解讀2021年諾貝爾自然科學獎

來源：中國青年報

2021年諾貝爾生理學或醫學獎

解開人類感覺之謎

邱晨輝，《中慶日報》記者，Zhongqing.com

想象一下，在炎熱的夏日，當你赤腳走過草坪時，你可以感受到太陽的熱量，風的愛撫，以及腳下的每一片草葉。這些對溫度，觸摸和運動的印象幾乎每個人都能感受到。

但是，這些熱或冷，硬或軟，痛苦或壓迫如何？是什麼神經導緻這些感覺，它們是如何開始的？人類不知道。

這是2021年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者必須解決的問題。該獎項于中原標準時間10月4日宣布，以表彰美國科學家David Julius和Ardem Patapoutian在"發現溫度和觸覺受體"方面的貢獻。

根據諾貝爾委員會的說法，兩位科學家的突破性發現導緻了一系列密集的研究工作，以迅速加速對神經系統如何感覺熱，冷和機械刺激的了解。

眼睛如何檢測光，聲波如何影響我們的内耳，以及不同的化合物如何與我們鼻子和嘴巴中的受體互相作用以産生嗅覺和味覺？幾千年來，人類面臨的一大難題就是我們如何看待我們的環境。

在17世紀，哲學家勒内·笛卡爾（Rene Descartes）設想将皮膚的不同部分與大腦連接配接起來。通過這種機制，與明火腳的接觸向大腦發送機械信号。随後的發現表明，人體具有特殊的感覺神經元，可以記錄我們周圍環境的變化。

科學家Joseph Erlanger和Herbert Gasserin發現，身體有不同類型的感覺神經纖維，對不同的刺激做出反應，如疼痛和非疼痛的觸摸，他們都獲得了1944年諾貝爾生理學或醫學獎。

從那時起，科學家們已經證明，神經細胞已經變得高度專業化，可以檢測和轉導不同類型的刺激，使人類能夠以微妙的方式感覺周圍環境。例如，人們可以通過指尖感受到表面紋理的差異，以及令人愉快的溫暖和痛苦的灼傷。

然而，科學家們仍然有一個懸而未決的基本問題：溫度和機械刺激如何在神經系統中轉化為電脈沖？

在20世紀90年代後期，大衛·朱利葉斯（David Julius）在分析化合物辣椒素如何引起"暴露于辣椒時灼燒感"時看到了"勝利的曙光"。

到那時，科學家們已經知道辣椒素可以激活引起疼痛感的神經細胞，但這種化學物質是如何工作的仍然是一個謎。

Julius和他的同僚們建立了一個包含數百萬個DNA片段的資料庫，這些片段對應于感覺神經元表達的基因，這些基因對疼痛，熱量和觸摸做出反應。經過大量工作和艱苦的搜尋，他們發現了一種使細胞對辣椒素敏感的基因 - 人體對辣椒素的感覺 - 并找到了它！

Julius團隊的進一步實驗表明，他們發現的基因編碼了一種新的離子通道蛋白，一種辣椒素受體，後來被命名為TRPV1。

諾貝爾委員會認為TRPV1的發現是一個重大突破，為其他溫度傳感受體的揭幕開辟了道路。

然而，随着人體溫度感覺的機制不斷被揭示，科學界仍然不知道身體如何将機械刺激轉化為觸覺壓力。

在加利福尼亞州拉霍亞的斯克裡普斯研究所，帕塔普蒂安和他的同僚們發現了一個新的、機械敏感的離子通道，并在希臘語中将其命名為Piezo1，即"壓力"這個詞。他們還發現了一種類似于Piezo1的基因，名為Piezo2，它在感覺神經元中高度表達。進一步的研究表明，Piezo1和Piezo2是離子通道受體，它們對細胞膜施加壓力并直接激活兩種受體。

