第61屆諾貝爾獎得主大會將於6月26日至7月1日在德國林道舉行。屆時，約20位生理學或醫學領域的往屆諾貝爾獎得主將與550多位青年科學家進行交流。為了紀念本次會議，《大眾科學》收集了諾貝爾獎獲得者近期以及60多年前在本雜誌上發表的文章。您可以在六月刊中找到這些文章的摘錄，並在此處欣賞其他內容。為了便於閱讀，我們沒有標明這些摘錄中的刪減部分，其中一些摘錄已被大幅壓縮。
由Ferris Jabr編輯
蜜蜂的語言，作者：August Krogh（1920年諾貝爾獎得主）
發表於1948年8月
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在本文中，我打算描述卡爾·馮·弗裡希關於蜜蜂如何向同伴傳遞資訊的驚人實驗。
他的早期實驗表明，蜜蜂一定擁有某種交流方式，因為當一隻蜜蜂發現豐富的食物來源（他使用濃縮的糖溶液）時，很快就會有許多來自同一蜂巢的其他蜜蜂訪問該食物來源。為了 выяснить 它們是如何相互交流的，馮·弗裡希建造了特殊的蜂巢，其中只包含一個蜂巢，可以透過玻璃板進行觀察。透過玻璃觀察，他發現從豐富的食物來源返回的蜜蜂會進行特殊的運動，他稱之為舞蹈，在蜂巢的垂直表面上進行。馮·弗裡希早期區分了兩種型別的舞蹈：圓形舞 (Rundtanz) 和搖擺舞 (Schwanzeltanz)。在後者中，蜜蜂沿直線跑一段距離，非常迅速地左右搖擺腹部，然後轉彎。
馮·弗裡希最終產生了這樣的想法：舞蹈的型別並不像他最初認為的那樣表示食物的種類，而是與覓食地點的距離有關。這個假設導致了以下關鍵實驗。他訓練了來自同一蜂巢的兩組蜜蜂在不同的地點覓食。一組用藍色染料標記，被訓練到離蜂巢僅幾米遠的覓食地點；另一組用紅色標記，在 300 米遠處餵食。令實驗者高興的是，結果表明所有藍色蜜蜂都跳圓形舞；紅色蜜蜂則跳搖擺舞。然後，在一系列步驟中，馮·弗裡希將較近的覓食地點逐漸移離蜂巢更遠。在 50 到 100 米的距離之間，藍色蜜蜂從圓形舞轉變為搖擺舞。相反，當紅色蜜蜂逐漸靠近蜂巢時，它們在 50 到 100 米的間隔內從搖擺舞變為圓形舞。
因此，很明顯，舞蹈至少告訴蜜蜂距離是否超過某個值。然而，人們發現，轉彎的頻率可以很好地指示距離。當覓食地點距離 100 米時，蜜蜂在大約 15 秒內進行大約 10 次短轉彎。為了指示 3,000 米的距離，它在同一時間內僅進行三次長轉彎。
就我而言，我很難假設，如果沒有蜜蜂小腦袋中進行的某種心理過程，就能夠達到如此完美和靈活的行為。這些過程可能與人類大腦中發生的過程非常不同，而且很可能確實如此。我不會冒險將它們稱為“思想”，就像我們使用這個詞的意義一樣，但我確實認為，在蜜蜂的大腦以及我自己的大腦中，都發生著一些無法用物質和運動的術語來概括的事情。
地球上的生命，作者：Alonso Ricardo 和 Jack W. Szostak（2009年諾貝爾獎得主）
發表於2009年9月
最近的實驗表明，類似於 DNA 或其近親 RNA 的遺傳分子有可能自發形成。由於這些分子可以捲曲成不同的形狀並充當基本的催化劑，它們可能已經能夠自我複製——繁殖——而無需蛋白質。
這種概念啟發了我們實驗室和麻省理工學院 David Bartel 實驗室的幾項實驗，在這些實驗中，我們“進化”出了新的核酶（一種可以充當酶的 RNA 分子）。我們從數萬億個隨機 RNA 序列開始。然後，我們選擇了具有催化特性的序列，並複製了這些序列。在每一輪複製中，一些新的 RNA 鏈發生了突變，使其成為更有效的催化劑，我們再次挑選出這些序列進行下一輪複製。透過這種定向進化，我們能夠產生可以催化複製其他 RNA 相對較短鏈的核酶，儘管它們遠未能夠將具有自身序列的聚合物複製到子代 RNA 中。
