『』十个科学关键词与科学的历程

创刊于1869年的英国《自然》杂志，在其150周年特刊上发表了针对上千本研究期刊的数千万篇科学论文的引用情况和参考文献的分析考察，其中的关键词排序体现了独特的意义。
从20世纪40年代至今，每10年（共计8个10年）抓取5个最常见的关键词，结果发现：“细胞”出现8次，次次上榜；“蛋白质”出现7次；DNA出现6次；“受体”出现4次；“基因”出现3次；“量子”出现2次，且是在21世纪的两个10年中连续出现。如果再把年代扩大为从19世纪70年代至今，则“水”出现7次；“射线”出现6次；“酸”出现4次；“太阳”出现3次。
这10个词出现的频次不仅反映了科学家的研究兴趣和方向，更能体现从19世纪下半叶至21世纪近20年来科学发展的历程。整体而言，这10个科学关键词代表了科学研究从宏观到微观，从自然到对自身研究的重视与转移。1.细胞（cell）
早在1665年，英国科学家罗伯特·胡克就发现并提出了细胞概念，只是随着后来实验设备和仪器的改进以及研究的深入，细胞才成为科研最重要的领域。细胞是一切生物的构造单位，也是一切生物的生理单位。所有生命现象和功能都要由细胞来执行和完成。细胞不只是生物、医学、生命科学的核心，也是化学和物理的重要研究内容。因此，细胞既是多学科的枢纽，也是连接宏观与微观世界的桥梁。
如果说19世纪自然科学三大发现是细胞学说、能量守恒与转化定律和达尔文进化论，那么20世纪和21世纪就是细胞和分子生物学的时代。从20世纪70年代基因重组技术的出现到现在，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为科学研究的主要任务，基因调控、信号传导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡也成为细胞生物学的研究热点。
细胞生物学的建立是从发现细胞核、细胞质以及其中的线粒体、核糖体、高尔基体等开始的，因此1974年的诺贝尔生理学或医学奖授予发现这些细胞结构的三位科学家。
通过神经细胞之间的联系来了解人的大脑是如何工作的， 2000年的诺贝尔生理学或医学奖授予了这一发现。
发现细胞周期的关键分子调节机制、程序性细胞死亡过程以及细胞内的主要运输系统—囊泡运输的调节机制同样揭示了生命功能是如何运转的，这几项研究分别获得2001年、2002年和2013年诺贝尔生理学或医学奖。而且， 2003年的诺尔化学奖还授予细胞膜通道的发现。同时，发现成熟的成人体细胞可转变为诱导多能干细胞（iPSCs）也获得2012年的诺贝尔生理学或医学奖。
發现细胞自噬机制和发现细胞如何感知及适应氧气分别获得2016年和2019年诺贝尔生理学或医学奖。所有这些都证明，细胞是20世纪和21世纪科学研究的重点和焦点，尽管是基础研究，但对于药物研发和治疗重大疾病，如癌症、艾滋病等，都有非常重要的意义。2.蛋白质（protein）
蛋白质是生命的物质基础，也是构成细胞的基本有机物和生命活动的主要承担者。瑞典化学家贝采利乌斯在1838年发现和提出用蛋白质来描述一大类物质分子。后来研究人员发现，蛋白质是由20多种氨基酸以脱水缩合的方式组成的多肽链，并经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。
1949年，弗雷德里克·桑格首次正确地测定了牛胰岛素的氨基酸序列，并验证了蛋白质是由氨基酸所形成的线性（不具有分叉或其他形式）多聚体，为此获得1958年的诺贝尔化学奖。20世纪的重要发现之一是，许多蛋白质的活性状态和失活状态可以互相转化，在一个精确控制的溶液条件下失活的蛋白质可以转变为活性形式。如何使蛋白质恢复到它们的活性状态成为生物化学的一个主要研究领域，也称为蛋白质折叠学。1972年的诺贝尔化学奖就授予了蛋白质折叠结构的发现。随后，研究人员发现普里昂（Prion）是一种特别的蛋白质因子而获得1997年的诺贝尔生理学或医学奖。另外， 1999年的诺贝尔生理学或医学奖授予了发现控制细胞运输和定位的内在信号蛋白质，这当然也是细胞和蛋白质的双重成果。分页标题
从21世纪的多个诺贝尔化学奖也可以看到蛋白质研究的重要性和重要成果。2004年诺贝尔化学奖的获奖成果是泛素调节的蛋白质降解， 2008年的获奖成果为发现并发展了绿色荧光蛋白（GFP）， 2009年的获奖成果是核糖体结构和功能研究（核糖体也是一种蛋白）。
蛋白质组的研究是未来科学发展的方向之一，一个生物系统在特定状态下表达的所有种类的蛋白质就是蛋白质组。尽管基因承载着人类的遗传物质，但蛋白质是遗传物质传递的最后一个环节，是生命活动的执行者，因此蛋白质组研究对于认识生命现象同样重要。3.DNA
