单位文秘网 2021-09-01 09:02:54 点击: 次
2013年4月,欧洲核子研究中心(CERN)对希格斯玻色子(Higgs boson)的确认,证实了半个世纪前的六位理论物理学家的预言。
如果说预测未来,理论物理学可能是最高贵冷艳、最目空一切、最居高临下的自然科学。当今人类任何的科技进步,都远远跟不上她的天马行空。
希格斯玻色子正是王冠上的钻石之一,它是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,但一直未被实验证实,因此成为标准模型的最后一块神秘拼图。
由于它可以帮助解析为何其他粒子会有质量(正如地球为什么存在,我们为什么存在),1993年,诺奖得主、美国物理学家莱德曼在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一书中最早将希格斯玻色子形容为“上帝粒子”,很快这种说法不胫而走。
此时,距离希格斯机制的发现已经有三十年之遥。回首1964年,英国物理学家彼得·希格斯猜想,空间里存在一种场,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”(希格斯场)中游弋。这些基本粒子中,容易碰撞希格斯粒子的就较难加速,反之就容易加速。光子在运动时不与希格斯粒子发生碰撞,因而能以光速行进,质量为零。因此希格斯粒子的根本作用就是赋予物质质量。
对此,英国伦敦大学物理学家大卫·米勒曾有过经典比喻,被中科院理论物理研究所研究员李淼更通俗地改写为:“假设将充满真空的希格斯场变成偶像的脑残粉,这些脑残粉充满了一个大厅。现在,物质粒子进场,这些粒子有些是贵族,有些是名人,最后,还有一位是英国女王。
我们想,也许英国女王最有名,最值得脑残粉求合影求签名,她在这个大厅的行进速度最慢,从而质量最大。其次可能是某些足球明星,比方说贝克汉姆,他行进的速度比女王稍快些,再其次是其他名人……”
因此,被希格斯场缠上了粒子才有了质量,例如电子。按照这个理论,假如你我的组成部分里没有希格斯玻色子,那我们每个人身上的电子就会像光一样跑得快,就无法与原子核构成原子,那我们也就不复存在了。
于是,1964年,希格斯写了两篇论文来阐述希格斯场,每篇都只有两页纸。但是,《物理快报》(Physics Letters)只接受了第一篇论文。审读第二篇论文的是芝加哥大学的日本著名物理学家南部阳一郎,后者是当时亚原子物理学的权威,曾提出零质量的戈德斯通玻色子,也被认为是希格斯机制的奠基人。南部阳一郎建议希格斯增加一小节来解释其理论的物理意义。希格斯加了一段话,预言这个激励场就像海洋中的波浪一样,会产生一种新粒子。然后,他把改过的论文投给了《物理快报》的竞争对手—《物理评论快报》(Physical Review Letters),结果发表了。
理论物理学家的世界只有理论物理学家才懂。就在希格斯的论文登上《物理评论快报》时,同年另外五位理论物理学家也各自提出了高度相似的机制,包括32岁的比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒和36岁的罗伯特·布绕特(已故),还有杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔三位美国物理学家。
但是,在接下来的几十年里,从事实验的科学家们一直无法找到希格斯粒子衰变的产物。后者也被认为是发现希子的关键。正如W玻色子和Z玻色子的确认,都是凭借其衰变的产物进行判断。
直到去年CERN的粒子对撞,CMS和ATLAS实验室终于得出了让人振奋的结论。为了这一天,理论物理的天(feng)才(zi)们等了近半个世纪。
细胞的运输系统一向是诺贝尔生理学奖的宠儿。此前,细胞运输系统的研究已经收获了2次诺贝尔奖—分别是在1974年和1999年。
人体的正常运转有赖于细胞运输系统的精确工作。
一个成人的身体有100亿个细胞,而每一个细胞又包含了10亿个蛋白质分子,它们时时刻刻处于合成、运输和降解的动态过程中。蛋白质一经合成,就会被运送到各个不同的地点,执行着各自特殊的生物功能。
有些蛋白质会被运送到细胞内部的各种细胞器中,还有些蛋白质需要被送到细胞外,比如唾液淀粉酶、胃蛋白酶、消化酶、抗体和部分激素,只有到达了工作岗位,蛋白质才能发挥它们应有的功能。
如果囊泡没有打包好、运输途中发生堵塞、没有到达正确的地点、没有细胞肯签收它,那你的身体就要遭殃了,糖尿病、白化病、神经系统和免疫系统疾病接踵而来。
多数蛋白质在运输的过程中,都需要跨越各种生物膜,而蛋白质的分子太大,是没有办法直接穿过生物膜的,那这些分子是如何穿过障碍到达工作地点的?
1960年代,乔治·帕拉德的研究发现细胞器间存在蛋白质的运输,运输过程是由一种被称为“囊泡”的结构所操纵的。蛋白质到达生物膜附近,周围的膜将它包围,形成一个“囊泡”,然后脱落,成为一个独立的“包裹”,然后被运送到另一膜处,与其融合或者结合。多种类型的囊泡频繁地往返运送这些“货物”(蛋白质)到不同的位置完成既定的工作—帕拉德也因此在1974年获得诺贝尔生理学奖。
但是帕拉德的研究仅仅停留在形态的描述阶段,没有人知道囊泡物流系统的运作机制。
1971年,洛克菲勒大学的细胞生物学家甘特·布洛贝尔提出了“信号假说”,就像物流公司会给每个待投递的包裹一个地址标签,快递员按地址送货一样,待投递的蛋白质分子内有一段特殊的氨基酸序列,被称为“信号肽”,它指明了这个蛋白质分子的目的地。布洛贝尔的信号假说为他赢得了1999年的诺贝尔生理学奖。
2013年的诺贝尔生理学奖得主谢克曼和鲁斯曼的工作也始于1970年代,他们想要知道,囊泡是如何形成的?它怎么知道自己要去哪里?到达目的地之后,又是怎么和新的细胞或细胞器结合?
鲁斯曼和谢克曼分别用生物化学的方法和基因水平的方法勾勒了囊泡形成、运输和融合的草图。不同的是,鲁斯曼确定了参与囊泡运输系统的特殊蛋白,而谢克曼找到了三类影响囊泡物流的基因。
在鲁斯曼和谢克曼的理论基础上,苏德霍夫解释了大脑中的神经细胞是如何通过囊泡运输系统进行沟通和交流的。大脑细胞分泌神经递质(用于传递信息的一种蛋白质分子),形成囊泡,通过钙离子的调节,和相邻的大脑细胞结合,释放出神经递质。苏德霍夫的发现解释了囊泡运输的时间是如何被精准地调控,以及囊泡中的神经递质是如何在钙离子的控制下被释放出来。
三位科学家发现了细胞运作的一个关键过程,不只是人,除了病毒以外,所有的生物都是运用相同的机制进行蛋白质的运输,这个机制控制着一系列重要的生理过程—大脑信号的传递、激素的分泌、免疫调节因子的释放。糖尿病、神经系统疾病、免疫系统疾病的发生,正是由于这个运输系统出现了故障。
正如诺贝尔官方所说,没有这个精准的运输系统,细胞将陷入一片混乱。
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