鑑於合適的構建模組，那麼，原細胞的形成似乎並不那麼困難：膜會自組裝，遺傳聚合物會自組裝，並且這兩個組分可以透過多種方式結合在一起，例如，如果膜在預先存在的聚合物周圍形成。這些水和 RNA 的囊泡也會生長、吸收新分子、爭奪營養物質並分裂。但是，要變得有生命，它們還需要繁殖和進化。
這個過程不會自行開始，但可能會在一些幫助下開始。例如，想象一下早期地球寒冷表面上的一片火山區域。（當時，太陽的亮度只有現在的 70%。）可能會有冰冷的池水，可能部分被冰覆蓋，但被熱岩石保持液態。溫差會導致對流，因此水中的原細胞會不時地暴露在熱浪中，因為當它們經過熱岩石附近時，但當加熱的水與大量的冷水混合時，它們幾乎會立即冷卻下來。突然加熱會導致雙螺旋分離成單鏈。一旦回到涼爽區域，當單鏈充當模板時，就可以形成新的雙鏈——原始鏈的副本。一旦環境推動原細胞開始繁殖，進化就開始了。特別是，在某個時候，一些 RNA 序列發生了突變，成為加速 RNA 複製的核酶——從而增加了競爭優勢。最終，核酶開始在沒有外部幫助的情況下複製 RNA。憑藉其驚人的多功能性，蛋白質隨後將取代 RNA 在輔助遺傳複製和新陳代謝方面的作用。後來，生物體會“學會”製造 DNA，從而獲得擁有更強大的遺傳資訊載體的優勢。那時，RNA 世界變成了 DNA 世界，我們所知的生命開始了。
DNA的合成，作者：Arthur Kornberg（1959年諾貝爾獎得主）
發表於1968年10月
我和我的同事們在 1954 年首次著手在活細胞外合成核酸，藉助細胞酶。一年前，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克提出了他們的 DNA 雙螺旋模型，DNA 是一種核酸，在除某些病毒外的所有生物中，它將遺傳資訊從一代傳遞到下一代。我們在一年內實現了我們的目標，但直到幾個月前——14 年後——我們才能夠報告一種完全合成的 DNA，它是以天然 DNA 為模板製成的，並且具有天然材料的完整生物活性。
我們在 1964 年想到，透過處理也具有遺傳活性的更簡單的 DNA 形式，可能會解決合成具有生物活性的 DNA 的問題。這在病毒中有所體現，例如 ΦX174，其 DNA 核心是單鏈環。這種“染色體”不僅結構更簡單，而且體積也很小（周長約 2 微米），因此很容易提取而不會斷裂。
在不到一年的時間裡，實現了 ΦX174 DNA 的試管合成。步驟可以概括如下。從 ΦX174 獲得模板 DNA，並用氚（氫的放射性同位素）標記。此後，氚將提供持續的標記，用於識別模板。將 DNA 聚合酶、純化的連線酶和輔因子（二磷酸吡啶核苷酸）以及 A*、T*、G* 和 C*（核苷——包含與糖脫氧核糖連線的鹼基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤或胞嘧啶）——連線到三個磷酸基團）新增到模板中。其中一種核苷三磷酸用放射性磷標記。因此，放射性磷將為合成材料提供標記，類似於模板的氚標記。然後，試劑的相互作用繼續進行，直到聚合的核苷酸單元（由鹼基、脫氧核糖和磷酸組成）的數量恰好等於模板 DNA 中核苷酸的數量。透過比較模板中氚的放射性和為合成提供的核苷酸中磷的放射性，可以很容易地確定這種相等性。
這種比較表明，實驗已進展到足以形成合成 DNA 的互補環的程度。互補環被指定為 (–)，以區別於模板環 (+)。我們必須證明合成的 (–) 環確實是環。聚合酶是否圍繞模板完整旋轉了一圈，並且鏈的兩端是否已透過連線酶連線在一起？包括電子顯微鏡在內的幾項物理測量向我們保證，我們的產品是一個緊密纏繞在病毒 DNA 模板上的閉環，並且它在大小和其他細節上與感染細胞中出現的複製形式 DNA 相同。
