囊泡和上帝粒子

策划/ 本刊编辑部

统筹/ 谢 飞

看文章之前，先给同学们做个小测试：看到本篇文章的标题，你会想到什么呢？

呵呵，难度是不是有点大啊？

如果关注每年诺贝尔奖的人，就会知道，囊泡和上帝粒子，可是今年诺奖的关键词。如果你还不清楚囊泡和上帝粒子是怎么回事，就跟着一起来了解一下吧。

2013年诺贝尔生理学或医学奖

获 奖 人： 美国的詹姆斯· E·罗斯曼【美国】

兰迪·W·谢克曼【美国】

托马斯·C·苏德霍夫【德国】

获奖理由：发现了细胞囊泡运输系统的运行与调节机制。

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詹姆斯· E·罗斯曼  兰迪·W·谢克曼  托马斯·C·苏德霍夫

细胞内的“快递员”

在电子商务高度发达的今天，快递员在各地的大街小巷中穿梭，把包裹为人们快递到家。在我们身体内，也有不少“快递员”在忙忙碌碌地输送着各种物质，有的是营养物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一类“快递员”专门帮助细胞运输物质，这个“快递员”的名字叫囊泡。

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细胞的3D 模型图

说到囊泡，还得从细胞膜说起。细胞膜，就是细胞最外边的那层边界。以前人们一直很困惑，细胞膜是怎么组成的呢？后来经过研究发现，这层膜是由一类叫“磷脂”的特殊的分子构成。磷脂分子的样子很奇妙，它有一个“脑袋”，这个“脑袋”可以溶解在水里；它还有两条“小尾巴”，而“小尾巴”不溶于水。

于是，这些磷脂分子们，手拉手，分两层：外层的磷脂分子头朝外；内层的磷脂分子头朝内。这样，它们不溶于水的尾部就形成了一个隔绝内外液体环境的薄薄“油层”！这层可以流动的薄薄的油膜，就是细胞膜。

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细胞的胞吞和胞吐

细胞膜就像一个表面布满了油层的水滴。而这个水滴不时会脱落下一个更小的、包裹着油膜的小“水滴”。这个更小的“水滴”就是囊泡。当囊泡遇到了相对应的细胞，就会和它碰撞在一起，合二为一。而在这个过程中，物质被从一个细胞传递到了另一个细胞。

揭示囊泡的秘密

长期以来，囊泡一直被视为细胞运输系统的关键部分。但囊泡如何把物质在正确的时间传递到正确的地点，一直是个谜。美国和德国的3 位科学家对此进行了深入研究，他们因此获得了2013 年诺贝尔生理学或医学奖。

谢克曼发现了囊泡的基因秘密

早在20 世纪70 年代，谢克曼就对细胞内的组织运输系统很着迷，他决定用酵母作为模型系统，研究其遗传基础。通过研究，他发现由于某些基因的变化，会导致囊泡堆积在细胞的特定部位，造成类似公交拥堵现象。通过逐步定位这些基因，他发现了3 类调节囊泡运输的基因。

他的研究成果极大促进了现代生物、制药工业的发展。

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细胞内的结构

罗斯曼发现了囊泡与细胞膜结合的秘密

罗斯曼发现一种蛋白复合物能使囊泡与目标膜进行对接、融合。在融合过程中，囊泡和目标膜上的蛋白以拉链的方式相结合。

囊泡融合如何精确被控制，苏德霍夫给出了答案

20 世纪90 年代，苏德霍夫对大脑内神经细胞是如何相互沟通的很感兴趣。传递信息的物质被称为神经递质。这种特殊分子正是由囊泡负责运输至神经细胞的细胞膜上，并能在准确的时机获得释放。

科学家们此前便已经知道钙离子参与了这一过程，后来苏德霍夫在神经细胞中找到对钙离子敏感的蛋白质。他还揭示了这种蛋白质的作用原理：它会对注入的钙离子做出反应，并控制邻近的蛋白质迅速让囊泡与神经细胞的外部细胞膜相结合，然后迅速释放信号物质。

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神经细胞之间，通过“胞吐”的方式传递神经递质

研究囊泡的意义

诺贝尔评奖委员会在声明中写道，3 位获奖者的发现，让我们了解到细胞生成的物质如何及时且精确地在细胞内传递。从酵母到人，不同的生物体利用相同的机制进行囊泡运输和融合。就像现实中的快递员会出错一样，囊泡也会因为种种原因出错，有的“罢工”不运输物质，有的运输能力减弱，有的会运错物质。这些紊乱的囊泡会让人们生病。

