閻紀宇專欄:細胞與血氧的探戈、大霹靂與熱木星、一個可充電的世界……解讀2019年諾貝爾3大科學獎項

2019-10-15 06:10

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2019年諾貝爾化學獎得主吉野彰,以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)

2019年諾貝爾化學獎得主吉野彰,以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)

香港「反送中」動亂延燒、哈吉貝颱風創日本、「烏克蘭門」醜聞風暴籠罩美國政壇、敘利亞東北部戰火與人道災難再起、全球暖化危機日益嚴重……打開國際新聞版面,似乎總不外人禍天災,讓人皺眉嘆息。

但,10月初是一年一度的「諾貝爾熱季」,尤其是率先登場的生理學或醫學、物理學、化學三大科學獎項,內容也許艱深抽象,但往往代表人類智能、巧思與好奇心的極致展現;也許不像人禍天災新聞激動人心、五光十色,但往往影響更為久遠。

就讓我們來向今年的三大科學獎項、九位大師級得主致敬。

2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主賽門札(Gregg L. Semenza)(AP)
2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主賽門札(Gregg L. Semenza)(AP)

生理學或醫學獎──細胞與血氧含量的雙人舞

「發現細胞如何感測與調適血氧濃度」
"for their discoveries of how cells sense and adapt to oxygen availability."

生命缺氧不可,氧由血液運輸。當血液含氧量偏低(缺氧,hypoxia)的時候,細胞必須要有一套機制來調適,並設法藉由增加「紅血球生成素」(EPO)來提高血氧含量,否則新陳代謝可能停擺。今年諾貝爾生理學或醫學獎的關鍵字「缺氧誘導因子」(HIF),就在這個過程中扮演關鍵角色。

今年諾貝爾獎得主賽門札(Gregg L. Semenza)與拉特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe)研究EPO的基因,破解它如何受到血氧含量變化的調控。兩人的團隊各自獨立發現,除了製造EPO的腎臟細胞之外,幾乎所有的組織細胞都有感測血氧含量的機制。

2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)(AP)
2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)(AP)

缺氧誘導因子、紅血球生成作用

賽門札進一步從肝臟細胞中發現一種蛋白質「缺氧誘導因子」(HIF),會與EPO基因附近的特定DNA區塊結合,促進紅血球生成作用。後來他又發現HIF其實有兩種──「HIF-1α」與「ARNT」,也因此對相關的生物機制有了更深入的理解。

血氧含量與HIF-1α互為消長,當前者偏低(缺氧),後者就會增加。HIF-1α平常會快速降解(degrade)消失,但缺氧時會受到保護,因此得以在細胞核內累積,並與ARNT聯手,促進紅血球生成作用。

2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主凱林(William Kaelin Jr.)(AP)
2019年諾貝爾生理學或醫學獎得主凱林(William Kaelin Jr.)(AP)

新陳代謝疾病、心血管疾病、癌症研究都受益

HIF-1α為何會如此變化?這要由第三位得主凱林(William Kaelin Jr.)來解答,他研究遺傳性疾病「逢希伯─林道症候群」(VHL disease),發現VHL基因與EPO基因有密切關聯。拉特克利夫則進一步證實,在血氧含量正常時,VHL會與HIF-1α結合,導至後者降解消失。2001年,凱林與拉特克利夫同時提出論文,解釋血氧含量如何調控VHL與HIF-1α的互動,將最後一塊拼圖補上。

今年3位得主的開創性研究,讓我們理解細胞如何感測血氧濃度的變化(尤其是在缺氧的狀態),並做出相應的生理反應。此外,這套機制也與許多疾病相關,例如脂肪肝、新陳代謝疾病、心血管疾病。以癌症為例,HIF是影響癌細胞生長的重要因子,甚至可能讓癌細胞對化療產生抗藥性,因此已經有藥廠開始針對HIF研發藥物。

2019年諾貝爾物理學獎得主揭曉,加拿大學者皮博斯獲獎。(AP)
2019年諾貝爾物理學獎得主揭曉,加拿大學者皮博斯獲獎。(AP)

