科学界的终极荣耀是在哪里炼成的？
22位诺贝尔奖得主，87个见证诺奖诞生的实验室空间。最前沿的科学研究领域，最突破常理的研究方法，跨领域的理论运用为你打开科学求知之门；模拟空间站、地底实验室、全自动机械辅助实验、全世界最先进显微镜刷新你对实验室的固有认知；从办公室到实验室，从科研场地到生活场景，全方位了解诺奖得主的思想和生活。
又见面啦我是美璟设计师姚琪说起来
毕业这么多年还是忘不掉学生时代
被实验室支配的恐惧不过观察大佬
怎么做实验揣摩他的想法和思路旁观
它们怎么解决具体问题一直都是
实验室里不但有意思还很能涨姿势的
事儿今天呢我们的行程就跟实验室和
学术有非常密切的关系姚琪将带你
去到二十二位获得诺贝尔奖的大佬
实验室去看看他们的实验室是不是如
我们想象的那么非同一般我们进入
实验室的顺序也按照不同奖项对应
的学科分开你会发现这些实验室里
有非常多的亚洲面孔和中国元素
学术大佬们醉心科研但也兼顾生活
科研外他们喜欢的活动有的阳春白雪
也有的非常接地气我们将进到模拟
空间站也会深入地下两公里游览位于
地底的神奇实验室诶眼前这位头发花
白认认真真做实验的是暂且叫他奇异
博士吧哈哈我们的诺奖实验室游学
之旅开始喽
大佬果然是大佬这一上来就搞了个
大飞机哈哈他是二零零七年的诺贝尔
生理学或医学奖得主Oliver
Smithies和另外两位教授共
同发明了基因打靶技术可以按需求修
饰改变基因功能也就是说可以做到基
因的哪里坏了点哪里非常厉害那为什
么会出现一架飞机呢因为Olive
r Smithies本身是飞行
爱好者飞行时的经历经常会引起他的
思考在他分享观点时经常用科学就像
飞行这句话开头他认为科学研究和
飞行一样都需要克服对未知的恐惧
勇敢尝试才能发现新大陆飞行是
怎么引起他的思考呢姚琪就要讲故事
啦说有一次Oliver Smit
hies驾驶滑翔机到达一个高度后
关闭了发动机这时候如果他跟着鹰的
轨迹飞就会获得鹰找到的推力不再需
要自己去寻找了但在科学研究上他显
然选择了不去跟随鹰而是走出自己的
路这才让他有了生理学或医学领域里
的独特发现听完故事赶紧走进大佬的
实验室吧
薛定谔的猫巴普洛夫的狗斯金纳的
鸽子托尔曼的老鼠有这么押韵的学术
顺口溜足见各位科学巨人对小动物的
感情这是Oliver Smith
ies的小鼠实验室有恐鼠症的朋友
适当把屏幕挡一挡哈是不是看到了四
个透明狭长的盒子那是实验室小鼠
跑步机可以让小鼠进行跑步训练也
可以设计实验监控数据他现在正在
给小老鼠们量血压用胶布固定它们的
尾巴血压数据就直接显示在了电脑
屏幕上它们可是Oliver Sm
ithies的宝贝高血压和动脉粥
样硬化模型在它们的基因里啊已经敲
除过代表高血压和动脉粥样硬化的
部分如果它们的血压正常呢就说明对
这种疾病的基因打靶成功了现在的
癌症靶向药就是按照这个思路走的
产物想来人类彻底不被癌症困扰也
只是时间问题啦
你知道吗Oliver Smith
ies除了基因打靶他著名的
观点还有一个肾脏凝胶渗透假说现在
屏幕上现实的就是透射电镜下的肾脏
组织在这个假说之前学术界对肾功能
的解释是先粗滤后细滤但这种说法
解释不了为什么肾小球不阻塞Oli
ver Smithies在实验室
进行了大量的实验和计算发现蛋白质
通过肾小球基底膜时用的方式是扩散
并不是流动这种特性正好可以用于
分离鉴定和纯化DNA片段它的应用
可就厉害了在这个假说的基础上Ol
iver Smithies发明了
凝胶电泳技术现在已经是全世界实验室
处理DNA片段的标准做法啦后面
介绍的大佬实验室都在用
虽然现代科学基本是跳跃式发展的找
不到什么规律但这不影响诺贝尔奖颁
奖的规律性毕竟研究成果都要早于奖
项二零零七年的奖项关于基因而二零
零八年的生理学或医学奖正好相关逆
转录病毒奖赏发现艾滋病病毒的Fr
ançoise Barré-Si
noussi她让艾滋病从死刑变成
了一种可管理的慢性病看到远处的埃
菲尔铁塔你就知道我们正在法国巴黎
这里是大名鼎鼎的巴斯德研究所巴尔
西诺西和她的伙伴日常会在这里进行
HIV研究他们并不满足于研制出艾
滋病的治疗药物未来的研究方向集中
在抗艾滋疫苗上不过巴尔西诺西的活
动范围已经不仅仅是研究所了和艾滋
患者的一次次接触让他成为了名副其
实的科学社会活动家她觉得研究应该
为了全人类的利益进行而不仅仅是为
了科学现在让我们走进巴斯德研究所
看着这里的研究员们防护服防护
帽一应俱全是不是有点想起去年年初
的抗疫行动啦这是巴尔西诺西小组的
安全实验室研究员们日复一日的和H
IV病毒打交道安全防护工作是一
定要做到位的艾滋病的感染有母婴
传播这种让人心碎的途径如果母亲
感染了艾滋病病毒那么出生的宝宝
大概率会直接患有艾滋而巴尔西诺西
小组通过研究得出了一个结论母体
胎盘是一个非常有效的屏障如果在
孕期进行人工干预是能有效降低
艾滋病母婴传播概率的比如现在的
医院的做法是孕期药物干预剖腹生产
合理哺乳而怎么从根源上切断感染
仍然是实验室目前的研究课题巴尔西
诺西也会为研究员们提供思路有些
猴子感染了HIV病毒但并
不会患上艾滋病呢如果能破解这个
秘密艾滋那还不是小菜一碟吗想来
这实验室的培养皿也是承载了全世界
的希望吧
这是巴斯德研究所的WB实验室那么
什么是WB呢姚琪要科普检测HIV
感染的方法了国内医院的艾滋初步
筛选一般用酶联免疫实验而WB实验
用于确诊要知道HIV也是有变种的
这种方法的抗体特异性较高所以用它
确诊更精确看到实验台上的电泳仪
了吗它就是WB法的第一步工具电泳
分离出HIV蛋白加入病人血清孵育
用抗人球蛋白酶标抗体染色就能测出
针对不同结构蛋白的抗体并且实验室
不但关注HIV各种型号病毒的复制
机制还研究病毒诱导的各种慢性炎症
力求在不同的症状最开始出现的时候
就能简单确认是哪一种型号的HIV
病毒
把病毒关进冰箱科学家们可是进行
过长时间实验的而在巴尔西诺西的
细胞检测实验室可要反着来了你可以
看到把HIV病毒从冰箱里拿出来做
实验的全步骤这个实验室的研究员们
是真正地和HIV病毒生活在了一起
你看电脑屏幕显示了正在监控的目标
细胞通过细胞计数就可以明确HIV
病毒在患者体内发展到了哪个阶段了
然后再针对不同阶段进行治疗
被监控的细胞还有一个学名CD
four当它的数量下降到某一
标准就会出现各种机会性感染这个
指标提醒感染者必须要针对性吃药了
这种研究方法除了适用于艾滋病还
可以用在其他病理研究上巴尔西诺西
表示实验室还参与了一个名为粘液病
患者的队列研究
又是一个显微镜当家做主的房间作为
生物学必不可少的仪器它们可是为
各种假说和结论提供生物学依据的
好帮手现在Blackburn
旁边的屏幕上显示的就是单细胞生物
四膜虫的基因组荧光的部分是根据
研究需要提前做好的荧光标记并且
Blackburn关于端粒的而研究
完全离不开单细胞的四膜虫细胞分裂
复制DNA可是会磨损的和鞋带尖端
磨损很像分裂次数越多磨损就越厉害
端粒会变得越来越短与之对应的就是
细胞衰老所以端粒长度是可以直接
反映人体细胞衰老程度的诶姚琪好像
找到了延缓衰老的秘密了保证端粒
不变短不就行了吗
在二零零九年诺贝尔生理或医学奖颁
发给了发现端粒和端粒酶对DNA
保护机制的三位生物学家这里是
获奖者Elizabeth
Blackburn的兰花实验室
摆放着密集的试剂瓶试管架和各种
