“诺奖科技”如何影响我们的生活

李伟

近日，2021年诺贝尔奖揭晓，7位科学家分享了化学、物理学和生理学或医学三个自然科学类奖项。“诺奖科技”并不只是象牙塔中的科研成果和理论模型，它们已经被应用于多个领域，影响着我们的日常生活。

2021年诺贝尔化学奖被授予美国科学家戴维·麦克米伦和德国科学家本杰明·李斯特，以表彰他们在“有机催化”方面所作出的贡献。

金属是化工领域常用的催化剂，它们有一种特殊的能力——在化学反应过程中暂时将电子提供给反应物。这有助于松开原子之间的连接，分子的牢固结构被打破，从而生成新的物质。不过，很多金属催化剂对氧气和水非常敏感。为了使它们发挥作用，往往需要创造没有氧气和水分的环境，而这在大型工业体系中很难实现。另外，有些金屬催化剂属于有毒重金属，会对环境造成危害。

戴维·麦克米伦设计出一些简单的有机分子，让它们替代金属充当催化剂，提供电子促进化学反应，生成新的物质。麦克米伦测试了几种有机分子驱动化学反应的能力。正如他所预期的，这一方法非常奏效。

除了金属，另一种有效的催化剂是酶。生物体含有成千上万种酶，驱动着各种各样的化学反应。很多酶都是“催化专家”，而且会“接力”工作——当一种酶完成一个阶段的反应后，另一种酶就会接手，继续推进反应。酶可以以惊人的精确度构建复杂的分子，创造人类所需的各种物质，如叶绿素、抗菌素等。

一种酶由数百种氨基酸组成，在它作为催化剂时，通常只有少数氨基酸参与化学反应。化学反应会产生大量无用的工业废料，非常不利于环保。

本杰明·李斯特跳出常规思维，提出疑问：氨基酸必须作为酶的一部分才能催化化学反应吗？只用氨基酸或其他类似的简单分子能完成同样的工作吗？于是，他尝试直接用氨基酸催化化学反应，最终取得了巨大的成功。

麦克米伦和李斯特的研究可谓殊途同归，即用新型有机物替代传统的催化剂。这种催化方式被称为“有机催化”，它能更高效地创建分子结构，生成有用的化合物，并大幅缩减工业化学反应的无用副产品，减小对环境的影响。

关于“有机催化”如何改变我们的生活，可以举出成百上千的例子。研究人员通过“有机催化”大大简化了医用抗菌素的生产过程，将生产效率提高数千倍！利用“有机催化”，可以通过相对简单的程序制造出大量独特的分子，极大地丰富人们的“药箱”。例如，一些原本只能从稀有植物或深海生物中分离出来的药物，现在可以快速地批量生产。用于治疗焦虑和抑郁的帕罗西汀，以及用于治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦，都可以通过“有机催化”快速量产。

2021年诺贝尔生理学或医学奖由美国科学家戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安分享，以表彰他们在神经“感应器”方面的发现，以及基于此开发的“离子通道”技术。

人类是如何感知环境刺激的？眼睛如何探测到光？声波如何影响我们的内耳？不同的化合物如何对我们鼻子和嘴巴中的“感应器”施加影响，从而产生气味和味道？还有阳光的照射、微风的轻拂……在日常生活中，我们认为这些感觉是自然产生的，但人体的神经冲动是如何启动，从而感知外部刺激的呢？

美国加州大学旧金山分校教授戴维·朱利叶斯，利用辣椒素识别出了皮肤神经末梢中对热量作出反应的“感应器”;斯克利普斯研究所的阿德姆·帕塔普蒂安利用压敏细胞，发现了皮肤和内脏细胞中对刺激作出反应的“感应器”。他们两人基于这一突破性发现，开发出模拟感应技术，即“离子通道”技术。他们的研究成果不仅明确了人类神经系统感知温度、压力和其他刺激的原理，而且有助于开发仿生感应器。

戴维·朱利叶斯利用辣椒素识别出神经末梢中的“感应器”

“离子通道”技术对于元宇宙的发展至关重要

“离子通道”技术可以帮助病患减轻疼痛等不良感受。该技术更广阔的应用前景，在于两个潜在的重要领域。

一是元宇宙。它被认为是互联网发展的下一阶段，是由增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、3D和AI等技术支持的虚拟现实网络世界。如果人们能够通过各种设备将自己与电脑系统和互联网连接，就能感受虚拟世界。“离子通道”技术的加持，可以把元宇宙中人物的感觉转移到现实中的人身上。

二是仿真人。机器人研究领域有一个重要方向：让机器人与人越来越像。美国波士顿动力公司开发的新型机器人，无论走路还是跑步，其动作、姿态已经与人类一般无二。通过机器学习，有望让机器人学会像人一样思考。如果再引入“离子通道”技术，那么仿真人就有可能研发成功。它们对环境刺激的感受将与人类一样，有助于提高其感应和行动能力。

2021年诺贝尔物理学奖由三位科学家分享，以分别表彰他们在温室气体导致气候变化以及“自旋玻璃”模型领域的贡献。

日裔美国科学家真锅淑郎和他带领的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的团队，设置了一个简化模型，分析了大气的“辐射—对流”平衡模式，并研究了水蒸气所产生的效应。真锅淑郎发现，随着大气中二氧化碳浓度的增大，地球表面和对流层的温度会上升，而平流层的温度会下降。

德国科学家克劳斯·哈塞尔曼建立了描述气候变化的随机模型（哈塞尔曼模型）。在这个模型中，长时间的气候变化被解释为短时间的天气变化的累积，在随机的天气变化情况和稳定的气候变化趋势之间架起了一座桥梁。此外，他还开发了一系列识别自然现象和人类活动在气候中留下的印迹的方法。

真锅淑郎和哈塞尔曼的研究成果都证明，大气温度的升高是人类过度排放二氧化碳造成的。这一研究成果成为全球各国实施碳减排战略的理论基础。

意大利科学家乔治·帕里西在“自旋玻璃”模型领域的研究取得了重要成果。“自旋玻璃”是一种非常复杂的材料模型，可以用来描述各种无序材料（胶体、颗粒等），也可以用来描述各种包含复杂相互作用的系统，例如大脑、网络、市场、某个特殊人群等等。

帕里西推动了“自旋玻璃”模型在分析蛋白质结构方面的应用。蛋白质的分子结构与其功能密切相关。只有知道一种蛋白质的分子是如何折叠的，我们才能知晓其能够发挥的作用。例如，胰岛素如何控制血液中糖分的含量，抗体如何对抗冠状病毒，这些都由相关蛋白质分子的结构决定。科研领域的许多重大挑战，如研究某种疾病的治疗方法，或者开发分解某种工业废物的制剂，从根本上说都与蛋白质及其发挥的作用有关。

分析蛋白质结构一直是科研领域的巨大挑战。传统的分析方法需要进行大量的试验并改正错误，往往要花费数年的时间来完成一组分析，且需要价值数百万美元的专用设备。采用“自旋玻璃”模型分析一组蛋白质的结构，可以将所需的时间缩短到传统分析方法的十分之一到二十分之一，将成本缩减到百分之一。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com