每年,一些诺贝尔奖得主都会来到德国林道,向青年学者展示研究成果,与他们交流讨论学术问题。今年“林道会议”共有20位诺贝尔生理学或医学奖得主,以及从60多个国家挑选出的550位“科学新星”参加了这次聚会。《环球科学》杂志节选了既往刊登在《科学美国人》上最重大、最值得回忆的诺贝尔得主的美文。这些文章见证了从上世纪50年代以来,科学家在生物、动物行为学等领域取得的重要进展。


  虽然本文中的部分选文发表在50多年前的《科学美国人》上,但就算在今天,你仍能感受到这些科学成果在当时引起了多么大的轰动效应,对现代科学有多么重要。[详细][评论]

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生命的起源


   在克里克之前,科学家已经知道核酸的存在,但不知道它的结构。如果不揭开这个结构之谜,生物学研究也就无法深入到分子水平,DNA重组技术、转基因技术、基因组测序技术之类的所有现代生物技术都无法实现。因此,DNA双螺旋结构的发现,是生物学乃至整个科学史上的里程碑之一,因为这项伟大成就,克里克与合作者沃森、威尔金斯获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。

   本文刊登于1954年第10期《科学美国人》

  我们现在知道,DNA其实就是一条由糖类与磷酸基团交错排列而成的长链,其中的糖类通常是指脱氧核糖(desoxyribose)。整体而言,这条“磷酸—糖链”有着完美的组成规则,但具体到一个个分子,却并非如此,因为每个糖分子都与一个碱基相连。DNA通常包含四种碱基,其中两个属于嘌呤,分别是腺嘌呤和鸟嘌呤;另外两个属于嘧啶,分别是胸腺嘧啶和胞嘧啶。根据目前已知的情况,DNA链上的碱基顺序并没有什么规律,不同的DNA片段之间,碱基顺序也彼此不同。尽管根据化学分子式,我们得知DNA是一个链状结构,但仅凭这些,我们并不知道DNA 分子的形状是怎样的。实际上,由于DNA链围绕着很多化学单键,因此它可能呈螺旋状,并通过进一步的折叠、卷曲,形成各种各样的构象。[详细]


   在做博士后研究期间,乔治·沃尔德就发现,视网膜可能是由维生素A组成的。后来在进一步研究中,他发现当视紫质(rhodopsin)的色素暴露于光线下时,会产生视蛋白(opsin)及一种包含维生素A的混合物,这说明维生素A是视网膜不可缺少的元素。他的这一发现为阐明视觉机制奠定了基础,为他赢得了1967年诺贝尔生理学或医学奖。他在研究视觉的同时,也在思考另一个问题:生命是如何形成的?在本文中,沃尔德描述了一个探索生命起源的经典实验,这也是生物学史上最为经典的实验之一。

   本文刊登于1954年第8期《科学美国人》

  数目繁多的有机分子组成了一个无比庞大的阵列,不但排列方式有无尽组合,而且绝大多数组合都极端复杂。为了理解生命体的起源,我们首先应当解释这些复杂的分子是如何组装在一起的。组装一个有机体,除了需要种类繁多、数量充足、大小合适的原材料之外,还需要这些原材料以正确的方式组合在一起。也就是说,结构与组成同等重要,而且结构甚至比组成还要复杂。与最简单的生命相比,人类设计出的最复杂的机器——电脑,就如同儿童玩具一般。。[详细]

 

  克里斯汀·德迪夫是比利时生物学家,上世纪50年代,他利用刚刚出现的细胞分级分离技术(通过超速离心来分离细胞成分),发现了溶酶体和过氧化物酶体,让人们对细胞内部结构有了更清楚的认识,极大推动了细胞生物学研究。因为这一发现,他获得了1974年诺贝尔生理学或医学奖。后来,随着研究的深入,德迪夫的兴趣逐渐转向细胞起源。本文就是关于他在亚细胞结构起源上的一些研究和发现。

    本文刊登于1996年第4期《科学美国人》

   大约37亿年以前,第一种生命体出现在地球上。它们是一些微小的单细胞生物,和现在的细菌没有太大差别。由于单细胞生物中的原核生物具备出众的进化和适应能力,它们取得了极大的成功——不但进化出多个种类,而且几乎遍布世界每一个能够生存的角落。要不是一次生物进化的重大飞跃——地球上出现了一种不同类型的细胞,即拥有真正细胞核的真核细胞,或许我们的地球至今仍由原核生物主宰。如今,所有多细胞生命体都是由真核细胞组成的。真核细胞最有可能从原核细胞进化而来,但这个过程是怎样的? [详细]


