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）

寂静的春天（节选）

（美）蕾切尔•卡逊

（1）现在我们主要关心的已不再是那些曾一度在全世界引起疾病的生物，卫生保健、更优越的生活条件和新式药物已经使我们在很大程度上控制住了传染性疾病。今天我们所关心的是一种潜伏在我们环境中的完全不同类型的灾害——这一灾害是在我们现代的生活方式发展起来之后由我们自己引入人类世界的。

（2）环境健康的一系列新问题的产生原因是多方面的——一是由于各种形式的辐射，二是由于化学药物在源源不断地生产出来，杀虫剂仅是其中的一部分。现在这些化学药物正向着我们所生活的世界蔓延开来，它们直接或间接地、单个或联合地毒害着我们。这些化学药物的出现给我们投下了一个长长的阴影，这一阴影并非吉祥，因为它是无定形的和朦胧的；这一阴影令人担忧，因为简直不可能去预测人的整个一生接触这些人类未曾经验过的化学和物理作用物的后果。

（3）杀虫剂与环境疾病分布的相关性表现在什么地方呢？我们已经看到它们现已污染了土壤、水和食物，它们具有使得河中无鱼、林中无鸟的能力，人是大自然的一部分，尽管他很不愿意承认这一点。现在这一污染已彻底地遍布于我们整个世界，难道人类能够逃脱污染吗？

（4）我们知道，如果一个人与这些化学药物单独接触，只要摄入的总剂量达到一定限度，他就会急性中毒的。不过这不是主要问题。农民、喷药人、航空员和其他接触一定量的杀虫剂的人员的突然发病或死亡是令人痛心的，更是不应该发生的。无形污染我们世界的农药，被人少量吞食后所造成的危害是有潜伏期的，因此为全体居民着想，我们必须对这一问题倍加重视，研究解决。

（5）负责公共健康的官员们已指出：化学药物对生物的影响是可以长期积累的，并且对一个人的危害取决于他一生所获得的摄入总剂量。正因如此，这种危险很容易被人忽视。人们一贯轻视那些看来可能给我们未来带来危害的事物。一位聪明的医生莱因•达宝斯博士说：“人们平常只对症状明显的疾病极为重视。正因如此，人类一些最坏的敌人就会从从容容地乘隙而入。”

（6）这一问题对我们每个人来说，正如同对密执安州的知更鸟或对米拉米琪的鲑鱼一样，是一个互相联系、互相依赖的生态学问题。我们毒杀了一条河流上的可厌的飞虫，于是鲑鱼就逐渐衰弱和死亡。我们毒死了湖中的蚊蚋，于是这些毒物就在食物链中由一环进入另一环，湖滨的鸟儿们很快就变成了毒物的栖牲品。我们向榆树喷了药，于是在随后而来临的那个春天里就再也听不到知更鸟的歌声了，这不是因为我们直接向知更鸟喷了药，而是因为这种毒物通过我们现在已熟知的榆树叶——蚯蚬——知更鸟一步步地得以转移。上述这些事故是记录在案的、可以观察到的，它们是我们周围可见世界的一部分。它们反映出了生命或死亡的联系之网，科学家们把它们作为生态学来研究。

（7）不过，在我们身体内部也存在着一个生态学的世界。在这一可见的世界中，一些细微的病原产生了严重的后果；然而，平常似乎不易看出这种后果与那些病原之间的联系，因为病原出现在身体的部位离最初出现损伤的地方很远。有关当前医学研究动态的一个近期总结说：“在一个小部位上的变化，甚至在一个分子上的变化都可能影响到整个系统，并在那些看来似乎无关的器官和组织中引起变化。”对一个关心人类身体神秘而又奇妙功能的人来说，他会发觉原因和后果之间很少能够简单、容易地表现出联系来。它们可能在空间和时间上完全脱节。为了发现发病与死亡的原因，要依靠将许多看来似乎孤立的、相互无关的事实耐心地联系在一起，这些事实是通过在广阔的、相互无关的许多领域中进行非常大量的研究工作而取得的。

（8）我们习惯于找寻那些明显的、直接的影响，而不研究其他方面。除非这一影响以一种无法否认的明显形式急骤地出现，否则我们总要否认危害的存在。