人类智慧的星光——2021年诺贝尔自然科学奖解读

图/东方IC

10月4日至6日，诺贝尔自然科学奖三大奖项——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖逐一揭晓，为人类智慧文明的高塔再次垒上耀眼的一层。

2021年诺贝尔生理学或医学奖颁给了戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安，以表彰他们在发现温度与触觉“感受器”方面所做出的贡献；2021年诺贝尔物理学奖颁给了真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西，以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献”；2021年诺贝尔化学奖颁给了本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦，以表彰他们在发展不对称有机催化中的贡献。

这些科学家的研究成果不仅扩展了人类的认知，也成为人类知识大花园中最宝贵的花朵。

生理学或医学奖：破解人类感知之谜

人类对温度和触碰的感知能力对生存至关重要，这种能力支撑了人类与周围世界的互动，能够感知温度和触碰的神经脉冲是如何产生的。2021年诺贝尔生理学或医学奖得主戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安的工作帮助人类洞悉了其中的机理。

长久以来，人类对感知能力背后的机理充满好奇心，并提出过各种假说。约瑟夫·厄兰格和赫伯特·加瑟两位科学家曾发现，不同类型的感觉神经纤维可以对不同的刺激——例如对疼痛和非疼痛触碰——做出反应，两人因此获得1944年诺贝尔生理学或医学奖。自那时起，科学家发现神经细胞是高度专业化的，不同分工的神经细胞可以探测和转导不同类型刺激，并使人类能感知到周围环境的细微差别。

然而，在朱利叶斯和帕塔普蒂安的发现之前，人类对神经系统如何感知环境的理解仍然存在一片空白区域：温度和触碰如何在神经系统中转化为电脉冲？

20世纪90年代后期，在美国加利福尼亚大学旧金山分校工作的戴维·朱利叶斯通过分析辣椒素如何使人产生灼热感而取得重大进展。朱利叶斯和他的同事创建了一个由数百万个DNA(脱氧核糖核酸)片段组成的基因库，这些DNA 片段与能对疼痛、热和触碰做出反应的感觉神经元中表达的基因相对应。朱利叶斯和他的同事推测，该基因库中应该包含一个DNA 片段，它能编码一种可以对辣椒素做出反应的蛋白质。

经过艰苦的搜索，朱利叶斯和他的同事终于发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因。该基因编码了一种新的离子通道蛋白，这种对辣椒素敏感的蛋白被命名为TRPV1。当朱利叶斯进一步研究TRPV1蛋白对热的反应能力时，他意识到自己发现了一种对热敏感的受体，这种受体在机体感觉到疼痛的温度下能被激活。

TRPV1的发现使人们了解到温度差异如何在神经系统中诱发电信号，该发现还引领了其他对温度敏感受体的研究之路。此后，朱利叶斯和帕塔普蒂安分别独立利用化学物质薄荷醇发现了一种能被寒冷激活的受体TRPM8。

2021 年诺贝尔生理学或医学奖获奖者（图/澎湃新闻）

为了解释机械刺激如何转为触觉，在美国斯克里普斯研究所工作的帕塔普蒂安希望找出被机械刺激激活的受体。帕塔普蒂安和他的同事首先发现了一种细胞系，当其中单个细胞被微管戳到时，该细胞系会发出可测量的电信号。他们随后筛选并鉴定出72个候选基因，通过将这些基因逐个关闭，成功识别出一个对机械刺激敏感的基因。当该基因关闭后，细胞对被微管戳到的压力不再敏感。

帕塔普蒂安和他的同事发现的是一种全新的压力敏感离子通道，他们将其命名为Piezo1。这个词来源于希腊语中的“压力”一词。根据与Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事还发现了第二种与压力感知相关的离子通道，并将其命名为Piezo2。研究还发现，通过对细胞膜施加压力，Piezo1和Piezo2离子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他团队在此基础上发表了一系列论文，证明了Piezo2离子通道对触觉至关重要，此外还在身体位置和运动感知方面发挥着关键作用。

朱利叶斯和帕塔普蒂安的工作还有助于理解与感知温度或机械刺激相关的许多其他的生理功能。例如，Piezo1和Piezo2通道可以调节血压、呼吸和膀胱控制等重要生理过程。相关成果正在被用于开发治疗慢性疼痛等疾病的疗法。

物理学奖：全球变暖能够可靠预测

大气中二氧化碳含量的增加，如何导致地球表面温度升高？地球气候要如何变化？人类又会如何影响它？

这一切有关“天注定”的事情找到了科学的预测方案。

10月5日2021年诺贝尔物理学奖揭晓，授予美国普林斯顿大学高级气象学家真锅淑郎和德国汉堡马克斯普朗克气象研究所教授克劳斯·哈塞尔曼，以表彰他们“用于地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”，另外一半由意大利罗马大学教授乔治·帕里西共享，他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用”。

诺贝尔物理学奖获奖者（图/新华网）

来自诺贝尔奖委员会的说法是：3位获奖者因对混沌和明显随机现象的研究而分享了今年的诺贝尔物理学奖。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定了基础。乔治·帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。

1903年诺贝尔化学奖得主阿伦利乌斯揭开了关于二氧化碳影响的重要谜题。他得出的结论是，如果大气中的二氧化碳水平减半，这足以让地球进入一个新的冰河时代。反之亦然——二氧化碳量增加一倍会使温度升高5～6℃，这个结果在某种程度上与目前的估计值惊人地接近。

