圖/東方IC

10月4日至6日，諾貝爾自然科學(xué)獎三大獎項(xiàng)——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎和化學(xué)獎逐一揭曉，為人類智慧文明的高塔再次壘上耀眼的一層。

2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)溫度與觸覺“感受器”方面所做出的貢獻(xiàn)；2021年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了真鍋淑郎、克勞斯·哈塞爾曼和喬治·帕里西，以表彰他們對“理解復(fù)雜物理系統(tǒng)做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”；2021年諾貝爾化學(xué)獎頒給了本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫，以表彰他們在發(fā)展不對稱有機(jī)催化中的貢獻(xiàn)。

這些科學(xué)家的研究成果不僅擴(kuò)展了人類的認(rèn)知，也成為人類知識大花園中最寶貴的花朵。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：破解人類感知之謎

人類對溫度和觸碰的感知能力對生存至關(guān)重要，這種能力支撐了人類與周圍世界的互動，能夠感知溫度和觸碰的神經(jīng)脈沖是如何產(chǎn)生的。2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安的工作幫助人類洞悉了其中的機(jī)理。

長久以來，人類對感知能力背后的機(jī)理充滿好奇心，并提出過各種假說。約瑟夫·厄蘭格和赫伯特·加瑟兩位科學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)，不同類型的感覺神經(jīng)纖維可以對不同的刺激——例如對疼痛和非疼痛觸碰——做出反應(yīng)，兩人因此獲得1944年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。自那時起，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞是高度專業(yè)化的，不同分工的神經(jīng)細(xì)胞可以探測和轉(zhuǎn)導(dǎo)不同類型刺激，并使人類能感知到周圍環(huán)境的細(xì)微差別。

然而，在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發(fā)現(xiàn)之前，人類對神經(jīng)系統(tǒng)如何感知環(huán)境的理解仍然存在一片空白區(qū)域：溫度和觸碰如何在神經(jīng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為電脈沖？

20世紀(jì)90年代后期，在美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校工作的戴維·朱利葉斯通過分析辣椒素如何使人產(chǎn)生灼熱感而取得重大進(jìn)展。朱利葉斯和他的同事創(chuàng)建了一個由數(shù)百萬個DNA(脫氧核糖核酸)片段組成的基因庫，這些DNA 片段與能對疼痛、熱和觸碰做出反應(yīng)的感覺神經(jīng)元中表達(dá)的基因相對應(yīng)。朱利葉斯和他的同事推測，該基因庫中應(yīng)該包含一個DNA 片段，它能編碼一種可以對辣椒素做出反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

經(jīng)過艱苦的搜索，朱利葉斯和他的同事終于發(fā)現(xiàn)了一個能夠使細(xì)胞對辣椒素敏感的基因。該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這種對辣椒素敏感的蛋白被命名為TRPV1。當(dāng)朱利葉斯進(jìn)一步研究TRPV1蛋白對熱的反應(yīng)能力時，他意識到自己發(fā)現(xiàn)了一種對熱敏感的受體，這種受體在機(jī)體感覺到疼痛的溫度下能被激活。

TRPV1的發(fā)現(xiàn)使人們了解到溫度差異如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘發(fā)電信號，該發(fā)現(xiàn)還引領(lǐng)了其他對溫度敏感受體的研究之路。此后，朱利葉斯和帕塔普蒂安分別獨(dú)立利用化學(xué)物質(zhì)薄荷醇發(fā)現(xiàn)了一種能被寒冷激活的受體TRPM8。

2021 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲獎?wù)撸▓D/澎湃新聞）

為了解釋機(jī)械刺激如何轉(zhuǎn)為觸覺，在美國斯克里普斯研究所工作的帕塔普蒂安希望找出被機(jī)械刺激激活的受體。帕塔普蒂安和他的同事首先發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞系，當(dāng)其中單個細(xì)胞被微管戳到時，該細(xì)胞系會發(fā)出可測量的電信號。他們隨后篩選并鑒定出72個候選基因，通過將這些基因逐個關(guān)閉，成功識別出一個對機(jī)械刺激敏感的基因。當(dāng)該基因關(guān)閉后，細(xì)胞對被微管戳到的壓力不再敏感。

帕塔普蒂安和他的同事發(fā)現(xiàn)的是一種全新的壓力敏感離子通道，他們將其命名為Piezo1。這個詞來源于希臘語中的“壓力”一詞。根據(jù)與Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事還發(fā)現(xiàn)了第二種與壓力感知相關(guān)的離子通道，并將其命名為Piezo2。研究還發(fā)現(xiàn)，通過對細(xì)胞膜施加壓力，Piezo1和Piezo2離子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上發(fā)表了一系列論文，證明了Piezo2離子通道對觸覺至關(guān)重要，此外還在身體位置和運(yùn)動感知方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