仪器Blackburn对端粒和D
NA做了生动的比喻DN
A像是鞋带端粒就是防止携带磨损的
尖端部分而端粒酶是制造端粒的酶
你以为实验室成员只是醉心学术他们
全都很会玩除了一本正经的研究还有
一些可以提名搞笑诺贝尔奖的课题
看到实验室白大褂了吗他们就
研究过为什么大家在实验室要穿它
结果显示应付突击检查占比高达
百分之四十其余理由也是五花八门
比如说觉得实验室冷隐藏自己和前
一天穿的相同的衣服等等姚琪
也入乡随俗开展一个座椅高度与腿长
关系的研究
兰花实验室最厉害的部分要
来咯这个黄色的大家伙是一个单臂
机器人通过远程控制就可以完成预先
设计好的实验现代技术让生物学
研究变得更加方便生物学也能更好
地改变世界这不
Blackburn通过研究发现
很多随着衰老容易出现的疾病包括
癌症都与端粒缩短有关而像是
肺纤维化心血管疾病骨关节炎
骨质疏松症糖尿病等在DNA的端粒
缩短时患上疾病的风险也会增加而
阻止我们的端粒缩短是可以控制的
长期的生活压力和暴露性创伤都和
端粒缩短有关如果你容易悲观和
产生敌意就要特别留意哦通过学习
运动给自己减压会是非常有效的对抗
端粒缩短的手段
门口的放射性标志让姚琪生理性地
向后退三米不过别慌放射性标记
是实验室常用的实验手段
Blackburn在这里对DN
A进行标记再在凝胶电泳上分离产物
拼凑DNA末端序列通过这种方式她
绘制出了世界上第一张完整的DNA
序列图谱大多数科学发现都会用来
攻克医学难题在发现端粒端粒酶对D
NA的保护机制后科学家们就把它
用到了制服癌症上因为大家都知道
癌症细胞具有无限分裂的能力
也就是说它的端粒完全没有磨损
一直都好好地能够逃避衰老是因为它
的端粒酶活性很高那么对应地破坏
端粒酶当然能阻止癌细胞一直分裂
这个思路真的是非常妙了但是不
知道什么时候才能真正地实现它
多少年来生物学界一直在寻找免疫
应答的守门人二零一一年的生物和
医学奖获得者们把它变为了现实他们
发现了激活免疫系统的关键原理彻底
改变了大家对免疫系统的理解
BruceBeutler发现了
可以识别病原微生物并激活先天免疫
力的受体蛋白在办公室里他为我们解
释了为什么我们的免疫系统是一把双
刃剑原来我们的免疫系统有两道防线
在微生物入侵的时候第一道防线可以
直接破坏入侵的微生物并引发炎症
如果微生物突破了这一防御就会遭遇
第二道防线产生抗体杀伤细胞破坏受
感染的细胞并且第二道防线记性
非常好受到相同的微生物攻击时会
马上做出反应但如果激活第二道防线
的阈值太低就可能继发炎症性疾病
BruceBeutler是怎么发
现免疫应答的秘密的呢这就要提到他
发现激活先天免疫的受体蛋白这个过
程这种蛋白的发现离不开遗传测序
实验室他进行测序实验的年代因为
测序能力有限并且寻找基因的方法
比较原始而基因组间隔的大小至少为
五百六十万个碱基对基因组上的有些
区域也并不能被检测到所以
BruceBeutler的研究经
常停滞不前他本人也被认为完全不
知道在做什么实验室对他越来越
不耐烦在进行重复实验五年后
他和研究员们终于在服务器上发现了
TLR4基因也就是免疫应答
基因这个结论发表在科学杂志后得到
了非常广泛的关注实验室里经常用
嘲讽眼光看他的研究员也都对他竖起
了大拇指让Bruce Beutl
er越来越肯定坚持和重复的意义
实验室里有两台洗衣机别忘了这
可是实验室这两个大家伙其实是用来
分离提纯蛋白质的超速离心机这里是
设备和储藏室实验室的主要操作器械
和试剂药品都在这里等待研究员们
取用BruceBeutler正在
为我们详解免疫应答中的Toll样
受体一开始我们就说过免疫系统的两
道防线而Toll样受体是连接这两
道防线的桥梁它不是一个单独的名称
而是一个家族有TLR1、2、3、
4等等每一种能识别的
微生物类型都不相同就拿TLR4
来说它只识别革兰氏阴
性菌脂多糖只有在革兰氏阴性菌入侵
免疫系统时才会发生免疫反应现在B
ruceBeutler手中拿的就
是番红染料用于革兰氏阴性菌的染色
实验可以清晰地区分阴性菌和阳性菌
BruceBeutler用表现型
来反映免疫系统的对应基因在表现型
实验室研究员们用ENU诱导基因点
突变来观察小鼠发生什么变化就能
明确每个基因对应的是什么然后再把
免疫系统基因逐个细分做到对整个
系统的了解精确到点自然抛却各种
假说和随之而来的偏见把这个
过程说的简单一点就让小鼠的单个
基因发生改变然后去研究它患上了
什么病症多次试验详细记录建立详细
的数据库最后明确被诱变的基因和
疾病之间的关系这个ENU诱导点
突变的原理和咱们开头讲的基因
打靶很相似追踪突变是一个漫长的
过程既要耐心又要细心而现在随着
技术进步实验手段和设备更新换代
得到想要的实验结果已经越来越方便
了
欢迎来到Schekman的
细胞世界超级显微镜下的不同视角
是不是让你也感觉自己钻进了教科书
这是Schekman的研究对象
酵母细胞我们可以清晰的看到细胞的
内部结构你有看到一组巨大的细胞团
吗这是酵母细胞的生殖方式了出芽生
殖在母体细胞表面形成凸起直接长出
新细胞并且新的细胞表面可以不断再
生芽体直到它们和母体分离就是独立
的个体啦细胞的分子运输可以
类比这个过程当运输有缺陷时就没有
办法在细胞表面出芽需要传递的分子
全部堆积在细胞里就会形成拥堵就像
你眼前的这个里面全是白点的细胞
一样而本应接受这些分子的细胞因为
得不到原本应该的物资日积月累就
生病了这就是运输缺陷类疾病啦
现在我们看到的这个实验室有细胞
分选功能可以筛选出供我们观察的
细胞Schekman正在解释什么
是细胞的囊泡运输我们可以把细胞看
作一个小型的快递站细胞产生不同的
分子需要快递到另一个细胞它们就
需要一辆运输车囊泡闪亮登场当被
运输的分子抵达时囊泡会用蛋白质
外壳敲开目标细胞的门把需要运输的
分子传递到新的细胞emm姚琪好像
有点捡起中学生物的感觉了Sche
kman的研究成果正是基于这种
运输过程他发现有些细胞的运输并
不顺畅通过实验他证明了这种故障是
因为遗传缺陷并且解释了不同的基因
怎么调节各种不同的运输
相信看过这么多实验室大家已经
看出来了诺贝尔生理或医学奖基本都
是围绕细胞和基因展开的然后再把
研究结果用于解决重大疾病而在二零
一三年生理或医学的诺奖得主们让
大家更全面地认识了疾病他们发现了
细胞囊泡的运输机器比如我们熟知的
糖尿病病因就是囊泡运输缺陷这一年
的联合诺奖得主就有你眼前的这位
Randy Schekman
Schekman的办公室并不大
不过内容很丰富进门一副中式书法
特别亮眼上面写的膜蛋白质酵母菌学
全部都是Schekman研究的关
键词他身后的墙上你仔细看看是一张
篮球运动的扣篮照不过扣篮者当然不
是Schekman咯他会自嘲说
自己的体育声誉和科学声誉成反比
科研之余和加利福尼亚大学的学生们
进行一下篮球交流活动是他觉得非常
有意思的事儿
让我们走进Schekman的主
实验室吧这里已经不仅是研究员们
日常分析数据和实验的地方也是他们
生活的地方从很多小细节你都可以
发现Schekman和他的同事们
一定是非常有趣的人一位教授站在
窗框上这种行为在国内绝不可能发生
但Schekman完全没有教授
包袱直接大玩行为艺术你往他左边的
窗台看有两只小恐龙和小鸭子玩偶
实验室专用版长桌上还有五颜六色的
