2021年諾貝爾自然科學獎解讀

原標題:2021年諾貝爾自然科學獎解讀

    2021年諾貝爾生理學或醫學獎——

    破解人類感知之謎

    中青報·中青網記者 邱晨輝

    想象一下,在炎熱的夏日,當你赤腳走過草坪,你可以感受太陽的熱力,風的撫摸,以及腳下的每一片草葉。這些對於溫度、觸摸和運動的印象,是幾乎每個人都可以感受得到的。

    不過,這些熱或冷,硬或軟,疼痛或壓迫,是怎麼來的?這些感知是哪些神經導致的,它又是如何啟動的?人類卻不得而知。

    2021年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者要解決的,就是這個問題。北京時間10月4日,這一獎項揭曉,授予美國科學家大衛·朱利葉斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以表彰他們在「發現溫度和觸覺感受器」方面的貢獻。

    來自諾貝爾獎委員會的說法是:兩位科學家的突破性發現,引領了一系列密集的研究活動,讓人們對神經系統如何感知熱、冷和機械刺激的理解迅速加快。

    眼睛如何檢測光線,聲波如何影響我們的內耳,不同的化合物如何與我們鼻子和嘴巴中的感受器相互作用,產生嗅覺和味覺?幾千年來,人類面臨的一大謎題,就是我們如何感知所處的環境。

    在17世紀,哲學家勒內·笛卡爾設想,可以將皮膚的不同部分與大腦連接起來。通過這種機制,接觸明火的腳,會向大腦發送機械信號。後來的發現表明,人體存在特化的感覺神經元,能記錄我們周圍環境的變化。

    科學家約瑟夫·厄蘭格和赫伯特·加瑟因發現,機體存在不同類型的感覺神經纖維,能對不同刺激作出反應,例如對疼痛和非疼痛觸摸的反應,他們二人因此獲得了1944年諾貝爾生理學或醫學獎。

    從那時起,科學家已經證明,神經細胞已經高度特化,以檢測和轉導不同類型的刺激,人類因此能夠對周圍的環境進行細微地感知。例如,人們通過指尖,可以感受表面紋理的差異,也能辨別令人愉悅的溫暖和令人痛苦的灼燒。

    不過,科學家仍有一個尚未解決的基本問題:溫度和機械刺激,如何在神經系統中被轉化為電脈衝?

    在20世紀90年代後期,大衛·朱利葉斯在美國加利福尼亞大學舊金山分校,對化合物辣椒素如何引發「接觸辣椒時的灼燒感」的分析時,看到了「勝利的曙光」。

    彼時,科學家已經知道,辣椒素可以激活引起疼痛感受的神經細胞,但這種化學物質具體如何起到作用,仍是未解之謎。

    朱利葉斯和同事創建了一個包含數百萬個DNA片段的資料庫,這些片段對應感覺神經元表達的基因,它們可以對疼痛、熱和觸覺作出反應。經過大量的工作和艱苦的搜索,他們確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因——機體感受辣椒素的基因,就這樣被發現了!

    朱利葉斯團隊進一步實驗表明,他們找到的這個基因,編碼了一種新的離子通道蛋白,這一辣椒素受體,後來被命名為 TRPV1。

    諾獎委員會認為,TRPV1的發現,被認為是一項重大突破,這為揭開其他溫度感應感受器開闢了道路。

    然而,當人體感知溫度的機制被不斷揭開時,科學界仍不清楚人體將機械刺激轉化為觸壓覺的機制。

    在位於美國加利福尼亞州拉霍亞的斯克里普斯研究所,帕塔普蒂安和同事們發現了一種全新的、對機械力敏感的離子通道,並以希臘語中表示「壓力」的詞彙,將其命名為Piezo1。他們還發現了一個與Piezo1相似的基因,並將其命名為Piezo2,它在感覺神經元中處於高表達水平。通過進一步研究,Piezo1和Piezo2是離子通道感受器,對細胞膜施加壓力,可直接激活這兩種感受器。

    諾獎委員會給出這樣的評價:今年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者的突破性發現,讓人們理解了冷、熱、機械作用力如何觸發神經衝動,以及人類感知並適應外界刺激的機制。當然,基於該發現的眾多研究,還正在進行之中,研究者正致力於闡明它們在各種生理過程中的功能,這些有望大範圍應用在眾多疾病的治療之中。

    2021年諾貝爾物理學獎——

    全球變暖能夠可靠預測

    中青報·中青網見習記者 楊潔

    地球氣候是一個對人類至關重要的複雜系統。

    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?