到了1960年，真锅淑郎领导了地球气候物理模型的开发，成为第一个探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。

为了使计算易于管理，真锅淑郎选择将模型缩小到一维，即一个垂直的柱子，距离大气层40公里。模型发现氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，而二氧化碳则有明显的影响：当二氧化碳水平翻倍时，全球温度升高了2℃以上。

真锅淑郎获得了解二氧化碳影响的开创性模型，1975年，该模型发表，成为了解气候秘密道路上的又一个里程碑。1950年，德国汉堡的一位年轻的物理学博士生克劳斯·哈塞尔曼正在从事流体动力学研究，开发海浪和洋流的观测和理论模型。

之后，克劳斯·哈塞尔曼搬到加利福尼亚继续从事海洋学研究，见到了查尔斯·大卫·基林等同事，还和他们一起创办了一个牧歌合唱团。克劳斯·哈塞尔曼不知道，在他后来的工作中，他会经常使用基林曲线，该曲线显示二氧化碳水平的变化。

研究中， 克劳斯·哈塞尔曼创建了将天气和气候联系在一起的模型，解决了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。

该模型清楚地显示了加速的温室效应：自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%。温度测量表明，在过去的150年中，全球温度升高了1℃。

他的方法已被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

又过了10年，大约在1980年，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式，使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能。这可应用在物理学、数学、生物学、神经科学和机器学习等领域。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

“今年的诺奖表明，我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上，基于对观测的严格分析。今年的获奖者都为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化作出了贡献。”诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森说。

诺贝尔化学奖：将分子构建变为艺术

从太阳能电池到轻便跑鞋，再到治疗各种疾病的药物，许多工业产品依赖于化学家合成的能力。然而要让肉眼不可见的化学成分按人类所需的方式合成新分子并非易事。2021年诺贝尔化学奖得主本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦的成就是，各自独立开发出一种分子构建工具——不对称有机催化，它广泛用于新药开发，并使化学合成变得更“绿色”。

工业制造中往往会涉及一系列繁复的化学反应，为了提高生产效率，我们往往会采用“催化”来提高转化效率、减少工业废物，而催化剂是反应进行的助推器。正因为这些催化剂，人们才可以生产出例如药品、塑料、香水等日常生活所需的数千种不同物质。事实上，据估计，全球 GDP 总量的35% 都以某种方式与化学催化有关。

浙江大学有机与药物化学研究所所长陆展介绍，不对称催化往往可以分为不对称金属催化、不对称酶催化以及不对称有机催化。事实上，早在2001年，三位科学家凭借“手性催化氢化及氧化反应”而获得诺贝尔化学奖。三年前，又有三位科学家凭借“酶的定向演化以及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术”也获得了诺贝尔化学奖。可以说，这次本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦的获奖也是在情理之中。

2000年，戴维·麦克米伦在思考金属不对称催化难以进行工业应用的问题时，他发现那些敏感金属使用起来实在是太麻烦、太贵了。于是，他选择了结构简单，且廉价易设计的有机分子，在测试中，他发现有机分子发挥了优秀的催化作用，其中一些有机分子在不对称催化方面也表现出色。为了研究方便，戴维·麦克米伦用“有机催化”这一术语来描述该方法。

诺贝尔化学奖获奖者（图/《新京报》）

另一位诺奖得主本亚明·利斯特在研究催化抗体期间开始思考酶的实际工作原理。在没有任何预期的情况下，他测试了脯氨酸是否可以催化羟醛反应，这个简单尝试的结果出乎意料的好。通过实验，本亚明·利斯特不仅证明脯氨酸是一种有效的催化剂，而且证明这种氨基酸可以驱动不对称催化。2000 年 2 月，他发表了这一发现，并将有机分子参与的不对称催化描述为一个充满机会的新概念：“对这些催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一。”

有机催化剂使用的迅速扩大主要是由于其驱动不对称催化的能力。当分子形成时，通常会出现两种不同的分子形成的情况，就像人体的左右手一样，互为镜像。然而在工业生产，特别是药物生产时，通常只需要其中的一种，仅“左手”或者“右手”。不对称有机催化中的“不对称”意味着可识别，也就是能够识别“左手”或者“右手”，即选择需要的分子情况；而“有机催化”则意味着有机分子成为了催化剂，利用有机分子有选择地对分子进行催化反应。

那么，不对称有机催化有何独特之处呢？陆展解释道，在药物分子合成的过程中，以往会使用高效的不对称金属催化，尽管作为催化剂的金属用量很少，但仍存在一定的贵金属残留，为此，药厂往往还需要花高额代价对药物进行提纯。而采用有机催化时，不含有金属，也就不存在这一问题。因此，区别于金属和酶催化，有机催化具有低毒，对人体和环境友好的特性。“除此之外，有机催化还有使用、存储及放大的技术难度较低，且可依据催化机理将反应的普适类型做迭代设计，具有较高的可预测性等优势。当然，它在催化活性和工作效率方面还有提升的空间。”陆展说。

揭晓现场，诺贝尔化学奖委员会主席约翰·奥克维斯特说：“催化的概念既简单又巧妙，事实上，许多人都想知道为什么我们没有更早地想到它。”其实，催化一直都在，巧妙地改变着我们的生活，正如科学家们探索的步伐，将一个个“催化反应”为己所用，“催化”着科学技术不断向前。（本刊综合）■