7位科学家获科维理奖，但颁奖典礼要到2022年了黑洞电子显微镜

7位科学家获科维理奖，但颁奖典礼要到2022年了黑洞电子显微镜

　　来源：知识分子

　　撰文 | 辛   玲（知识分子特约撰稿人）

　　责编 | 陈晓雪

　　来自欧洲和美国的七位科学家因在X射线天文学、像差校正电镜及温度与压力感知领域的开创性研究，将分享总价值300万美元的科维理奖（Kavli Prizes）。受新冠疫情影响，今年的颁奖典礼将延后到2022年9月举行。

　　北京时间5月27日晚间，总部位于奥斯陆的挪威科学和文学院宣布了本年度科维理天体物理奖、纳米科学奖和神经科学奖获奖名单。

　　科维理天体物理奖

安德鲁·费边（Andrew Fabian）

　　科维理纳米科学奖

　　左起 　　马克西米利安·海德尔（ Maximilian Haider） 　　克努特·乌尔班（Knut Urban） 　　哈拉尔德·罗泽（Harald Rose）  　　昂德瑞·克立凡尼克（Ondrej Krivanek）

　　科维理神经科学奖

左起 　　阿德姆·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian） 　　戴维·朱利叶斯（David Julius）

　　每个奖项的获奖者将平分100万美元的奖金。受全球新冠疫情影响，且科维理奖每两年评选一次，因此今年的颁奖典礼将推迟至2022年9月，与2022年的科维理奖颁奖典礼一起举行。

　　01

　　理论与观测俱佳的费边

　　安德鲁·费边是英国剑桥大学的天文学家，他的获奖原因为 "对X射线观测天文学的奠基性工作，包括从星系团气体流动到星系中心超大黑洞等多个领域的研究"。

　　"Andy Fabian 的名字在X 射线天文界无人不晓" ，国家天文台研究员、爱因斯坦探针计划首席科学家袁为民告诉《知识分子》。费边是袁为民二十年前在剑桥大学天文所做博士后期间的两位导师之一。"Andy 是位很神奇的天体物理学家，是我见过的最为活跃、多产、博学的学者。他既有深厚的理论研究功底，又精通观测，他的科学生涯实际上是从研制 X 射线探测器并用探空火箭进行观测开始的。他几乎在所有相关领域都有重要贡献——从银河系的致密天体到星系中心的超大黑洞，到作为宇宙最大结构的星系团，以及充满整个宇宙的弥散X 射线背景辐射。"

　　活动星系NGC 1275的中心存在黑洞，因而是著名的无线电源（英仙座A）和X射线源。（X射线波段：NASA/CXC/IoA/A.Fabian et al。；无线电波段：NRAO/VLA/G。 Taylor；光学波段：NASA/ESA/ Hubble Heritage （STScI/AURA） &amp； Univ。 of Cambridge/IoA/A。 Fabian）

　　袁为民认为费边最重要的科学贡献之一是研究如何用黑洞附近发出的 X 光作为探针，来探索时空边缘的极端引力场以及那里的物质的行为。费边及其合作者计算了黑洞附近较冷物质中铁离子的荧光发射线轮廓，预言了各种相对论效应所引起的特征，并利用 X 射线天空望远镜的观测证实了这些预言。这些结果证实了某些活动的黑洞周围存在一个高速绕转着的吸积盘，并且指明了一个测量黑洞自转速度的方法。这也是迄今应用最广的超大黑洞自转测量方法。

　　在袁为民的记忆中，费边极其勤奋，每天上午一到办公室就开始看当天arXiv 上的论文。11 点左右是研究所的 coffee break 时间，也是大家一天中最快乐的时光。"Andy每天都会来喝咖啡，和我们讨论当天新出来的论文中有趣的发现和结果。Andy 用他对科学的热爱、执著和他的才智深深鼓舞了很多年轻人。"

　　02

　　像差校正透镜四巨头

　　此次的纳米科学奖授予四位欧洲科学家，以表彰他们20世纪90年代在 "用电子束进行亚埃级（10-10米）精度成像及化学分析" —— 即研制亚埃级电子显微镜方面的开创性工作。

　　这些科学家发明了电子显微镜中的像差校正透镜，使得全球研究人员能够以前所未有的微细尺度看到物质的三维结构和化学成分。"例如当下的Covid-19 新冠病毒，利用冷冻的像差校正电子显微镜，对其负染染色或直接快速冷冻，我们可以清楚地看到病毒的近球状外壳及表面的刺突（spike）蛋白， 还能看到一些病毒内部遗传物质RNA的粗略形貌"，清华大学材料学院教授、中科院院士朱静告诉《知识分子》。

