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物理学家抢走了化学奖?  

2014-10-28 15:04:23|  分类: 引用转载 |  标签: |举报 |字号 订阅

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物理学家抢走了化学奖?

《南方周末》第1600期    2014年10月16日

南方周末记者 黄永明

 

三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辨率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。为什么这种需要量子理论的工作属于化学领域呢?

 

物理学家抢走了化学奖? - 实验化学组 - 南昌市实验中学化学教研组

美国科学家威廉姆·莫尔纳尔(东方IC/图)

 

美国霍华德·休斯医学研究所的埃里克·白兹格(Eric Betzig)说自己高中时化学这门课是最弱的,他学的是物理专业,还曾经很看不起搞化学的人。他也感到讽刺,自己获得了2014年的诺贝尔化学奖。

德国马普研究所的斯特凡·黑尔(Stefan Hell)比白兹格还要像一名物理学家。他1990在海德堡大学获得物理学博士学位;三年后,当他灵光一现获得改造显微镜的关键思路时,他手中正在翻阅的书是量子光学。

威廉姆·莫尔纳尔(William E. Moerner)在斯坦福大学化学系工作,看起来是三人中最像化学家的人。不过他早先获得的是物理学博士学位。

白兹格、黑尔、莫尔纳尔,三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辨率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。

独立的工作

显微镜最早出现在1674年,荷兰商人和科学家列文虎克透过自制显微镜观察了池塘里的水滴,发现了一个全新的世界。微生物的存在开始被人们知道。

后来,显微镜经过许多改进,越来越专业和精密,但是一个局限是显微镜的制造者们所无法跨越的。它就是德国的光学设计专家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出的,理论上,显微镜无法分辨尺寸小于其所使用的光线波长一半的物体。阿贝为此而写的方程式提出于1873年。

120年后,黑尔在芬兰的学生公寓里翻阅量子光学书籍,看到“受激发射”时,萌生了一个想法。他一直在考虑如何能够突破阿贝所提出的极限。按照他在2009年的说法:“那一刻,它让我如梦初醒。我终于找到了一个切实值得追寻的概念,一个真正的线索。”

黑尔很快就计算出了自己的方法是可行的。但是当他把自己激动人心的发现告诉教授时,教授却面无表情,说了一句“纸上可行而已”。

又过了七年,也就是2000年,那时黑尔已经在德国马普研究所工作,他终于用实验证明了自己的想法是可行的。他以光学显微镜从未达到过的分辨率拍摄了活着的大肠杆菌。

他还用他发明的受激发射损耗显微技术(STED)观察了活着的神经细胞的活动。尽管其他显微技术,比如电子显微镜也能够观察极其微小的物体,但它只能观察死物,而无法像黑尔的STED这样观察正在发生的生命活动。

美国科学家莫尔纳尔的第一项重要突破出现于1989年。当时他在IBM位于加州圣何塞的研究中心工作。他成功地测量了单个分子对光的吸收,当时世界上除了他,没人能做到。

“他对科学很有激情,是一位杰出、专注,而且非常勤奋工作的科学家和教育家。”美国乔治亚理工学院的化学教授罗伯特·迪克森(Robert Dickson)对南方周末记者说。莫尔纳尔曾经是迪克森的博士后导师。

莫尔纳尔的第二项重要工作是他到了加州大学圣迭戈分校之后,与迪克森等人一同完成的。他们于1997年在《自然》杂志上发表了这项工作,即单分子的绿色荧光蛋白可以受控打开和关闭。这篇论文是诺贝尔奖委员会在授奖时引用的两篇关键文献之一。

第三位获奖者白兹格的经历可能是三人中最不寻常的。他早年是一名实验物理学家,在读博期间,以及在贝尔实验室工作的时候,他研发了一种被称为“近场显微镜”的仪器,这种显微镜能够看到比普通光学显微镜更小的物体。然而他最终发现,这种显微镜也有一个局限,即它并不能观察活物。

他很绝望,认为没有必要再在这个方向上做下去了,于是从贝尔实验室辞职,到他父亲经营的机械公司工作了七年。其间,他对机械做了许多改进,然后就又感到缺乏挑战性了,于是重燃了回到科学界的渴望。

但是他已经有十年没有发表过科学论文了,如何才能让科学界重新接纳他呢?他决意做一些具有突破性的东西出来。想来想去,决定要在显微镜上做点工作。

此时他从文献中读到了绿色荧光蛋白,这给了他很大启发。到2005年,他做出了与莫尔纳尔类似的工作。他在这个基础上发展出了纳米级显微镜,并拍摄到超高分辨率的溶酶体膜照片。

不仅是化学

黑尔并不认为自己是一名为生物学家发明工具的工程师。他在2009年时说:“我在内心从来都不是一个设备研发者。我着迷的是钻研人们认为已经一劳永逸地解决了的古老物理问题。我想要知道是否就是那样。这是我的原则。即便还是个小男生的时候,我就总是想要知道事情的核心是什么。”

为什么黑尔等人所做的看起来像是物理的工作会得到化学奖呢?在诺贝尔奖公布当天,诺贝尔化学奖委员会主席斯文·利丁(Sven Lidin)对《科学美国人》做了一番解释。他说:“传统上的化学是研究很大数量的分子及其效应。现在我们能够看到单个分子在化学系统里的活动。这就意味着罕见的事件被以一种非常不同的方式来研究。化学反应可以在发生的过程中就被研究,而不是只能看到最终产物。”

迪克森随后更加细致地对南方周末记者解释了为什么纳米级显微镜的研发工作是属于化学领域的。

“我们通常把光看成一种化学试剂——它能够带来化学反应。”迪克森说,“在这个案例中,它可以让绿色荧光蛋白中的载色体在明暗之间切换。光化学在这里就非常重要了。”这一事实对于白兹格所研发的显微技术是至关重要的。

“另一个这是‘化学’的原因在于,”他继续说,“纳米显微学揭示了催化作用、生物学和材料科学中的基本的化学和生化反应过程,这让我们更好地认识我们的世界,并推进科学的发展。除了以上所说的光化学,它有能力更加直接地在化学尺度上探测这些反应,这对化学和生化学界而言都是重要的创新。”

迪克森说黑尔的工作的确比较接近物理学,“但是他仍然用到了激发态的分子,也必须理解分子光化学,才能让那些方法起作用”。

当然,纳米显微学的出现是很多学科交叉的结果。莫尔纳尔在获奖后说:“我以前就知道斯坦福大学拥有非常令人激动的交叉学科环境,有大量的专家可以促进我的科学研究。还确实是这样。我们用光来探测分子,这包含了物理和化学。我们把这应用到生物学和生化系统中。但要在单个物体上精确测量和获取尽量多的数据也是非常重要的,而这就用到电子工程学。”

对于纳米显微学在未来可能产生的影响,迪克森对南方周末记者说:“任何具有以下性质的系统都能够受到纳米显微学的正面影响:在纳米尺度上了解了物体相对位置并知道纳米尺度动力学如何作用于其功能后能够获益。由黑尔、白兹格和莫尔纳尔带来的进展将会让材料科学和生物学研究持续受益。”

 

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