伴隨錯愕和激動，2021年斯德哥爾摩之旅開啟

編譯 劉迪一

科學家有時會將贏得諾貝爾獎比作“斯德哥爾摩之旅”。但由于全球疫情，今年和去年一樣 ，這趟獲獎旅程只能在線上完成。當然，云頒獎應該是不會減弱獲獎者的喜悅之情的。

物理學獎被授予三位科學家。他們研究復雜、混沌和明顯隨機的物理系統，并開發了預測系統長期行為的方法，其成果惠及從氣候研究到特殊材料研發等眾多領域。1 000萬瑞典克朗（約合736.8萬人民幣）的獎金一半由普林斯頓大學的真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和馬克斯·普朗克氣象研究所的克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）分享，另一半歸屬羅馬大學的喬治·帕里西（Giorgio Parisi）。

瑞典皇家科學院諾貝爾物理學委員會表示，真鍋淑郎和哈塞爾曼奠定了地球氣候模型的基礎，“量化了可變性并可靠地預測全球變暖”；帕里西博士則因發現“從原子到行星尺度的物理系統中的無序和漲落的相互作用”而獲獎。

熱和光

在20世紀60年代，大氣科學家真鍋淑郎將自己對地球大氣的新穎的動力學和熱力學見解相結合，做出第一個可靠的預測，即二氧化碳濃度增加一倍會使地球表面溫度升高。他的工作推動了地球氣候物理模型的發展，也為今天我們所使用的氣候模型奠定了基礎。

大約在同一時間，麻省理工學院的愛德華·洛倫茲（Edward Lorenz）等科學家開始將天氣描述為一個混沌系統——換言之，它有許多相互作用的獨立成分，例如溫度、壓力、濕度和風速，即使是初始條件的微小變化也可能導致后期的巨大差異。在這種描述體系中，天氣變化是很快的，即便是未來幾天內的天氣也基本不可預測。

哈塞爾曼在20世紀70年代開發的氣候模型能相對可靠地預測較長時間段內的地球氣候變化（短期的天氣變化難以預測）。他在描述自己的工作時，用布朗運動——植物學家羅伯特·布朗（Robert Brown）于1827年首次在顯微鏡下觀察到花粉在水中無規則的運動——進行了類比；近80年后，阿爾伯特·愛因斯坦假設可以用更微小、快速移動的水分子的持續轟擊來解釋這些花粉的運動。大尺度的氣候變化同樣能被視為許多較小事件共同引發的結果。

1980年左右，帕里西發現了一些控制明顯隨機現象的規則。他研究了一種被稱為“自旋玻璃”的材料。在這種材料中，鐵原子隨機混入到銅原子的矩陣里。每個鐵原子都是微型磁鐵，不過在正常的磁化金屬塊中，它們的南北兩極都指向同一個方向，但在自旋玻璃中的情況就不一樣了。帕里西設計了一種方法來了解它們如何找到最佳方向。他的數學思想不僅有助于解釋地球氣候的一些復雜系統，還闡明了動物行為、神經科學和機器學習等不同領域中其他明顯隨機現象。

今年的物理學獎得主是第一組因理解氣候而被諾獎委員會垂青的科學家。而當委員會成員被問及這份垂青是不是他們——在第26屆聯合國氣候變化大會（COP26）于格拉斯哥舉辦的前夕——向世界各國領導人傳達的一個不那么微妙的信號時，他們表示，諾貝爾獎項旨在頌揚那些獲獎發現本身。此外，他們還補充道，這也表明氣候建模和全球變暖的概念依賴于堅實的物理科學。人類再也不能說自己不知道地球是怎么樣的，或者為什么變暖的了。

第三催化劑

馬克斯·普朗克煤炭研究所的本杰明·李斯特（Benjamin List）和普林斯頓大學的戴維·麥克米蘭（David MacMillan）共同獲得化學獎。他們在2000年獨自研發了基于有機小分子的催化劑（當時他們不知道對方的研究情況）——這是酶和過渡金屬之后的第三種催化劑。

一些化學反應速度很快，但大多數——包括許多具有重要工業意義的——需要催化劑的幫助。生物體進化出了酶形式的催化劑，它們是尺寸大、結構復雜且有時會“喜怒無常”的蛋白質分子，其優點在于它們能創建出光學異構體——互為鏡像的一對分子。這對制藥行業意義重大，因為不同的對映異構體能在機體內產生不同的影響。此外，如果你選對了酶，往往只需區區幾個階段，多步反應便可完成。

過渡金屬，例如銅、鎳和鐵，是元素周期表中間區域的金屬，其原子核周圍的電子層結構相當復雜，這意味著它們在化學層面上“多才多藝”，也令其成為良好的催化劑。過渡金屬催化劑比酶更容易處理，但我們通常無法區分對映異構體；另一方面，過渡金屬化合物往往是有毒的，會對環境造成不良影響；此外，它們參與催化的多步驟反應可能會很冗長。

