2016年诺贝尔自然科学类奖项已尘埃落定：物理学奖颁给了没有多少人明白的拓扑相变和拓扑相理论；被不少科学家调侃已变成“理科综合奖”的诺贝尔化学奖今年颁给了分子机器这项纯粹的化学基础理论研究；赢得生理学或医学奖的也属于典型的基础学科领域。本年度诺贝尔自然科学类奖项无一例外地颁给了“高冷”的基础科学研究。

如果有人问这些深奥理论“有什么用”“和我有什么关系”“有何应用价值”这样的问题，多半会被认为外行且为时过早。正如大隅良典指出，基础科学真正“有用”可能要等上百年以后，如果认为科学研究必须“有用”，那么基础科学就“死掉了”。不过，这可不是说基础研究没有用。尽管这些受到本届诺奖青睐的理论距离商业应用还很遥远，但它们的前景却被看好，如果一定要问“用处”是什么，今年获得诺贝尔自然科学类奖项的研究大概有着一个共同答案，那就是：提供无限可能。

三位科学家大卫·索利斯 、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨获物理学奖。获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。他们利用高等数学方法研究了物质的一些特殊相或状态。因为他们奠基性的工作，材料科学和电子学的应用前景充满希望。

拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下，被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。拓扑学的目标是通过一些基本特征如“孔”的数量，来描述形状和结构。在一个拓扑学家的眼里咖啡杯与面包圈是同一种东西，因为它们都只有一个“孔”，具有相同的拓扑结构。把拓扑学这种抽象的数学理论应用到基础物理学研究中，人类能更深刻地理解自然界的规律，从而探索和发明各种新奇的材料。现在已知的拓扑相有很多种，过去十年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展。拓扑材料能够促进新一代电子器件和超导体的研究，而且在未来量子计算机的开发方面也会有很大应用。量子态很敏感，容易受环境影响，如果与拓扑相物质结合，就会得到稳定的状态，对研究会有很大的帮助。

（取材于郭爽、苗千等的相关文章）

“如果我们可以随心所欲地排列原子，物理会具有哪些性质？”物理学家理查德·费曼在1959年的一次著名的演讲《在底层还有很大的空间》中提出了这个问题。他说：“在理论上这是个很有趣的问题，当我们可以在极小的尺度下操纵物质的排列形式，我们就可以利用物质所展现出来的特性做各种不同的事。”几十年之后，化学家已经可以合成各种新奇的分子，并且创造出世界上最小的分子机器，三位杰出的化学家也因此获得了诺贝尔化学奖。这三位化学家利用高超的实验手段，操纵原子的排列形式，合成出新奇的分子，从而设计出各种分子机器。

分子机器是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器，在向其提供能量时可移动并执行特定任务。诺贝尔奖评选委员会在声明中说，这三位获奖者发明了“世界上最小的机器”，它只有人类头发的千分之一那么大。第一步，索瓦日合成了一种名为“索烃”的两个互扣的环状分子；第二步，斯托达特合成了“轮烷”，并实现了可以上升0．7纳米的“分子电梯”及可以弯折黄金薄片的“分子肌肉”；第三步，费林加设计出了分子马达，这个马达可以让一个28微米长、比马达本身大1万倍的玻璃缸旋转起来。有了这三步，分子机器就可以动起来了。

“一旦你能控制这种运动，一切皆有可能。”获奖者之一费林加说，“可以想象，医生能将这些分子机器人注入你的血管，（甲） 。”费林加还说：“也许化学的力量不仅仅是理解，还有创造，创造那些从未存在过的分子和物质。”分子机器还能用来进行高密度信息存储，构建神奇的“分子计算机”。硅基芯片的信息存储密度遵循摩尔定律（在价格不变情况下，集成电路上可容纳的元器件数目和性能，每隔18-24个月会提高1倍），而分子芯片能实现分子尺寸上的信息存储，所以不必遵循摩尔定律，在存储密度上能大幅超越硅基芯片。分子机器的研究者们一直在探索这项技术的应用前景。虽然目前看来还任重道远，但是科学本身就是一个积累的过程，到了一定程度自然会有突破。今年的诺贝尔奖证明，探索未知世界、挑战人类极限，最终也能得到认可。

（取材于邱晨辉、李晨阳等的相关文章）

中科院上海生命科学研究院胡荣贵研究员表示，大隅良典得奖实至名归。“他原创性地建立了细胞自噬的框架，他的工作非常系统和深入，没有人能够超越他。”

“自噬”于希腊语的“自我”和“吞噬”，自噬表示的就是“自己把自己吃掉”。20世纪50年代中期，科学家发现了一种新的能够降解细胞内部物质的细胞器，被称为溶酶体。90年代大隅良典进行了一系列实验，他利用面包酵母鉴别出编码自噬作用的关键基因，然后进一步阐明了酵母中自噬作用的分子机制。

大隅良典设想：在自噬过程处于活性状态时，干扰液泡中的降解过程，随后自噬体就会在液泡中累积，从而在显微镜下被观察到。因此他培养了缺失液泡降解酶的酵母突变体，同时通过让细胞“挨饿”逐渐刺激酵母发生自噬。结果令人震惊，不到一个小时，液泡中就充满小型的囊泡结构，这些囊泡就是自噬体。他的实验证明了酵母中存在自噬作用。更重要的是，他找到了一个可以验证和表征自噬过程中关键基因的方法。1992年，大隅发表了这个关键性突破。