    這一切與「天註定」的事情找到了科學的預測方案。

    北京時間10月5日17時45分許,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秀郎(Syukuro Manabe)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(Klaus Hasselmann),以表彰他們「用於地球氣候的物理建模,量化可變性並可靠地預測全球變暖」,另外一半由義大利羅馬大學教授喬治·帕里西(Giorgio Parisi)共享,「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。」

    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。真鍋秀郎和克勞斯·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(Svante Arrhenius)揭開了關於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攝氏度,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,真鍋秀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。

    為了使計算易於管理,真鍋秀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,全球溫度升高了兩攝氏度以上。

    真鍋秀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裡程碑。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。

    之後,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,在他後來的工作中,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繫在一起的模型,解決了為什麼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攝氏度。

    他的方法已被用來證明大氣溫度升高是由於人類排放的二氧化碳。

    又過了10年,大約在1980年,喬治·帕里西( Giorgio Parisi)在無序的複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。他的發現是對複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,基於對觀測的嚴格分析。今年的獲獎者都為我們更深入地了解複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Thors Hans Hansson說。

    2021年諾貝爾化學獎——

    將分子構建變為藝術

    實習生 孫少卿 中青報·中青網記者 葉雨婷

    構建分子是一門困難的藝術。

    2021年10月6日,本傑明·李斯特(Benjamin List)和大衛·麥克米蘭(David W.C. MacMillan)因開發了一種精確的分子構建新工具——有機催化,而獲得2021年諾貝爾化學獎,這對藥物研究產生了巨大的影響。諾貝爾獎委員會的評語為:(他們)推動了不對稱有機催化領域的發展。

    人們對「催化劑」的概念並不陌生。在中學化學實驗中就已利用二氧化錳作催化劑,在常溫下分解雙氧水製備氧氣。如果沒有二氧化錳的催化作用,便可能需要將雙氧水加熱至煮沸才能得到同樣的效果。因此,催化劑是化學反應中的常見工具。長期以來,化學家一直認為原則上只有兩種類型的催化劑:金屬和酶。早在2001年、2018年,諾貝爾化學獎就已表彰過對研究這兩類催化劑作出傑出貢獻的6名科學家。

    2000年,本傑明·李斯特和大衛·麥克米蘭相互獨立地開發了第三種催化劑——有機小分子催化劑,這種有機小分子催化劑具有穩定的碳原子框架,可以附著更多的活性化學基團,從而實現較高的催化效率。許多種氨基酸就是性能較好的有機小分子催化劑,相對於昂貴、脆弱、污染較大的金屬催化劑來說,有機小分子催化劑價格低廉、易於提取、適應性廣,因此,一經發現就引起了學術界的廣泛注意。

    李斯特和麥克米蘭開發的不對稱有機催化,解決了手性有機物的高效合成問題。在有機物中存在兩種手性分子,通常分為左手性和右手性。在進行合成時,這兩種分子一般會同時出現。由於兩種手性分子的化學性質通常是不同的,人們只希望得到某一種手性分子。

    例如,對於某些特殊的藥物而言,可能左手性分子是有效成分,但右手性分子則是有害成分。人們為了去除這種成分付出了巨大的努力,而使用不對稱有機催化,許多反應便具有很好的專一性,使得合成結果基本只存在一種手性分子。諾貝爾化學委員會主席Johan Qvist說:「這種催化的概念既簡單又巧妙,事實上,許多人都在想為什麼我們沒有更早地想到它。」

    有機小分子催化劑也大大簡化了某些分子的合成流程。以一種天然分子馬錢子鹼為例,1952年,科學家首次實現人工合成時,使用了29個不同的化學反應,原材料的轉化率只有0.0009%。2011年,在有機小分子催化劑的幫助下,只需12步就能實現人工合成,生產效率提高了7000倍。

    當然,相關文獻也指出了目前有機小分子催化劑的一些缺點,雖然其用途廣泛、價格低廉、結構穩定,能夠滿足綠色化學的需求,但是與金屬催化劑相比,有機小分子催化劑的催化效率仍稍遜一籌。因此,如何設計更高效的有機小分子催化劑仍是目前學界研究的重點方向。除此之外,在工業生產中有機小分子催化劑還尚未得到大規模應用。如何開發適合規模化、工業化生產的有機小分子催化劑,也是化學家們面臨的共同挑戰。

    據統計,諾貝爾化學獎自1901年設立以來,除了某些特殊年份外,迄今已頒發了113次,共有188名科學家獲此殊榮。其中,最年輕的諾貝爾化學獎得主是著名科學家瑪麗·居里的女兒約里奧·居里,年僅35歲的她於1935年獲獎。最年長的諾貝爾化學獎得主是約翰·古迪納夫,2019年他獲獎時已97歲。

    此外,唯一一名兩次獲得諾貝爾化學獎的科學家是弗雷德里克·桑格,他分別於1958年、1980年獲獎。除此之外,有兩名科學家曾獲得過其他諾貝爾獎項:瑪麗·居里,1903年獲諾貝爾物理獎、1911年獲諾貝爾化學獎;萊納斯·鮑林,1954年獲諾貝爾化學獎、1961年獲諾貝爾和平獎。值得一提的是,萊納斯·鮑林也是唯一一名兩次均為單人獲獎的獲獎者。

來源:中國青年報

2021年10月12日 12 版

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