癌细胞如何在缺氧条件下增殖，宇宙是如何演变而来的，宇宙中的那么多星系该如何描述，锂电池开启电子设备便携化进程……10月初，2019年诺贝尔奖三大自然科学奖项得主陆续揭晓，9位科学家分别獲得生理学或医学奖、物理学奖和化学奖。
2019年10月7日至9日，随着2019年诺贝尔奖三大自然科学奖项——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖的陆续揭晓，人类智慧文明的高塔上再次闪耀光辉。
美国科学家威廉·凯林、格雷格·塞门扎以及英国科学家彼得·拉特克利夫，因在“发现细胞如何感知和适应氧气供应”方面所作出的贡献，获得诺贝尔生理学或医学奖。诺贝尔物理学奖也颁给了三个人，美国科学家詹姆斯·皮布尔斯因宇宙学相关研究获奖，瑞士科学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹因首次发现太阳系外行星获奖。美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰因在锂离子电池研发领域作出的贡献，共同获得诺贝尔化学奖。
三大自然科学奖尘埃落定，但人们对它的关注仍在持续发酵。三大自然科学诺贝尔奖获得者到底解决了什么问题？解决这些问题的价值何在？
●诺贝尔生理学或医学奖
破解氧气感应机制谜题
氧气是人们生命活动的第一需要。早在几世纪前，人类就意识到了氧气的重要作用，但是细胞如何适应变化的氧气水平长久以来仍是未知数。 诺贝尔生理学或医学奖向人们揭开了细胞如何与氧气“互动”的神秘面纱，揭示了生命中一个最基本的适应性过程的机制，为人们理解氧气水平如何影响细胞新陈代谢和生理功能奠定了基础。这一发现也为人类开发有望对抗贫血、癌症以及其他疾病的新策略铺平了道路。
在漫长进化过程中，人类和其他动物演化出一套确保向组织和细胞充足供氧的机制。例如，人类颈动脉体中就含有感知血氧水平的特殊细胞。1938年的诺贝尔生理学或医学奖就授予相关研究，当年获奖研究揭示了颈动脉体在感知不同血氧水平后，是如何与大脑交流从而调节呼吸频率的。
除了颈动脉体对呼吸的调控机制，动物对供氧还有更为基本的生理适应机制。比如红细胞可为身体各组织运送氧气，缺氧情况下，一个关键生理反应是体内名为促红细胞生成素（EPO）的激素含量上升，从而刺激骨髓生成更多红细胞以运送氧气。自20世纪90年代起，彼得·拉特克利夫和格雷格·塞门扎就开始探索这一现象背后的机制。
二人都研究了EPO基因与不同氧气水平的“互动”机制，最终发现了在低氧环境下起到“调控器”作用的关键蛋白质——缺氧诱导因子（HIF）。HIF不仅可以随着氧气浓度改变发生相应改变，还能调控EPO表达水平，促进红细胞生成。塞门扎探明了HIF实际上包含两种蛋白质，分别为HIF-1α和ARNT。
科学家们还发现，当氧气水平上升时，体内HIF-1α数量会急剧下降。它是如何在富氧环境下被降解的呢？
肿瘤专家威廉·凯林在研究遗传性疾病VHL综合征时，解开了这一谜团。他的研究也因此与上面两位科学家的研究联系到一起。威廉·凯林发现，VHL综合征患者因VHL蛋白缺失饱受多发性肿瘤之苦。典型的VHL肿瘤内常有异常新生血管，这可能与氧气调控通路有关。在后续研究中，他又发现，正是VHL蛋白通过氧依赖的蛋白水解作用，负向调节了HIF-1α。
揭示细胞的氧气调控通路，不仅具有基础科研价值，还有望带来疾病新疗法。比如，调控HIF通路将有助于治疗贫血;而降解HIF-1α等相关蛋白有助对抗需要新生血管供养的恶性肿瘤。
●诺贝尔物理学奖
寻找地球“近亲” 解码宇宙“成长日记”