李斯特和麥克米蘭找到了一種兩全其美的方法：他們研發的不含金屬原子的小分子催化劑能生成純對映異構體，而且通常可以簡化多步反應。這具有重大的工業意義。

李斯特把目光聚焦于可催化羥醛縮合反應的醛縮酶a。羥醛縮合是碳原子間形成分子鍵的一種重要形式。醛縮酶a由350個氨基酸組成，不過真正發揮作用的只有其中3種——賴氨酸、谷氨酸和酪氨酸。鑒于此，他想知道能否把醛縮酶a的活性中心給分離出來，同時保持其活性。事實上，他做得比自己期待的更好。李斯特成功證明了醛醇縮合反應是可以由單個脯氨酸催化的；而且至關重要的是，這保留了酶介導反應的對映體純度。

麥克米蘭選擇從問題的另一個角度出發，試圖從參與狄爾斯-阿爾德反應過程的催化劑中去除金屬，也就是銅。狄爾斯-阿爾德反應是一種將兩個分子（其中一個含有四個碳原子，另一個則含有兩個碳）連接成一個六碳環的過程。六碳環在有機化學中無處不在，也可以引入各種各樣的側基。麥克米蘭發現他可以通過使用咪唑烷酮（不含金屬）來催化狄爾斯-阿爾德反應，以激活含兩個碳原子的反應物，進而積極地與其四碳“伙伴”反應結合。

李斯特和麥克米蘭的工作直接開啟了不對稱有機催化這一全新的化學領域。該領域目前正在工業界大放異彩。

感覺與感知

人體的五感設定可以追溯至古希臘的亞里士多德。其中的四種感覺顯而易見，因為它們都與特定器官有關：視覺對應眼睛，聽覺對應耳朵，味覺靠舌頭，嗅覺用鼻子。但那第五種經典感覺——觸覺，卻分布于整個身體表面——當然，指尖是絕對的觸感聚集地。

此外，觸覺只是諸多分布式感覺里的一種，此外人體也能有意識地感知包括疼痛、熱和冷等感覺。另外現代科學發現，人體也存在無意識感知的感覺，并將其統稱為本體感覺。它們跟蹤身體及其各部位的位置和運動。今年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了發現兩種分布式感覺——溫度和機械刺激——的分子機制的科學家。

他們分別是來自加州大學舊金山分校的大衛·朱利葉斯（David Julius）和斯克利普斯研究所的阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）。朱利葉斯率先在溫度感知方面做出了開創性的成果，之后帕塔普蒂安成為朱利葉斯的同行，不過兩人各自獨立開展工作。帕塔普蒂安博士后來轉向了對機械刺激的研究。

20世紀90年代后期，朱利葉斯博士開始研究辣椒素（辣椒的活性成分）。由于一個化學巧合（正如當時假設的和現在已知的那樣），辣椒素與人體的一種熱受體蛋白發生反應，進而激活了它。朱利葉斯試圖確定這一辣椒素的受體蛋白質是什么。為此，他針對那些已知在熱受體細胞中具有活性的蛋白質制備了海量基因片段，然后將這些片段引入其他細胞，令其生產相應的蛋白質片段。完成后，他測試了改變的細胞對辣椒素的敏感性。

結果證明，引起辣椒素敏感性的片段是辣椒素型瞬時受體電位蛋白（TRPV1）的一部分。TRPV1是一種精妙的非選擇性陽離子配體門控通道，對鈣離子具有高通透性，負責人體內的很多工作。朱利葉斯發現TRPV1的確如預測的那般對熱敏感：當溫度升至43攝氏度以上后，它的通道會打開，允許鈣和鈉離子通過；而這種化學信號又會激發神經沖動，讓大腦知道溫度有變。

帕塔普蒂安在將目光轉向觸覺后就一直深耕此方向。在他研究期間，分子生物學取得了極大進展，這令他有能力處理完整蛋白質——或者更確切地說，完整蛋白質的基因。他鑒定了72種在機械敏感細胞系中表達的蛋白質——它們看起來像是潛在的觸敏（或者說機械敏感性）離子通道。他通過使編碼蛋白質的基因沉默，然后一次一個地測試細胞的敏感性，最終找到了那個對壓力敏感的Piezo1蛋白。

自然界生物體內的Piezo1并非存在于它們的感覺神經元內，而是位于膀胱等非常倚靠壓力敏感度的器官中。不過帕塔普蒂安發現了一個藏在神經末梢里的類似Piezo1的通道——Piezo2，負責觸摸和本體感覺。

資料來源 The Economist