疾病的根源


  1982年,当斯坦利·B·布鲁辛纳分离出朊病毒,并证实这种病毒完全由蛋白质组成,不含遗传物质却可以复制时,整个生物学界为之震惊,因为这完全颠覆了人们对病毒的看法。由于朊病毒与人类健康、家畜饲养关系密切,布鲁辛纳的发现不仅有助于防止家畜感染,可以为治疗克雅氏病及多种神经疾病提供重要线索,而且由于朊病毒的特殊性质,这一发现还对探索生命起源与生命本质产生了重大影响。因为这一重要发现,布鲁辛纳获得了1997年诺贝尔生理学或医学奖,本文就是他在朊病毒研究上的精华所在。

    本文刊登于1995年第1期《科学美国人》 [详细]


   在 上世纪七八十年代,布莱克本和格雷德就发现了端粒的存在,并确定了端粒酶的作用:帮助合成端粒,使端粒长度得以保持稳定。他们的研究解释了细胞分裂时,染色体如何完整地自我复制,以及染色体末端如何受到端粒保护,让人们可以更深入地理解细胞运行机制,揭开了人类衰老、癌症的奥秘,解决了生物学一个长期存在的重大问题,因而获得了2009年诺贝尔生理学或医学奖。本文所述,就是布莱克本和格雷德在这方面的研究和发现。

   本文刊登于1996年第2期《科学美国人》

  过去15年间,许多研究已经证实,一个名为端粒酶的蛋白在维持端粒(染色体末端的“帽子”)长度方面发挥着重要作用,而且一些科学家认为,人类癌症的发生、发展都与这个酶有关。当一个细胞多次发生基因突变,在这些突变的共同作用下,这个细胞的复制和迁移都不再受控制时,癌症就会出现。随着这个细胞及其后代无休止地增殖,它们会侵袭并损害周围组织。而后,一部分细胞与大部队分离,长途奔袭至它们原本不应该出现的机体部位,并在这里落地生根,产生新的肿瘤。[详细]


  麦克法兰·博奈特是澳大利亚病毒学家和免疫学家,他对免疫学有两个重大贡献:一是提出了获得性免疫耐受理论,认为在胚胎期给动物注射抗原,动物不能产生抗体而是对抗原获得了耐受性;二是提出了有关抗体生成的克隆选择学说,认为机体存在着大量不同种类的淋巴细胞,每种细胞可由遗传决定产生一种特异性抗体。当抗原侵入时,会刺激特定淋巴细胞活化和增殖,产生一群遗传相同、分泌同一种抗体的子代细胞。这两种理论革新了人们对免疫机制的看法,为现代免疫学奠定了基础,博奈特也因此获得了1960年诺贝尔生理学或医学奖。

    本文刊登于1951年第5期《科学美国人》

   病毒虽可以定义为微生物,但比大多数细菌要小得多。它们仅在宿主的活细胞中才能够繁殖。在自然界,病毒与宿主之间存在一种微妙平衡,但一些生物学事件或人为因素可以打破这种平衡,使主动权倾向某一方。一般来说,要控制一种病毒性疾病,其实就取决于人们是否知道如何保持这种平衡,怎样做就可能打破平衡。在朝着这个方向前进的过程中,两个重要的相关概念应运而生——亚临床感染与免疫。 [详细]


大脑内部 意识深处


   上世纪六七十年代,当生物医学的基础轮廓已经被清晰勾画出来之后,克里克认为是将兴趣转向神经科学,尤其是意识问题的时候了。他首次明确提出,可以用自然科学的办法解决意识问题。但他并没有走实验的道路,而是决定从理论研究入手。他不仅从自己熟悉的分子角度研究问题,还注重从心理学、神经解剖学以及神经生理学等各个水平来看问题,以期架起连通各个领域的桥梁。本文就是克里克在意识问题上的一些见解。

    本文刊登于1992年第9期《科学美国人》

  一些心理学家觉得,任何令人满意的意识理论都必须能解释尽可能多的问题。而在我们看来,从最容易产生的那些意识层面入手,可能是更明智的做法。我们选择的是视觉系统。我们是这样推测的:当我们清楚看见某个物体时,必然有某些神经元在积极放电,它们的活动代表了我们所见到的东西。[详细]


   埃里克·R·坎德尔获得2000年诺贝尔生理学或医学奖的原因,是他发现了改变突触效能的方法,并弄清楚了其中的分子机制。这一发现对于理解大脑的运作机制、神经和生理疾病的发生有着重大意义,对于新型药物的研制也有极大的推动作用。而坎德尔的这一重大发现,就是从本文中的海兔开始的。