朱利葉斯和帕塔普蒂安的工作還有助于理解與感知溫度或機(jī)械刺激相關(guān)的許多其他的生理功能。例如，Piezo1和Piezo2通道可以調(diào)節(jié)血壓、呼吸和膀胱控制等重要生理過程。相關(guān)成果正在被用于開發(fā)治療慢性疼痛等疾病的療法。

物理學(xué)獎：全球變暖能夠可靠預(yù)測

大氣中二氧化碳含量的增加，如何導(dǎo)致地球表面溫度升高？地球氣候要如何變化？人類又會如何影響它？

這一切有關(guān)“天注定”的事情找到了科學(xué)的預(yù)測方案。

10月5日2021年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，授予美國普林斯頓大學(xué)高級氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國漢堡馬克斯普朗克氣象研究所教授克勞斯·哈塞爾曼，以表彰他們“用于地球氣候的物理建模，量化可變性并可靠地預(yù)測全球變暖”，另外一半由意大利羅馬大學(xué)教授喬治·帕里西共享，他“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動之間的相互作用”。

諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)撸▓D/新華網(wǎng)）

來自諾貝爾獎委員會的說法是：3位獲獎?wù)咭驅(qū)煦绾兔黠@隨機(jī)現(xiàn)象的研究而分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼為我們了解地球氣候以及人類如何影響它奠定了基礎(chǔ)。喬治·帕里西因其對無序材料和隨機(jī)過程理論的革命性貢獻(xiàn)而獲獎。

1903年諾貝爾化學(xué)獎得主阿倫利烏斯揭開了關(guān)于二氧化碳影響的重要謎題。他得出的結(jié)論是，如果大氣中的二氧化碳水平減半，這足以讓地球進(jìn)入一個新的冰河時代。反之亦然——二氧化碳量增加一倍會使溫度升高5～6℃，這個結(jié)果在某種程度上與目前的估計(jì)值驚人地接近。

到了1960年，真鍋淑郎領(lǐng)導(dǎo)了地球氣候物理模型的開發(fā)，成為第一個探索輻射平衡與氣團(tuán)垂直輸送之間相互作用的人。他的工作為當(dāng)前氣候模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

為了使計(jì)算易于管理，真鍋淑郎選擇將模型縮小到一維，即一個垂直的柱子，距離大氣層40公里。模型發(fā)現(xiàn)氧氣和氮?dú)鈱Φ乇頊囟鹊挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，而二氧化碳則有明顯的影響：當(dāng)二氧化碳水平翻倍時，全球溫度升高了2℃以上。

真鍋淑郎獲得了解二氧化碳影響的開創(chuàng)性模型，1975年，該模型發(fā)表，成為了解氣候秘密道路上的又一個里程碑。1950年，德國漢堡的一位年輕的物理學(xué)博士生克勞斯·哈塞爾曼正在從事流體動力學(xué)研究，開發(fā)海浪和洋流的觀測和理論模型。

之后，克勞斯·哈塞爾曼搬到加利福尼亞繼續(xù)從事海洋學(xué)研究，見到了查爾斯·大衛(wèi)·基林等同事，還和他們一起創(chuàng)辦了一個牧歌合唱團(tuán)?？藙谒埂す麪柭恢?，在他后來的工作中，他會經(jīng)常使用基林曲線，該曲線顯示二氧化碳水平的變化。

研究中， 克勞斯·哈塞爾曼創(chuàng)建了將天氣和氣候聯(lián)系在一起的模型，解決了為什么氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。

該模型清楚地顯示了加速的溫室效應(yīng)：自19世紀(jì)中葉以來，大氣中的二氧化碳含量增加了40%。溫度測量表明，在過去的150年中，全球溫度升高了1℃。

他的方法已被用來證明大氣溫度升高是由于人類排放的二氧化碳。

又過了10年，大約在1980年，喬治·帕里西在無序的復(fù)雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的模式，使理解和描述許多不同的、顯然完全隨機(jī)的材料和現(xiàn)象成為可能。這可應(yīng)用在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。他的發(fā)現(xiàn)是對復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。

“今年的諾獎表明，我們對氣候的了解建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)之上，基于對觀測的嚴(yán)格分析。今年的獲獎?wù)叨紴槲覀兏钊氲亓私鈴?fù)雜物理系統(tǒng)的特性和演化作出了貢獻(xiàn)?！敝Z貝爾物理學(xué)委員會主席托爾斯·漢斯·漢森說。

諾貝爾化學(xué)獎：將分子構(gòu)建變?yōu)樗囆g(shù)

從太陽能電池到輕便跑鞋，再到治療各種疾病的藥物，許多工業(yè)產(chǎn)品依賴于化學(xué)家合成的能力。然而要讓肉眼不可見的化學(xué)成分按人類所需的方式合成新分子并非易事。2021年諾貝爾化學(xué)獎得主本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的成就是，各自獨(dú)立開發(fā)出一種分子構(gòu)建工具——不對稱有機(jī)催化，它廣泛用于新藥開發(fā)，并使化學(xué)合成變得更“綠色”。