瑞典皇家科学院发布新闻公报说，詹姆斯·皮布尔斯对宇宙学的洞见丰富了整个领域的研究，成为当代宇宙学的基础。米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹探索了太阳系外的未知行星，他们的研究指向一个永恒的问题：地球之外是否还有生命存在？
许多科学先驱都曾预言，满天繁星中，一定有许多恒星也拥有绕它们旋转的行星。然而那些行星距地球太过遥远，所反射的光又太过微弱，想要“看”到它们并不容易。
直到1995年，米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹基于恒星会因行星引力变化而产生微小摆动的理论，才宣布首次在太阳系外发现一颗行星。这颗绕着约50光年外飞马座内类日恒星“飞马座51”运转的行星被命名为“飞马座51b”，它是一颗与太阳系最大行星木星相仿的气态行星。这项成果发表在国际著名学术刊物《自然》上。有人认为这颗行星的发现为人类寻找宇宙中的伙伴带来了新希望，也有人称米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹为“新世界的发现者”，认为这一发现堪比哥伦布发现新大陆。
“飞马座51b”的发现点燃了系外行星探索的“星星之火”。得益于各类观测技术的突飞猛进，科学家们在银河系发现的行星数量迄今已超过4000颗。各种各样的新天体仍在不断被发现，其大小、形状、轨道之丰富令人难以置信。它们挑战了人们对行星系统的已有认识，迫使科学家们修正行星起源理论。
人类还有一个永恒命题就是“从哪里来”。正是以詹姆斯·皮布尔斯为代表的一批科学家从20世纪60年代开始奠定的基础，让宇宙学成为一门现代科学，并迎来了长达50年的“黄金时代”。
詹姆斯·皮布尔斯不断完善他提出的理论框架，最终帮助人们塑造了对于大爆炸以来宇宙形成和演化的基本认知。
大约140亿年前，宇宙在大爆炸之初是炙热而密实的。自那以后，宇宙开始不断扩张、变冷。大爆炸约40万年以后，宇宙开始变得“透明”，光线得以穿梭其中。就在这早期辐射中，记录着关于宇宙诞生和演化的秘密。
利用创建的理论工具和运算方法，詹姆斯·皮布尔斯将宇宙诞生之初留下的“蛛丝马迹”成功“解码”。根据他的理论可以推算出，宇宙中95%都是神秘的暗物质和暗能量，而人们通常观测到的普通物质只占5%。
如今，暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性课题之一。了解暗物质才有机会深入认识浩瀚宇宙及其起源。因此，全球科学家长期以来一直孜孜不倦地寻找暗物质，并启动了许多相关大型实验项目，如阿尔法磁谱仪、大型强子对撞机等。
●诺贝尔化学奖
创造可充电的绿色新世界
从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品，到电动车和风能、太阳能等大型储能裝置，如今锂离子电池已成为人们生活中不可或缺的“能量源”。
小电池大作用，这个推动人类社会前进的发明今年终于获得诺贝尔奖的认可。英国巴斯大学材料化学家赛弗尔·伊斯兰姆直言：“在我看来，这个奖项来得太迟了。”毫无疑问，这一诺贝尔奖成果是众望所归。
锂离子电池依靠锂离子在阴阳极之间的移动产生电流。电池阴阳极材料的选择对于电池能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂离子电池，使用钴酸锂材料为阴极，碳材料为阳极，具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。而这种电池的基本形态，就是三位获奖研究者于20世纪七八十年代确立的。