DNA即脱氧核糖核酸，来自细胞核（染色体），它既指一部分DNA分子，也可以指生物细胞核中整组染色体（也称基因组）的所有遗传物质。作为一种生物大分子， DNA最本质的功能是传递遗传信息并编码和生产各类蛋白质。
对DNA的最早认知是在1919年，利文确定了DNA由含氮碱基，糖和磷酸盐组成的核苷酸结成。但是，令人信服地证明DNA双螺旋结构的是《自然》杂志1953年4月25日发表的弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森的DNA结构论文，以及同时发表的莫里斯·威尔金斯和罗莎琳·富兰克林关于DNA结构的论文。
DNA双螺旋结构的发现彻底改变了生物学，为21世纪和未来的生物学和生命科学奠定了基础和指明了方向。克里克、沃森和威尔金斯获得1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

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随后，关于DNA研究的成果不断涌现。在DNA双螺旋结构确认后，发明限制性内切酶而进行DNA重组，以及测定DNA内核苷酸排列顺序的方法发明，分别获得1978年诺贝尔生理学或医学奖和1980年诺贝尔化学奖。同时，研究人员在胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面也有突破性进展，由此获得2007年诺贝尔生理学或医学奖。发现细胞修复受损的DNA并进行遗传信息维护的路径的成果获得了2015年诺贝尔化学奖。这些发现对于治疗癌症以及多种疾病也有重要意义。4.受体（receptor）
受体是次于细胞的一种生物大分子，它能与激素、神经递质、药物或细胞内信号分子结合从而引起细胞和机体产生功能和功能改变。
人之所以能闻嗅出饭菜、花果的香味，不仅因为这些物质分子散发到鼻腔中，而且在于人的鼻腔黏膜中存在500万个被称为嗅感受器的神经细胞（神经元）。在每个嗅感受器的顶端都有10多根纤毛，纤毛的外部包裹着一些特殊的受体，当物质分子与这些受体结合后，能刺激嗅感受器兴奋并产生电信号，传递到大脑中枢和大脑边缘系统，让人能闻到香味。
受体可以分为细胞（膜）表面受体和细胞内受体两大类。人体的受体远远多于细胞。人的细胞有40万亿～60万亿个，如果每个细胞的细胞膜和细胞内部都有一个受体的话，就会是80万亿～120万亿个，实际上受体数量远远多于这个数字。如果把受体归类，则可以缩小数量。例如， G蛋白偶联受体（GPCR）是一类研究得比较深入的受体，在人体内已发现约800个，它们属于细胞膜表面受体，负责传递信号，对细胞的生理和病理过程发挥着重要作用。很大一部分药物都以该类受体为作用靶点，所以它们对药物研发和疾病治疗意义重大。
正是因为揭示了G蛋白偶联受体的内在作用机理， 2012年的诺贝尔化学奖授予这一发现。上述发现人的嗅觉机理的研究获得了2004年的诺贝尔生理学或医学奖。
2008年的诺贝尔生理学或医学奖授予人类免疫缺陷（HIV）病毒的发现。HIV正是通过人T细胞的细胞膜上的受体入侵T细胞并损害人的免疫系统的，如果让HIV难于识别和借助受体入侵T细胞，就将为防治艾滋病开辟一条途径。
未来，还会有无数的受体被发现并纳入研究范围，产生的成果将极大造福于人类。5.基因（gene）分页标题
基因一词来自古希腊语，意为“生” 。基因实际上就是一部分DNA序列，或DNA的一个片段。基因是遗传的基本单位。一个人细胞核的所有DNA就是基因组，也就是其所有的遗传信息。

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由于“发现肿瘤病毒和细胞遗传物质之间的相互作用” ，意大利籍美国科学家雷纳托·杜尔贝科与霍华德·特明和戴维·巴尔的摩分享了1975年的诺贝尔生理学或医学奖。基于基因突变可能是诱发肿瘤的重要原因，杜尔贝科于1986年在美国《科学》杂志上发表文章，提议对人类基因组30亿个碱基对的序列进行测序。这就是人类基因组计划—被誉为继曼哈顿计划、阿波罗计划之后的第三大科学计划。该计划于1990年10月正式启动， 2000年6月26日完成，参与的有美、英、法、德、日、中等多国科学家，绘制出人体97%的基因组，其中85%的基因组序列得到了精确测定。