    本文刊登于1970年第7期《科学美国人》

  在对单个神经细胞以及与之相连的那些细胞的研究上,神经科学家的认识在不断加深,技术也在不断进步,这让他们产生了新的想法:利用这些技术,全面研究动物行为以及学习对行为的影响。螯虾、水蛭、蜗牛以及各种昆虫引起了神经科学家的兴趣,因为这些无脊椎动物有一个巨大的优势:它们的神经系统组成简单,仅由10 000~100 000个神经细胞组成(高等动物的神经细胞数以万亿计)。在这些动物中,从单个神经细胞着手,科学家不仅可以追踪研究感觉信号如何进入神经系统,行为反应又如何产生的,甚至还能弄清楚在一次行为反应中,所有生理事件的发生顺序。[详细]


  1950年之前,人们一直不知道神经是如何支配肌肉,使之做出动作的,而伯纳德·卡茨的介入,彻底改变了这个局面。通过研究发现,不论身体在运动还是休息,神经元都会不断地随机释放乙酰胆碱,而且这种物质的释放量绝不会低于一定数额,总是这个数额的整数倍。由于这一发现,他获得了1970年诺贝尔生理学或医学奖。在研究神经传导的生物化学机制的同时,伯纳德·卡茨也在研究电化学机制,本文就是他对这一机制的详细阐述。卡茨对神经传导机制的阐明,使神经生物学迈上一个新的台阶。

    本文刊登于1952年第11期《科学美国人》

   中继站是通信工程的常用设备,而神经纤维实质上就相当于一系列中继站,所以很多顶尖神经生物学家都认为,从通信工程师的角度研究和分析神经纤维的特性可能大有益处。神经纤维上的每一个节点收到上游节点传来的电信号后,都会放大信号强度,以便把信号传到下一个节点。作为一条通信线缆,神经纤维可能有诸多缺陷,但它也有特别之处:整个信号传输线路上,每个位置都有自动中继功能。在电信号强度开始衰减时,它可以就地刺激神经纤维,促使受刺激位点释放能量,恢复信号强度。在神经纤维的一个位点上,细胞膜内外两侧的电位差可以激发前方位点,使之大幅放大电信号,让电信号能够继续向前传播,激活下一个区域。 [详细]


动物世界


   丁伯根是荷兰动物行为学家与鸟类学家,他对动物行为学的贡献主要解决了4个重要问题:引起某个反应的刺激因素是什么,这个反应如何在学习过程中修正?行为如何随年龄增长而变化,哪些早期经验对行为表现是必需的? 行为如何影响动物的生存和繁殖机会?动物的行为是如何演化的?这些问题被认为是现代动物行为学、社会生物学以及人类学的基石。这篇文章是丁伯根对第三个问题的部分解答。

    本文刊登于1954年第11期《科学美国人》

  与进食、逃避天敌等具有明确动机的行为相反,动物的求偶姿态让人完全摸不着头脑,因为一眼看去,你不仅很难看出是什么原因让它们做出这些姿势,甚至连这些姿势有何作用也不知道。我们推测,雄性的自我展示和表演是为了刺激雌性,让后者配合性行为,但即使是这一基本假设,仍然有待证明。为什么雌性必须要由复杂而精细的行为来刺激?雄性的展示表演中,又包括哪些要素?我们的研究表明,求偶仪式不仅可以向对方传达性意图,还可以抑制对方攻击或逃跑的冲动。[详细]


   上世纪三四十年代,洛伦茨发现“铭记现象”,并提出了动物行为模式理论,认为大多数动物在生命的开始阶段,都无须强化而本能地形成一种行为模式,且这种模式一旦形成就极难改变。这一理论后来成为 “狼孩”研究中最站得住脚的答案之一。如今我们常听到的“母婴同室”、“早期教育”等观点就源于这一理论。因为这些研究,洛伦茨在1973年与丁伯根共享了当年的诺贝尔生理学或医学奖。这篇文章是洛伦茨在动物行为模式上的部分研究。

    本文刊登于1958年第12期《科学美国人》

  很早以前,动物学家就在使用比较研究法了。现在,动物行为学专业的学生也开始学动物学家,提出一些很有深度的问题了。我们都知道,动物间的行为可以有多么大的差别,尤其是受到学习过程的影响之后。但是,在千差万别的个体行为中,有没有可能存在一种可遗传的内在行为架构,使得某一物种、某一种属或更大分类群体的所有成员,都具有某种特征性的行为模式,就像原始祖先的骨架赋予了现今所有哺乳动物一个相同的结构特征一样?[详细]


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