物理學獎──宇宙演化與太陽系外行星

「幫助我們瞭解宇宙的演化進程,以及地球在宇宙中的地位」
“for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos”

宇宙是如何「誕生」與演化?地球會是宇宙中唯一有生命的天體嗎?今年的諾貝爾物理學獎得主皮博斯(James Peebles)、麥耶(Michel Mayor)與奎洛茲(Didier Queloz),呼應了世人這兩個大哉問。

宇宙學(cosmology)研究宇宙的起源、演化與大尺度結構,過去半世紀是其黃金年代,皮博斯對此居功厥偉。他在1960年代的研究讓宇宙學從假說升級為科學,1971年出版的《物理宇宙學》(Physical Cosmology)更啟迪了無數天體物理學家。

宇宙微波背景輻射、暗物質、暗能量

宇宙誕生於大約140億年前的「大霹靂」(Big Bang),40萬年後,光線(光子)開始在空間中旅行。隨著空間持續擴張,可見光也被「拉長」為微波。1964年,兩位美國無線電天文學家首度觀測到這種來自宇宙太初的背景輻射,皮博斯則提供理論模型,讓宇宙微波背景輻射(CMBR)成為天文學家探索宇宙演化的「金礦」,解釋大霹靂如何催生最早的元素──氫、氦、鋰,今日宇宙中的星系(galaxy)與星系團(galaxy cluster)又是如何形成。

大霹靂(Big Bang)與宇宙演化(Wikipedia / Public Domain)
大霹靂(Big Bang)與宇宙演化(Wikipedia / Public Domain)

皮博斯對宇宙組成的研究同樣是里程碑。從1930年代開始,我們逐漸知道自己能觀察到的物質與能量,不足以解釋今日宇宙的「扁平」(flat)型態。皮博斯在1980年代經由理論推導與運算得出的結果,如今已被觀測證實:宇宙中的「一般物質與能量」只佔5%,暗物質(dark matter)佔26%,暗能量(dark energy)佔69%。當然,暗物質與暗能量究竟是何方神聖,至今仍是科學界最扣人心絃的謎團。

為地球找尋遙遠太陽系之外的夥伴

「5%的宇宙」已是無比浩瀚,光是在銀河系(Milky Way)就散布著數千億顆恆星,其中一定有許多也被行星圍繞,就如我們的太陽系。麥耶與奎洛茲在1995年10月證實了這個信念,宣布首度發現一顆「太陽系外行星」(exoplanet):位於太陽系之外、圍繞一顆主恆星運行的行星。

2019年諾貝爾物理學獎得主、瑞士天文學家奎洛茲(左)與麥耶(右)。(AP)
2019年諾貝爾物理學獎得主、瑞士天文學家奎洛茲(左)與麥耶(右)。(AP)

這顆行星位於距離地球50光年的飛馬座(Pegasus),圍繞恆星「飛馬座51」(51 Pegasi)運行,因此被命名為「飛馬座51b」(51 Pegasi b)。它的公轉周期只有4天,意味它離恆星非常近──只有800萬公里,是地球與太陽距離的1/19。也正因如此,它的地表溫度高達攝氏1000度,不太可能蘊育生物。

除了超熱,「飛馬座51b」也超大,是一顆類似我們太陽系木星的氣態巨行星(gas giant)。木星有多大?它的體積是地球的1300倍,質量是300倍。問題來了,依據當時的行星生成理論,像木星這樣的巨行星應該會離主恆星很遠,木星繞太陽一圈要12年。因此「飛馬座51b」(51 Pegasi b)不但是第一顆太陽系外行星,而且迫使天文學家必須修正行星理論。

「飛馬座51」(51 Pegasi)與其行星「飛馬座51b」(51 Pegasi b)的想像圖(ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)@Wikipedia / CC BY 4.0)
「飛馬座51」(51 Pegasi,左)與其行星「飛馬座51b」(51 Pegasi b)的想像圖(ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)@Wikipedia / CC BY 4.0)

