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按照慣例
本年度的科學盛典
2019年諾貝爾獎
從昨天開始陸續公布
和很多人想像中不同
諾貝爾獎並非總是宏觀、華麗、波瀾壯闊的
而是更關注那些在某一領域的關鍵環節
做出突出性貢獻的人
換句話說
在「探索」這條路上
時不時會出現一些羊腸小道、死胡同
甚至高山絕壁
而有的人
卻可以憑藉自己的聰明才智
拓寬道路，架起飛橋
走出那關鍵性的一步
他們的研究
有些過於艱深
有些涉足微觀
常遊走於眾人的視線之外
但絕不應該被遺忘
光電效應
1905年的愛因斯坦
1905年，愛因斯坦的頭髮還沒有變得凌亂，卻已經有了濃密的鬍鬚；他還不是那個滿臉皺紋的「智慧象徵」，但已積攢了足夠的才華和勇氣。這一年，他先後在《物理年鑑》上發表了四篇論文，分別探討光電效應、布朗運動、質能等價和狹義相對論，好比一個武功高手，既精通少林絕學，又擅長武當心法，抽空練了兩下小李飛刀，居然就「例無虛發」了……
現在，高中畢業的人都知道光具有波粒二象性，但是在20世紀初，這可是個了不得的原則性問題。自艾薩克·牛頓爵士精巧地解讀了薄膜透光、牛頓環之後，光的粒子學說成為主流，漸有一統江湖之勢；奈何半路上殺出個托馬斯·楊，後者以雙縫衍射為武器，重塑光的波動學說；再後來，泊松亮斑現象使得光的粒子學說潰不成軍；最終，麥克斯韋關於電磁理論的論述，奠定了光的波動學說的霸主地位。
——起碼，當時人們是這麼認為的。
但是，沒等波動派高興太久，光電效應就來了。1887年，德國物理學者海因里希•赫茲發現，紫外線照射到金屬電極上，可以幫助產生電火花。倘若波動學說是對的，那麼光是一種波，不管何種光線，只要強度足夠大，就能從金屬內部激發出電子來；而光的頻率，即波震動的次數，決定著激發電子的數目。然而，實驗結果表明，對於特定金屬，能不能激發出電子，只由光的頻率決定，激發出的電子數目，則和光線的強度有關。
理論推導和實驗現象不符，那麼其中就必然有一個是錯的。
愛因斯坦在《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》中假設，「從一點發出的光線，在不斷擴大的空間中傳播時，它的能量不是連續分布的，而是由一些數目有限的、局限於空間某個點的能量子所組成的。這些能量子是不可分割的，它們只能整份地被吸收或發射……」【1】
這篇三月發表的論文，也像三月里的春雨一樣，融化了粒子派和波動派之間的冰封，打破了經典力學的黑雲壓城，催生了量子論，引燃了新能源的希望，開啟了一個新的時代；而且，它也很值錢，因為在光電效應上做出的理論性突破，愛因斯坦被授予1921年的諾貝爾物理學獎。
原子結構
碳原子結構示意圖
1900年4月27日，倫敦阿爾伯馬爾皇家研究所舉行了一場眾星雲集的科學報告會。德高望重的開爾文男爵說：「動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在，這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽，顯得黯然失色了……」
科學史上常有一些集大成者，他們在前人的基礎上，憑藉著傑出的才智，總結、發展出一套理論，比如牛頓和他的經典力學。然而歷史是在否定之否定中前進，隨著科學發展，總會出現一些原有理論解決不了的問題。這並非不可知論的藉口，恰相反，它表明我們對世界的了解，更深了一步。
開爾文男爵口中的兩朵烏雲，一朵指的是經典力學在光以太上遇到的難題，另一朵指的是黑體輻射研究中的困境。二者最終導致了相對論和量子論的誕生。【2】
前者，幾乎是由阿爾伯特·愛因斯坦獨立完成，後者，則交給了玻爾和他的學生。
和愛因斯坦不同，尼爾斯•玻爾出身優渥，不需要進入專利局養家餬口。1911年，玻爾獲得了卡爾斯伯格基金會的獎學金，成為劍橋大學卡文迪許實驗室博士後，隨後，他認識了歐內斯特•盧瑟福，開始著手將盧瑟福的原子模型和普朗克的發現結合起來。