离心管串联成好看的彩链要是在里面
加上小灯泡就是一条彩色灯带了研究
员们说他们经常有一些非正式但非常
科学的挑战性研究课题赢得奖赏是
非常开心的事情大家就可以把囊泡
尺寸和形状等通通放下组织一场
Party一起享受美好时光
实验室应该是很多人心中代表科技
前沿的地方前有单臂机器人后有这里
的双光子荧光显微镜用于观察小鼠脑
内神经元它超高灵敏度的探测器能
记录组织深层最细微的内部结构对
小鼠的脑部进行深度成像方便通过
显示器观察这种显微镜光毒性小所以
同一只鼠可以用来做长时间观测对于
实验减少变量很有帮助May-Br
ittMoser和Edvard
Moser的研究是认知神经科学
的核心他们后续会尝试理解认知的
神经密码更好地解决医学难题到这里
呢六位生物学或医学诺奖得主的
实验室就走完啦接下来我们转个场
去到大型机械主题的解决物质属性的
学科物理学实验室
你有没有想过我们为什么要研究
小白鼠呢因为研究小白鼠就是研究
我们自己二零一四年的生物和医学
诺贝尔奖颁发给了John O'K
eefe May-Britt M
oser和Edvard Mose
r他们通过研究
小白鼠解决了一个世纪难题我们的
大脑怎样创建我们所见的空间的地图
我们又是怎样在复杂的环境中导航的
呢May-Britt Moser
和Edvard Moser夫妇
发现了大脑定位系统的网格细胞它们
在我们的大脑里产生坐标系并允许
精确定位和寻路现在
May-Britt Moser
手持的图像就是网格细胞的形状后面
的跳棋棋盘是他们的研究工具大鼠
经过六角形网格时激活内嗅皮层细胞
他们观察到了大鼠的脑内活动才有了
网格细胞的结论这些网格单元格共同
构成了允许空间导航的坐标系与
海马体中的位置细胞形成回路我们
的大脑就成了一个精确的GPS导航
装置啦
诶正对上一只戴着王冠的大鼠很像
皮克斯动画里的老鼠这个角度有点
可爱它头上的是神经元传感器内置
芯片会记录下活动时每一个内嗅
皮层的神经元活动这个四面都是挡板
的黑匣子就是实验大鼠的活动场地你
向天花板方向看红外摄影机会对大鼠
实时跟踪这些跟踪数据和它头顶
芯片里的神经元数据匹配就可以解释
大鼠在不同位置的脑内神经元活动了
这个实验解决了脑内GPS的位置和
大脑怎样完成定位的问题跟踪数据会
让我们看到非常直观的答案姚琪现在
准备换上实验服体验一下生物实验的
乐趣咳咳你可别说我只是想逗实验
对象玩啊
又见到老朋友咯这一整排笼子就是
大鼠们在实验室的家它们可爱又呆萌
已经是研究员的好伙伴了为什么
实验室这么偏爱鼠类呢当然不仅仅
因为可爱啦一方面控制成本
另一方面它们是哺乳动物和人类有
千丝万缕的血缘关系研究结果也可以
直接套用在人身上并且鼠类近亲繁殖
后代基因基本和父母一致还不会发生
病变给实验和研究大大提供了
方便不过在May-Britt M
oser和EdvardMoser
的实验室里最被看中的特点是脑子小
毕竟要研究大脑皮层它们聪明的小
脑袋反而为实验减少了变量现在就让
研究员抱起一只去到试验现场吧
好家伙这简直就是一家微型工厂嘛
这位自行车狂热爱好者是二零零一年
的诺贝尔物理学奖得主Wolfga
ng Ketterle他和另外
两位物理学家共同取得了碱性原子
稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚方面的
成就还对这种凝聚物做了基础性的
研究为物理学后续的研究提供了参考
你肯定要问了什么是玻色爱因斯坦
凝聚呢一九二五年爱因斯坦以玻色的
思想为基础预测某类原子的气体在
冷却到非常低的温度时原子会以最低
的能量状态聚集出现共同歌唱的状态
做个简单的类比气体原子就像是
幼儿园课间操场上的小朋友不受约束
想出现在哪儿都可以凝聚的过程
就是吹响集结号把小朋友集合起来这
就是玻色爱因斯坦凝聚的过程
这是Wolfgang
Ketterle的铷元素实验室铷
元素必须拥有姓名因为它是世界上第
一种玻色爱因斯坦凝聚成功的
金属元素不得不说实验室的重型机械
连着这么多的电线和导管实在是堪比
科幻大片如果能给这位头发花白的
大佬和对面的眼镜小伙换一身行头
再加上滤镜妥妥的未来感话说玻色
爱因斯坦凝聚能成功其实是爱因斯坦
本人也没有想到的当初他老人家预测
完这种可能性之后在论文结尾还
补了一句出现这种情况基本不可能
但在七十年以后物理学家们把它
变成了现实爱因斯坦大胆假设后人
小心求证这也算是一场穿越时空的
学术对话了吧
前方高能请戴好护目镜在Wolfg
angKetterle的分子实验
室这种场面很常见发出红光的机器是
实验室的激光冷却装置它利用激光和
原子的相互作用来减速原子运动获得
超低温原子这种技术早期被用在测量
原子参数上后来成为实现原子玻色
爱因斯坦凝聚的关键方法在物理
实验室里非常普遍Wolfgang
Ketterle会说物理定律并不
是永恒的人们在不断探索世界的时候
会不断修正他们的固有概念这是一条
无限近真理的道路就像他们在让
原子实现凝聚之前没有人会认为这种
只存在于书面上的猜想会成为现实
因为实验室的研究员经常接触高亮
光线他们配备了样式和颜色非常齐全
的护目镜看到那位红色格子衫的小哥
了吗在他的热情展示下姚琪数了数
种类竟有十三种之多Amazing
说回实验室的玻色爱因斯坦凝聚主题
吧现在实验室制备凝聚物的技术已经
非常成熟但因为存在重力作用让原子
一起唱歌的状态只能维持一秒钟
物理学家们为了让这种状态持续时间
久一些就把目光投向了外太空在国际
空间站的冷原子实验室里凝聚态时长
已经延长到十秒它很可能会在精密
测量和纳米技术等领域大放异彩诞生
拥有变态属性的新材料
你见过喜欢拍自己实验室的教授吗T
heodorHänsch就是在预
演实验室他解释说自己的记忆不可靠
所以需要通过拍照的方式记录下来诶
这位教授你的闪光灯晃到我了在接下
来的办公室里你将会看到很多他的实
验室行为艺术成果TheodorH
änsch的光学频率梳后来用于测
量莱曼原子氢在原本精确度的基础上
又提升了一个数量级在这些精密仪器
对面一条长桌摆满了各式各样的工具
还整整齐齐地码了两排工具箱The
odorHänsch可是实验室里
的手工达人经常自己上手得到第一手
数据所以这些工具啊器械啊已经在感
情上成为他的好伙伴了
在物理学领域里光一直是比较热门的
分类二零零五年的诺贝尔物理学奖就
奖赏了光学领域的突破Theodo
rHänsch开发了一种光学频率
梳它能以极高的精度测量每秒的光振
荡数相比之前光谱确定的光波长精确
数百万倍有了它我们就可以对光频率
进行更精密的测量你看到的这个金属
盒子就是光学频率梳的主体它的样子
平平无奇那么它是怎么进行测量的呢
原来频率梳类似于标尺确定特定的光
辐射频率后把它和非常清晰的梳状谱
线进行比较直到筛选出完全符合的频
率为止现在TheodorHäns
ch频率梳已经成为全球众多实验室
进行光频率测量的基础仪器
跟着姚琪走进TheodorHän
sch的办公室吧教授摄影师又闪亮
登场喽这场面倒像是他在采访我们在
这里除了照片他的藏书也非常丰富占
据了整整两面墙TheodorHä
nsch还给我们倒了一下时间线在
斯坦福时每个星期三晚上斯坦福线性
加速器中心都有Homebrew计
算机俱乐部会议比尔盖茨乔布斯等都
会到场虽然这是个业余组织但和他们
探讨想法是非常愉快的那段时间的经
