关注生物学和跨学科，不仅可以解释为什么诺贝尔自然科学奖青睐生物学，还可以获得观察当代前沿学科的机会。
供稿冰川思乡|张天侃
今年所有的诺贝尔奖都已经公布了。
有意思的是，三个自然科学奖的内容都被生物学“中饱私囊”。不要相信这个获奖结果:
1.美国的詹姆斯·艾利森和日本的本庶佑获得了诺贝尔生理学或医学奖，因为他们“发现了负性免疫调节抑制可以治愈癌症”。
2.美国的亚瑟·阿什国王、法国的杰拉德·莫罗和加拿大的唐娜·斯特里克兰因在激光物理领域的开创性发明而获得诺贝尔物理学奖。
3.美国的弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)、英国的乔治·史密斯(george smith)和格雷戈里·温特(Gregory Winter)因在酶的定向进化以及肽和抗体的噬菌体展示技术方面的贡献而获得诺贝尔化学奖。
数字一（one）
让我们逐一了解一下今年诺贝尔自然奖为何聚焦生物学。生物学是现代医学和生理学的基础，生理学和医学必须植根于生物学。而艾利森和本庶佑获得2018年诺贝尔生理学或医学奖，是因为这两位科学家提出了一种新的治疗癌症的方法，与主流思潮不同。
▲美国科学家詹姆斯·艾利森和日本科学家本庶佑
细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4和程序性细胞死亡蛋白-1分别在艾利森和本庶佑发现。它们可以被称为分子制动器或制动器，其功能是抑制免疫细胞的防御或杀死癌细胞和病原微生物。
他们认为，如果能够开发出一类抗体来结合CTLA-4和PD-1分子，就可以解除对T细胞的抑制，从而激活免疫细胞，帮助人体抵抗或杀死癌细胞和病原微生物。事实上，他们的研究结果也证实了这一点。
也就是说，癌症的治疗不是杀死癌细胞，而是调节机体的免疫系统，解放被抑制和压抑的免疫力，让免疫系统全身心投入到与癌症的战斗中，从而获得更好的治疗效果。
因此，2018年诺贝尔生理学或医学奖实际上是奖励科学家的概念创新和创新成果。
除此之外，阿什金和莫柔·斯特里克兰获得了2018年诺贝尔物理学奖。他们在激光物理领域取得了成果。这和生物学有关系吗？当然有！
▲美国科学家亚瑟·阿什·金
事实上，他们发明的光镊技术可以应用于生物学研究和临床治疗。这种光镊不仅可以捕获小分子生物目标，如病毒和DNA分子，而且不会破坏其结构，使人们可以在活体状态下研究生物分子，深入了解生命和疾病。同时，这项技术还可以应用于临床治疗，比如白内障和近视的治疗。
最后是化学奖。阿诺德、史密斯和温特获得了2018年诺贝尔化学奖，其中也涉及了甚至生物学的大部分内容。
阿诺德获得了更活跃的酶，可以催化产生更环保的化学物质，而史密斯和温特开发了新的抗体药物，如阿达木单抗，用于治疗类风湿性关节炎和强直性脊柱炎。
▲美国科学家弗朗西斯·阿诺德
所以从内容上来说，生理学或者医学，物理学，化学都已经破入了生物学的范畴。这说明当代自然科学已经悄然聚焦于生物学，从而形成了多学科的局面。
通过聚焦生物学和交叉学科，不仅可以解释为什么诺贝尔自然科学奖青睐生物学，还可以获得观察当代前沿学科的机会，总结过去和未来的科技发展，了解和展望科学对社会繁荣和文明的促进作用。
注射毒品
跨学科的成就不仅是历史的必然，也是科学发展到今天的趋势。
当初诺贝尔自然科学奖的学科都是相对独立和鲜明的。例如，第一个诺贝尔奖于1901年颁发。当时的三个奖项是:
1.德国医学家埃米尔·阿道夫·冯·贝林(emil adolf von behring)因对白喉血清疗法的研究获得诺贝尔生理学或医学奖；
2.德国物理学家威廉·康拉德·伦琴因发现X射线获得诺贝尔物理学奖，为医学成像技术铺平了道路；
荷兰化学家雅各布斯·亨利库斯·范特霍夫(Jacobus Henricus van't Hoff)因为发现了溶液中的化学动力学和渗透压定律，对立体化学和化学平衡理论做出了贡献，成为第一届诺贝尔化学奖获得者。
但是，随着科学的发展，需要不同的学科内容和技术相互渗透，相互帮助，以获得清晰而重要的结果。所以诺贝尔自然科学奖的三个奖项是逐渐交叉的，最明显的就是生物和化学的相互渗透。
生物是化学中占据最多位置的学科。自1990年以来，已有16项诺贝尔化学奖授予了生物学领域的成就。
其中最经典的里程碑式科学家是英国的弗雷德里克·桑格。这位老先生是为数不多的两次获得诺贝尔奖的科学家，两次都是生物学和化学的交叉成果，但都获得了诺贝尔化学奖，而不是生理学或医学奖。
▲英国科学家弗雷德里克·桑格
胰岛素氨基酸序列的完全确定证明了蛋白质具有明确的结构，桑格因此获得了1958年的诺贝尔化学奖。桑格因为发明了DNA测序方法，从而“打开了分子生物学、遗传学和基因组学研究领域的大门”，获得了1980年诺贝尔化学奖，被誉为“人类遗传学之父”。
桑格的成就表明，从20世纪40-50年代开始，生物学和化学就相互纠缠，因为纠缠而取得了巨大的成就。
3
诺贝尔奖历史上最经典的奖项是对DNA双螺旋结构发现的认可，也是物理学与生物、化学生动交织的杰出成果。可以说，如果不是物理学的方法和技术，人们不可能很快正确理解DNA的双螺旋结构。
1952年，两次获得诺贝尔奖的美国化学家莱纳斯·卡尔·鲍林发表了一篇关于DNA三链模型的研究报告。他认为DNA的三链模型使DNA的结构变成了α螺旋。
▲莱纳斯·卡尔·鲍林在上课。