盧瑟福通過粒子轟擊實驗，提出了自己的假說：原子是由原子核和電子組成的，原子核極小，居於中心，電子則像行星環繞恆星一樣，環繞著原子核運動。因而，這一模型也被稱為行星模型。
玻爾的原子模型
這一假說可以解釋轟擊實驗的結果，但不能回答一個致命的問題：倘若電子環繞原子核運動，那麼，電子會在這一過程中輻射能量，跌出軌道，一步步地向著原子核滑落，最終，所有的原子都會塌陷，這顯然和現實不符。
玻爾參考了普朗克對黑體輻射的研究，提出：原子核外的電子，只運行在特定的軌道上，由於勢能，保持穩定，稱之為定態；假如條件發生改變，電子也只能從一個特定的軌道，躍遷到另一個特定的軌道，輻射出恆定的能量。這一模型，稱之為玻爾模型。
玻爾模型是個折中的方案，引進了量子論，但半隻腳還踩在經典力學上，所以，很快被更好的模型所取代。不過，這無損於他的傑出，因為玻爾模型，他被授予了諾貝爾物理學獎；除了學術成就之外，他還是個偉大的導師，泡利、海森堡、赫維西、朗道、蓋莫夫，這一連串偉大的人物，都曾在他的哥本哈根研究所里學習、工作。
晶體X射線衍射
如果說，愛因斯坦和玻爾是「求仁得仁」的話，那麼，晶體的X射線衍射，就有些「無心插柳」的意味了。雖然布拉格父子，很快因為他們的發現，榮獲1915年的諾貝爾物理學獎，但後來的事情表明，這一發現的價值，仍然被低估了——起碼值三五個諾貝爾獎。
喜歡折騰數碼產品的朋友肯定知道，路由器有兩個頻段，一個是2.4G，一個是5G。這裡的2.4G、5G指的是頻率，2.4G頻率低，波長長，遇到縫隙容易發生衍射，因而2.4G路由器看上去「穿牆」效果更好；5G路由器發射的波長較短，更傾向於通過反射直來直去，所以，5G路由器的能夠很好地覆蓋特定房間，但是「穿牆」能力比較差。
波，不管是可見光波，還是X射線這種不可見的電磁波，在遇到縫隙的時候，都會面臨一個選擇：倘若縫隙比波長大，那麼，光波就會直射進去；倘若縫隙和波長相當，甚至更小，就會發生衍射。縫隙的數目、形態，影響著衍射後的條紋樣式。三者（波長、縫隙、衍射條紋）之間的關係，可以用公式描述出來。這也就意味著，明確其中的兩者，可以推導出第三者。
1895年11月8日倫琴發現了X射線，這種不可見的光，很快引起了物理學家們的興趣。X射線到底是高穿透性的中性粒子流還是波長較短的電磁波呢？眼瞧著粒子派和波動派又要大打出手，勞厄卻用一個精巧的實驗，化解了爭議。
晶體是由一系列重複的結構組成的，這些不斷重複的結構，稱之為晶胞；晶胞和晶胞之間，存在著縫隙。換句話說，可以把晶體看作一個三維的充滿縫隙的衍射工具。那麼，假如X射線是電磁波，它在穿過晶體後，一定會產生衍射。
1912年4月弗里德里希、克里平成功地觀察到X射線透過硫酸銅後的衍射斑點，證實了X射線的波動性。這一消息傳到英國，引起了布拉格父子的高度關注。1912年暑假後，W.L.布拉格開始做X射線透射ZnS晶體實驗時，發現衍射斑點的大小隨底片與晶體的距離而變化，判定可能是晶面反射的聚焦結果。同年10月，W.L.布拉格導出了著名的布拉格方程。【3】
DNA X射線衍射圖譜
晶體X射線衍射的研究，到此可算告一段落，但是它所醞釀的風暴，才剛剛開始成型。41年後，卡文迪許實驗室的兩個年輕人，正是靠著X光衍射圖，解開了生命掩藏最深的奧秘——DNA分子結構。
一直到現在，晶體X射線衍射，仍然是結構分析的利器，在藥品分析等方面，起著重要作用。比如，2005年，美國加利福尼亞大學的研究人員，運用X射線晶體衍射技術，在SARS病毒基因組中發現了一個特殊的RNA片段，在不同的 SARS 病毒株系中，這一片段並不變化，因此這一RNA 片段可能成為未來抗 SARS 藥物的「標靶」。【4】
柯霍氏法則
著名的曲頸瓶實驗
數學是當之無愧的諸學科之母，在數學之外，物理則擔當起了兄長的角色。沒有對凸透鏡成像的研究，哪來的顯微鏡呢？沒有顯微鏡，又怎麼可能發現致病菌呢？
十九世紀中葉，醫生們已經建立了近代解剖學，知道了柳樹皮解熱、消炎、鎮痛的有效成分，但是，疾病原因，仍然是一個謎。希波克拉底的體液學說漸漸失去市場，中國的陰陽五行，洋大夫們一概不信....