諾貝爾委員會的突破性發現由今年的諾貝爾生理學或醫學獎獲得者提出，提供了對冷，熱和機械力如何觸發神經沖動以及人類如何感覺和适應外部刺激的了解。當然，許多基于這些發現的研究正在進行中，研究人員正在努力闡明它們在各種生理過程中的功能，這些生理過程有望廣泛用于治療許多疾病。

2021年諾貝爾實體學獎

可以可靠地預測全球變暖

楊傑，中慶日報、中慶網見習記者

地球的氣候是一個對人類至關重要的複雜系統。

大氣中二氧化碳的增加如何導緻地球表面溫度的升高？地球的氣候變化如何？人類将如何影響它？

這一切與"命中注定"的事情一起找到了科學的預測方案。

英國夏令時10月5日17：45，2021年諾貝爾實體學獎授予美國普林斯頓大學進階氣象學家Syukuro Manabe和德國漢堡馬克斯普朗克氣象研究所教授Klaus Hasselmann，以表彰他們"地球氣候的實體模組化，量化變異性和可靠地預測全球變暖"， 另一半是喬治·W·布什（George W. Bush），意大利羅馬大學教授。Giorgio Parisi分享說，"發現了從原子到行星尺度的實體系統中無序和波動之間的互相作用。"

據諾貝爾委員會稱，三位獲獎者分享了今年的諾貝爾實體學獎，以表彰他們在混沌和明顯随機現象方面的工作。True Pot和Klaus Hasselman為我們了解地球氣候以及人類如何影響地球奠定了基礎。喬治·帕裡西因其對無序材料和随機過程理論的革命性貢獻而獲獎。

1903年諾貝爾化學獎獲得者斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）解開了一個關于二氧化碳影響的重要謎團。他的結論是，如果大氣中的二氧化碳水準減半，就足以使地球進入一個新的冰河時代。反之亦然 - 将二氧化碳的量增加一倍将使溫度升高5-6攝氏度，這一結果與目前的估計非常接近。

到1960年，他上司了地信實體學模型的發展，成為第一個探索輻射平衡與氣體垂直傳輸之間互相作用的人。他的工作為目前氣候模型的發展奠定了基礎。

為了使計算易于管理，Real Pot選擇将模型縮小到一個次元，即距離大氣層40公裡的垂直柱。模型發現，氧氣和氮氣對地表溫度的影響可以忽略不計，而二氧化碳則具有顯着影響：當二氧化碳水準翻倍時，全球氣溫上升超過兩攝氏度。

了解二氧化碳影響的開創性模型于1975年發表，這是了解氣候秘密道路上的另一個裡程碑。1950年，德國漢堡的一名年輕的實體學博士生克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）正在研究流體動力學，開發波浪和洋流的觀測和理論模型。

後來，克勞斯·哈塞爾曼搬到加利福尼亞繼續他的海洋學研究，遇到了查爾斯·大衛·基林等同僚，并與他們一起成立了一個牧師合唱團。克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselman）并不知道，在他後來的作品中，他經常使用基林曲線，該曲線顯示了二氧化碳水準的變化。

在這項研究中，克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselman）建立了将天氣與氣候聯系起來的模型，解決了為什麼氣候模型在不穩定和混亂的天氣條件下保持可靠的問題。

該模型清楚地顯示了加速的溫室效應：自19世紀中葉以來，大氣中的二氧化碳水準增加了40%。溫度測量表明，在過去的150年裡，全球氣溫上升了1攝氏度。

他的方法已被用于證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

又過了十年，大約在1980年，喬治·帕裡西（Giorgio Parisi）在無序和複雜的材料中發現了隐藏的圖案，使得了解和描述許多不同的，顯然是完全随機的材料和現象成為可能。這可以應用于實體學，數學，生物學，神經科學和機器學習。他的發現是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。

"今年的諾貝爾獎表明，我們對氣候的了解是基于紮實的科學和對觀測的嚴格分析。今年的獲獎者有助于更深入地了解複雜實體系統的特性和演變。"諾貝爾實體學委員會主席托爾斯·漢斯·漢斯森說。

