解读2021年诺贝尔自然科学奖

来源：中国青年报

2021年诺贝尔生理学或医学奖

解开人类感知之谜

邱晨辉，《中庆日报》记者，Zhongqing.com

想象一下，在炎热的夏日，当你赤脚走过草坪时，你可以感受到太阳的热量，风的爱抚，以及脚下的每一片草叶。这些对温度，触摸和运动的印象几乎每个人都能感受到。

但是，这些热或冷，硬或软，痛苦或压迫如何？是什么神经导致这些感知，它们是如何开始的？人类不知道。

这是2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者必须解决的问题。该奖项于北京时间10月4日宣布，以表彰美国科学家David Julius和Ardem Patapoutian在"发现温度和触觉受体"方面的贡献。

根据诺贝尔委员会的说法，两位科学家的突破性发现导致了一系列密集的研究工作，以迅速加速对神经系统如何感知热，冷和机械刺激的理解。

眼睛如何检测光，声波如何影响我们的内耳，以及不同的化合物如何与我们鼻子和嘴巴中的受体相互作用以产生嗅觉和味觉？几千年来，人类面临的一大难题就是我们如何看待我们的环境。

在17世纪，哲学家勒内·笛卡尔（Rene Descartes）设想将皮肤的不同部分与大脑连接起来。通过这种机制，与明火脚的接触向大脑发送机械信号。随后的发现表明，人体具有特殊的感觉神经元，可以记录我们周围环境的变化。

科学家Joseph Erlanger和Herbert Gasserin发现，身体有不同类型的感觉神经纤维，对不同的刺激做出反应，如疼痛和非疼痛的触摸，他们都获得了1944年诺贝尔生理学或医学奖。

从那时起，科学家们已经证明，神经细胞已经变得高度专业化，可以检测和转导不同类型的刺激，使人类能够以微妙的方式感知周围环境。例如，人们可以通过指尖感受到表面纹理的差异，以及令人愉快的温暖和痛苦的灼伤。

然而，科学家们仍然有一个悬而未决的基本问题：温度和机械刺激如何在神经系统中转化为电脉冲？

在20世纪90年代后期，大卫·朱利叶斯（David Julius）在分析化合物辣椒素如何引起"暴露于辣椒时灼烧感"时看到了"胜利的曙光"。

到那时，科学家们已经知道辣椒素可以激活引起疼痛感的神经细胞，但这种化学物质是如何工作的仍然是一个谜。

Julius和他的同事们创建了一个包含数百万个DNA片段的数据库，这些片段对应于感觉神经元表达的基因，这些基因对疼痛，热量和触摸做出反应。经过大量工作和艰苦的搜索，他们发现了一种使细胞对辣椒素敏感的基因 - 人体对辣椒素的感觉 - 并找到了它！

Julius团队的进一步实验表明，他们发现的基因编码了一种新的离子通道蛋白，一种辣椒素受体，后来被命名为TRPV1。

诺贝尔委员会认为TRPV1的发现是一个重大突破，为其他温度传感受体的揭幕开辟了道路。

然而，随着人体温度感知的机制不断被揭示，科学界仍然不知道身体如何将机械刺激转化为触觉压力。

在加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所，帕塔普蒂安和他的同事们发现了一个新的、机械敏感的离子通道，并在希腊语中将其命名为Piezo1，即"压力"这个词。他们还发现了一种类似于Piezo1的基因，名为Piezo2，它在感觉神经元中高度表达。进一步的研究表明，Piezo1和Piezo2是离子通道受体，它们对细胞膜施加压力并直接激活两种受体。

诺贝尔委员会的突破性发现由今年的诺贝尔生理学或医学奖获得者提出，提供了对冷，热和机械力如何触发神经冲动以及人类如何感知和适应外部刺激的理解。当然，许多基于这些发现的研究正在进行中，研究人员正在努力阐明它们在各种生理过程中的功能，这些生理过程有望广泛用于治疗许多疾病。

2021年诺贝尔物理学奖

可以可靠地预测全球变暖

杨杰，中庆日报、中庆网见习记者

地球的气候是一个对人类至关重要的复杂系统。

大气中二氧化碳的增加如何导致地球表面温度的升高？地球的气候变化如何？人类将如何影响它？

这一切与"命中注定"的事情一起找到了科学的预测方案。

英国夏令时10月5日17：45，2021年诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学高级气象学家Syukuro Manabe和德国汉堡马克斯普朗克气象研究所教授Klaus Hasselmann，以表彰他们"地球气候的物理建模，量化变异性和可靠地预测全球变暖"， 另一半是乔治·W·布什（George W. Bush），意大利罗马大学教授。Giorgio Parisi分享说，"发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用。"

据诺贝尔委员会称，三位获奖者分享了今年的诺贝尔物理学奖，以表彰他们在混沌和明显随机现象方面的工作。True Pot和Klaus Hasselman为我们了解地球气候以及人类如何影响地球奠定了基础。乔治·帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。

1903年诺贝尔化学奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）解开了一个关于二氧化碳影响的重要谜团。他的结论是，如果大气中的二氧化碳水平减半，就足以使地球进入一个新的冰河时代。反之亦然 - 将二氧化碳的量增加一倍将使温度升高5-6摄氏度，这一结果与目前的估计非常接近。

到1960年，他领导了地信物理学模型的发展，成为第一个探索辐射平衡与气体垂直传输之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。

