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获得2014诺贝尔化学奖的是三位物理学家吗?

来源:微信公众号“赛先生” 2014-10-13 09:31

 

不少人对2014年的诺贝尔化学奖提出疑问:为什么几个拥有物理学博士学位人,居然会获得诺贝尔化学奖?从疑问中可以看出,在中国大陆,学科内容与分类相当陈旧、缺乏灵活性。

王鸿飞(美国能源部西北太平洋国家实验室研究员)

关于2014年的诺贝尔化学奖,不少人的疑问是:为什么看来明明是几个拥有物理学博士学位背景的人,发明的是在生命科学领域应用的激光物理技术,居然会获得诺贝尔化学奖?甚至有些人还会疑问说:对超高分辨显微技术看起来没有那么直接的贡献的WE Moerner,为什么也是三位获奖者之一?

这些疑问的答案很简单:超高分辨荧光显微成像技术之所以能够绕过所谓光学衍射极限的物理限制——200纳米,是建立在利用特殊荧光标记分子的光化学和光物理性质基础之上的科学发展, 其重要的科学基础是单分子光谱和单分子显微技术。

因此,WEMoerner对凝聚相中单分子光谱技术和绿荧光蛋白特殊的光学开关性质研究贡献卓着,他获得此项诺贝尔化学奖,自然是当之无愧。在诺贝尔奖委员会引用的七篇关键文献中,也正好包括WE Moerner在这两方面工作的两篇论文。

另一位获奖者Stefan Hell发明的Stimulated Emission Depletion (STED,受激辐射亏蚀)成像技术的基本原理,是利用荧光分子的受激辐射亏蚀性质,来实现低于衍射极限的超高分辨。分子的荧光受激辐射亏蚀,是研究气相中分子高分辨激发态光谱和凝聚相中,超快动力学的现代物理化学方法。我在宾夕法尼亚大学化学系的博士后导师戴海龙教授,以及在中国科学院化学研究所的同事孔繁敖教授,在1980初和1990年代中曾经分别从事这两方面的工作。尽管从原理上讲STED技术并不必然要求一定要有单分子检测的灵敏度,但Hell近来的工作也表明采用具有特殊稳定寿命的荧光分子的单分子STED能够大大提高STED技术的分辨率。

第三位获奖者Eric Betzig于1990年代初,就在室温下的单分子光谱检测方面取得了重要的进展,并且于1995年就提出了2006年他自己实现的PALM技术和庄小威实现的STORM等技术的基本原理。这些正是Betzig获奖的重要因素。而实现PALM和STORM等技术的关键,正离不开WE Moerner在绿荧光蛋白(GFP)中发现的分子的荧光开关性质。

因此,在普通人看来,似乎是与化学缺乏联系的超高分辨荧光显微成像技术,事实上深深根植于对分子的光化学和光物理性质的物理化学和化学物理的深入研究之上。这一发展同时也结合了激光和光学检测,以及数据分析和处理技术领域的进展,并且在生命和医学科学领域实现了重要的应用。这些特点都充分体现了现代物理化学在物质和生命科学发展和研究中的基础和中心地位。看不到这些内在联系,其主要原因是缺乏对现代化学的基本认识,自然难以理解为何超高分辨荧光显微成像技术会被授予2014年诺贝尔化学奖。

另外,三位获奖者的物理学博士身份也的确容易让公众难以看到化学的影子。不过,如果我们从上面的简短说明,理解了身为斯坦福大学化学系教授的WE Moerner的工作,在本届诺贝尔化学奖中的重要的基础性作用,应该也不难了解他的物理学博士身份,并不能概括他的研究的性质。其他两位获奖者也不例外。

事实上,WE Moerner于1982年在Cornell大学获得物理学博士的博士论文题目是Vibrational relaxation dynamics of an IR-laser-excited molecular impurity mode in alkali halide lattices (卤素碱金属晶格中红外激光激发杂质分子模式的振动弛豫动力学)。这样的研究内容同样可以在美国的化学系,获得物理化学或者化学物理的博士学位。而且Moerner在获得博士学位之后一直都是在从事物理化学和化学物理的相关工作,他现在还是美国斯坦福大学化学系的系主任。所以,WE Moerner从来就是一个物理化学或者化学物理学家,他的物理学博士的身份并不说明他真正的身份和研究领域。

现代科学的前沿从来都是相互交叉的,简单的学科分类和标签往往会让人产生误解。在中国大陆,学科的分类和内容相当的老旧和缺乏灵活性,的确难以适应现代科学前沿发展中学科高度交叉的需要,而且常常误导公众对科学的了解。比如说,有多少中国大学的化学系能够把激光和化学联系起来?因此,即使是国内多数大学化学系的毕业生,也很难将激光化学这一现代化学的主流学科和化学联系起来,遑论一般公众。此类例子,不胜枚举,在化学之外的学科中也不鲜见。正因为如此,人们对于科学前沿的认识也常常标签化和表面化,觉得化学不过就是一堆瓶瓶罐罐,难以看到学科知识与技术,以及基础研究与应用之间的内在联系。

2001年5月,诺贝尔化学奖获得者Harold Kroto(碳60的发现者之一),在北京四中与高中生交流的时候,有学生问:“既然21世纪是生命科学的世纪,为什么还要学习化学呢?”Kroto的回答非常简单和直接:在分子层次上认识和控制化学,是分子生物学和分子电子学成功的基础,因此在21世纪化学的中心科学作用更为重要。超高分辨荧光显微成像技术获得2014年诺贝尔化学奖,正好印证了Kroto当年的判断。

Kroto作为一个以分子光谱学而著名的物理化学家,他和Richard Smalley与Robert Curl发现C60所使用的工具不仅包括激光,而且包括高真空条件下的飞行时间质谱技术。Kroto所认为的化学自然不只是瓶瓶罐罐,而是比目前中国大陆人们普遍所理解的化学包含了更多的现代内容。所以,很清楚的是,当我们在讲化学在物质和生命科学中的中心地位的时候,与中国大陆人们所普遍理解的化学并不相同。多数在中国化学界视为主流的领域和方向,不仅是跟风,而且跟进的也多是那些只具有边沿性质的领域。在国际上真正具有基础性和前瞻性,并且能够培养前沿研究人才的主流方向,在中国的化学界普遍缺乏。

如果我们能更好地理解科学发展中的“源”与“流”及其内涵的变化,以及化学,尤其是物理化学,在物质和生命科学中的基础和中心地位,就不至于对为什么超高分辨荧光显微成像技术会获得2014年诺贝尔化学奖产生疑问,也不至于对于科学研究只有急功近利的认识。否则,我们不仅不会离原创性的研究工作越来越近,且只会离看重原创性研究的诺贝尔奖越来越远。

最后回到生物成像(biological imaging)技术的问题上来。荧光成像的弱点是需要荧光分子作为标记探针(labelling probe),这样大大限制了它的应用范围。因此,基于分子振动光谱的不需要标记探针分子(label-free)的显微成像技术,诸如CARS和SRS等非线性拉曼光谱成像技术,如果能够在分辨率和灵敏度上进一步被提高,就可能有机会被将来的诺贝尔化学奖所考虑。(本文转载于微信公众号“赛先生”)(生物谷Bioon.com)

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