人類(lèi)對于生命的起源與存在的探索從未停歇。10月7日—8日，2019年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎、物理學(xué)獎陸續揭曉。今年，這兩大獎項都各有三位獲獎?wù)撸麄兊难芯款I(lǐng)域分別是人類(lèi)賴(lài)以生存的氧氣和所仰望的星空。新晉諾獎得主的貢獻為何如此引人注目？《科技周刊》記者給您帶來(lái)南京大學(xué)與紫金山天文臺的學(xué)者專(zhuān)家的解讀。

　　他預言的古老輻射，至今仍然包圍著(zhù)我們

　　“繼2015年的中微子振蕩、2017年引力波之后，今年諾貝爾物理學(xué)獎再次花落天體物理，確實(shí)非常難得。”中科院紫金山天文臺星系宇宙學(xué)研究員、國家杰青康熙表示，今年獲獎的三位天文學(xué)家都可謂天體物理領(lǐng)域“大牛”，他們改變了我們對宇宙的看法，獎項實(shí)至名歸，但分析來(lái)看，表彰的側重方向也有不同：分別關(guān)注了理論基礎、研究方法這兩方面的物理學(xué)貢獻。

　　2019年諾貝爾物理學(xué)獎一半獎金授予詹姆斯·皮布爾斯，以表彰他在物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現。

　　“詹姆斯·皮布爾斯一生致力于宇宙演化的研究，為當今宇宙標準模型的建立奠定理論基礎。”康熙說(shuō)，今年諾獎頒給詹姆斯·皮布爾斯，彰顯了對科學(xué)家精神的敬意，他是天文界公認的“豐碑式”的學(xué)者。早在上世紀70年代，詹姆斯·皮布爾斯就通過(guò)理論工具和計算建立起“宇宙大爆炸”模型，多年以來(lái)，他的研究領(lǐng)域涉及宇宙學(xué)的各個(gè)方面，為標準宇宙模型的建立發(fā)揮了重要作用。“例如，當下我們對暗物質(zhì)的觀(guān)測研究，都有賴(lài)于他的理論基礎。”康熙告訴記者，正是皮布爾斯的研究告訴我們，宇宙中還有95%未知的暗物質(zhì)和暗能量存在，他將高度猜測性的領(lǐng)域轉變?yōu)榫芸茖W(xué)，是現代宇宙學(xué)的創(chuàng )造者，也是宇宙演化發(fā)展的見(jiàn)證者。

　　南京大學(xué)物理學(xué)院教授劉佐偉介紹，大爆炸之后38萬(wàn)年，宇宙變得透明，光子得以在宇宙中自由穿行；這些光子一直遺留到了今天，紅移到微波波段，被我們測量到，此即“宇宙微波背景輻射”。微波背景輻射隱藏著(zhù)早期宇宙和宇宙演化的許多秘密。詹姆斯·皮布爾斯和合作者在上個(gè)世紀60年代獨立預言了宇宙微波背景輻射的一些重要性質(zhì)，這些性質(zhì)被貝爾實(shí)驗室的兩位工程師意外發(fā)現，證明了我們的宇宙起源于“大爆炸”。

　　劉佐偉說(shuō)，皮布爾斯在宇宙尺度形成的研究方面做出了很多開(kāi)創(chuàng )性的工作，對于我們理解整個(gè)宇宙的結構形成，包括星系的形成做出了重要貢獻。皮布爾斯利用理論工具和計算，詮釋了宇宙早期留下的痕跡，并發(fā)現了新的物理過(guò)程。

　　他們第一個(gè)發(fā)現與太陽(yáng)系類(lèi)似的行星系統

　　天體物理的發(fā)展，有賴(lài)于基礎研究的積累，也源自于科學(xué)方法的“創(chuàng )新”以及觀(guān)測設備的突破。今年諾貝爾物理學(xué)獎另一半授予來(lái)自瑞士的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲，他們共同探索了我們的家園——銀河系，并在1995年，首次在太陽(yáng)系外發(fā)現了一顆行星。

　　“米歇爾·麥耶貢獻了探測系外行星的科學(xué)方法，迪迪埃·奎洛茲則開(kāi)發(fā)了新的天文儀器和實(shí)驗技術(shù)，首次觀(guān)察了太陽(yáng)系以外的行星，為我們認知太陽(yáng)系的起源提供新路徑。”康熙告訴記者，他們的觀(guān)測方法和實(shí)測技術(shù)非常難得，難度相當于對著(zhù)廣袤耀眼的太陽(yáng)光，精密觀(guān)測一根火柴的“光亮度”。