为了使计算易于管理，Real Pot选择将模型缩小到一个维度，即距离大气层40公里的垂直柱。模型发现，氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，而二氧化碳则具有显着影响：当二氧化碳水平翻倍时，全球气温上升超过两摄氏度。

理解二氧化碳影响的开创性模型于1975年发表，这是了解气候秘密道路上的另一个里程碑。1950年，德国汉堡的一名年轻的物理学博士生克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）正在研究流体动力学，开发波浪和洋流的观测和理论模型。

后来，克劳斯·哈塞尔曼搬到加利福尼亚继续他的海洋学研究，遇到了查尔斯·大卫·基林等同事，并与他们一起成立了一个牧师合唱团。克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselman）并不知道，在他后来的作品中，他经常使用基林曲线，该曲线显示了二氧化碳水平的变化。

在这项研究中，克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselman）创建了将天气与气候联系起来的模型，解决了为什么气候模型在不稳定和混乱的天气条件下保持可靠的问题。

该模型清楚地显示了加速的温室效应：自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳水平增加了40%。温度测量表明，在过去的150年里，全球气温上升了1摄氏度。

他的方法已被用于证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

又过了十年，大约在1980年，乔治·帕里西（Giorgio Parisi）在无序和复杂的材料中发现了隐藏的图案，使得理解和描述许多不同的，显然是完全随机的材料和现象成为可能。这可以应用于物理学，数学，生物学，神经科学和机器学习。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

"今年的诺贝尔奖表明，我们对气候的理解是基于扎实的科学和对观测的严格分析。今年的获奖者有助于更深入地了解复杂物理系统的特性和演变。"诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉斯森说。

2021年诺贝尔化学奖

将分子构建转化为艺术

实习生孙少庆，中国青年报，中庆网记者 叶玉轩

构建分子是一门困难的艺术。

2021年10月6日，本杰明·李斯特和大卫。C MacMillan因开发一种用于构建精确分子的新工具有机催化而获得2021年诺贝尔化学奖，该工具对药物研究产生了巨大影响。诺贝尔委员会的评论是：（他们）促进了不对称有机催化的发展。

人们对"催化剂"的概念并不陌生。在中学化学实验中，二氧化锰被用作催化剂，在室温下分解过氧化氢以制备氧气。如果不催化二氧化锰，则可能需要加热过氧化氢水以使其沸腾，以达到相同的效果。因此，催化剂是化学反应中的常用工具。化学家长期以来一直认为，原则上只有两种类型的催化剂：金属和酶。早在2001年和2018年，诺贝尔化学奖就表彰了为研究这两类催化剂做出杰出贡献的六位科学家。

2000年，Benjamin Lister和David McMillan独立开发了第三种催化剂，即有机小分子催化剂，它具有稳定的碳原子框架，可以附着更多的活性化学基团，以实现更高的催化效率。许多种类的氨基酸都是性能较好的有机小分子催化剂，与昂贵、易碎、污染大的金属催化剂相比，有机小分子催化剂成本低廉，易于提取，适应性广，因此，一经发现就引起了学术界的广泛关注。

李斯特和麦克米兰开发的不对称有机催化解决了手工有机物高效合成的问题。有机物中有两种手分子，通常分为左手和右手。合成时，这两种分子通常同时出现。由于两种同性分子的化学性质通常不同，因此人们只需要一种同性分子。

例如，对于一些特殊药物，可能是左旋分子是活跃的，但右旋分子是有害的。人们努力去除这种成分，并利用不对称的有机催化，许多反应具有良好的特异性，使合成结果基本上只存在手分子。诺贝尔化学委员会主席约翰·奎斯特（Johan Qvist）说："这个催化概念简单而聪明，事实上很多人都在想，为什么我们没有早点想到它。

有机小分子催化剂也大大简化了某些分子的合成过程。例如，在1952年，科学家在首次实施合成合成时使用了29种不同的化学反应，其转化率仅为原料的0.0009%。2011年，在有机小分子催化剂的帮助下，合成只需12个步骤即可实现，生产率提高了7000倍。

当然，相关文献也指出了有机小分子催化剂的一些缺点，虽然它应用广泛，价格低廉，结构稳定，可以满足绿色化学的需要，但与金属催化剂相比，有机小分子催化剂的催化效率仍然略低。因此，如何设计出更高效的有机小分子催化剂仍然是学术研究的重点。此外，有机小分子催化剂尚未在工业生产中得到广泛应用。如何开发适合大规模工业化生产的有机小分子催化剂，也是化学家们共同面临的挑战。

据统计，自1901年诺贝尔化学奖设立以来，除了一些特殊的年份外，已经颁发了113次，共有188位科学家被授予了这一奖项。其中，最年轻的诺贝尔化学奖获得者是著名科学家玛丽·居里的女儿居里欧·居里（Jorio Curie），她于1935年35岁时获得该奖项。最年长的诺贝尔化学奖获得者是约翰·古迪纳夫（John Gudinav），他在2019年获奖时将年满97岁。

此外，唯一两次获得诺贝尔化学奖的科学家是弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger），他分别于1958年和1980年获得该奖项。此外，还有两位科学家获得了其他诺贝尔奖：玛丽·居里，她于1903年获得诺贝尔物理学奖，化学奖于1911年获得;值得注意的是，莱纳斯·波林也是唯一一位两次获奖的球员。