工業(yè)制造中往往會涉及一系列繁復(fù)的化學(xué)反應(yīng)，為了提高生產(chǎn)效率，我們往往會采用“催化”來提高轉(zhuǎn)化效率、減少工業(yè)廢物，而催化劑是反應(yīng)進(jìn)行的助推器。正因?yàn)檫@些催化劑，人們才可以生產(chǎn)出例如藥品、塑料、香水等日常生活所需的數(shù)千種不同物質(zhì)。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，全球 GDP 總量的35% 都以某種方式與化學(xué)催化有關(guān)。

浙江大學(xué)有機(jī)與藥物化學(xué)研究所所長陸展介紹，不對稱催化往往可以分為不對稱金屬催化、不對稱酶催化以及不對稱有機(jī)催化。事實(shí)上，早在2001年，三位科學(xué)家憑借“手性催化氫化及氧化反應(yīng)”而獲得諾貝爾化學(xué)獎。三年前，又有三位科學(xué)家憑借“酶的定向演化以及用于多肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)”也獲得了諾貝爾化學(xué)獎?？梢哉f，這次本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的獲獎也是在情理之中。

2000年，戴維·麥克米倫在思考金屬不對稱催化難以進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的問題時，他發(fā)現(xiàn)那些敏感金屬使用起來實(shí)在是太麻煩、太貴了。于是，他選擇了結(jié)構(gòu)簡單，且廉價易設(shè)計(jì)的有機(jī)分子，在測試中，他發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子發(fā)揮了優(yōu)秀的催化作用，其中一些有機(jī)分子在不對稱催化方面也表現(xiàn)出色。為了研究方便，戴維·麥克米倫用“有機(jī)催化”這一術(shù)語來描述該方法。

諾貝爾化學(xué)獎獲獎?wù)撸▓D/《新京報》）

另一位諾獎得主本亞明·利斯特在研究催化抗體期間開始思考酶的實(shí)際工作原理。在沒有任何預(yù)期的情況下，他測試了脯氨酸是否可以催化羥醛反應(yīng)，這個簡單嘗試的結(jié)果出乎意料的好。通過實(shí)驗(yàn)，本亞明·利斯特不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑，而且證明這種氨基酸可以驅(qū)動不對稱催化。2000 年 2 月，他發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，并將有機(jī)分子參與的不對稱催化描述為一個充滿機(jī)會的新概念：“對這些催化劑的設(shè)計(jì)和篩選是我們未來的目標(biāo)之一?！?/p>

有機(jī)催化劑使用的迅速擴(kuò)大主要是由于其驅(qū)動不對稱催化的能力。當(dāng)分子形成時，通常會出現(xiàn)兩種不同的分子形成的情況，就像人體的左右手一樣，互為鏡像。然而在工業(yè)生產(chǎn)，特別是藥物生產(chǎn)時，通常只需要其中的一種，僅“左手”或者“右手”。不對稱有機(jī)催化中的“不對稱”意味著可識別，也就是能夠識別“左手”或者“右手”，即選擇需要的分子情況；而“有機(jī)催化”則意味著有機(jī)分子成為了催化劑，利用有機(jī)分子有選擇地對分子進(jìn)行催化反應(yīng)。

那么，不對稱有機(jī)催化有何獨(dú)特之處呢？陸展解釋道，在藥物分子合成的過程中，以往會使用高效的不對稱金屬催化，盡管作為催化劑的金屬用量很少，但仍存在一定的貴金屬殘留，為此，藥廠往往還需要花高額代價對藥物進(jìn)行提純。而采用有機(jī)催化時，不含有金屬，也就不存在這一問題。因此，區(qū)別于金屬和酶催化，有機(jī)催化具有低毒，對人體和環(huán)境友好的特性。“除此之外，有機(jī)催化還有使用、存儲及放大的技術(shù)難度較低，且可依據(jù)催化機(jī)理將反應(yīng)的普適類型做迭代設(shè)計(jì)，具有較高的可預(yù)測性等優(yōu)勢。當(dāng)然，它在催化活性和工作效率方面還有提升的空間。”陸展說。

揭曉現(xiàn)場，諾貝爾化學(xué)獎委員會主席約翰·奧克維斯特說：“催化的概念既簡單又巧妙，事實(shí)上，許多人都想知道為什么我們沒有更早地想到它。”其實(shí)，催化一直都在，巧妙地改變著我們的生活，正如科學(xué)家們探索的步伐，將一個個“催化反應(yīng)”為己所用，“催化”著科學(xué)技術(shù)不斷向前。（本刊綜合）■