　　恒星很亮，容易觀(guān)察，但行星很暗，過(guò)去很難發(fā)現。“他們利用了一種很巧妙的方法，隨著(zhù)觀(guān)測技術(shù)特別是恒星光譜分辨率的大幅度提高，天文學(xué)家可以測量行星通過(guò)引力作用對其母恒星運動(dòng)產(chǎn)生的影響，間接推測出行星的存在。” 南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周濟林科普道，這就是所謂視向速度方法，其原理類(lèi)似于多普勒效應，如果某顆恒星在視線(xiàn)方向（朝向或遠離地球的方向）的運動(dòng)發(fā)生變化（很有可能是由于它的附近有行星存在），就會(huì )體現在它的光譜上。當光源遠離我們運動(dòng)時(shí)，譜線(xiàn)會(huì )向頻率的紅端移動(dòng)，我們稱(chēng)為紅移，相反，如果光源朝向我們運動(dòng)，譜線(xiàn)會(huì )發(fā)生藍移。盡管后來(lái)有很多新的間接觀(guān)測方式的出現，但這種方法目前仍然是成果最豐碩的發(fā)現和證認系外行星的方法。

　　周濟林說(shuō)，行星是如何形成的，類(lèi)似太陽(yáng)系的行星系統有多少，有沒(méi)有像地球一樣的宜居行星，這些問(wèn)題一直沒(méi)有徹底解決。尋找系外行星非常困難。日內瓦大學(xué)的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲可以說(shuō)是第一個(gè)“吃螃蟹的人”，他們發(fā)現了第一顆圍繞主序星運行的太陽(yáng)系外行星。這項在上普羅旺斯天文臺完成的石破天驚的發(fā)現，開(kāi)啟了人類(lèi)探測太陽(yáng)系外行星的新篇章。

　　他們的研究開(kāi)啟了天文學(xué)的一場(chǎng)革命，截至目前銀河系已經(jīng)發(fā)現了4000多顆系外行星，其大小、形狀和軌道之豐富，成為天文學(xué)家繼續追逐的“星辰大海”。

　　有記者提問(wèn)：“其他星球上是否存在生命？”皮布爾斯回答：“我們非常確定，其他星球上有一些可以被稱(chēng)為生命的東西，但是很難確定這樣的生命是否和地球上的一樣，也許化學(xué)家會(huì )對此進(jìn)行研究。但是我們永遠無(wú)法看到這些生命。”

　　周濟林解釋?zhuān)瑥纳莼扇诉@樣的生命，可能還需要很長(cháng)時(shí)間。但可以相信，類(lèi)似地球的星球上，應該也存在了生命。之所以很難看到，主要是這些星球非常暗，盡管離我們可能只有幾十光年，以我們現在的飛行器速度，基本是很難達到的，要到亞光速級別的飛船，也要上百年。

　　他們闡明了人類(lèi)對氧氣的感知和適應能力

　　氧氣約占地球大氣的五分之一，對動(dòng)物生命至關(guān)重要：幾乎所有動(dòng)物細胞中的線(xiàn)粒體都會(huì )利用氧氣，將食物轉化為有用的能量。但長(cháng)期以來(lái)人們一直不清楚細胞如何適應氧氣水平的變化。

　　正是由于“在理解細胞感知和適應氧氣變化機制中做出的貢獻”，來(lái)自哈佛醫學(xué)院的威廉·凱林、牛津大學(xué)和弗朗西斯·克里克研究所的彼得·拉特克利夫、美國約翰霍普金斯大學(xué)醫學(xué)院的格雷格·塞門(mén)扎共同獲得了今年的諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎。

　　南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院執行院長(cháng)華子春表示，人類(lèi)無(wú)論在正常的生理狀態(tài)、還是在疾病的病理狀態(tài)都對氧氣有感知和適應能力。“例如，運動(dòng)員通過(guò)高原訓練可以提高紅細胞的攜氧能力，從而提高運動(dòng)水平。這是因為運動(dòng)員的身體能夠感知高原的低氧，通過(guò)訓練和適應，誘導產(chǎn)生更多的促紅細胞生成素、進(jìn)而產(chǎn)生更多的紅細胞，從而提高競技能力。再如，腫瘤對化療和放療耐受或抵抗的原因之一就是腫瘤的核心區存在低氧區域。”華子春說(shuō)，今年諾獎的三位得主闡明了細胞是如何感受氧濃度變化的基本原理，發(fā)現了細胞感知氧濃度的“開(kāi)關(guān)”分子——缺氧誘導因子(Hypoxia-inducible factors， HIF)以及其信號傳導過(guò)程，還揭示了另一種蛋白質(zhì)分子VHL調節HIF-1的分子機制。三位科學(xué)家的研究為人類(lèi)揭示了在高氧和低氧狀態(tài)下細胞對氧的感知和應答過(guò)程。

　　氧氣是細胞內眾多生化代謝反應的電子受體，缺氧誘導因子HIF-1 涉及到細胞代謝調節、血管新生、胚胎發(fā)育、免疫和腫瘤等眾多過(guò)程，因此，他們的工作正在并將繼續造福人類(lèi)。

　　本報記者 楊頻萍 王夢(mèng)然    來(lái)源：http://xh.xhby.net/mp3/pc/c/201910/09/c693685.html