历一直让他保持思考这也是他科研有
成的原因之一吧如果你对光物理有了
解就会知道把激光线叠加在恒星的光
谱线上根据多普勒效应就可以测量恒
星相对于观测者的速度而光学频率梳
让测量结果更加精确基本可以实现寻
找宇宙行星的功能物理学成果用于天
文领域学术也实现跨界啦
就算已经把学校学的知识都还给老师
了但一定忘不了宇宙大爆炸这个理论
二零零六年的物理学诺奖就和它有
千丝万缕的联系两位物理学家记录了
宇宙诞生的微弱回声证实了大爆炸
理论的基本预测这一发现连霍金都说
是世纪性发现George
Smoot是这一年获奖小组中的
一员在他的指导下COBE卫星上的
探测器实现了测量背景辐射中的微小
变化的功能在加利福尼亚研究所的
阳台GeorgeSmoot和
研究员们把地球仪当成手中的篮球来
表达他们对探寻宇宙奥秘的热爱
在GeorgeSmoot的办公室
里你会发现很多中国元素脸谱模型
国画和茶叶饼他本人经常造访中国
想必国内有不少他的迷弟迷妹从大
爆炸假说提出开始对宇宙的观测结果
就越来越能证明其正确性比如哈勃就
在一九二九年发现不管你往哪个方向
看地球远处的星系正急速远离而
近处的星系正在向我们靠近也就是说
宇宙正在膨胀而大爆炸说的就是这种
急速膨胀GeorgeSmoot说
大爆炸理论本身还有很多未解谜题等
待我们发掘并且物理学界也有证实它
完全错误的声音孰是孰非在时间长河
里成为一个个轮回不断吸引科学家们
去探索和挖掘这大概就是宇宙本身的
魅力吧接下来我们要去到和
GeorgeSmoot同年获奖的
JohnMather办公室
啦在那里可是能看到模拟空间站哦
GeorgeSmoot作为天体
物理学界的大佬学术成果当然不只
用于COBE卫星科学家们为了证实
大爆炸理论可是有三道保险除COB
E以外还有威尔金森微波各向异性
探测器和欧洲空间局在二零零九年
发射的普朗克卫星而普朗克卫星项目
也是GeorgeSmoot主持的
眼前这个头顶粉色球体的装置就是普
朗克卫星的模型虽然COBE巩固了
宇宙大爆炸理论但它不能回答所有的
问题科学家想了解更多宇宙起源
细节重任就落在了普朗克卫星肩上
从二零零九年升空其现在仍然接受着
来自外太空的辐射以十倍于COBE
的灵敏度和五十倍的角分辨率来探测
宇宙的奥秘此外它还发现了不少星簇
和隐藏在尘埃中的星系
GeorgeSmoot的实验室里
最酷的装置当然是他们引以为豪的
传感器啦就是你眼前的这个蓝色柱体
COBE卫星上的探测器正是依赖它
高灵敏度且不受污染的特性感知太空
中各个方向的背景辐射温度的微小
变化才让宇宙大爆炸理论有了依据
因为这些微小的变化正是大爆炸后释
放出的热量遗迹最开始人们认为
宇宙是光滑均匀的但通过传感器
数据GeorgeSmoot和他的
伯克利小组发现宇宙是各向异性的
也就是说它很多变可能是块状的
从空间站出来又进入了卫星工厂你
可能要问了为什么没有生物实验室的
药剂研究员们还是要穿戴齐全呢这
是因为要双向防护穿好防护服机械
就可以避免人体的汗液油渍进入机器
轴关节和电机利于维修和保养人体也
可以防灰尘防腐蚀一举两得看到
那个升降台了吗旁边就是John
Mather的专业领域啦太空
望远镜不过这里只是模拟器用于性能
测试你一定听说过哈勃望远镜吧
JohnMather现在的工作
就是研制比哈勃望远镜功能更强大的
韦伯望远镜帮助我们追踪更多的宇宙
奥秘去年它已经完成初步测试预计
今年将发射到预定轨道上去
韦伯望远镜长什么样呢在John
Mather的办公室里有一个等
比缩小模型它呢主要有两个部分蜂巢
状的主镜体和底座最下面的银色部分
是望远镜的遮罩足足有五层帮助
望远镜遮挡辐射保持低温工作当它们
完全伸展开的时候有网球场那么大呢
韦伯望远镜是美国国家航空航天局
欧洲和加拿大航天局的联合研发项目
美国国家航空航天局负责望远镜部分
而它升空时搭载的火箭是欧洲的阿
丽亚娜5号模型旁边的爱因斯坦很
有意思看来JohnMather
肯定是他的迷弟咯毕竟现代关于宇宙
的研究很多都是在证实他的猜想
欢迎来到模拟太空这是一个模拟
宇宙冷黑环境的实验室用来辅助
飞行器的功能研究JohnMath
er和GeorgeSmoot一样
是COBE的主要研究员COBE发
射后记录到的完美黑体光谱正是Jo
hnMather的实验方向他现在
正一边一边给我们介绍这些大家伙的
功能一边发表关于宇宙研究的愿景或
者说是故事说天文学家们做了最早的
宇宙探测他们为我们打开了认识外太
空的窗口后来我们有了越来越强大的
望远镜做距离测量发现我们所在的
太阳系只是银河的一部分而银河之外
还有无穷大我们通过制造工具寻找
宇宙起源也寻找我们的邻居这本身就
是非常疯狂的事情
这个实验室用来研究韦伯望远镜的
摄影微快门阵列John
Mather现在和助手就在讨论
相关内容手上的绿色电路板是
控制系统的一环什么是微快门阵列
呢它是一个微型机械快门系统在韦
伯望远镜上它控制光线到达传感器的
方式因为韦伯望远镜的探测目标非常
遥远在拍摄时需要有选择地挡住
一些明亮物体才能清晰成像类似于
我们在看不清时眯起眼睛一样整个
系统的每个单元都可以单独打开或者
关闭有选择地阻挡天空的某些区域
这样我们得到的就不仅仅是好看的
宇宙图片而是有选择的太空美景
在美璟世界有不少关于世界各地最美
天文台的讲述但是天文台废墟恐怕
仅此一座跟随BrianSchmi
dt的脚步走来这里听他讲天文台的
故事就足以明白他对天文台的感情现
在我们仍然能清晰地辨别这座废墟里
的望远镜主体非常完美在它的年代里
曾经为我们贡献了极为重要的天文
历史数据现在在新南威尔士州的赛丁
泉天文台BrianSchmidt
领导建造了一个全新的超级望远镜
skymapper它将自动创建
整个南部天空的第一个全面的数字化
勘测详尽记录超过十亿颗恒星和星系
数据从远古时期的人工观测记录到
skymapper的自动化技术
我们走了十几个世纪科技进步不但
解放双手同样解放双眼就不要太
过忧伤怀古啦
BrianSchmidt是最爱
跑路教授实锤了走完天文台有来到他
自己的葡萄园里虽然现在看起来
光秃秃但到了葡萄成熟的季节这里
的场景肯定让人羡慕谁不想体验坐拥
一座山的太幸福呢至于为什么要把
葡萄园纳入实验室行程因为它和
BrianSchmidt的科研
息息相关科研工作越来越忙给大脑
清内存就变得很重要酿造葡萄酒会
让他忘记宇宙忘记超新星不过很有
意思的是他感觉酿造葡萄酒和星空
研究有类似的地方它同样是一种
实验从修剪采摘到压碎装桶再到发酵
任何一个环节的细小差距都会让葡萄
酒的味道不同并且他每年花在葡萄
园里的时间都有好几千个小时所以
在他看来这些葡萄藤串联起来的不是
葡萄而是星星
提到宇宙大爆炸怎么能不详述一下
宇宙膨胀呢二零一一年的诺贝尔
物理学奖就颁发给了观测超新星而
发现宇宙膨胀加速的Brian
Schmidt等三位物理学家走进
BrianSchmidt的办公室
你能在书架上发现很多奖杯和证书有
趣的是就连他的办公桌上都有做成诺
贝尔奖牌形状的小零食他身后的窗台
上你能看到一本封面是银河系的星系
图形因为虽然是研究天体也不能时时
刻刻使用望远镜这本图集就扮演了
辅助工具的角色当初Brian
Schmidt的小组得到了宇宙加
速膨胀的观测结果并不是非常肯定
因为这和当时宇宙膨胀是均匀或减速
的预测相悖直到大洋彼岸的
