什么推动着诺贝尔奖得主们

Gerd Binnig: 两个世界中最好的东西

他的办公室里堆放着大纸箱：格尔德·宾宁的公司德菲宁（Definiens）正在慕尼黑市内搬迁。这很契合这位始终马不停蹄的研究者：因扫描隧道显微镜这一开创性的发明，宾宁于1986年获得诺贝尔物理学奖。现在，德菲宁公司用最先进的软件进行图像分析。

“如今，我们已经把我们软件支持下的图像分析方法成功地应用于生物学和医学研究。我们的技术不再完全遵循抽象的算法，而是更多遵循我们人类是如何观察和理解图像的。计算机能够分析一个组织切片，这在几年前还不可想象。用我们的方法就能做到这一点，这显示了图像分析领域的巨大潜力。未来，我们必须把两个世界最具优势的部分更好地结合起来：把电脑的快速和精确与人类的强项相结合，即领会相互关系，并运用自己的能力去理解图像。未来的软件将显著地随不同专业方向而各具特色。在研究中，相比信息技术专家，一位医学专家也许能在某些情况下更好地编写程序：因为他更了解根本性的需求。软件对使用者的技术要求将越来越低，并以某种方式变得更人性化。”

由宾宁和瑞士人海因里希·罗尔发明的扫描隧道显微镜让人们能一窥纳米结构的乾坤。在今天看来，这其中蕴含着巨大的发展机遇：“纳米技术打开了一扇通往新世界的大门。我认为我们正处在第二次创世纪中。在第一次创世纪中，从原子中诞生了分子结构，并最终形成了多姿多彩的生命。现在，我们有机会用最微小的纳米构件创造出极其复杂的结构。我们要走的路还很长。但仅纳米医学就将在未来发挥巨大作用。以癌症为例：仅仅为了了解这种疾病，我们就必须在未来进一步深入到纳米结构，而新的治疗手段也有可能在这个层面上发挥作用。”

克服复杂性，并利用它 -- 格尔德·宾宁还把这一挑战与对高效纳米计算机的设想联系在一起：“为了建造这种计算机，我们必须大大加深对纳米世界结构的理解。有朝一日，高效的纳米计算机将能帮助我们应对诸如世界经济危机或肿瘤治疗等多样性的、复杂的挑战。这种计算机能把无数特定任务分配到不同的计算机单元。它们应当像是一个由专用计算机组成的网络，在极其紧凑的空间内协同工作。最理想的是能够像大脑一样以三维方式实现极高程度的联网。这样就能开发出又一种计算机，令迄今所有计算机都黯然失色。”

Hartmut Michel：太阳的潜力

我们在一个未来之城与他会面：美因河畔法兰克福的这个新区叫里德贝格科学城，建筑工人们在这里造起了鳞次栉比的高楼。因共同解密光合作用而获得1988年诺贝尔化学奖的哈特穆特·米歇尔在这里研究特殊的蛋白质：膜蛋白。

“揭示膜蛋白结构蕴含着药品开发的巨大可能性。人体中约有800种膜蛋白，这些所谓的G -蛋白耦联受体把信号传递至细胞内部，它们中有大约350种至今仍不为我们所了解。如果我们能够弄清这些受体的作用，就能在此处使用新的药物和疗法。针对性地阻止乳腺肿瘤生长的受体阻断剂就已经向我们展示了这种可能性。还有人猜测，细胞核和线粒体之间通信的减退是导致衰老的一个原因。因此，未来我们有望通过干预线粒体来战胜退行性疾病，甚至是延缓衰老。”

要干预最细微的细胞过程，就要求在方法上细致入微，并具备精密的高科技。哈特穆特·米歇尔向我们描述了它的前景：“我对肿瘤基因测序寄予厚望。与健康组织相比较，可以发现关键的基因突变，并由此进行针对性治疗。然而在膜蛋白结构解析中，我们必须战胜两大挑战：目前我们只能从极少数的膜蛋白中获取足够的毫克级样本；此外，这些样本还必须足够稳定，这样我们才能通过复杂的过程使它们结晶。使用具有极强X射线的自由电子激光器，就有可能免去上述过程。美国的斯坦福大学已经有了这种超强激光器，在汉堡也有一台即将投入使用。用这样的X射线轰击单个分子可以大大加快这种极具意义的膜蛋白解码。”

赋予生命的光合作用已经被解码，这也要归功于哈特穆特·米歇尔。他在这里也看到了创新的可能性：“光合作用的效率很低：全世界只有不到百分之一的光能被储存到生物质中。在阳光灿烂的日子里，20%的光能就能满足一株植物的需求，剩余的80%就无法再被利用。如果科学家们能够提高光合作用中光线捕捉机构的效率，就能大大提高农产品的产量。在可再生能源的生产过程中，储存也是一个至关重要的问题。我认为新型电池拥有巨大前景，例如以锂硫为基础的电池的效率可超出目前常用电池许多倍。”

