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

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。

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。

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。

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。 （相關報導： 2019諾貝爾化學獎》97歲史上最高齡得主誕生！美、日、英「鋰離子電池之父」順利摘下桂冠 ｜ 更多文章 ）

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。

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。

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。

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。 （相關報導： 2019諾貝爾化學獎》97歲史上最高齡得主誕生！美、日、英「鋰離子電池之父」順利摘下桂冠 ｜ 更多文章 ）

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。

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”

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。

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。

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。 （相關報導： 2019諾貝爾化學獎》97歲史上最高齡得主誕生！美、日、英「鋰離子電池之父」順利摘下桂冠 ｜ 更多文章 ）