加利福尼亚大学伯克利分校传来了
相同的结论他才肯定了自己是对的
来自同行的肯定感觉棒极了
我们好像是误入了一家有色玻璃
生产厂别误会这些不同颜色的
玻璃其实是大型滤光片用于观测
特定的光波段因为Brian
Schmidt小组的观测对象是
超新星它们都是恒星爆炸演化来的
所以亮度非常亮只有使用不同颜色
过滤星光才能得到精确的结果这个
实验室不只进行科研还承担着天文
望远镜滤光玻璃的生产工作因为从
复合光中分离出某一波段单色光的
滤光片要求非常高通过不断测试生产
出合适颜色的玻璃也只有权威的
实验室才能做到这算是实验室创收的
教科书了下一年的经费完全不愁
已经说到这个份儿上怎么能不去
看看天文望远镜呢走出实验室我们要
向天文台进发咯
看到显示屏上奇奇怪怪的图案了吗
SergeHaroche和研究员
们在这里进行量子模拟捕获对象是
圆形里德堡原子这种原子不但寿命
长对微波自发辐射有抑制并且遇到
碰撞和光电离灵敏度很低在对捕获
对象做了这样的控制后进行量子模拟
建立的模型系统参数就可以实现控制
目的了不过仔细观察实验室的计算机
和我们日常使用的可不是同一种
它的运算方式遵循量子力学规律有
一套特殊的逻辑系统它模拟量子现象
规则让运算时间大幅度减少是量子
物理的实验室的对口机器
物理学永远绕不开薛定谔在二零
一二年获奖者追随薛定锷直言自己的
研究是为了拥有更大的猫当涉及到
我们宇宙的最小组成部分时世界的
运作方式就不再常规要说物理学
最前沿也最热门的研究领域当然非
量子物理莫属但在这个领域有很长
一段时间量子现象只能在理论上进行
研究而二零一二年的诺贝尔物理学
获奖者因开创性的实验方法能够测量
和操纵单个量子系统让量子物理不再
停留在理论上这一年的获奖者有两位
他们采用的实验手段不同不过
殊途同归你现在看到的是
Serge Haroche他设计
了一种可以捕获光子的装置让原子
穿过这个装置就可以开展光子研究了
实验室不只有合作伙伴还有友谊
SergeHaroche左面的是
Jean-MichelRaimo
nd两人已经共同工作了四十多年
长久的友谊本就难得能一起做出科学
成就简直幸运实验室里这种超长待机
的感情慕了慕了这是用来研究原子
晶片的实验室顾名思义就是用捕捉
到的原子来制造晶片实验台上这个
多头仪器是低温恒温器用于控制捕捉
光子时的温度年轻的研究员们是这个
实验室的主力绕不开薛定谔的不只有
SergeHaroche同样还有
年轻的他们至少在研制成功前他们的
工作时长也是薛定谔的
诶注意看SergeHaroche
手上的镜子这就是捕获光子的神器
怎么回事儿呢前面说到了让原子通过
装置去捕获电子这个装置可以是一个
空腔也可以是几面反射镜镜子构成
电子陷阱它们经过装置时在反射镜
之间来回反弹所以整个装置其实
是一个震荡的空间这种镜子表面涂着
特殊的涂层所以电子可以在空间里
反射多次在电子消失之前它在整个
装置中的行进距离可以高达四百公里
这也给了Haroche的小组
必要的时间让光子与里德堡原子
相互作用并且测量它们这个过程
听起来是不是有点熟悉它运用的
正是最基础的物理原理光的反射
因为科学家们对原子的研究已经非常
到位现代粒子物理学的研究就集中在
了比原子小的亚原子粒子上这里我们
就要说到一种隐形粒子中微子啦
物理学界关于它的预言流传了
二十年二零一三年才在南极冰下捕获
到它我们对面的这位戴护目镜的
白胡子老先生是二零一五年的诺贝尔
物理学奖获得者Arthur
McDonald他和日本的高木
加田发现了中微子振荡也就是证明了
中微子具有质量改变了此前科学界
认为中微子没有质量的看法你现在
看到的实验室和之前的实验室可是很
不一样它在距离地表两公里深的
地下和一家镍矿共同运营全部采用
高清洁度的管理整个实验室合起来有
一个购物中心那么大研究员们的日常
研究就是在地下进行的
地下洞穴一样的实验室真是让姚琪
大开眼界抬头向上看特定的入口
只能允许一人通过并且想要进到这里
是需要坐一个特殊的秋千下降的这个
表面布满光电倍增管和辐射屏蔽的
圆球型容器里面是液氩它们共同构成
一个探测器用来进行中微子的搜索
实验它的头顶是厚重的岩石可以隔绝
其他顽皮粒子混进来捣乱所以中微子
实验室选在地下反而是最好的观测
地点这个探测器已经成型只有在需要
检修和清洁的时候研究员们才会降
落到这里大部分时间他们会在上层
一点的实验室进行数据观测
看一眼窗外嘿嘿我们回到地面了这是
刚刚我们去到的地下实验室的地表
控制室这里没有精密复杂的仪器但却
实时监控着地下实验室的一举一动
地下洞穴里球形探测器的探测结果会
以全景图片的形式显示在这里的电脑
上研究员们再把得到的数据整理记录
分析不可思议的研究成果就来源于
日常资料现在整个实验室的研究方向
是中微子双β衰变的假想过程如果
研究顺利它将是中微子物理学史上
的又一个重磅炸弹只要知道衰变率就
可以直接测量中微子的质量这会是
一个非常神奇的测量手段
这个实验室离探测器洞穴不远它们
拥有同款不平整墙壁压力表传感器
液氩容器和复杂的电路把这里装点得
和普通物理实验室没什么不同
为什么要研究中微子呢因为它是一种
特殊的中心粒子不受电磁力的影响
受到的重力作用也非常轻微如果它能
用于通信就不受星际空间规则的影响
对比光子会被尘埃或辐射遮盖简直
不要太方便并且现在天体
物理学界把中微子当成暗物质的候选
者如果揭开它的神秘面纱就能更全面
地认识宇宙像宇宙生命体的来源这类
让人着迷的课题也就会有新的答案
前方再次高能我们进入到了
DonnaStrickland的
超激光实验室这耀眼的激光束特别有
未来感不戴护目镜的话会感觉有点
晃眼肉眼可见的单色光束根根分明在
研究员们眼里这就是一场分子电影
无数个分子在我们眼前欢笑和舞蹈
DonnaStrickland会
在这里制造更短更强的激光一开始她
使用纤维来拉伸脉冲后来它被实验室
里最普通的光栅代替没想到脉冲强度
从纳焦耳放大到焦耳能级每脉冲的
能量增加了九个数量级通过光栅和
棱镜在最后的阶段还需要放大器
超强激光就可以完成啦
仔细看这里的试验台满满都是透镜
棱镜光栅这是DonnaStric
kland的双色实验室利用非线性
光学理论展开研究研究结果可以应用
在医学成像高精度显微镜等领域
你现在看到的单束绿色激光仅
用来调整棱镜和光栅等仪器并不是
研究对象他们使用的激光并不在
可见光谱范围内在观察过程中研究员
会使用特殊的示波器通过观察把频率
移动到可见区域说的简单一点呢就是
处理不可见的激光束让它变成可见再
对它进行相应研究嘿他们日常使用的
激光护目镜还挺酷呢想要一个同款
跟着DonnaStricklan
d走上实验室屋顶在高视角下看一看
有着加拿大硅谷之称的滑铁卢市在
DonnaStrickland眼
里整个城市的气质都是学术的它本身
就像是一位穿格子衫戴眼镜的
学者非常适合搞科研Donna
Strickland说获得
诺贝尔奖之后她意外地发现她自己
经常处在舆论的风口比如科学和宗教
的平衡因为她自己是虔诚的基督徒
教堂是她寻找内心平静的地方但
历史上却充满了宗教和科学的争斗
再比如学术界提到她时会用类似
女性力量的词汇来描述但她更倾向
人们说她是科学家而不是女科学家
性别不应该成为一种特点伟大的研究
成果改变了每一个人的生活看来也会
把发明者本身包含在内呀静心研究