1864年，偉大的生物學家巴斯德設計了著名的曲頸瓶實驗。他把肉湯倒入燒瓶內，然後將燒瓶放在火焰上，拉出彎曲的長頸，將其靜置，結果發現，肉湯很長時間也不會變質；一旦將長頸去掉，肉湯則很快腐敗變酸。
巴斯德的實驗表明，空氣中存在著一些微生物。這些微生物雖然看不見、摸不著，卻可以對肉湯產生實實在在的影響。
那麼，這些微生物是否就是某些疾病的原因呢？
羅伯特•科赫在前人的基礎上（卡西米爾•達韋納發現炭疽病在牛與牛之間可直接傳染），以其傑出的才智，化解了血液純化、細菌培養等難題，最終在1876年，發現了炭疽桿菌的致病作用，成為人類歷史上第一個發現致病原的科學家。其後，他又運用染色、純化、培養等技術，找出了結核病病原菌——結核桿菌，並因此獲得了1905年的諾貝爾生理學或醫學獎。
炭疽桿菌
在研究微生物的過程中，科赫總結出了一套判斷病原菌的方法，稱之為柯霍氏法則。這套法則一共四條：首先，在病人或患病部位，可以發現某種微生物，但這種微生物，不能在健康個體中找到；其次，這種病原菌可以被分離培養，同時應該記錄它的各種特徵；再次，將分離、提純過的病原菌，接種到健康個體內，健康個體應該會和患者出現類似或相同的症狀；最後，這位新患者體內，應該可以分離出與之前完全相同的病原菌。
不管是分離提純技術，還是培養基的發明、製作，又或者這一套判斷原則，都在生物學界和醫學界產生了巨大的影響。他也因為這一連串的突出性貢獻，和巴斯德並稱，被尊為細菌學的鼻祖。
當然嘍，技術也好，方法論也罷，總是不斷向前的。隨著新的檢測手段、新的病原菌不斷出現，如今，柯霍氏法則已經不是金科玉律，不過，這一方法裡體現的嚴謹精神和聰明才智，一直會是筆寶貴的財富。
心電圖
說到檢測技術，就不能不提到心電圖。
1791年，一個陽光明媚的日子裡，義大利解剖學家路易吉•伽伐尼（意：Luigi Aloisio Galvani），擺動著試驗台上的青蛙。在一個電光石火的瞬間，他忽然發現，切下來的蛙腿，碰到電火花會出現抽動；之後，他又發現，即使不直接接觸電源，只用金屬解剖刀，也能複製這種抽動。於是，他得出了結論：動物體內存在肌肉電流。
儘管這個說法是錯誤的，但是，生物學家們的興趣已被成功點燃，神經電生理的研究一發不可收。
時光荏苒，到了1832年，義大利生理學家們在進行了一系列的有關蛙肌肉的實驗後，發現並不是肌肉存在電流，而是收縮的肌肉產生了電流；接著，德國的同行們重複了他們的實驗，並且用動作電位來描述這種隨著肌肉收縮產生電反應。就這樣，一步一步，順理成章地，科學家們向著人體內最神秘的肌肉——心肌——進發了。
現在我們知道，靜息狀態下，心肌細胞的細胞膜外排布著帶正電荷的陽離子，膜內排列著同等比例的帶負電荷的陰離子。當細胞的一端受到刺激時，細胞膜的通透性產生改變，受刺激部位，細胞膜內外的正負離子分布發生逆轉。這種逆轉沿著心肌細胞傳遞，就形成了電流。
既然心臟是由心肌組成的，而心肌每次收縮都可以產生電生理變化，那麼，可不可以通過檢測這種電生理變化，來推斷心臟的健康狀況呢？
1887年，英國皇家學會瑪麗醫院舉行了一場具有劃時代意義的科學演示：該院生理學教授Waller在犬和人的心臟上應用毛細管靜電計記錄心電圖。演示中，Waller當場成功記錄了人類第一例心電圖。儘管以現代眼光看來，這一心電圖十分粗糙，連心房的P波都沒有，但是，0到1的突破已經完成了。
Waller的實驗吸引了很多人，許多科學家們從此投身心電圖的改進，試圖減少外在環境的干擾、創造出有臨床意義的測量工具。
十六年後，威廉·埃因托芬拿出了自己的方案。
受阿德（Ader）於1897年發明的弦線式電流計的啟發，他將鍍銀石英拉成弦線（直徑僅2.1μm，用放大鏡才能看到），懸浮在兩側的磁鐵間；當體表心電有微弱變化時，弦線便出現擺動；通過裝置，將這種擺動放大近500倍後，他終於得到了清晰的心電圖，並且將各波命名為P、Q、R、S、T、U波。這些命名，沿用至今。【5】
搭載生物信息晶片，可以檢測心電圖的智能手錶
又過了21年，即1924年，為表彰埃因托芬發明心電圖，當年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了他。100多年來，因為價格低廉、檢測準確、不會對病人造成痛苦，心電圖一直是臨床最常用的檢測手段。時至今日，心電圖技術正在朝著更小、更智能的方向邁進。比如今年，三星宣布開發出了一種新型的生物信息處理器。這種處理器專門為可穿戴設備（如智能手錶）設計，具有心電圖監控、血流量記錄等功能。假以時日，說不定能取代四四方方的心電圖機，成為醫生們的可信賴的新一代「雷達」。