我們透過將我們的 (–) 環與大腸桿菌細胞孵育來測試它們，這些細胞的細胞壁已被溶菌酶的作用去除。透過病毒在“接種”在營養培養基上時溶解或溶解這些細胞的能力來測定感染性。我們的合成環顯示出幾乎與其天然對應物相同的感染模式。它們的生物活性現在得到了證明。
現在是探索控制完整細胞和動物中 DNA 合成起始和速率的因素的成熟時機。最後，現在有可能將我們對 DNA 結構和合成的知識直接應用於人類福祉。這就是基因工程的領域，我們有共同的責任確保我們利用我們偉大的機會來提高人類生活質量。
組織胚胎髮育的梯度，作者：Christiane Nüsslein-Volhard（1995年諾貝爾獎得主）
發表於1996年8月
熊在冬季交配。雌熊然後在洞穴中隱居產仔，幾個月後產下三到四隻幼崽。出生時，這些幼崽是無定形的肉球，只有爪子發育完全。母熊將它們舔成形狀。
老普林尼講述的這個古老理論是早期解釋生命最偉大奧秘之一的眾多奇異嘗試之一——一個幾乎均勻的卵細胞如何發育成具有數十種細胞型別的動物，每種細胞都位於其適當的位置。
大約在 100 年前，實驗胚胎學家開始意識到，發育途徑不一定在卵子形成時就完全確定。慢慢地，一個重要的想法出現了：梯度假說。該假說的本質是，發育場中的細胞會對一種特殊物質（形態發生素）做出反應，該物質的濃度在特定方向上逐漸增加，形成梯度。據推測，不同濃度的形態發生素會導致細胞產生不同的反應。
梯度形成的手段一直難以捉摸，直到最近，幾個實驗室的研究人員才發現果蠅果蠅的早期胚胎中執行的梯度。在迄今為止研究的所有途徑中，最終結果是形態發生素的梯度，其主要功能是轉錄因子，以濃度依賴性方式啟動或抑制一個或多個靶基因的轉錄。
一些形態發生梯度顯然只產生單一效果：如果特定位置的形態發生素濃度高於臨界閾值，則靶基因被啟用；否則，它不會被啟用。在其他情況下，不同濃度的形態發生素會引起不同的反應，而正是這種型別的梯度對於提高發育中生物體的複雜性最為重要。
儘管每個形態發生梯度似乎僅直接控制少數靶基因，但可以影響轉錄的輔助因子分子之間的相互作用可以從根本上改變對梯度的反應。這些組合調控機制為從最初簡單的系統中形成高度複雜的模式開闢了道路。
濃度依賴性和組合調控共同開啟了多功能的模式形成機制，這些機制可以實現基因中編碼的設計。
在我們對果蠅胚胎如何發育有一個完整的瞭解之前，還有許多細節有待發現。但我相信我們現在已經揭示了一些主要特徵。這一成就可以闡明動物學的許多方面，因為過去五年中最令人驚訝的發現之一是，非常相似的基本機制，包括相似的基因和轉錄因子，在整個動物界的早期發育中都在執行。
因此，對良好模型系統進行的基礎研究帶來了強大的見解，這些見解可能有一天會幫助我們理解人類發育。這些見解已經提供的是對自然界最深刻的問題之一——複雜性如何從簡單性中產生的令人滿意的答案。
癌基因，作者：J. Michael Bishop（1989年諾貝爾獎得主）
發表於1982年3月
1972 年，多米尼克·斯特林、哈羅德·E·瓦姆斯和我著手探索美國國家癌症研究所的羅伯特·J·休布納和喬治·J·託達羅提出的“癌基因假說”。休布納和託達羅尋求一種機制來解釋多種不同因素誘發癌症的原因，他們提出逆轉錄病毒癌基因是所有細胞遺傳包袱的一部分，可能是早期進化過程中透過病毒感染獲得的。（逆轉錄病毒將其基因插入宿主的 DNA；癌基因是當行為異常時會導致癌症的基因。）只要癌基因保持靜止，它們就是無害的。然而，當被致癌因子刺激啟用時，它們可以將細胞轉化為癌性生長。我們推斷，如果這個假設是正確的，我們或許能夠在正常細胞的 DNA 中找到 src 基因（勞斯肉瘤病毒的癌基因）。
