走進諾貝爾獎
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化學獎
在生命數十億年的發展歷程中，進化的作用至關重要。進化是一種偉大的自然力量，科學家則希望在實驗室里模仿生命的進化方法，實現生物大分子（主要是蛋白質）的快速進化。這種掌控生物分子進化的方法，被稱為定向進化。
美國科學家弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和英國科學家格雷戈里·溫特，因為在定向進化研究領域的開創性貢獻，獲得了201 8年諾貝爾化學獎。
酶的定向進化
酶是一種重要的蛋白質。作為一類生物催化劑，它可讓各種生物化學反應快速進行。如果沒有酶，我們很難進行消化和吸收食物、修復細胞、消炎排毒等。如果失去了酶，生命也就走向了終點。
酶不僅是生命延續的重要工具，現在人們還將它用于生產生活用品。比如，醬油、食醋、酒的生產是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以提高清潔效率;酶制劑在醫學臨床上的應用也越來越普遍。
由于應用廣泛，酶的提取和合成就成了重要的研究課題。然而這談何容易，要知道生物大分子是自然界最復雜的分子。在1990年以前，科學家在人工設計新蛋白質分子方面，一直沒有獲得太大進展。
半路出家的阿諾德打破常規思維，她不想以傳統的化學方法來設計蛋白質分子，而是要借助進化的力量。阿諾德原是學機械與航空航天工程專業的，讀碩士研究生時轉向蛋白質工程研究。
阿諾德對進化的力量充滿了好奇。如今地球的每一寸空間都充滿著多樣化的生命，這都是構成生命的蛋白質在進化歷程中被優化、改變和更新的結果。
進化的本質是基因突變和自然選擇。阿諾德則是在實驗室中，通過改變微生物培養液中各種化學成分濃度的方法，讓能產生酶的微生物發生隨機的基因突變，再用合適的方法加以篩選，找出自己所需的目標微生物。
以往工業生產中所用到的酶，通常是在自然界中（土壤、水、生物等）進行篩選，缺點是周期長，效率也偏低。酶的定向進化技術則是從基因水平對微生物進行改造，從而快速獲得酶，或是進化出性能更好的新酶。
阿諾德的定向進化方法，可讓工業界以更環保節能的方式生產酶，對化工生產、制藥、綠色能源開發等方面都有著十分重要的意義。
抗體的定向進化
抗體是生物體內能夠抵御外敵入侵的蛋白質，是生命防線中的重要成員。
抗體主要有兩類，一類是正常抗體，比如A型血人的體內有對抗B型血輸入的抗體;還有一類是免疫抗體，可抵御有毒有害的致病微生物?？茖W家研究比較多的是可以治病救人的免疫抗體。
該怎么判別某基因能否產生新的抗體呢？科學家一直在找一個“好演員”，希望它能夠把這種基因很好地展示出來。1985年，史密斯率先發現了這個“好演員”，它就是噬菌體。就像名字一樣，噬菌體是一種能夠感染和吞食細菌的病毒。
科學家將可能產生新抗體的基因插入到噬菌體的基因中，結果基因編碼的蛋白質和噬菌體的外殼蛋白質融合在一起，展示在噬菌體的外殼上。因此，科學家把這種技術叫作噬菌體展示技術。由于新培育的蛋白質被清晰地展示在噬菌體表面，科學家就很容易找到適合作新抗體的蛋白質，也能反推出產生這種新抗體的決定性基因。
由于噬菌體生命周期短，繁殖快，這樣就能讓科學家快速地找到新抗體。通常只需要兩星期，科學家就能找到某個抗體對應的基因，這就讓科學家對新抗體的挑選余地很大。
經過近30多年的發展和完善，噬菌體展示技術已開始造福人類。
噬菌體展示技術模擬了自然免疫系統，使我們有可能模擬體內抗體生成過程，讓抗體能夠加速進行定向進化，大大促進了免疫藥物的研發和生產速度。如今，這種技術被廣泛應用于抗原抗體庫的建立、藥物設計、疫苗研究、病原檢測和基因治療等。
噬菌體展示技術不僅在抗體研究領域作用很大，還能用于酶及活性的研究。許多科學家都在利用史密斯開發出的噬菌體展示技術，其中具有顯著成效的是溫特。
在獲知噬菌體展示技術后，溫特開展了大量的抗體定向進化研究。他不斷地將實驗室中獲得的特定基因插入到噬菌體基因中，然后分析噬菌體產生的新蛋白質，從中篩選出新的抗體。他因此成了第一個利用抗體定向進化技術發明新藥的人。這個藥物是阿達木單抗（單克隆抗體），從2002年開始正式用于治療類風濕關節炎、銀屑病和炎癥性腸病。
定向進化是人類對生命認知的一次重大變革，它對未來地球生命將產生重大而深遠的影響。如果用好這些工具，不但可以讓生命家園更加美好，而且可以讓我們健康長壽。當然，我們也得警惕定向進化被人利用，設計出不利于人類的奇特生物，那很可能改變地球生態，給人類帶來難以想象的災害。
生理學或醫學獎
