为什么“吃掉自己”的细胞会获得诺贝尔奖？
诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大隅良典，以表彰其在自噬机制研究方面的成就。诺贝尔物理学奖授予大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。诺贝尔化学奖授予让·皮埃尔·索维奇、弗雷泽·斯托达特和伯纳德·费林加，以表彰他们在设计和合成分子机器方面的贡献。
为什么大奖会颁给这些科学家？他们的研究成果有什么意义？中国在这些领域的研究处于什么样的地位和水平？
细胞“吃掉自己”来拯救自己。
虽然在生命科学领域相对落后，但在细胞自噬的具体方向上，中国科学家处于领先地位。
“自噬”字面意思是“吃掉自己”，但实际上是细胞自身成分降解和循环的一个基本过程。一般来说，细胞可以通过降解其非必需成分来提供营养和能量，也可以降解一些有毒成分来防止细胞损伤和凋亡。南加州大学医学院的分子微生物学和免疫学专家梁承宇博士将其比作细胞的一种“自我拯救”。
梁承宇说，从广义上讲，自噬机制更像是巨大的细胞内运输机制的一部分。自噬机制就像是细胞自净和自动环保的运输线。它将细胞内的代谢废物和一些过期无用或受损的细胞部分放入其独特的运输工具——自噬体中，然后沿着特定的路线送到“垃圾处理厂”——溶酶体中进行回收和废物再利用。
自噬机制还可以在细胞能量不足时打开应急运输通道供应能量。因此，自噬机制是庞大的细胞内运输网络系统中非常重要的一部分。“它对于维持细胞的基本生存需求和平衡是不可或缺的，”梁承宇说。
“自噬”的概念是在20世纪60年代提出的。当时研究人员发现了细胞降解自身成分的现象，但相关机制一直不为人知。
20世纪90年代初，日本科学家大隅良典(yoshinori ohsumi)通过对普通酵母的一系列实验，发现了对自噬机制起决定性作用的基因。基于这项研究，他随后阐明了自噬机制的原理，并证明了人类细胞也有同样的自噬机制。
评选委员会在当天发布的新闻稿中指出，大隅良典的研究成果将有助于人类更好地理解细胞如何实现自身的循环利用。在许多生理过程中，如适应饥饿或应对感染，自噬机制具有重要意义，大隅良典的发现为理解这些意义开辟了道路。此外，自噬基因的突变会引起疾病，因此干扰自噬可用于治疗癌症和神经系统疾病。
作为中国多细胞生物自噬机制及调控机制研究专家，中科院生物物理研究所研究员张虹与大隅良典进行了深入的学术交流。在张虹看来，尽管中国在生命科学领域仍处于相对落后的地位，但中国科学家在细胞自噬的具体方向上处于领先地位。“自噬是国际上生命科学领域的研究热点，中国有很多团队参与其中。中科院动物所陈标教授、清华大学陈教授、北京大学医学部朱卫国教授团队，有多项原创性成果。”张虹说。
清华大学教授李煜于2008年回国任教，对中国近年来在生命科学领域取得的进步深有感触。“如果把自噬研究比作一座建筑，那么中国的科学家们已经给这座建筑加了新的一层。”
“对自噬的研究才刚刚开始，”张虹说。中国的科学家有能力在这个领域做出更大的贡献。
将拓扑学的概念引入物理学研究
在理论预言的基础上，中国科学家首次向世界展示了TaAs中费米子的行为。
评选委员会表示，大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨将拓扑概念应用于物理学研究是他们取得成就的关键。
对于很多人来说，“拓扑相变和拓扑相”是一个令人望而生畏的深奥理论。
拓扑学本身是一个数学概念，描述的是几何在连续弹性变形(无撕裂或截断)下能保持不变的性质。“比如一块面团无论怎么揉，其外表面的孔数都是0。如果撕了再粘，就可以做成百吉饼，百吉饼的外表面有1个孔。这个洞的数目是面团或百吉饼在连续弹性变形下保持不变的量，是区分两种几何形状的拓扑不变量，即拓扑数。”中科院物理所研究员翁宏明说。
不同形式的物质被称为不同的“阶段”或物质状态。相变，即物质“变脸”的过程，即从一个相变为另一个相的过程。比如水随着温度的变化在固、液、气之间的转化，其实就是一个相变的过程。相变过程通常伴随着材料性能和性质的变化。物质的“拓扑性质”发生了变化，称为“拓扑相变”。拓扑相变伴随着拓扑数的变化。
但是，如果物质变得极其稀薄，物质的相还存在吗？评选委员会称，平面内的物理现象与我们周围的世界完全不同。即使是分布非常稀疏的物质，也包含了数百万个原子，每个原子的行为都可以用量子物理来解释，但许多原子结合在一起时会表现出完全不同的性质。三位获奖者的研究成果揭示了拓扑性质对物质量子态和量子相变的决定性影响。
科斯特利茨和索利斯关注的是平面世界中的“奇怪现象”。与通常描述的三维世界相比，他们发现一个非常薄的层的表面或内部可以认为是二维的，其中一个叫做“从超流体到正常流体的相变”，主要决定因素与人们以前的认识完全不同。霍尔丹发现拓扑概念可以用来解释某些材料中小磁链的特性。他发现不同的原子磁性使得这些链呈现出完全不同的性质。霍尔丹在量子霍尔效应方面也做了很多开创性的工作。
正如英国皇家科学瑞典学院所说，今年获奖的研究成果开启了一个未知的世界。由于这三位获奖者的开创性研究，科学家现在可以继续探索物质的新相变。研究人员认为，拓扑材料将在未来的电子、超导体和量子计算机的研发中得到应用。
在拓扑研究领域，中国科学家也做了很多值得称道的工作，有些研究还处于国际拓扑研究的前沿。
翁宏明介绍，早在2009年，中科院物理所的、戴与我国科学家合作，从理论上预测了Bi2Se3族拓扑绝缘体材料，这是目前研究最广泛的。2014年底，中科院物理所、戴、翁宏明研究组从理论上预言TaAs晶体是无磁性的异质半金属。在他们的推动下，2015年，中科院物理所陈根福团队制备了高质量的样品，丁洪和前田团队利用上海光源“梦线”观测到了TaAs中的费米子行为，这是这类特殊电子首次被呈现在世人面前。Waier半金属是拓扑半金属的一个重要研究方向。这项研究成果被英国物理学会主办的《物理世界》评为“2015年度十大突破之一”，被美国物理学会《物理学》评为“2015年度八大亮点”。