为何想到研制锂离子电池？20世纪70年代的石油危机催生了人们对新能源储能的需求，电池研发形成热潮。当时正致力于超导体研发的斯坦利·惠廷厄姆创新地使用二硫化钛作为阴极材料存储锂离子，以金属锂作为部分阳极材料，制成一款新型电池。然而，金属锂具有很高的活性，反复充放电在这些物质之间产生了电化学反应，会导致爆炸，这一致命的缺点使这种电池随时可能变成危险性极高的“炸弹”。
这时，约翰·古迪纳夫贡献了恰如其姓——“足够好”（Goodenough）的新灵感。这位创造了诺贝奖获得者高龄新纪录的科学家在1980年发现，用钴酸锂作为阴极材料更适合存储锂离子。在远隔重洋的日本，吉野彰研发的阳极材料和约翰·古迪纳夫的阴极材料形成天作之合。吉野彰发现，石油焦炭可作为更好的电池阳极，但他找不到合适的阴极材料。读到约翰·古迪纳夫的论文后，吉野彰兴奋难抑：“他的发现给了我所需要的一切！”至此，以钴酸锂为阴极，以碳材料为阳极的锂离子电池诞生。
1991年，约翰·古迪纳夫与吉野彰合作发明的锂离子电池正式上市销售，它轻巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放电数百次。
诺贝尔委员会认为，锂离子电池不仅有助于人们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式，对于应对气候变化也至关重要。
●思考
日本何以“量产”诺贝尔奖
21世纪以来，日本拿下了19个诺贝尔奖，几乎一年一个，而且都是极具含金量的自然科学奖。诺贝尔奖反映的是历史贡献，而非当下的成就，一般有着几十年的时滞。日本诺贝尔奖的井喷，得益于20世纪七八十年代经济社会繁荣以及随之而来的20世纪八九十年代科研经费暴涨。
日本经济战后开始起飞，经过20世纪五六十年代的“山寨”式发展，打下坚实的经济基础。20世纪70年代的石油危机，促使日本经济转向高质量发展。整个20世纪70年代，日本研发经费占国民收入的比重超过2%，并一路攀升，即便在日后的“失落20年”，研发经费占比仍维持在3%以上，不退而进。与此同时，教育经费占国民收入比重也持续上扬，人力资本红利厚积薄发。
当然，事物是辩证的，钱不是万能的，它需要与制度、市场、企业和高校产生化学反应。但经济发展到一定阶段，人才、技术积累到一定厚度，诺贝尔奖诞生就是大概率事件。区别只在于多少，化学反应显著，获奖人数就多，反之即少。
同样是日本，一边诺贝尔奖拿到手软，一边科教面临下滑危机。原因在于经济增速的退步影响了对科教的投入。量产诺贝尔奖的名古屋大学、东京大学和京都大学，近年来在全球大学排名上逐步下滑，日本高等教育不复当年盛况。政府教育经费占GDP比重也一度跌至3%左右，低于中国。2018年，日本政府发布的《科学技术白皮书》明确指出，日本科技创新能力正出现衰退。而研究资金、论文数量、引用次数均呈现下降，毫无疑问，将影响到日本几十年后的诺贝尔奖获得情况。
发展是硬道理。四十多年的改革开放，让我国GDP逼近百万亿元人民币，使得研发经费和教育投入迅速大幅增加。前不久，国家统计局、科技部和财政部发布的《2018年全国科技经费投入统计公报》显示，2018年，全国R&D（研究与试验发展）经费达到19 677.9亿元，增长11.8%，连续三年保持两位数增速。R&D经费投入强度（与GDP之比）为2.19%，连续五年超过2%。自2013年以来，我国的R&D经费投入一直稳居世界第二。与此同时，我国的论文数量和专利数量也位居前列。
在这样的投入之下，在雄厚国力的支撑下，我国已经步入科技大国的行列。只是，我国是科技大国却不是科技强国，诸如产学研碎片化、核心关键技术卡脖子、钱学森之问等都是我国当下急需着力解决的事情。
可以确定的是，十几年后，我国也将获得更多的诺贝尔自然科学奖。不确定的是能否井喷，这取决于上述所说的化学反应。（本刊综合）※