可能是最好的应对方法毕竟不正确的
舆论谁会Care呢
你玩过激光笔吗现在出现在我们眼前
的这位可是玩激光的大佬Donna
Strickland不过她玩的是
高强度激光器并且还把二零一八年的
物理学诺贝尔奖玩到手了因为她和她
的工作搭档找到了产生高强度超短光
脉冲的方法在她的办公室里光是获奖
证书就占了整整一面墙Donna
Strickland把他们
找到的方法简称CPA这项技术需要
先拉伸激光脉冲防止太强的脉冲破坏
放大器然后让放大后的脉冲变短得到
短而强的脉冲可以发出快速而有力的
打击你能想到的激光武器和视力矫正
飞秒手术就是它的成功应用并且在
工业加工和医学成像上它都必不可少
向JohnWalker右边看这些
插满管子的白色仪器是质谱分析仪
这间实验室就是专门用来做质谱分析
的话说JohnWalker在发现
三磷酸腺苷酶之后就打算搞清楚它的
分子结构这样不但能对酶本身有全面
的认识还能对它与其他物质的反应做
出预判而质谱分析仪是唯一可以确定
分子式的仪器离子源会让放入其中的
三磷酸腺苷酶在高真空条件下离子化
因为接受了较高的能量所以酶的不同
部分破碎成碎片他们通过仪器中的加
速电场进入质量分析仪确定每个碎片
对应的是什么这台质谱分析仪比普通的
医用质谱分析仪要精密得多它有
一整套逻辑严密的算法最后就确认出
如屏幕所示的结构啦诶站远一点看
是不是有点像世界名画戴珍珠耳环的
少女呢
前面我们游览了研究生命活动规律的
生物学实验室和研究物质世界规律的
物理实验室现在我们要走进探究物质
结构和性质的化学实验室了这里是
一九九七年获得诺贝尔物理学奖的
JohnWalker教授的X射线
晶体学实验室看到他身边的乐高模型
了吗那就是他曾经的研究对象三磷酸
腺苷酶的结构模型PaulBoye
r和JohnWalker共同阐明
了三磷酸腺苷合成的酶促机制这样J
ohnWalker找出的酶是其中
关键的一环通常我们提到X射线都是
在医院而在这个实验室里研究员们用
X射线来研究晶体中的原子排列他们
就是这样来确定三磷酸腺苷酶的结构
舒适的沙发优雅的壁炉John
Walker把这个像休息室
一样的地方变成了自己的办公室这个
空间在剑桥的苏塞克斯学院里整个
学院是苏塞克斯伯爵夫人捐资建造的
英国护国公克伦威尔就是学院的第
一届学生JohnWalker喜欢
在这里工作是因为这个偏僻的空间能
给他很彻底的孤独感觉这是一种他
非常珍视的放空状态如果是雨后
窗外的花香混合着泥土里放线菌的
味道感觉非常棒他通过这样的方式
放松再投入到新一轮的研究之中时会
效率更高emm显然他和Brian
Brian想到一块儿去了他还有
一句名言如果生活被科研填满那将
无异于无期徒刑
哟呵这个精密的微生物发酵罐比人还
要高JohnWalker的研究成
果是通过微生物实验得到的发酵罐必
不可少这里的操作往往需要巨大锤子
的帮助这些小家伙可是一点也不省心
呢有些微生物让我们胆战心惊而有些
微生物却是科研的好伙伴比如在这里
研究它们的结果就让JohnWal
ker惊喜大家通过研究得出三磷酸
腺苷酶可以看做是一种分子马达因为
它可以催化三磷酸腺苷酶的重复利用
它通过伽马亚基的旋转发挥分解功能
然后把自己水解掉水解释放的能量为
其它细胞的生命活动提供动能这个过
程是现在我们已知的所有生命体都在
利用的形式拿人体来说体内的三磷酸
腺苷只能维持零点三秒的剧烈运动
持续运动的能量补充就来自酶对它的
水解
化学是个很神奇的学科它可以用
物理方法来达到实验目的也可以和
生物学产生奇妙的交叉而近年的
诺贝尔化学奖因为和生物学结合比较
紧密获奖理由看起来非常像是生物学
奖就比如说二零零四年化学
诺贝尔奖的获奖理由是发现了泛素
介导的蛋白质降解这里的关键词是
泛素机体产生蛋白质在他们完成了
自己的使命后就会分解而泛素就是
掌控生杀大权的特殊蛋白质它会给
需要分解的蛋白质做上标记掌控机体
蛋白质的新陈代谢Aaron
Ciechanover是这一年的
获奖者之一在他的办公室里我们
能看到非常多不那么符合科学气质的
物件儿墙上挂满了抽象画汽车模型
各种摆件和CD占了办公室的
半壁江山这位在办公桌前装酷
的教授已经暴露了他是个大男孩儿
关于细胞研究这点事儿永远离不开
培养皿和显微镜所以实验室里当然
会设立一个单独的细胞培养基地用来
观察目标细胞里发生了什么并且这里
的组织文化就是培养皿精确到人事后
清洁不能让细胞主宰自己的命运我们
熟知的细胞分裂DNA修复和免疫都
有Aaron Ciechanov
er发现的泛素参与如果泛素出了问
题不能标记某些蛋白质让它分解机体
就会生病很多病变的病理就是泛素
没有尽职比如我们熟知的宫颈癌和囊
性纤维化都是如此而我们了解
泛素以后攻破这类疾病就容易多了
AaronCiechanover
干脆带我们走了出来非景区的海边
景色同样优美这里是海法本身就是
以色列最大的港口城市你现在看到的
海域是地中海AaronC
iechanover非常喜欢这里
但也不仅仅是因为它风光极佳这里
不远的白色建筑是拉帕波特家庭医学
研究所它是AaronCiecha
nover的母校以色列理工大学的
一个分院他的研究所就在这栋楼旁边
让他感觉非常亲切并且他同年的诺奖
获得者AvramHershko也
是海法人说不定哪一天两位大佬就能
在海边进行一场跨世纪的学术畅谈呢
嗯再正常不过的一个化学实验室啦
发现了没获得诺奖的科学家总能在
相同里创造卓越Aaron
Ciechanover说科学是一
场接力赛当接力棒到你眼前时你能不
能识别出这是接力棒并全力以赴才是
关键在他醉心泛素的年代
别人都在研究蛋白质的诞生只有他
所属的实验室在研究蛋白质的死亡没
有人抱怨这个神奇的研究方向并且
乐此不疲最后他们也确实揭开了
蛋白质分解的面纱可能是这种精神
一脉相承实验室里大家都乐呵呵的
气氛非常融洽不过姚琪也发现了
实验室里的一点不同它可能是让
大家心情都不错的直接原因向
窗外看整片的湛蓝海域行驶过的船
汽笛悠扬怎么不让人心旷神怡呢
绿色荧光蛋白是怎么发现的呢姚
琪知道以后也是大大感慨了一把因为
整个过程并不复杂但是大部分人
看到这个现象并不会去深究
就像苹果掉在牛顿头上前不知道曾经
砸过多少人的脑袋只有牛顿没有把
苹果吃掉还发现了万有引力最开始
人们正是看到了透明水母的发光现象
才想到要探究这种发光的东西是什么
现在MartinChalfie
正在使用显微镜分离胚胎中的荧光
细胞好用于后续的实验观察在准备室
里MartinChalfie感慨
透明生物超级伟大因为他用来实验的
生物也是一种透明的蠕虫它们可以
轻易被看见所以绿色荧光蛋白才
这么快被发现
诶你现在看到的这位可能是我们本次
游览里最有镜头感的大佬了瞧这
小pose摆的有点专业呀看到他
双手举起的那块儿牌子了吗你可千万
不要以为它是一条绿色的荧光蛇
咱们的诺贝尔奖可没设立动物学奖
其实这个牌子上的图片是现在看来并
不神秘的绿色荧光蛋白二零零八年
MartinChalfie和另外
两位生物化学家共同获得了那一年的
化学诺奖就是因为发现并且开发了
这种特殊的蛋白质把这种蛋白质用来
标记其它蛋白质就可以观察和跟踪它
的时间空间变化谁叫荧光特性
一目了然呢医学上了解大脑中
神经细胞的发育和癌细胞的扩散方式
全靠这种荧光蛋白
显微镜实在是我们实验室之旅的常客
在观察绿色荧光蛋白时也必不可少