除了1975年的诺贝尔生理学或医学奖与基因有关（肿瘤与基因）， 1958年该奖授予发现基因功能受到特定化学过程的调控和发现细菌遗传物质的基因重组；1959年授予发现核糖核酸和脱氧核糖核酸的生物合成机制（RNA和DNA属于基因研究内容）；1968年授予破解遗传密码并阐释其在蛋白质合成中的作用（也是基因的内容）；1978年授予发现限制性内切酶及其在分子遗传学方面的应用（限制性内切酶可以重组基因）；1989年授予发现逆转录病毒致癌基因的细胞来源；1993年授予断裂基因的发现；2006年授予发现RNA干扰—双链RNA引发的沉默现象；2007年授予在利用胚胎干细胞引入特异性基因修饰的原理上的发现。
人类基因组完成后，对基因的研究进入后基因组时代，也称功能基因组学时代。主要的研究内容是：研究基因组的多样性，基因组的表达调控与蛋白质产物的功能，疾病基因的定位克隆，多基因病的研究，模式生物基因组研究，以及各种动植物基因组的测序等。
所有这些研究将为人们深入理解人类基因组遗传语言的逻辑构架，基因结构与功能的关系，个体发育、生长、衰老和死亡机理，神经活动和脑功能表现机理，细胞增殖、分化和凋亡机理，信息传递和作用机理，疾病发生、发展的基因及基因后机理（如发病机理、病理过程）以及各种生命科学问题提供科学基础。6.量子（quantum）
量子概念是德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的，他也因发现能量量子而获得1918年诺贝尔物理学奖。后来还有一系列关于量子的研究成果获得诺贝尔物理学奖：1932年，维尔纳·海森堡因创立量子力学获得诺贝尔物理学奖；量子力学的基本方程—薛定谔方程和狄拉克方程獲1933年的诺贝尔物理学奖；1954年授予量子力学领域的基础研究成果；1965年授予在量子电动力学方面的基础性工作；1985年授予发现量子霍尔效应；2012年授予能够量度和操控个体量子系统的突破性实验手法。

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以量子科学研究进入应用时代为标志，人称第一次量子革命，它为能源、信息科学、生命科学和材料科学做出巨大贡献。美国是第一次量子革命的领跑者，硅谷也被视为量子技术的结晶。
进入21世纪后，量子理论在通信和计算机领域得到长足发展，到达第二次量子革命的临界点。如果量子理论在计算和通信这两方面的应用有所突破，就能占有先机，赢得未来。美国IBM公司在2017年发布50个量子比特计算机样机；2018年，美国英特尔公司发布49个量子比特芯片；2018年，美国谷歌公司宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone 。2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子”号成功发射，实现了千千米级星地双向量子通信。此外，人工智能和量子技术结合也是未来科技发展的一个重要方向。7.水（water）分页标题
水在19世纪70年代至20世纪30年代持续成为《自然》杂志的科学关键词。生命起源于水，水又维持生命。对于水的科学研究在早期并没有成为一门单独的学科，而是散见于多个学科中，如农业、水电、化学、物理、地理地质、气候、天文、水文、水利、海洋、环境和生态中。水科学成为一门独立的成系统的学科起始于第二次世界大战后，联合国教科文组织成立了水科学司，其业务内容包括水文学问题和水资源问题。
现在的水科学学科涉及对水的开发、利用、规划、管理、保护、研究，因此，可以把研究与水有关的学科统称为水科学。具体而言，水科学是一门研究水的物理、化学、生物等特征，分布、运动、循环等规律，开发、利用、规划、管理与保护等方法的知识体系。涉及理学、工学、农学、医学、经济学、教育学、历史学、管理学等多个学科门类，还与多个学科交叉，如水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水经济、水法律、水文化、水信息、水教育等。
在19世纪末和20世纪上半叶，关于水的重大科学研究成果散见于其他学科研究中，如1901年诺贝尔化学奖授予发现了化学动力学法则和溶液渗透压。对于以水为研究核心的水文、水利和水资源等领域，主要与农业相关，如滴灌技术的延续和创造性使用。早期的滴灌系统见于中国最早的一部农书—《氾胜之书》。现代的滴灌是德国的实验结果，在20世纪30年代，滴灌系统主要用于欧洲的温室暖房里。直到20世纪60年代，以色列对滴灌进行创新应用，研制了硬韧防堵塑料管、接头、过滤器、电脑控制器等，做到减少蒸发、高效灌溉及控制水、肥、农药，使得以色列农业多年来的用水总量一直稳定在13亿立方米，农业产出却增加了5倍。