自噬细胞在应对短暂的生存压力时，降解自身的非必需成分来提供营养和能量，从而维持生命。细胞为什么会出现这种反应？沃约·德雷蒂奇在《科学美国人》上写道：“想一想当食物匮乏时，生物体会有怎样的反应：它的生理活动肯定不会立即停止，而是开始分解体内储存的营养物质。同样，当细胞遇到养分不足、缺氧、生长因子缺乏等特殊情况时，细胞就会组装更多的自噬体，将细胞质中的蛋白质和细胞器分解成可利用的养分和能量。”

细胞自噬最基本的功能就是自我循环。除此之外，它还可以清除衰老的细胞器或者被氧化损伤的蛋白。如果我们的细胞里存在损坏的或有毒的蛋白质且长期积累就会引发神经退化性疾病，如阿尔兹海默症、帕金森症或者糖尿病。目前，大量研究正如火如荼地进行，目的是为多种疾病开发可以让病灶自噬的药物。比如自噬的持续激活会最终导致肿瘤细胞自噬性死亡，对于一些耐药或者凋亡耐受的肿瘤细胞，通过诱导自噬性死亡可能会取得更好的治疗效果。

（取材于曹玲等的相关文章）

祝蜣螂南行

黎先耀

①蜣螂者，俗称屎壳郎也。现在居然为这种被人们讨厌的“逐臭之夫”祝福，未免使人发笑。

②可是，让屎壳郎照镜子——臭美，开先河者，是被人称为昆虫诗人的法国科普作家法布尔。他的名著《昆虫记》赞颂蜣螂，称它们为“清道工”，因为蜣螂逐臭，就是为我们除污：蜣螂扁阔的头前，一排钉耙似的硬角，用来掘割粪土。它带锯齿的前腿像是扫帚，用来收集粪土，把粪土放在长着尖爪的后腿间，搓转成丸，然后推回地下巢穴，储作食物。

③蜣螂推着比它们身体大得多的粪球前进，从不避陡坡险沟，常常快推到坡顶，又连球一齐滚下来，一只蜣螂推不动，就两只合作，一前一后，齐心协力推，不达目的，决不罢休。因此，有一种蜣螂，生物学家给它取名为希腊神话中罚推巨石上山的“西西弗斯”。我国民间也称蜣螂为“推车客”。

④据说古代埃及人认为蜣螂搓推粪球，有如运转天上的星球，所以称它为“神圣的甲虫”。古代也有说蜣螂坏话的，如希腊的伊索就写过一篇叫“蚂蚁与屎壳郎”的寓言，把蜣螂讥讽为不爱劳动的乞食者，但那是“不实之词”。我国古代药书中记载，蜣螂，甚至蜣螂转丸，都能入药，可治不少内外科的疾病。所以，屎壳郎确非害人虫，不能顾名掩鼻。

⑤我们现在要为蜣螂祝福，是因为今年我国长江流域的一种“神农蜣螂”，应澳大利亚有关科研机构的“邀请”，离别故土，远渡重洋，到澳大利亚东南部湿热地区去安家落户。澳大利亚现在有几千万头牛，每天排出的牛粪，要覆盖约4000平方千米的草场；牛粪还滋生蝇类，更是害上加害。从中国请去的蜣螂的任务，就是去帮助清扫那里广阔的大牧场。

⑥澳大利亚难道没有蜣螂？有是有的，但是本地的蜣螂只爱吃袋鼠粪，牛粪不合它们的胃口，它们不愿问津。这就像牛虻爱吮牛血，狗蝇只叮狗身一样，是昆虫在长期进化过程中形成的一种适应生活的本能。

⑦澳大利亚为什么没有以牛粪做食料的蜣螂？这有地质历史和生物进化两方面的原因。澳大利亚位于太平洋西南部和印度洋之间。可是在古老的地质年代，它是与其他大陆相连的。到了一亿多年前的白垩纪，由于地壳运动和大陆漂移，澳大利亚才与亚洲大陆分离，后来又与南极洲分开。那时候，地球上生物进化的历程还处于哺乳动物的早期阶段，才出现一些原始的兽类。由于长期地理隔离，动物种类又单一，澳大利亚一方面成了鸭嘴兽和袋鼠等一些原始哺乳动物的乐园，另一方面也限制了哺乳动物在当地环境中继续向前进化。现在在澳大利亚陆地生活的一些有胎盘类的动物，如马、牛、羊、猫、犬、豕，甚至鼠类，都是十八九世纪人类从欧、亚等其他大陆带去的。牛是带去了，但清除牛粪的蜣螂却没有带去。因此，澳大利亚现在缺乏以牛粪做食料的蜣螂。

⑧达尔文等人曾举出“猫—田鼠—野蜂—三叶草—牛”食物链的有名例子，揭示了当时英国畜猫有利于养牛的错综复杂的关系。同样的道理，澳大利亚引进我国产牛地区的蜣螂，如果繁殖成功，对当地畜牧业的发展将是有益的。

⑨我国的牧民中有句谚语，“鹰眼、鹿腿、屎壳郎的鼻子”，用来称赞草原上有些动物的某种器官特别灵敏。蜣螂的嗅觉确实非常敏锐，无论哪里有了人畜粪，它们不怕关山阻挡，很快就会闻风而至。中澳相距万里，又远隔重洋，蜣螂的鼻子虽灵，想过去也只好望洋而叹。现在，中澳之间架起了友谊的桥梁，天涯咫尺，地理隔绝的鸿沟已经消失。今天，在澳洲袋鼠出没、牛羊遍野的美丽富饶的草原上，从我国引进的油亮壮实的黑甲虫们，正在那里勤奋地打扫牧场哩。

⑩让我们祝蜣螂们成功吧！

(选自《莼鲈之思》，有删改)