然而，經過仔細檢查，我們在脊椎動物中發現的基因被證明根本不是逆轉錄病毒基因。它是一個細胞基因，現在稱為 c-src。這種結論最令人信服的證據來自發現 c-src 的蛋白質編碼資訊被稱為外顯子的幾個獨立域隔開，中間由稱為內含子的區域分隔。這種型別的分裂配置是動物細胞基因的典型特徵，而不是逆轉錄病毒基因的典型特徵。除了內含子外，在魚類、鳥類和哺乳動物中發現的 c-src 版本都與病毒基因 v-src 以及彼此密切相關。似乎脊椎動物 src 基因在漫長的進化時期中得以倖存下來，沒有發生重大變化，這意味著它對於其持續存在的物種的福祉非常重要。
在迄今為止已鑑定的 17 個逆轉錄病毒癌基因中，已知有 16 個在脊椎動物物種的正常基因組中具有近親。為了解釋逆轉錄病毒癌基因與其正常細胞親屬之間顯著的相似性，大多數病毒學家都接受了逆轉錄病毒癌基因是細胞基因副本的觀點。似乎癌基因在不久前的某個時候被新增到預先存在的逆轉錄病毒基因組中。
從癌基因中學到的知識代表了第一次窺視長期以來掩蓋癌症機制的幕後。從某種意義上說，第一次觀察令人不安，因為似乎驅動癌細胞誤入歧途的化學機制與正常細胞中起作用的機制並沒有本質上的不同。這表明，制定合理的治療策略可能仍然像今天一樣令人苦惱。如果對於正常細胞的存活也需要相同的活動，那麼發明阻止導致癌性生長的活動的方法將毫無用處。
無論癌基因的傳奇如何結束，它都為每個關心癌症研究的人提供了一些教訓。對遠離人類關注的病毒的研究帶來了研究人類疾病的強大工具。腫瘤病毒學在其未能找到人類癌症的大量病毒病原體後倖存了下來。現在的問題不是病毒是否會導致人類腫瘤（也許有時會），而是可以從腫瘤病毒學中學到多少關於人類腫瘤發生的機制。
大腦，作者：David H. Hubel（1981年諾貝爾獎得主）
發表於1979年9月
大腦是一種組織。它是一種複雜、錯綜複雜的組織——與我們已知的宇宙中的任何事物都不同——但它像任何組織一樣，由細胞組成。它們的電訊號和化學訊號可以被檢測、記錄和解釋，它們的化學物質可以被識別；構成大腦編織氈狀結構的連線可以被繪製出來。簡而言之，大腦可以像腎臟一樣被研究。
在過去的十年中，神經解剖學的發展速度比之前的 50 年都要快，採用了更多新的和強大的技術。
這一系列進展中的最新進展是美國國家心理健康研究所的 Louis Sokoloff 幾年前發明的脫氧葡萄糖技術。葡萄糖是神經元的燃料，細胞在活動時比休息時消耗更多的葡萄糖。放射性標記的脫氧葡萄糖被細胞吸收，就好像它是葡萄糖一樣。例如，可以將化學物質透過靜脈注射給實驗動物，然後用聲音模式刺激動物。然後對大腦進行顯微鏡檢查，揭示參與聽覺的大腦各個區域。最近，開發了一種稱為正電子發射橫斷層掃描的新技術，可以從顱骨外部檢測到脫氧葡萄糖或其他用正電子發射放射性同位素標記的物質的存在。這種有前景的技術使得可以在活體實驗動物或人類中繪製活動大腦結構的圖譜。
應用所有可用的技術，粗略而簡略地研究單個結構中的連線，例如，大腦皮層或小腦的一部分，可能需要一到兩名神經解剖學家花費五到十年的時間。有成就的神經解剖學家是一類特殊的人，他們通常具有強迫症，偶爾甚至有些偏執，在全世界範圍內只有少數人。由於大腦由數百種不同的結構組成，因此很容易看出，僅僅瞭解大腦的佈線仍然需要很多年。
在目前的階段，對單個細胞的結構和工作原理有了合理的初步瞭解，神經生物學家就像一個瞭解電阻器、電容器和電晶體物理學的人，並且正在檢視電視機內部。他無法開始理解機器作為一個整體是如何工作的，除非他了解這些元件是如何連線在一起的，並且至少對機器的用途、其子元件及其相互作用有一些瞭解。