此外， 20世纪以来，对水的研究主要是揭示降水与自然的关系。观测证据表明，全球季风降水有显著的年代际变化，如1901～1955年，季风降水显著增加，随后至1990年，季风降水显著减少。8.射线（ray）
射线是由各种放射性核素，或者原子、电子、中子等粒子在能量交换过程中发射出的具有特定能量的粒子或光子束流。常见的有X射线、α射线、β射线、γ射线和中子射线等。
可以说，射线研究贯穿了物理学研究的始终，很多射线研究都获得了诺贝尔物理学奖。从1901年颁给发现X射线（伦琴射线），到2006年颁给发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性，诺贝尔物理学奖迄今有24次颁发给了射线研究。
此外，就连诺贝尔化学奖、生理学或医学奖也有与射线研究有关的。1936年的诺贝尔化学奖授予通过对偶极矩以及气体中的X射线和电子衍射的研究来了解分子结构， 1964年的诺贝尔化学奖授予利用X射线技术解析一些重要生化物质的结构。1946年的诺贝尔生理学或医学奖授予发现X射线辐射能够让基因产生突变的研究成果。
这些研究表明，射线既是物理学研究的内容，又是化学和医学研究的工具和内容，它们对于揭示物质世界、人体和生物的真相和规律至关重要，因此成为科学关键词。9.酸（acid）
酸是化學的主要研究对象。传统的定义是，当溶解在水中时，溶液中氢离子的浓度大于纯水中氢离子浓度的化合物就是酸。换句话说，酸性溶液的pH值小于水的pH值（25℃时水的pH值为7）。
酸可分为无机酸和有机酸两种。在《自然》杂志和其他科学杂志发表的论文中，主要是有机酸和与有机酸相关物质的研究成果，如核酸（DNA和RNA）、氨基酸和食物中的有机酸。另外，环境中的酸雨也属于酸（主要是无机酸）的研究。
诺贝尔化学奖有8次颁给有机酸和相关化合物的研究，如1927年颁给对胆汁酸及相关物质的结构的研究、1937年颁给对碳水化合物和维生素C的研究（维生素又称抗坏血酸）、1957年颁给核苷酸和核苷酸辅酶研究方面的成果。诺贝尔生理学或医学奖有3次是授予有机酸和相关化合物的研究：1937年授予发现维生素C和延胡索酸对生物燃烧的催化作用， 1953年授予发现柠檬酸循环， 1959年授予发现核糖核酸和脱氧核糖核酸的生物合成机制。10.太阳（sun）分页标题
早期的科学研究有不少围绕太阳进行，包括太阳光、太阳风、太阳黑子、太阳辐射等。如1870年《自然》杂志第2卷的一篇涉及太阳的文章—天空为何是蓝色的，引发了广泛而持续的研究。

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作者认为也许因为太阳光是橙色的，所以天空中阳光照不到的地方自然会显现出橙色的互补色—蓝色。英国物理学家廷德尔则用“廷德尔散射模型”来解释，即波长较短的蓝色光容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而散射向四方。但是，如果由水滴冰晶等微粒的散射造成天空的蓝色，那么天空的颜色和颜色的深浅应随着空气湿度的变化而变化，事实上没有。
1899年，物理学家瑞利发表一篇《关于光通过包含悬浮小颗粒的大气的传输以及天空蓝色的起源》的文章，指出“即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝天” 。因为，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以让天空是蓝色的。但是，瑞利散射的条件是，假定空气是理想气体，空气中的分子都是自由和随机分布的，但事实上空气并非自由的气体。
1910年，爱因斯坦以当时刚刚发展的熵的统计热力学理论证明，哪怕最纯净的空气，也有密度的涨落起伏，而且还有不可消除的杂质。但是，空气本身的密度涨落也能散射，也是蓝色光容易被散射。而且，密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生人们看到的蓝天。
【『』十个科学关键词与科学的历程】所以，由《自然》杂志的文章提出的问题通过科学家们的接力，最终完成了对涉及阳光的蓝天的科学解释。诺贝尔物理学奖也有关于太阳研究的成果， 1967年的诺贝尔物理学奖授予对核反应理论的贡献，特别是关于恒星中能源的产生的研究发现；1983年的诺贝尔物理学奖授予有关恒星结构及其演化的重要物理过程的理论研究。