人類智慧的星光

10月4日至6日，諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)三大獎(jiǎng)項(xiàng)——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)?lì)C給了戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安，以表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)溫度與觸覺(jué)“感受器”方面所做出的貢獻(xiàn);2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C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(duì)“理解復(fù)雜物理系統(tǒng)做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)”;2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫，以表彰他們?cè)诎l(fā)展不對(duì)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(shí)大花園中最寶貴的花朵。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：破解人類感知之謎

人類對(duì)溫度和觸碰的感知能力對(duì)生存至關(guān)重要，這種能力支撐了人類與周圍世界的互動(dòng)，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(jiǎng)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(zhǎng)久以來(lái)，人類對(duì)感知能力背后的機(jī)理充滿好奇心，并提出過(guò)各種假說(shuō)。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(jué)神經(jīng)纖維可以對(duì)不同的刺激——例如對(duì)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(jiǎng)。自那時(shí)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(cè)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(duì)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(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校工作的戴維·朱利葉斯通過(guò)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(gè)由數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA（脫氧核糖核酸）片段組成的基因庫(kù)，這些DNA片段與能對(duì)疼痛、熱和觸碰做出反應(yīng)的感覺(jué)神經(jīng)元中表達(dá)的基因相對(duì)應(yīng)。朱利葉斯和他的同事推測(cè)，該基因庫(kù)中應(yīng)該包含一個(gè)DNA片段，它能編碼一種可以對(duì)辣椒素做出反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

經(jīng)過(guò)艱苦的搜索，朱利葉斯和他的同事終于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠使細(xì)胞對(duì)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(duì)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(duì)熱的反應(yīng)能力時(shí)，他意識(shí)到自己發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)熱敏感的受體，這種受體在機(jī)體感覺(jué)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(hào)，該發(fā)現(xiàn)還引領(lǐng)了其他對(duì)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。

為了解釋機(jī)械刺激如何轉(zhuǎn)為觸覺(jué)，在美國(guó)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(gè)細(xì)胞被微管戳到時(shí)，該細(xì)胞系會(huì)發(fā)出可測(cè)量的電信號(hào)。他們隨后篩選并鑒定出72個(gè)候選基因，通過(guò)將這些基因逐個(gè)關(guān)閉，成功識(shí)別出一個(gè)對(duì)機(jī)械刺激敏感的基因。當(dāng)該基因關(guān)閉后，細(xì)胞對(duì)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(gè)詞來(lái)源于希臘語(yǔ)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(guò)對(duì)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(duì)觸覺(jué)至關(guān)重要，此外還在身體位置和運(yùn)動(dòng)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(guò)程。相關(guān)成果正在被用于開(kāi)發(fā)治療慢性疼痛等疾病的療法。

物理學(xué)獎(jiǎng)：全球變暖能夠可靠預(yù)測(cè)

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(huì)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(cè)方案。

10月5日2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，授予美國(guó)普林斯頓大學(xué)高級(jí)氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國(guó)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(cè)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(wú)序和波動(dòng)之間的相互作用”。

來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的說(shuō)法是：3位獲獎(jiǎng)?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(jiǎng)。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(duì)無(wú)序材料和隨機(jī)過(guò)程理論的革命性貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。

1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主阿倫利烏斯揭開(kāi)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(gè)新的冰河時(shí)代。反之亦然——二氧化碳量增加一倍會(huì)使溫度升高5～6℃，這個(gè)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(kāi)發(fā)，成為第一個(gè)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(gè)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?duì)地表溫度的影響可以忽略不計(jì)，而二氧化碳則有明顯的影響：當(dāng)二氧化碳水平翻倍時(shí)，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(kāi)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(gè)里程碑。1950年，德國(guó)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(dòng)力學(xué)研究，開(kāi)發(fā)海浪和洋流的觀測(cè)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(jiàn)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(gè)牧歌合唱團(tuán)?？藙谒埂す麪柭恢?，在他后來(lái)的工作中，他會(huì)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(wèn)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(lái)，大氣中的二氧化碳含量增加了40%。溫度測(cè)量表明，在過(guò)去的150年中，全球溫度升高了1℃。

他的方法已被用來(lái)證明大氣溫度升高是由于人類排放的二氧化碳。

又過(guò)了10年，大約在1980年，喬治·帕里西在無(wú)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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。

“今年的諾獎(jiǎng)表明，我們對(duì)氣候的了解建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)之上，基于對(duì)觀測(cè)的嚴(yán)格分析。今年的獲獎(jiǎng)?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(huì)主席托爾斯·漢斯·漢森說(shuō)。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：將分子構(gòu)建變?yōu)樗囆g(shù)

從太陽(yáng)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(jiàn)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(jiǎng)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(kāi)發(fā)出一種分子構(gòu)建工具——不對(duì)稱有機(jī)催化，它廣泛用于新藥開(kāi)發(fā)，并使化學(xué)合成變得更“綠色”。

工業(yè)制造中往往會(huì)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(huì)采用“催化”來(lái)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(zhǎng)陸展介紹，不對(duì)稱催化往往可以分為不對(duì)稱金屬催化、不對(duì)稱酶催化以及不對(duì)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(jiǎng)。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(jiǎng)?？梢哉f(shuō)，這次本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的獲獎(jiǎng)也是在情理之中。

2000年，戴維·麥克米倫在思考金屬不對(duì)稱催化難以進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的問(wèn)題時(shí)，他發(fā)現(xiàn)那些敏感金屬使用起來(lái)實(shí)在是太麻煩、太貴了。于是，他選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且廉價(jià)易設(shè)計(jì)的有機(jī)分子，在測(cè)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(duì)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(yǔ)來(lái)描述該方法。

另一位諾獎(jiǎng)得主本亞明·利斯特在研究催化抗體期間開(kāi)始思考酶的實(shí)際工作原理。在沒(méi)有任何預(yù)期的情況下，他測(cè)試了脯氨酸是否可以催化羥醛反應(yīng)，這個(gè)簡(jiǎn)單嘗試的結(jié)果出乎意料的好。通過(guò)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(dòng)不對(duì)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(duì)稱催化描述為一個(gè)充滿機(jī)會(huì)的新概念：“對(duì)這些催化劑的設(shè)計(jì)和篩選是我們未來(lái)的目標(biāo)之一。”

有機(jī)催化劑使用的迅速擴(kuò)大主要是由于其驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱催化的能力。當(dāng)分子形成時(shí)，通常會(huì)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(shí)，通常只需要其中的一種，僅“左手”或者“右手”。不對(duì)稱有機(jī)催化中的“不對(duì)稱”意味著可識(shí)別，也就是能夠識(shí)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(duì)分子進(jìn)行催化反應(yīng)。

那么，不對(duì)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(guò)程中，以往會(huì)使用高效的不對(duì)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(jià)對(duì)藥物進(jìn)行提純。而采用有機(jī)催化時(shí)，不含有金屬，也就不存在這一問(wèn)題。因此，區(qū)別于金屬和酶催化，有機(jī)催化具有低毒，對(duì)人體和環(huán)境友好的特性?！俺酥?，有機(jī)催化還有使用、存儲(chǔ)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(cè)性等優(yōu)勢(shì)。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(shuō)。

揭曉現(xiàn)場(chǎng)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席約翰·奧克維斯特說(shuō)：“催化的概念既簡(jiǎn)單又巧妙，事實(shí)上，許多人都想知道為什么我們沒(méi)有更早地想到它?！逼鋵?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(gè)個(gè)“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）