　　纳米研究的终极目标之一是在原子尺度上创造全新的材料，以获得所需的光、电、磁等功能。因为单个原子的大小约为1埃（ångström）（合0.1纳米或10-10米），所以在亚埃精度上对材料进行成像分析至关重要。传统显微镜利用可见光和光学透镜进行成像，而可见光的波长是原子大小的数千倍，根本无法对原子直接成像。

　　二十世纪初，科学家们发现磁透镜可以聚焦电子束，推动了1932年透射电子显微镜的发明。电子波的波长比可见光波长小的多，比原子精度间距也短得多。在这种显微镜下，电子束透射过一层薄薄的样品，基于电子与它的相互作用而成像。然后图像被放大并聚焦到成像探测器上。但由于磁透镜的像差效应，获得的图像会模糊不清且常常失真。理论和实践都证明，制造理想的无像差的透镜来聚焦电子束是极其困难的。这个问题困扰了人们60多年。

　　到了1990年代，得益于这四位科学家及一些学者的洞察力、技能和当时计算能力的提高，他们逐步制造出了利用电磁场聚焦电子束的像差校正透镜，大大提高了电子显微镜的聚焦能力，使得三维的亚埃成像和化学分析成为可能。

　　科维理纳米科学奖评审委员会认为，四位获奖者对像差校正电镜发展的贡献分别为：德国乌尔姆大学与达姆施塔特工业大学的哈拉尔德·罗泽提出了罗泽校正器这一新颖的透镜设计方案，使透射电子显微镜中的像差校正技术可应用于常规和扫描透射电子显微镜；德国CEOS公司联合创始人马克西米利安·海德尔在罗泽设计的基础上，打造出第一个六极校正器，并为首台像差校正常规透射电子显微镜做出了突出贡献；德国于利希研究中心的克努特·乌尔班为首台像差校正常规透射电子显微镜做出了突出贡献；美国Nion公司的昂德瑞·克立凡尼克（持有捷克与英国国籍）发展了四极八极校正器，打造出首台亚埃分辨率的像差校正扫描透射电子显微镜，用于高空间分辨的化学分析。

　　"Rose和Haider的成就充分反映了德国电子光学理论的深厚沉淀、积累和传承。Max Haider 将这些理论转化成了现实的为人类服务的仪器，将知识转化成了社会财富。Krivanek 是一位出生于捷克、在剑桥获博士学位、在美国工作和发展的学者，在大学和企业做事都如鱼得水、得心应手。他是一位开创性地将知识转化为实际应用和社会财富的高手。" 朱静说。

2017年4月，Rose教授访问中科院沈阳金属所，并做了题为"从微米到亚埃精度—电子显微镜的发展历程"的报告。

　　朱静回忆说，这几位科学家和几代中国学者都有着深厚的友情。哈拉尔德·罗泽八十多岁了，还在重庆大学和清华大学讲学。2018年他在清华大学讲课一周，每天两小时，编写了专门的讲义，还在讲课以外为老师同学们答疑。如果不是疫情影响，他现在很可能在重庆或北京。马克西米利安·海德尔多次来华，传授像差校正透镜的构造和功能，2008年还参加了清华大学北京电子显微镜中心的揭牌仪式。克努特·乌尔班是清华大学、浙江大学、西交大、北京工业大学等多所大学的兼职教授，他所在的德国实验室为中国培养了许多电子显微学方面的人才，还在中国举办电子显微学学习班。2008年清华大学安装了国内第一台电子显微镜后，他还专门为电镜中心师生讲授像差校正电子显微镜的成像学，并安排了当时在他德国实验室的贾春林（现为西安交通大学教授）来示范电镜的操作。克立凡尼克也是中国学者的好朋友，曾在北大等处讲学，还培养了一些中国在美留学的年青学子，这些年青学者回国后正在发挥着重要作用。

　　03

　　神经感知温度和压力的秘密

　　加州大学旧金山分校的戴维·朱利叶斯和Scripps研究所的阿德姆·帕塔普蒂安在各自独立的研究中发现了人体感知温度、压力及疼痛的分子机制，为与触觉相关的生理疾病研究提供了重要依据。

　　感知外界刺激的分子受体是人类五大感官系统的生物学基础。虽然我们很早就发现了与视觉、嗅觉相关的分子受体，但对于触觉—包括人体对温度（冷暖）、机械力（如握手）、伤害性物质（如吃辣椒产生疼痛感）的感知却始终是个谜。

