了原子級解析度的圖像。人們因此得以看到極其微觀層面的世界。
研究不是亨德森唯一的愛好，他日常喜歡遛狗、劃皮划艇、喝點葡萄酒，與孫子一起踢足球，還一直是個電影迷。
我很幸運獲得了這麼好的教育，同時又有時間去從事其他活動。」亨德森說，他和幾個朋友經常花很多時間在一起收集並維修一些老爺車，他們曾開著一輛1948年的老爺車游遍了蘇格蘭。
「跨界奇才」——弗蘭克
77歲的德裔美國科學家弗蘭克如今是哥倫比亞大學生命科學系教授。他的主要貢獻是在上世紀70、80年代開發了一種圖像合成演算法，能將電子顯微鏡模糊的二維圖像合成清晰的三維圖像。
弗蘭克物理學背景深厚，說他是物理學家也不為過。在德國的大學裡，他研究的是熔點下的金的電子衍射，讀博士時，接觸了Ｘ射線晶體學，並師從德國著名的電子顯微學家霍佩博士，並由此接觸到了電子顯微鏡。
1970年弗蘭克在德國慕尼黑理工大學獲得博士學位後，獲得了資助前往美國最好的幾個實驗室遊學兩年，其中包括美國航天局的噴氣推進實驗室。而在噴氣推進實驗室工作期間，他選擇去學習圖像處理技術。當時的他，怎麼也不會想到他的這些功課日後會與化學有關聯。
此後，弗蘭克在英國劍橋大學從事電子光學研究。幾年後又定居美國，從事一些與電子顯微鏡相關的公共衛生研究。豐富的「跨界」學術經歷對他的成長很有幫助。
弗蘭克發展了一系列成像演算法並編寫軟體，實現無需結晶的蛋白質三維結構解析技術。尤其在核糖體三維重構方面有一系列的重要開創性工作，可惜當年解析核糖體結構而獲諾貝爾獎的科學家不包括他。現在他在冷凍顯微術領域獲諾貝爾獎，實至名歸。
「科學哲人」——杜博歇
如果說，亨德森和弗蘭克在基本理論實踐和重構演算法方面有貢獻，75歲的瑞士洛桑大學榮譽教授雅克·杜博歇則在樣本製作方面有開創性貢獻。
上世紀80年代，杜博歇發明了迅速將液體水冷凍成玻璃態以使生物分子保持自然形態的技術。通俗地說，生物細胞內的水一旦冷凍就會結冰，而這些冰晶會破壞細胞內各種物質的原有形態。讓這些水變成玻璃態，就能讓細胞內的各種分子保持原樣，供電子顯微鏡觀察。
杜博歇做出開創新研究之後，隨著冷台技術的開發，低溫冷凍電子顯微技術才正式推廣開來。2015年，這一成果已被同行認為是「諾獎級」。
杜博歇不僅是一位科學家，還堪稱「哲人」。退休後，他在博客上經常寫一些富有哲思的短文。他還廣泛關注社會問題，提倡科學家要有社會責任感，成為「公民科學家」。他在一篇題為《教科學家成為公民》的文章中寫道：「成為一名好科學家很難，成為一個好公民更難」，「成為一名好的公民生物學家需要一點哲學和歷史，加上一些經濟學和法律知識」。
改編綜合自：新華社、《科技日報》、科學網、澎拜新聞網等
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