包括人體在內的各種生命體內都有一套完備的免疫系統，它是抵御外敵入侵的重要防線。如果免疫系統不給力或被攻破，那我們的身體就會出現各種各樣的病癥，甚至面臨死亡的威脅。美國科學家詹姆斯·艾利森和日本科學家本庶佑，找到了免疫系統被腫瘤細胞攻擊時不給力的原因，并提出了相應的解決辦法，幫助癌癥患者增強抗癌的免疫活力，他們因此獲得2018年諾貝爾生理學或醫學獎。
抗癌尖兵被捆綁
人們之所以會患癌癥，那是因為體內出現了由癌細胞構成的惡性腫瘤。癌細胞是個壞家伙，它們曾經也是健康的，但遭受各種刺激后“變壞”了。它們不但沒有正常的生理機能，還擠占健康細胞的生存空間。癌細胞比健康細胞分化快得多，生長會加速并失去控制，甚至向身體其他部位轉移，最終導致人體出現單個或多個關鍵器官衰竭而死亡。
我們不是還有對付壞家伙的免疫系統嗎？科學家曾經認為癌細胞很兇猛，免疫系統斗不過它們而潰敗。事實上，科學家后來發現，癌細胞不但很兇猛，還很狡猾。一些癌細胞還會在特殊化學物質掩護和協助下大舉進攻。這些化學物質粘在免疫細胞上，捆綁住免疫系統內的抗癌“尖兵”（T細胞、白細胞等），讓它們無力自拔。 免疫系統的基本屬性是區分“自我”和“非自我”的能力，由此攻擊和消除入侵的病原體和其他危險性毒素。也有人把免疫系統比作一輛汽車，觸發全面免疫反應的蛋白質是油門，而抑制免疫反應的蛋白質就是剎車?？茖W家要做的就是適當加大免疫系統的油門，并在需要的時候松開剎車。
發現癌細胞的“幫兇”
艾利森發現了捆綁抗癌“尖兵”T細胞（一種淋巴細胞）的“膠水”CTLA-4。它是一種抗原類蛋白質，有著非常拗口的全稱：細胞毒T淋巴細胞相關抗原4。有意思的是，艾利森還為自己的轎車申辦了號碼為CTLA-4的車牌。
CTLA-4是一種刺激免疫系統發生作用的抗原，但是它對免疫系統的調節不是增強，而是削弱，因此也被稱為負調節抗原。
CTLA-4其實不是天生的壞家伙，只是在癌細胞出現時，它們會被利用捆綁T細胞，協助癌細胞攻擊T細胞。因為它們不但和T細胞結合，還可和白細胞結合。
對于某些疾病來說，CTLA-4還是一種重要的藥物。比如，某些患者天生免疫系統攻擊性過強，這種疾病叫自身免疫性疾病。這些患者的免疫系統不但會攻擊外來入侵的病原體或癌細胞，還會攻擊自身的健康細胞，會誤殺“自己人”。此時，服用CTLA-4藥物會讓患者的免疫系統恢復正常。
在發現CTLA-4后，艾利森認為，如果清除人體內的部分CTLA-4，解除T細胞受到的束縛，將有助于全力對抗癌細胞。隨后，艾利森和合作者利用小鼠進行實驗，開發出針對CTLA-4的抗體。研究結果證實他的設想是正確的，并逐步發展成可應用于人體的新療法。
2010年公布的一項臨床試驗結果表明，接受CTLA-4抗體治療的黑色素瘤患者壽命延長，比沒接受治療的患者延長了4個月。這是第一個可以延長黑色素瘤患者生存期的療法，醫學界為之震驚。由此，艾利森被美國《時代》雜志評為2017年全球最具影響力的百人之一。
另一個癌細胞的“幫兇”
人體不幸遭遇的癌癥有1 00多種，因此癌細胞的“幫兇”可不止CTLA-4這一個。幾乎與艾利森發現CTLA-4的同時，本庶佑發現了捆綁T細胞上的另一種“膠水”PD-1。它也有一個頗具學術特色的全稱：程序性細胞死亡蛋白一1。它也對T細胞和白細胞等免疫細胞起到一定的抑制作用，防止免疫系統過強而誤傷健康細胞。 在201 2年進行的一項臨床試驗中，阻擊PD-1的藥物用于不同類型癌癥病患的治療，效果非常好，尤其是在治療肺癌、腎癌和黑色素瘤方面。近年來的研究進一步指出，針對CTLA-4與PD-1的聯合治療或許能夠帶來更好的效果，這已在黑色素瘤患者身上有所體現。
由于艾利森和本庶佑發現的都是讓T細胞避免和特殊化學物質結合，因此這種治療方法又被稱為“免疫檢查點療法”。
癌癥是人類最可怕的疾病之一，每年全球新增1800萬癌癥患者，有960萬人因此而死亡。艾利森和本庶佑等人開創的癌癥新療法給人們帶來了新的希望。這類增強免疫系統的療法統稱為癌癥免疫療法，它將改變人們接受放射療法、化學藥劑療法、手術治療等痛苦體驗，讓人類自身更加堅強地去對抗癌癥。
本庶佑是一個安靜的人，但是，當他講話時，聲音中會有一股力量，讓人感覺到一種從內心深處涌出的熱情。本庶佑說，他純粹出于揭開免疫學謎題的渴望開始了該領域的研究。他慶幸自己生活在一個分子生物學正大步前進的時代。
“免疫檢查點療法的發現，只是一個故事的開端。我們需要很多人的力量，推動這種療法達到令人滿意的水平?！北臼诱f。
物理學獎
近100年來，激光是繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。激光從發明以來，科學家就在不斷提升其性能、開發其新功能，取得了一個又一個令人矚目的成果。