G蛋白偶聯受體
G蛋白偶聯受體生理作用示意圖
馬克思曾說：「哲學家們只是用不同的方式解釋世界,問題在於改變世界。」不過，對於醫生們來說，生命的奧秘太過艱深，能夠合理的解釋，就已經很難了。
古詩有云：「長江繞郭知魚美，好竹連山覺筍香。」人的嗅覺、味覺是怎麼來的呢？
不同的人，有不同層次的答案。愛看書的小朋友，可能會說：「氣味從食物里跑出來，進到鼻子裡，人就聞到了。」大學生們，對神經系統有著基本的了解，知道神經元之間存在著突觸。神經元通過突觸釋放神經遞質，神經遞質使相鄰神經元興奮，一環扣一環，最終將神經衝動傳進嗅覺中樞。
問題是，在氣味分子進入鼻腔之後、神經元興奮之前，發生了點什麼呢？
這就需要專業人士去回答了。
2012年的諾貝爾化學獎授予了美國科學家RobertJ. Lefkowitz 以及 Brian K. Kobilka，以表彰他們在G蛋白偶聯受體」研究中作出的突出貢獻。其中，Robert J. Lefkowitz首先詳細地闡述了β2- 腎上腺素及其相關受體的序列、結構和功能，同時他還發現了兩個可以調控其功能的蛋白家族，即G蛋白偶聯受體(GPCR)和β-arrestins。而Brian K. Kobilka則因為其在 GPCR 結構和活性方面的研究而為世人所知。【6】
G蛋白偶聯受體是一類膜蛋白受體的統稱。所謂膜蛋白，顧名思義，它長在細胞膜上。G蛋白偶聯受體具有很多不同的種類，每一種結構皆有所不同，但不管是哪一類，都跨越細胞膜七次。這也是G蛋白偶聯受體最典型的特徵之一。
當某些化學物質，比如氣味分子，藥物中的有效成分，和G蛋白偶聯受體結合時，會引起G蛋白偶聯受體的結構發生改變，這種改變，又會使其他物質產生變化，層級傳遞之下，引起各種各樣的生物效應。目前已經知道的和 G 蛋白偶聯受體相互作用的化學物質或者激活因子，包括氣味、費洛蒙、激素、神經遞質、趨化因子，等等。這些受體可以是小分子的糖類、脂質、多肽，也可以是蛋白質等生物大分子。
這就好像是工廠里的流水線，各種原料被分揀機分析傳遞，經由諸多工人的手，最終變成成品。G蛋白偶聯受體在其中扮演了分揀機的角色，不僅重要，而且是個多面手。
由於 G 蛋白偶聯受體的廣泛功能性，以及其與癌症等相關信號通路之間的緊密聯繫，使得 G 蛋白偶聯受體作為一個藥物設計的靶點，有著十分廣闊的應用前景。
倘若你能在小學、中學、大學的諸多考試中脫穎而出，如果你能在各種技能訓練、若干理論突圍、無數實驗挫敗中堅守，假如你覺得金錢生不帶來死不帶去、聲名與你如浮雲，那麼，你很可能會成為一個科研工作者。
愛因斯坦和貝爾代表了科研工作者的一種，他們崇高的品格、嚴肅的態度毋庸置疑，但是相比於國計民生，他們更關注科學本身。對未知的好奇支撐著他們，走上了人類智慧的巔峰。
埃因托芬等則代表了另一條道路，他們在知識和實用之間找到了平衡。
那麼你呢，你會選哪一種？
1927年，索爾維會議合影
參加這次會議的29人中有17人獲得或後來獲得諾貝爾獎
參考文獻
1.On a Heuristic Point of View Concerning the Production andTransformation of Light，Ann. Der. Physik，17（1905）132。
2.曹天元. 量子物理史話: 上帝擲骰子嗎[J]. 2008.
3.麥振洪. 晶體 X 射線衍射的發現及其深遠影響[J]. 現代物理知識, 2003, 15(5): 53-55.
4.美國發現SARS病毒特異RNA片段[J]. 中國生物工程雜誌, 2005, 25(1): 95.
5.郭繼鴻.百年輝煌，萬眾澤被——記心電圖百年發展史.中國醫學論壇報，2014.10.13
6.肖鵬, 楊樂, ZHANG C, et al. G 蛋白偶聯受體家族的發現和結構機理研究——2012 年諾貝爾化學獎解讀[J]. 生物化學與生物物理進展, 2012, 39(011): 1050-1060.
本文為蝌蚪五線譜原創文章
作者：趙言昌
原標題：那些看不見的諾貝爾獎
原文略作刪改
編輯：Tim