囊泡秘密的发现帮助研究人员更好地了解了多种疾病，如帕金森病、脑神经功能障碍和免疫系统紊乱等。3 位科学家的研究可让人们准确清楚地认识相关疾病的发病机理，并为寻找治疗靶点提供了理论支持，从而使人类更好地战胜疾病成为可能。

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细胞胞吞的作用

2013年诺贝尔物理学奖

上帝粒子：希格斯玻色子

获 奖 人：弗朗索瓦·恩格勒【比利时】

彼得·W·希格斯【英国】

获奖理由：从理论上预言了希格斯玻色子的存在。

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弗朗索瓦·恩格勒  彼得·W·希格斯

当你站到电子秤上称体重时，你可能会气恼：最近的体重貌似又增加，看来晚上真的不能吃太多。牛顿是不是也曾为体重烦恼过呢？没人知道。不过他却为质量是什么困惑了很久。

质量是怎么来的呢？爱因斯坦曾经鼓捣出了“能量= 质量× 光速² 这样的公式，可也没搞清楚质量究竟是如何产生的。

希格斯等人预言，存在一种玻色子，能够使物质带有质量，这种玻色子就是“希格斯玻色子”。按照他们的推测，137 亿年前，宇宙在爆炸中诞生，初成之时，所有的粒子都以光速在空间中运动，包括希格斯玻色子。之后，随着宇宙的冷却，希格斯玻色子冻结形成了均匀的结构。这时候，它们的存在阻碍了一种叫做费米子的粒子的运动，使这些粒子减速，然后具备了质量，而玻色子则不受影响。

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对撞机

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希格斯玻色子在对撞机中

这个说法显然会让很多人如坠云里雾里，更有英国官方征集一个可以让政客们看得懂的比喻，于是有了这样的说法：有一间屋子，政客们均匀的分布在里面，当一个普通人经过时，没人关注他，他没有任何阻力地通过了屋子；可当首相到来时，这些政客们则会因为各种原因围拢过来，聚集在首相的周围，使首相不得不停下来减速……

正是这些慢下来的费米子开始组合在一起，形成中子、质子直至原子和我们所熟知的物体。如果将空间中的希格斯玻色子撤除，我们身上的电子等粒子就立刻会以光速飞出，原子解体——这显然不是我们想看到的场面。希格斯玻色子以其作为物质构成的基础而被称为“上帝粒子”。

理论上希格斯玻色子无处不在，但我们却观察不到它。科学家利用大功率对撞机在最近几年找到了它的蛛丝马迹，并最终在2013 年初确认了它的存在。这是科学前进的一大步，人类关于物理世界的一系列假说因此得以证实，一个新的纪元由此展开。

2013 年 诺贝尔化学奖

计算机里的化学反应

获 奖 人：马丁·卡普拉斯【美国】

迈克尔·莱维特【美国】

和亚利耶·瓦谢尔【美国】

获奖理由：发展了多尺度模型来研究复杂的化学体系。

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马丁·卡普拉斯  迈克尔·莱维特  和亚利耶·瓦谢尔

化学家的难题

化学反应是非常微观的变化，一支试管中的反应可能在千分之一秒内完成，化学家想要捕捉到反应的过程非常困难，所以，很多时候要靠计算。

经典的分子力学可以通过考虑原子之间电荷的引力和斥力等来计算出分子的大致结构，化学家们更是习惯了以此为基础制作出球棍模型摆放在桌子上把玩。这些模型可以将很大的分子结构解读出来，但是却不能用来描述原子中的电子的运动特征和能量，也就是无法预测出反应的结果。

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如此多的数据，只有计算机能有那个实力去计算

计算机拥有远超人类大脑的计算能力，如果用它来描述分子的结构和预测反应的结果是不是会容易很多呢？

但是，即使是计算机也无法利用量子力学将大分子的每一个部分进行监控和分析。这时候，研究人员采取了一种折中的创新——用经典物理学来描述分子的绝大部分，而用量子力学来描述分子的化学反应的活性中心，从而来模拟和预测整个反应的过程。

现在，科学家已经能够借助计算机模拟极复杂的化学反应，然后科学家可以一点一点关注反应所发生的过程了。

化学革命

以计算机为媒介从不同的尺度去模拟复杂的化学系统，这无疑是化学界的革命。通过该模型，我们不仅可以观察过程，也可以改造分子、设计实验。比如，在模拟药物如何到达体内靶蛋白的实验中，电脑可直接对与药物相互作用的靶蛋白原子执行量子理论计算，精确分析出药物发生作用的全过程，全面评估药物造成的影响。

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滑雪分子的球棍模型