行星本身不會發光,觀測至少數十光年外的行星尤其困難。麥耶與奎洛茲能有破天荒的發現,關鍵在於他們對觀測方法與儀器精益求精,為天文觀測開闢新境界。隨著太空望遠鏡加入搜尋的行列、徑向速度法(radial velocity method)與凌日測光法(transit photometry)精益求精,今日我們已發現4000多顆太陽系外行星,形狀、大小、軌道無奇不有,其中有一些位於「適居帶」(habitable zone),有可能(甚至己經)成為生命的搖籃!

化學獎──他們造出無比強大的電池

「研發鋰離子電池」
“for the development of lithium-ion batteries”

2019年諾貝爾化學獎得主之一,英國學者惠廷安(M. Stanley Whittingham),以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)
2019年諾貝爾化學獎得主之一,英國學者惠廷安(M. Stanley Whittingham),以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)

這大概是近年最「平易近人」的諾貝爾科學獎項,因為無數人用過3位得主古迪納夫(John B. Goodenough)、惠廷安(M. Stanley Whittingham)與吉野彰(Yoshino Akira)研發的產品,瑞典皇家科學院(Kungliga Vetenskapsakademien)形容:「他們打造了一個可充電的世界」。

從手機、筆電到電動車,都少不了鋰離子電池。換言之,無論我們是要通訊、工作、休閒、吸收新知、四處旅行,都得感謝今年的3位得主。不僅如此,對於風力發電、太陽能發電等可再生能源,可充電的鋰離子電池都是關鍵元件,也因此成為我們對抗全球暖化的利器。

早期的鋰離子電池(Claus Ableiter@Wikipedia / Public Domain)
早期的鋰離子電池(Claus Ableiter@Wikipedia / Public Domain)

鋰離子電池的誕生,多少要感謝1970年代的石油危機。研究超導體(superconductor)起家的惠廷安受僱於石油業鉅子埃克森(Exxon),研發不使用石油的能源儲存裝置,因此催生了革命性的第一代鋰離子電池。

與當時已有兩種可充電電池──鉛蓄電池(今日汽車仍在使用)與鎳鎘電池──不同,鋰離子電池的電極不會被電解質消耗,因此壽命更長。惠廷安利用特定金屬材料的「插層」(intercalation)作用,讓鋰離子在兩個電極之間來回流動,從而產生/儲存電力。

2019年諾貝爾化學獎得主古迪納夫(John B. Goodenough),以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)
2019年諾貝爾化學獎得主古迪納夫(John B. Goodenough),以發明鋰離子電池的貢獻獲獎。(AP)

惠廷安以非常容易釋出電子的金屬鋰做為電池陽極,有插層的二硫化鈦(TiS2)為陰極,可產生約2伏特的電力。1980年,古迪納夫把陰極的材料換成氧化亞鈷(CoO),並改良製程,將電池電力提升為4伏特。但是惠廷安與古迪納夫的電池都不夠穩定,使用時容易短路,甚至會爆炸。

1985年日本科學家吉野彰上場救援,陰極仍使用氧化亞鈷(鈷酸鋰),但陽極改用石油焦(petroleum coke)來容納鋰離子,完全屏除不穩定的金屬鋰,開發出安全、輕巧、耐用、可充電數百次的鋰離子電池,1991年正式上市,人類的科技與生活從此改頭換面。

時至今日,關於可充電電池的研究繼續「充電」,科學家期望它能儲存更多的能量,讓我們的手機使用更久、電動車跑得更遠;此外,它也要能夠更快速地充電、放電。因此科學家正積極探索以新材料來製造電極與電解質,儲存更多鋰離子,甚至以能夠適出更多電子的元素來取代鋰。

電動車使用的的鋰離子電池(Tennen-Gas@Wikipedia / CC BY-SA 3.0)
電動車使用的的鋰離子電池(Tennen-Gas@Wikipedia / CC BY-SA 3.0)

 

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