不过Martin Chalfie
的显微镜长得和我们认知里
的略有不同功能更强大倍数更高
分辨绿色荧光非常方便调转视角
墙上有绿色荧光蛋白在科学杂志登上
封面时的图片虽然已经过去很多年但
看向它的时候Martin
Chalfie还是很激动他经常
表达虽然绿色荧光蛋白的应用不是他
未来主要的研究领域但每当相关的
神奇应用出现时他都会跟着骄傲一把
这些荧光蛋白工具现在已经不仅仅
只有绿色它已经像变色龙一样
五彩斑斓红色黄色的荧光蛋白相继被
发现MartinChalfie
非常开心他曾打开了这个盒子现在他
经常会惊叹于开发者奇思妙想
这里是MartinChalfie
的遗传学实验室遗传学当然离不开
生物标记啦在我们的中学课本里都
接触过同位素标记法通过仪器检测
元素的放射性来探究反应后元素的
去向这也是为什么我们经常在遗传学
的实验室里发现带有放射标志的仪器
而另一种标记法就是荧光标记法了这
里面的荧光当然是绿色荧光当你
得到了处理后的样本你就会想着去
观测它你看Martin
Chalfie现在戴着红色护目镜
观察发出强光的屏幕如果这个样本
里面有用于标记的绿色荧光蛋白你
猜在MartinChalfie
眼里它会是什么颜色呢运用物理学
知识的时候到咯因为红色镜片只能
透过红光它以外的任何色光都会变
黑色
从预备室出来转几个弯儿就来到了这
这个气质完全不同的实验室Dan
Shechtman前面的仪器比人
还高自带三个显示屏这是目前全世界
最先进的透射电子显微镜只需要你把
想观察的样品放进观察舱显微镜就会
对它的结构自动成像并且直接放大直
接显示在右边的屏幕上和我们日常使
用的光学显微镜相比它能观察到的最
小结构小了好几万倍DanShec
htman是使用透射电子显微镜的
专家不但熟悉仪器还掌握着非常详细
的观察方法再向右边研究员的屏幕上
看记录着不同样品的结构图像它们不
是单一的黑白色彩也非常丰富如果透
射电镜直接显示彩色图像不需要后期
处理那就非常厉害了
DanShechtman的家离实
验室并不远所以他非常热情地邀请我
们到他家小坐客厅在名画钢琴蕾丝罩
灯的装点下很有品味这里充满生活气
息但同样少不了和DanShech
tman相关的学术元素向茶几上看
书籍封面和卡片上的图形虽然不同但
排列方式异曲同工旁边的领带干脆是
一模一样的印花其实这就是准晶体的
原子排列方式规则性重复看图说话就
更容易理解了你再仔细看看这里的地
毯抱枕沙发靠垫都有相似的元素哦科
学总会用于生活造福生活只不过到了
DanShechtman这里却反
了过来生活中早已存在这样的图形排
列它们更直观地解释了准晶体是怎样
进行原子排列的
诺贝尔奖可能会迟到但从不缺席
以色列海法的DanShechtm
an教授在距离发现准晶体后近三十
年在二零一一年终于获得了诺贝尔化
学奖并且一人独享整份奖金关于他的
实验室之旅是从世界最美花园之一的
巴哈伊空中花园开始的在DanSh
echtman之前人们只会把固体
分为晶体和非晶体并且认为原子是以
对称的方式构成固体物质的但他的研
究显示固体里的原子排列可以呈现一
种不重复的规则最开始因为这个观察
结果不随大流他被逐出了实验室但真
理总是越来越明了的随着另一个小组
得出同样的结果DanShecht
man终于扬眉吐气固体的分类里也
就多了一种准晶体
跟着DanShechtman走进
准备实验室这里的陈设非常简单在我
们看了那么多先进的实验室后你可能
觉得这里会有些落后其实这是因为
Dan Shechtman现在的
研究方向集中在准晶体方向准备
实验室只需要提供观察用的晶体或金
属薄片所以自然就不需要什么前沿的
技术仪器啦Dan Shechtm
an开启了准晶体的大门以后很多科
学家相继走入了这个领域现在已经发
现的准晶体有数百种之多掌握它们的
结构后一些人造准晶体也相继诞生了
它们是非常理想的电热材料不要以为
DanShechtman的实验室
是绝对朴素风你马上就要看到他的
秘密武器了
量筒试管广口瓶这才是我们熟知的
化学实验室的样子这位手里不离大
号锥形瓶的是BrianKobi
lka二零一二年的化学诺奖获得
者他和研究员们现在在做的就是纯
化蛋白质所以你差不多猜到了他的
获奖理由也和蛋白质脱不了干系为
理解G蛋白偶联受体功能做出了重
要贡献仔细看他身边的冰箱上面贴
一张超人卡片但形象却是Bria
nKobilka本人这是研究员
们送给他的特殊的生日礼物在他们
心理BrianKobilka是
全能的因为实验室的任何一个环节
BrianKobilka都非常
清楚亲力亲为对他来说是种享受这
种习惯源于他在自家面包店的工作
的经历所以他说他在像经营面包店
一样经营实验室
在蛋白质被纯化后还需要让它们结晶
得到相对稳定的蛋白质样品然后用于
研究在这个房子里研究员们主要在做
的就是采集蛋白质晶体在Brian
Kobilka获奖之前的很长一段
时间想要让动态蛋白质形成晶体是非
常棘手的事情BrianKobil
ka向他在斯坦福大学的同事学习晶
体学知识但还是一直失败后来他以原
核膜蛋白质结构数目增加为灵感在二
零零四年才第一次结晶成功这是Br
ianKobilka关于G蛋白偶
联受体研究的一个里程碑事件因为在
得到结晶后就可以有更多人参与进来
通过对蛋白质晶体衍射来筛查疾病了
喏又是一个拥有机械臂的大家伙它
就是用来做X射线晶体衍射的精密
仪器对面像镜面一样的装置用来显
示衍射图像机械臂旁边的电脑可以
同步模拟出光线运行功能非常强大
一九一四年德国科学家Max v
on Laue发现晶体中的X射线
衍射现象获得了诺贝尔物理学奖这
一发现直接催生了X射线晶体学这
台仪器正是对这种原原理的应用在
Brian Kobilka纯化
并能够结晶的蛋白质种类越来越多
以后通过X射线衍射得到蛋白质
晶体结构就能对它进行比较全面
的分析这个结果是用于疾病筛查的手
段之一我们现在能够确定的G蛋白受
体家族比较庞大不同的激素都有相应
的受体而当年BrianKobil
ka的研究对象是肾上腺素蛋白受体
欢迎来到迷人的分子世界你将详细
地了解到肾上腺素和受体作用的过
程橘色并且有7个跨膜螺旋的一团
电话线就是G蛋白偶联受体在它上
方的红黄蓝相间的小球组合是刚刚
分泌出来的肾上腺素当它逐渐靠近
橙色电话线就会被专门识别它的G
蛋白偶联受体捕获这个时候小球组
合进入到电话线中间就像是进入了
一个口袋这个时候你会看到橙色电
话线和另外一团电话线缠在了一起
说明G蛋白在和活化蛋白结合结合
过后改变了原本的形态为了让过程
明显一点这个时候的结合体显示绿
绿色它的活性更改能释放出和原来
一模一样的橙色电话线所以整个过
程结束活化的电话线越来越多它们
又不断地产生活化亚体这就会改变
肌体的细胞行为你就会强烈地感觉
到心脏怦怦跳啦
走进合成实验室感觉设计讲究干净
整洁的同时非常引人注意的就是试
管架了蒸馏瓶烧瓶锥形瓶倒过来放
在架子上意外地像灯泡开会这么讲
究是因为合成实验室应用非常广不
单是药品重要的研发场所也是研制
化学合成原料的地方所以经常会用
到有机溶剂易挥发液体易燃易爆试
剂强酸强碱等危险物品针对合成实
验室的设计和规范还有一整套规定
相关的研究层出不穷针对不同需要
还开发出了适配独立系统当然在B
en Feringa这里主要玩
转分子马达
能在办公室发现一块熟悉又完整地