Theodor W. Hänsch：撼动世界观

在他身上能看到发现的快乐。当他想到一幅摇摇欲坠的物理世界的图景时，他微笑起来。当他描述精密光谱学所拥有的潜能时，也是如此。由于为上述测量技术根本性的发展所做的工作，尤其是发明了频率梳，特奥多尔·W. 海恩希于2005年获得诺贝尔物理学奖。

“我们不断开发越来越精准的测量工具。基于频率梳技术，我们在光学时钟中利用光的频率作为高度精确的节拍器。这种测量仪器正变得越来越具实用性。为了测量光的频率，10年前人们可能需要整整一栋楼，而如今一台放在写字桌上的设备就够了。未来，我们用的光学时钟可能只有火柴盒那么大。这种测量器具正变得越来越小，越来越坚固。这也开拓了新的应用领域。例如在太空中，频率梳技术可能很快就将应用于卫星导航技术。从根本上说，高度精确的时钟如今已经在某些领域具有重要意义，经过不断的发展，它们将在这些领域得到更多应用。不仅卫星导航将变得更精确，我们还能设想，通过更精确的时钟，手机网络能更好地同步，并由此提高移动通讯的效能。频率梳还能应用在天文学研究中，因为它们能测量光谱线，也就是遥远行星所发出的光。位于智利拉新罗的欧洲南方天文台将在2013年启用频率梳，以寻找可能的类地行星。”

在特奥多尔·海恩希看来，并不只有太空会令我们惊讶。整个物理世界都可能会改变：“如今我们处在一个类似于19世纪末物理学家们所处的阶段。当时也有许多人认为，一切根本性的东西都是已知的，并对当时的力学和电动力学知识深信不疑。但当时已经有了革命性变化的迹象。随后出现了爱因斯坦的相对论，它根本性地改变了我们对空间和时间的理解。量子物理学带来了全新的游戏规则。现在也有一些迹象显示，我们的世界观可能要发生重大变化。暗能量或暗物质现象并不能完全契合到当前的世界观中。理论物理学家们正在思索，如何才能把重力与量子物理学归拢到一起。与此相反，作为实验物理学家，我尝试用越来越精确的测量方法侦测与现有模型不一致的现象。因此，这些测量方法也可能证明，那些目前已知的自然恒量其实根本没那么恒定。”

Erwin Neher：打开认知的钥匙

埃尔温·内尔用寥寥几根粉笔线条就向客人们介绍了人体细胞的奥秘。简单，但巧妙 -- 就如同内尔和贝尔特·萨克曼一起开发的膜片钳技术所一再展现的。这一技术揭示了细胞内部离子通道的作用，两位研究者因此获得了1991年诺贝尔生理学或医学奖。

“哥廷根的马克斯-普朗克生物物理化学研究所中，我所在的部门目前正在研究神经递质，这是一种信使物质，通过神经细胞的突触发挥作用。我们在研究中专注于听觉通路的某个突触，这里是对处理声音信号的宝贵认识的关键所在。对于‘听’这个过程，我们始终缺乏足够的了解。我们的研究或许还有助于弄清定向听觉能力等现象。因为我们所研究的是神经系统的一个典型突触，所以我们希望能因此从根本上增进对诸如学习和记忆等重要过程的了解。此外，大部分无法治愈的疾病是神经系统的退行性疾病，如阿尔茨海默氏症。因为我们不了解神经系统，因此无法治愈它们。由此看来，我们的工作是大有可为的。”

采用膜片钳技术，内尔和萨克曼已经首次分离出一个微小的离子通道，并由此破译出细胞通信。对于如何寻求更进一步的了解，内尔看到了不同的机会：“例如我哥廷根的同事施特凡·黑尔所从事的工作就很具潜力，他改进了光学显微镜，并由此深入到纳米级领域。30年前，我们的膜片钳技术就已经为测量细胞最细微的信号打下了基础，但这一领域在未来仍有巨大潜力。慕尼黑的耐尼恩（Nanion）公司开发出一种基于芯片的自动膜片钳操作法，能在短时间内进行大量的有效成分测试。这将大大推进新药的开发。”

埃尔温·内尔认为，另一项富有潜力的研究是离子通道的人工突变：“许多遗传性疾病都是源于离子通道的突变。我们能在动物模型中‘模仿’这种突变，研究它们变化后的功能，从而得出有关遗传性疾病的发生机制的重要结论，并能由此开发出新的治疗手段。通过这种方式已经开发出一种治疗新生儿糖尿病的方法，或许我们采用类似的方法也能掌握其他疾病。”

记录：约翰内斯•戈贝尔