然而，1953年4月5日，英国的莫里斯·威尔金斯和罗莎琳·富兰克林在英国《自然》杂志上发表了他们的研究文章。利用X射线衍射技术，他们发现DNA是一些长分子链，其排列是双螺旋。
这里需要解释一下x射线衍射技术。德国物理学家劳厄曾提出，可以通过分析X射线穿过晶体在相机底片上的衍射图样来确定晶体结构。他因证实了这一假设并发现了晶体的X射线衍射现象而被授予1912年诺贝尔物理学奖。
后来，威尔金斯和富兰克林在与詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克讨论时，还展示了富兰克林以前拍摄的DNA的X射线衍射照片，这启发了沃森和克里克，使他们认为DNA的内部是双螺旋结构，而不是三α螺旋结构。
沃森·克里克和沃森遵循这一思路，达成了一个理论共识，即DNA是双链螺旋结构。然后他们开始在实验室中构建DNA双螺旋模型，最终，在1953年3月7日，他们成功构建了他们想象的DNA模型，并于1953年4月25日在《自然》杂志上发表了这一结果。
▲沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构。
DNA双螺旋结构的建立简维尔·珀金斯、沃森和克里克获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖，但富兰克林因病去世，未能获奖。
4
21世纪，生物学越来越多地进入化学领域，或者说两者相互交织，创造了更多的成就和荣誉。
2003年诺贝尔化学奖授予美国的彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，以表彰他们发现了细胞膜中的水通道，以及在研究离子通道的结构和机制方面做出的开创性贡献。
生物水道是一个新的研究领域。水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中。水通道蛋白种类繁多，仅在人体内就有11种，具有非常重要的功能，在人体肾脏中起着关键的过滤作用。
但是，在水道研究中生物与化学相结合的范畴内，物理的内容和方法实际上是融合在一起的，正是物理的方法使人们对水道有了深刻的认识。
1988年，麦金农利用X射线衍射晶体成像技术获得了世界上第一张离子通道的高清照片，首次在原子水平上揭示了离子通道的工作原理。
▲X射线衍射晶体成像技术获得的水通道结构示意图和离子通道高清照片。
麦金农通过观察变铅青链霉菌，获得了离子进入离子通道前、通道中、通过通道后的状态。这一发现对理解生命和疾病的现象和本质有很大帮助。一些神经系统疾病和心血管疾病是由细胞膜通道功能障碍引起的。因此，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家找到具体的原因，并开发相应的药物。
生物学和化学之间生动纠缠的一个最新成果是2015年的“DNA修复机制”奖，这个成果和今年的诺贝尔化学奖一样，聚焦于一种特殊的蛋白质——酶。
瑞典的托马斯·林达尔、土耳其的阿齐兹·桑贾尔和美国的保罗·莫德里奇因描述和解释了细胞修复DNA的机制以及对遗传信息的保护措施而获得2015年诺贝尔化学奖。
Lindahl发现糖基化酶可以帮助细胞的DNA修复。桑卡成功克隆了光解酶的基因，这种酶可以修复被紫外线损伤的DNA，他成功地让细菌大量生产了这种酶。莫德里奇发现Dam甲基化酶可以帮助启动DNA修复。
2015年诺贝尔化学奖明确表示，不仅生物学和化学有交叉，生物学研究也集中在酶学领域，前途无量。到目前为止，大概有50个诺贝尔奖有酶，可见酶在生物和化学中起着非常重要的作用。
当然，你也可以列举出其他生物与化学纠缠的获奖成果:2004年泛素调控的蛋白质降解，2006年真核转录的分子基础，2009年核糖体的结构与功能，2012年G蛋白偶联受体研究获得诺贝尔化学奖，这些都是事实。
5
在历史上，尤其是近几十年，诺贝尔自然科学奖开始相互交融。
突出的成就是2017年诺贝尔化学奖，将生物、物理、化学有机结合。这种现象可以形象地表述为“授予物理学家的诺贝尔化学奖，以奖励他们对生物学家的帮助”。
▲瑞士的雅克·杜博切特，美国的约阿希姆·弗兰克，英国的理查德·亨德森。
瑞士的雅克·杜博切特(Jacques Dubochette)、美国的约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国的理查德·亨德森(Richard Henderson)因“开发出高分辨率测定溶液中生物分子结构的冷冻电子显微镜”而获得2017年诺贝尔化学奖。这项技术简化了生物分子成像并促进了其发展，将生物学和化学带入了一个新的时代。
在他们研究成果的基础上，今天，研究人员可以很容易地获得生物分子的3D结构，如导致抗生素耐药性的蛋白质和各种病毒的出现，并可以看到活的生物分子，这为开发新药和理解生命现象开辟了新的途径。
电子显微镜、冷冻电子显微镜、图像处理技术都是物理学中光学和电子学的技术和内容。然而，他们在化学和生物学方面的参与有助于生物学家有效地研究生物小分子。生物、物理和化学就这样自然地结合在一起，交织在一起。
另外值得一提的是，三位获奖者之一的杜·博切特有自己的跨学科经历。他一开始以为自己是物理工程师，后来差点成了生物学家。
未来，生物学必然成为一门前沿学科，化学、物理，甚至数学、计算机科学都必然会涉及到生物学。经过多学科的交融和纠结，必然会涌现出越来越多的重大成果，造福人类社会。