2021年諾貝爾化學獎

将分子建構轉化為藝術

實習生孫少慶，中國青年報，中慶網記者 葉玉軒

建構分子是一門困難的藝術。

2021年10月6日，本傑明·李斯特和大衛。C MacMillan因開發一種用于建構精确分子的新工具有機催化而獲得2021年諾貝爾化學獎，該工具對藥物研究産生了巨大影響。諾貝爾委員會的評論是：（他們）促進了不對稱有機催化的發展。

人們對"催化劑"的概念并不陌生。在中學化學實驗中，二氧化錳被用作催化劑，在室溫下分解過氧化氫以制備氧氣。如果不催化二氧化錳，則可能需要加熱過氧化氫水以使其沸騰，以達到相同的效果。是以，催化劑是化學反應中的常用工具。化學家長期以來一直認為，原則上隻有兩種類型的催化劑：金屬和酶。早在2001年和2018年，諾貝爾化學獎就表彰了為研究這兩類催化劑做出傑出貢獻的六位科學家。

2000年，Benjamin Lister和David McMillan獨立開發了第三種催化劑，即有機小分子催化劑，它具有穩定的碳原子架構，可以附着更多的活性化學基團，以實作更高的催化效率。許多種類的氨基酸都是性能較好的有機小分子催化劑，與昂貴、易碎、污染大的金屬催化劑相比，有機小分子催化劑成本低廉，易于提取，适應性廣，是以，一經發現就引起了學術界的廣泛關注。

李斯特和麥克米蘭開發的不對稱有機催化解決了手工有機物高效合成的問題。有機物中有兩種手分子，通常分為左手和右手。合成時，這兩種分子通常同時出現。由于兩種同性分子的化學性質通常不同，是以人們隻需要一種同性分子。

例如，對于一些特殊藥物，可能是左旋分子是活躍的，但右旋分子是有害的。人們努力去除這種成分，并利用不對稱的有機催化，許多反應具有良好的特異性，使合成結果基本上隻存在手分子。諾貝爾化學委員會主席約翰·奎斯特（Johan Qvist）說："這個催化概念簡單而聰明，事實上很多人都在想，為什麼我們沒有早點想到它。

有機小分子催化劑也大大簡化了某些分子的合成過程。例如，在1952年，科學家在首次實施合成合成時使用了29種不同的化學反應，其轉化率僅為原料的0.0009%。2011年，在有機小分子催化劑的幫助下，合成隻需12個步驟即可實作，生産率提高了7000倍。

當然，相關文獻也指出了有機小分子催化劑的一些缺點，雖然它應用廣泛，價格低廉，結構穩定，可以滿足綠色化學的需要，但與金屬催化劑相比，有機小分子催化劑的催化效率仍然略低。是以，如何設計出更高效的有機小分子催化劑仍然是學術研究的重點。此外，有機小分子催化劑尚未在工業生産中得到廣泛應用。如何開發适合大規模工業化生産的有機小分子催化劑，也是化學家們共同面臨的挑戰。

據統計，自1901年諾貝爾化學獎設立以來，除了一些特殊的年份外，已經頒發了113次，共有188位科學家被授予了這一獎項。其中，最年輕的諾貝爾化學獎獲得者是著名科學家瑪麗·居裡的女兒居裡歐·居裡（Jorio Curie），她于1935年35歲時獲得該獎項。最年長的諾貝爾化學獎獲得者是約翰·古迪納夫（John Gudinav），他在2019年獲獎時将年滿97歲。

此外，唯一兩次獲得諾貝爾化學獎的科學家是弗雷德裡克·桑格（Frederick Sanger），他分别于1958年和1980年獲得該獎項。此外，還有兩位科學家獲得了其他諾貝爾獎：瑪麗·居裡，她于1903年獲得諾貝爾實體學獎，化學獎于1911年獲得;值得注意的是，萊納斯·波林也是唯一一位兩次獲獎的球員。