黑板也就只有在学校了这是荷兰格
罗宁根大学的Ben Ferin
ga办公室二零一六年他凭借开动
分子马达获得诺贝尔化学奖他和另
外两位获奖者共同让分子系统进入
了可以控制运动且充满能量的状态
这位教授仍然活跃在教育一线你看
同学们投入的状态讲述实在是太生
动啦他们每个人都伸出了自己的小
手手因为Ben Feringa
老师正在给他们解释什么是手性这
是分子马达的一个重要特性大概意
思就是说像手一样结构相似但并不
完全相同因为手指的长短不同
通过扫描隧道显微镜我们可以在原
子水平上成像你能看到分子马达的
化学结构现在Ben Ferin
ga手上就是一个还没有进入状态的
分子马达低电量状态下它也会像机
器没有通电一样罢工这时候光驱登
场它开始吸收光绕中心轴旋转当它
的上半部分结构相对下半部分产生
了一定角度的旋转分子马达本身就
有了自带的张力帮助它转动下去就
像我们扭转一个条形的橡皮在松手
后它会恢复原状只不过分子马达比
较特殊它是逆势旋转的然后再吸收
光再旋转直到旋转360度完成一
个周期Ben Feringa运
用这种技术设计了一个结构是四轮
小车的分子在两边的轮子转动方向相
同且速度一致时它就能不断向前跑还
跑出了比它自己大一万倍的玻璃圆柱
在之前的实验室里如果我们接触到
光线它们基本是作为激光的形式存
在的但在这里不同颜色的光却是一
种重要的驱动器如果分子马达是大
力水手光就是给他补充能量的菠菜
只有吸收光才能达到高水平的能量
状态顺利完成交给他的任务Ben
Feringa小组通过计算机设
计分子马达的转速并且控制它工作
环境的温度请看显示屏前的那位研
究员它手里的三个小瓶子里面盛放
的正是不同种类的分子马达在它发
挥作用时你会观察到它的结构整体
发生360度的旋转像一台精密的
机器执行着属于它的任务
JoachimFrank现在是哥
伦比亚大学教授哥大嘛它的建筑系可
是纽约建筑界地头蛇所以你看这个充
满设计感的教育中心简直让学习也变
成了一种享受如果站在外面看这幢楼
它就是一幢形状不规则的玻璃屋是由
在文化和学校建造领域非常知名的D
S+R事务所设计的新的教育环境是
为了确保哥伦比亚能继续培养杰出人
才保证他们受过最新技术的教育就像
JoachimFrank他开发低
温电子显微镜技术也是为科学事业添
砖加瓦环境有保证兴趣才有保证
未来才能得到长足的发展
那么为什么叫低温电子显微镜呢因为
在观察前会用液态乙烷来快速冷冻蛋
白溶液你看JoachimFran
k前面的容器赶上北方冬天人们吐白
气的感觉了观察用到的样品必须是足
够薄的冷冻后看起来就像玻璃一样满
足实验条件后就可以在显微镜下得到
你想要的结果X射线晶体衍射法首先
首先需要观察对象是晶体但有些蛋白
质结晶非常困难研究两三年才得到结
晶方法远远不如冷冻它们来的效率所
以在未来的结构实验室里低温电子显
微镜怕是要成为主流了
本以为之前讲到发现准晶体时Dan
Shechtman的透射电镜就是
此行最大的显微镜了但是你看看这
个大家伙它前面的Joachim
Frank是二零一七年的化学诺奖
获得者他和另外两位共同开发了低温
电子显微镜打破了人们对低温电子显
微镜在识别分子结构上不如X射线晶
体衍射法的认知他身后的精密系统分
辨率已经可以达到零点二二纳米级并
且还在不断突破有非常巨大的潜力但
是最开始因为低温显微镜采用光子束
成像本身会破坏分子所以得到的图像
经常会有很多噪点同一张图上也不仅
仅有一个分子同分子的角度也并不相
同所以经常通过一百万张图片才能
确定分子结构Joachim F
rank开发了一种图像处理方法能
成功的清理不相关图片让低温显微镜
的应用走向了非常宽广的领域
这河呢是离哥伦比亚大学不远的哈德
逊河这桥呢也是纽约重要的交通要道
乔治华盛顿大桥但是先别急着随Jo
achimFrank眺望河对岸的
新泽西州向岸边桥下看有一座红色的
小灯塔它是小红灯塔与大灰桥一书里
的主人公作者在书里告诉大家虽然看
起来渺小但它和大桥一样重要Joa
chimFrank和所有的年轻人
一样喜欢这座纽约地标在他的科研生
涯里和科学一样陪伴他的还有摄影不
知道在他的相机艺术冒险里小红灯塔
留下了怎样的身影想要到达这里需要
穿过一段特别繁忙的公路但灯塔旁却
反差地安静如果你也是一座小红灯塔
而且你的世界里有一座大桥千万不要
忘记发光哦总有人专程来看你呼化学
实验室也游览完毕啦接下来就是本次
行程的最后一站了具体是哪个学科奖
先卖个关子
和AlvinRoth讨论经济学
顺便可以逛逛斯坦福大学的校园发现
一个不拘一格的公告栏从贴小广告
的方式来看斯坦福的学生也同样随意
嘛了解了稳定分配和市场模型以后
了解了稳定分配和市场模型以后为什
么需要设计市场呢买卖双方存在并交
易不就是市场吗但现实是如果买方
和卖方不能集中到一个平台上互相不
知道对方的存在市场就失衡了而市场
设计必须考虑这里面的差异不仅要
建立能让市场良好运作的规则和程序
还要在市场破裂时修复它们在市场
缺失时从头开始建立市场比如说
求职APP不但制造求职者和招聘者
互相了解的机会还提供精密的算法
帮助双方快速匹配如果一段时间内完
全匹配不到自己想要的求职者和
招聘者一定会大量流失
见识过生物化学实验室的瓶瓶罐罐
和物理实验室的大型机械你能想象
到有这么一种实验室除了电脑什么
都没有吗这里是斯坦福大学的经济
学实验室从设施来看确实是非常经
济了这位戴眼镜的白胡子叔叔是A
lvinRoth二零一二年和L
loydShapley一起获得
了诺贝尔经济科学奖他们创建了稳
定分配理论并且进行了市场设计实
践AlvinRoth主要负责市场
设计实践部分在经济学实验室里他
针对不同事件建立了完整的分析模型
看到这台显示数字和表格的电脑了吗
它演示的就是择校过程同类
的模型还有把器官捐献和等待
移植器官的病人稳定配对。
穿过斯坦福大学最具代表性的柱廊
从罗丹雕刻的6位加莱义民身边走过
有点恍惚好像正在和我们交谈的不仅
是眼前的AlvinRoth还有曾
经在斯坦福求学的那些后来全球知名
的人物诺奖实验室游学之旅姚琪就
先带你逛到这儿吧缺少规则的市场
最后会崩盘吗怎样的调控才是最合理
的如果你和我一样沉浸在浓厚的学术
氛围里无法自拔不防点击屏幕下方的
圆形图标去到心仪的空间游览点击右
上角的相机图标马上就可以和学术大
佬来张合影哦最后感谢行程策划夏侯
爵爵子行程顾问小花生科玛的墨尔本
小组红鲤鱼与绿鲤鱼Rose飞讯
慕斯蛋挞Madonna灵犀裁月
画东洲九州视界以及摄影师Volk
支持接下来就是你的主场
你可以自由探索啦
走进AlvinRoth的办公室看
姚琪发现了什么一台带走步机的办公
桌简直就是都市办公青年的福音啊这
下可以运动工作两不误啦这位教授把
办公室的一面白墙当成了黑板用矩阵
形式来表达复杂的理论毕竟用计算机
建造和模拟模型需要足够的数学知识
比如他正在设计的肾脏捐赠模型相互
关系非常复杂全部用线条连接像是画
出了一条水母这些可能的相互关系都
是通过博弈论来的拿刚刚提到的择校
模型举例学生都想要进入省重点学校
重点学校又都希望招收优质生源而除
了省重点和优质生源还有普通学校
和普通生源AlvinRoth在做
的事情就是告诉大家怎样选择是最优
解最大程度的保证双方都满意并且为
这种做法提供科学的理论依据这中间
需要花的心思可一点都不比真正做
实验少