美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭，也是激光研究領域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學獎。
把激光打造成鑷子
抓取單個細胞、細菌、分子等尺寸很小的東西，是一件十分困難的任務，難度超過我們的想象。這不僅是因為這些東西小到我們肉眼看不到，還因為連普通光學顯微鏡也看不到，得依賴電子顯微鏡。更令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖待在那里等你去抓取，而是不停地亂竄。這樣，科學家就難以對它們進行深入的研究。
1987年，阿什金發現了一種方法，可以讓這些不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光作鑷子，科學家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，光鑷實際上是安裝在顯微鏡上的輔助研究設備。
雖然名為光鑷，但是它和日常使用的鑷子相比，無論外表還是使用原理都大不相同。實際上，光鑷并非用兩道激光來夾東西，而是用一道強度適宜的激光束形成一個陷阱（更加學術的說法是三維勢阱）。如果在以激光束形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區域，你將會觀察到，一旦微小物體進入這個區域就會自動迅速地墜落到光場中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學家形象地稱之為光阱，相應的技術被稱作光學捕捉。
發明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個活細菌，而且沒有給它帶來任何傷害。他可以固定這個細菌進行細菌內研究，也可以移動它到指定位置，研究細菌和生活環境的關系。在沒有光鑷之前，科學家很難固定細胞、細菌和病毒等微小“活物”，通常得先“弄死”（滅殺）它們?，F在有了這種光鑷，這些難題迎刃而解。研究人員可以抓取分子，把它們移動到想要的地方，并對它們展開操作，非常實用。如今，光鑷已經是許多生物或醫學實驗室的標配儀器設備。除了應用于生物學，它在物理學、化學、材料學等領域也有廣泛的應用。
讓激光變強變快
現在醫院用激光做手術已經司空見慣。比如，近視眼患者會去醫院做激光手術，對角膜進行修正。然而，激光手術用的激光并非普通的由激光器發出來的激光，而是經過處理后的激光。因為普通激光功率相對較小、脈沖波長相對較大，對角膜的切割精度較低、切割范圍過大，甚至可能誤傷角膜周圍的眼組織。啁啾（zhou jiu）脈沖放大技術出現之后，激光眼科手術變得可能了。
1985年，穆魯和斯特里克蘭發現了一種方法，可以讓激光的脈沖波長縮短，功率增強。他們把這種方法命名為啁瞅脈沖放大，英文簡稱CPA。所謂啁啾，是因為在初期通信研究中，脈沖信號變到音頻時會發出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁瞅聲，故而得名。
穆魯等人發明的啁瞅脈沖放大技術，就是讓激光的脈沖發生快速變化。與眾不同的是，他們采用了一種欲擒故縱的方法。他們本意是要放大激光的功率，以獲得更強的激光。但是。這個大家都知道的思路并沒有帶來理想中的效果。實驗小組的研究助理威廉姆斯提供了新的思路：是否可以先縮小再放大呢？后來的研究證明，這個思路是正確的。當時，正在攻讀博士學位的斯特里克蘭在導師穆魯的指導下，順利完成了這個實驗，而威廉姆斯因為沒有參與實驗而與諾貝爾獎無緣。
為什么要經過拉伸、放大、壓縮這樣一個過程，直接對激光放大不是很簡便嗎？的確，最初科學家就是不斷地放大激光，然后再加以壓縮，以獲得更強更快的激光。激光器在1960年問世后，在短短5年時間內，更高功率的激光器不斷出現，但此后20年，激光器的功率便徘徊不前，因為過大的功率會將激光器核心部件的放大元件燒毀，導致整臺儀器報廢。
更強更快不僅是體育界的口號，也是激光科學家的追求目標。多年來，眾多科學家一味想提升功率，很少有人逆向思維：要是先縮小激光功率，會怎樣呢？穆魯等人就采取的這種思路。他們先將激光拉伸，拉伸之后功率變小，就可以順利地通過放大元件，將放大之后的拉伸激光再壓縮，就可以獲得短脈沖、高功率激光束了。
超強激光在核物理、粒子物理等物理學分支中得到廣泛應用，利用這項技術，物理學家制造出超高速相機，利用飛秒量級的脈沖對原子和分子進行拍照，得以更好地洞察微觀世界中的秘密。
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