　　生物学家饶毅曾撰文介绍（见饶毅：国产博士的记录），1980年代，朱利叶斯开始用当时比较新的方法表达克隆寻找五羟色胺的受体，十几年后，他继续用这一办法寻找辣椒素（辣椒中的一种化合物，可引起灼痛感）的受体，并在1997年找到了一个辣椒素激活的蛋白质分子VR1，而且发现VR1可被加热所激活，因为辣椒素已知与痛觉通路有关，所以这一工作也揭开了温度感受的机理和痛觉的外周感受的部分机理。在1997年的这篇文章中，朱利叶斯也确认VR1属于TRP通道家族，而TRP基因早在1969年就在果蝇中首次发现，只是人们一直不知道它的功能。因此，饶毅评论说，朱利叶斯虽然不是第一个发现TRP基因的科学家，但他发现TRP基因编码的蛋白质在感觉系统起重要作用（温度、压力等）。"把他（Julius）和Ardem合起来是因为他们在压力感觉都有贡献。其中对于长期悬而未决的听觉，他们和其他人都有直接或间接贡献。"饶毅说。

　　清华大学药学院研究员肖百龙告诉《知识分子》，朱利叶斯的小组后来还陆续发现了这个家族的其它受体，譬如凉爽受体以及芥末油受体。这一新发现的TRPV1及相关通道目前已成为新型止痛药研发关注的靶点。 

　　"David Julius的工作是非常系统的，从发现外周感受疼痛的受体，一直到它的结构和功能上的关系，包括生理上通过基因敲除的技术去研究其他的受体，这是一个系列的工作，David Julius获奖我觉得是well deserved。"北京大学生命科学学院研究员李毓龙评论说。

　　帕塔普蒂安与朱利叶斯几乎同时在研究触觉受体的问题。帕塔普蒂安在发现了凉爽（薄荷素）、芥末油以及温热的受体后，决定对更具挑战性的机械力受体的寻找发起冲击。机械力的研究极其困难，一是需要找到合适的刺激方式，二是很难记录产生的电流。 

　　帕塔普蒂安课题组的博后Bertrand Coste寻找到一种可在实验室培养皿中生长的胶质瘤细胞系的细胞，这些细胞通过产生电信号来响应轻触带来的压力变化。然后从人类的2万多个编码基因中精心挑选出300多个在该种细胞中高表达的候选基因，然后培养逐一缺少（敲低）这些基因的细胞。接着对样本们进行逐一测试，寻找缺失时会导致细胞失去感应电流的基因。经过三年多的不懈努力，最终确定清单上的72号候选基因确定具此功能。他们把这个基因取名为PIEZO，在希腊语里是压力的意思。PIEZO在动物和植物体内都存在，在进化上高度保守，提示它在功能上非常重要。 

　　同时期在帕塔普蒂安课题组从事博士后研究的肖百龙博士见证了这一激动人心的发现过程，并在后续的研究中证明了PIEZO蛋白形成一类全新的压力敏感离子通道。肖百龙指出："寻找压力受体的过程充满了风险，候选基因list有可能是不完整的，敲除过程也可能出现技术问题，但是持之以恒的努力最终收获了这一里程碑式的科学发现"。 

　　帕塔普蒂安很快确认了PIEZOs为哺乳动物体内压力感应的必需基因。他的研究表明，PIEZOs可形成离子通道，它们直接负责皮肤内默克尔细胞（Merkel cells）和触觉终端，以及本体感受器（感觉神经末梢位于肌肉内的感受器，可以感受身体在空间的位置、姿势和运动并做出反应）的压力感测。 

　　PIEZOs 还能通过分布在血管和肺部的神经末梢感知压力，并影响红细胞体积、血管生理，引发多种人类遗传疾病。PIEZOs的发现打开了力学生物学的大门，这是一个与生物学、工程学和物理学交叉的新兴科学领域，侧重于研究细胞和组织的物理作用力和力学特性的变化如何对健康和疾病造成影响。 

　　"Ardem是一位极其聪明、具有前瞻视野的科学家，但他从不满足于现有成就，不断探索，充满创新欲望。他对课题组的研究人员充满信任，总是全力支持他们探索前沿科学问题。他因PIEZO通道的发现和研究获得此次科维理奖确属实至名归。"肖百龙说。

　　"两位获奖者在外周感知分子机制的研究中做出了系统性、里程碑式的贡献，此次获奖实至名归。" 李毓龙表示。他认为，他们的获奖再次表明，卓越的基础科学需要时间积累和好奇心的驱动，而这些正是中国科学家们积极努力的方向。

　　关于科维理奖 

　　科维理奖由挪威科学和文学学院、挪威教育和研究部、美国科维理基金会（The Kavli Foundation ）联合颁发，旨在表彰在天体物理学、纳米科学和神经科学领域取得突破的科学家，推动人类对极大、极小和极复杂体系的理解。科维理奖在以上三个领域每两年颁发一百万美元的奖金。获奖者提名来自中国、法国、美国的国家科学院，以及德国马普学会和英国皇家学会。科维理奖于 2008 年首次颁发，每两年颁发一次，已表彰了来自 13 个国家的 54 名科学家。