人類智慧的星光
——2021年諾貝爾自然科學獎解讀

圖/東方IC

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

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

這些科學家的研究成果不僅擴展了人類的認知，也成為人類知識大花園中最寶貴的花朵。

生理學或醫學獎：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脈沖是如何產生的。2021年諾貝爾生理學或醫學獎得主戴維·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理。

長久以來，人類對感知能力背后的機理充滿好奇心，并提出過各種假說。約瑟夫·厄蘭格和赫伯特·加瑟兩位科學家曾發現，不同類型的感覺神經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，兩人因此獲得1944年諾貝爾生理學或醫學獎。自那時起，科學家發現神經細胞是高度專業化的，不同分工的神經細胞可以探測和轉導不同類型刺激，并使人類能感知到周圍環境的細微差別。

然而，在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發現之前，人類對神經系統如何感知環境的理解仍然存在一片空白區域：溫度和觸碰如何在神經系統中轉化為電脈沖？

20世紀90年代后期，在美國加利福尼亞大學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生灼熱感而取得重大進展。朱利葉斯和他的同事創建了一個由數百萬個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、熱和觸碰做出反應的感覺神經元中表達的基因相對應。朱利葉斯和他的同事推測，該基因庫中應該包含一個DNA 片段，它能編碼一種可以對辣椒素做出反應的蛋白質。

經過艱苦的搜索，朱利葉斯和他的同事終于發現了一個能夠使細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。當朱利葉斯進一步研究TRPV1蛋白對熱的反應能力時，他意識到自己發現了一種對熱敏感的受體，這種受體在機體感覺到疼痛的溫度下能被激活。

TRPV1的發現使人們了解到溫度差異如何在神經系統中誘發電信號，該發現還引領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立利用化學物質薄荷醇發現了一種能被寒冷激活的受體TRPM8。

2021 年諾貝爾生理學或醫學獎獲獎者（圖/澎湃新聞）

為了解釋機械刺激如何轉為觸覺，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械刺激激活的受體。帕塔普蒂安和他的同事首先發現了一種細胞系，當其中單個細胞被微管戳到時，該細胞系會發出可測量的電信號。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閉，成功識別出一個對機械刺激敏感的基因。當該基因關閉后，細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現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。根據與Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事還發現了第二種與壓力感知相關的離子通道，并將其命名為Piezo2。研究還發現，通過對細胞膜施加壓力，Piezo1和Piezo2離子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他團隊在此基礎上發表了一系列論文，證明了Piezo2離子通道對觸覺至關重要，此外還在身體位置和運動感知方面發揮著關鍵作用。

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械刺激相關的許多其他的生理功能。例如，Piezo1和Piezo2通道可以調節血壓、呼吸和膀胱控制等重要生理過程。相關成果正在被用于開發治療慢性疼痛等疾病的療法。

物理學獎：全球變暖能夠可靠預測

大氣中二氧化碳含量的增加，如何導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“天注定”的事情找到了科學的預測方案。

10月5日2021年諾貝爾物理學獎揭曉，授予美國普林斯頓大學高級氣象學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測全球變暖”，另外一半由意大利羅馬大學教授喬治·帕里西共享，他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動之間的相互作用”。

諾貝爾物理學獎獲獎者（圖/新華網）

來自諾貝爾獎委員會的說法是：3位獲獎者因對混沌和明顯隨機現象的研究而分享了今年的諾貝爾物理學獎。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。喬治·帕里西因其對無序材料和隨機過程理論的革命性貢獻而獲獎。

1903年諾貝爾化學獎得主阿倫利烏斯揭開了關于二氧化碳影響的重要謎題。他得出的結論是，如果大氣中的二氧化碳水平減半，這足以讓地球進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℃，這個結果在某種程度上與目前的估計值驚人地接近。

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

為了使計算易于管理，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。模型發現氧氣和氮氣對地表溫度的影響可以忽略不計，而二氧化碳則有明顯的影響：當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性模型，1975年，該模型發表，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博士生克勞斯·哈塞爾曼正在從事流體動力學研究，開發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從事海洋學研究，見到了查爾斯·大衛·基林等同事，還和他們一起創辦了一個牧歌合唱團。克勞斯·哈塞爾曼不知道，在他后來的工作中，他會經常使用基林曲線，該曲線顯示二氧化碳水平的變化。

研究中， 克勞斯·哈塞爾曼創建了將天氣和氣候聯系在一起的模型，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：自19世紀中葉以來，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·帕里西在無序的復雜材料中發現了隱藏的模式，使理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的材料和現象成為可能。這可應用在物理學、數學、生物學、神經科學和機器學習等領域。他的發現是對復雜系統理論最重要的貢獻之一。

“今年的諾獎表明，我們對氣候的了解建立在堅實的科學基礎之上，基于對觀測的嚴格分析。今年的獲獎者都為我們更深入地了解復雜物理系統的特性和演化作出了貢獻。”諾貝爾物理學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森說。

諾貝爾化學獎：將分子構建變為藝術

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

工業制造中往往會涉及一系列繁復的化學反應，為了提高生產效率，我們往往會采用“催化”來提高轉化效率、減少工業廢物，而催化劑是反應進行的助推器。正因為這些催化劑，人們才可以生產出例如藥品、塑料、香水等日常生活所需的數千種不同物質。事實上，據估計，全球 GDP 總量的35% 都以某種方式與化學催化有關。

浙江大學有機與藥物化學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催化。事實上，早在2001年，三位科學家憑借“手性催化氫化及氧化反應”而獲得諾貝爾化學獎。三年前，又有三位科學家憑借“酶的定向演化以及用于多肽和抗體的噬菌體展示技術”也獲得了諾貝爾化學獎。可以說，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行工業應用的問題時，他發現那些敏感金屬使用起來實在是太麻煩、太貴了。于是，他選擇了結構簡單，且廉價易設計的有機分子，在測試中，他發現有機分子發揮了優秀的催化作用，其中一些有機分子在不對稱催化方面也表現出色。為了研究方便，戴維·麥克米倫用“有機催化”這一術語來描述該方法。

諾貝爾化學獎獲獎者（圖/《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際工作原理。在沒有任何預期的情況下，他測試了脯氨酸是否可以催化羥醛反應，這個簡單嘗試的結果出乎意料的好。通過實驗，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動不對稱催化。2000 年 2 月，他發表了這一發現，并將有機分子參與的不對稱催化描述為一個充滿機會的新概念：“對這些催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一。”

有機催化劑使用的迅速擴大主要是由于其驅動不對稱催化的能力。當分子形成時，通常會出現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。然而在工業生產，特別是藥物生產時，通常只需要其中的一種，僅“左手”或者“右手”。不對稱有機催化中的“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“有機催化”則意味著有機分子成為了催化劑，利用有機分子有選擇地對分子進行催化反應。

那么，不對稱有機催化有何獨特之處呢？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行提純。而采用有機催化時，不含有金屬，也就不存在這一問題。因此，區別于金屬和酶催化，有機催化具有低毒，對人體和環境友好的特性。“除此之外，有機催化還有使用、存儲及放大的技術難度較低，且可依據催化機理將反應的普適類型做迭代設計，具有較高的可預測性等優勢。當然，它在催化活性和工作效率方面還有提升的空間。”陸展說。

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