深度解读2021年三大诺贝尔自然科学奖

（图源：nobelprize.org）

邱媛媛供稿

2021年诺贝尔奖于当地时间10月4日至11日在瑞典首都斯德哥尔摩陆续揭晓，一起回顾一下三大诺贝尔自然科学奖吧！

生理学或医学奖：发现温度和触觉感受器

美国加州大学旧金山分校教授戴维·朱利叶斯（David Julius）和霍华德休斯医学研究所研究员阿代姆·帕塔博蒂安（Ardem Patapoutian），因发现了人体感知温度、压力及疼痛的分子机制而获得诺贝尔生理学或医学奖。

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对冷、热和触觉的感知能力是我们与周围环境互动的基础。在日常生活中，我们认为这些感觉是理所当然的，分子水平上的神经冲动是如何启动从而感知温度和压力的呢？20世纪90年代末，美国旧金山加利福尼亚大学的朱利叶斯就开始分析化合物辣椒素如何引起我们接触辣椒时的灼烧感。

他最终确定了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因（即感应辣椒素的基因）。进一步实验发现，所确定的基因编码了一个新的离子通道蛋白，新发现的辣椒素受体被命名为TRPV1。朱利叶斯研究这种蛋白质对热的反应能力时，发现这种受体也是一种热敏受体，该受体会在人感到疼痛的温度下被激活。

朱利叶斯使用辣椒中的辣椒素鉴定TRPV1，这是一种由热痛激活的离子通道（图源：nobelprize.org）

TRPV1的发现为揭开其他温度感应受体开辟了道路，朱利叶斯和帕塔博蒂安各自独立使用化学物质薄荷醇识别TRPM8（一种会被寒冷激活的受体）。与TRPV1和TRPM8相关的其他离子通道陆续被发现，它们可以在不同的温度下被激活。

许多实验室继续开展相关研究，通过使用缺乏这些新发现基因的小鼠，研究这些通道在热感觉中的作用，了解温度差异如何在神经系统中诱发电信号。

美国加利福尼亚州斯克利普斯研究所的帕塔博蒂安决心找出被机械刺激激活的受体。帕塔博蒂安和他的合作者首先发现了一种细胞系，当用微量移液管戳单个细胞时，该细胞系会发出可测量的电信号。

帕塔博蒂安使用培养的机械敏感细胞来识别由机械力激活的离子通道（图源：nobelprize.org）

帕塔博蒂安和同事成功确定了一个基因，该基因的缺失使细胞对微量移液器的戳刺不敏感。这种全新的机械敏感离子通道被发现，以希腊语中表示压力的词（Piezo1）命名。

通过与Piezo1的相似性比对，他们发现了第二个相关基因并将其命名为Piezo2，两者都是离子通道，可以被细胞膜表面张力激活。

物理学奖：对复杂系统的开创性贡献

美国普林斯顿大学高级气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国汉堡马克斯普朗克气象研究所教授克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）和意大利罗马萨皮恩扎大学的教授乔治·帕里西（Giorgio Parisi），因对理解复杂物理系统的开创性贡献而获得诺贝尔物理学奖。

真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼因 “对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献，共同获得了一半诺贝尔物理学奖，另一半授予了乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他 “发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。

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日本大气物理学家真锅淑郎的研究目的是，了解大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度升高。在1960年代，他领导了地球气候物理模型的开发，并且是第一个探索辐射平衡与空气质量垂直传输之间相互作用的人。

为了使计算处理更为简便，他将模型缩减至一维，即一个深入大气层40公里的垂直圆柱体，通过改变大气中的气体浓度来测试模型。计算处理时间耗费数百小时，结果显示，当模型中的二氧化碳水平翻倍时，全球温度上升2.93℃。该研究为目前气候模型的发展奠定了基础。

真锅淑郎的气候模型（图源：nobelprize.org）

大约十年后，哈塞尔曼以爱因斯坦的布朗运动理论为灵感，创建了一个将天气和气候联系在一起的随机气候模型。利用这一理论，哈塞尔曼证明了快速变化的大气可以导致海洋的缓慢变化，自然现象（太阳辐射、火山颗粒）和人类活动造成的温室气体水平的变化都会在气候中留下的特定的信号。

这些信号就像指纹一样可以被分离出来，这种指纹识别的方法可以应用于人类对气候影响的研究。这些模型显示了温室效应的加速：自19世纪中期以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%，而在过去的150年里，地球温度上升了1℃。

二氧化碳温度（图源：nobelprize.org）

1980年左右，帕里西在演示如何使用副本方法解决自旋玻璃问题时取得研究突破。自旋玻璃是一种特殊的金属合金，例如在铜原子中随机混合铁原子，虽然只有少量的铁原子，但它们会以一种令人费解的方式改变材料的磁性。自旋玻璃因其奇特的性质吸引了很多物理学家，他们都在寻找一种方法来描述这类神秘的自旋玻璃。

无序系统（图源：nobelprize.org）

常被使用的方法是副本方法（replica trick），这是一种同时处理系统的多个副本的数学技术。乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式，并用数学的方法描述它。

他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一，使得理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能，不仅在物理学中，在其他非常不同的领域（如数学、生物学、神经科学和机器学习）也是如此。

化学奖：构建分子的巧妙工具

化学反应的实质就是原子之间的重新组合，就像积木的拆卸和搭建过程。在此过程中，经常会出现这种现象：使用完全相同的积木堆积出来的产物，却像我们互为镜像的左右手一样不能完全重合。在物理学中，这样的分子被称为彼此的手性分子。

柠烯分子具有柠檬气味，而它的镜像版本闻起来像橙子（图源：nobelprize.org）

在自然界中，这样的手性分子有很多，虽然看起来相似，但效果截然不同。特别是在药物生产的时候，其中一种分子有活性，而它的手性分子有时会产生负面影响，化学家通常只想要其中一个，但很难找到有效的方法来实现。

今年的诺贝尔奖得主利斯特和麦克米伦提出了一个创造性的概念——不对称有机催化，诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist评价：“这个催化概念既简单又巧妙，很多人都想知道，为什么我们没有更早地想到它”。

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催化剂是在化学反应中控制和加速的物质，它不会成为最终产品的一部分。长期以来，研究人员认为只有两种催化剂可用：金属和酶。20世纪70年代早期，一项将脯氨酸作为催化剂的研究引发了利斯特的思考，氨基酸必须是酶的一部分才能催化化学反应，还是只要一个氨基酸或者其他类似的简单分子就能催化呢？

脯氨酸分子催化剂设想（图源：nobelprize.org）

利斯特测试了脯氨酸能否催化aldol反应，通过实验，他不仅证明了脯氨酸是一种高效的催化剂，还证明了这种氨基酸可以驱动不对称催化反应，在两种手性分子产物中，其中一种构象的形成要比另一种更普遍。

与金属和酶相比，脯氨酸结构简单、廉价易得、绿色环保，是化学家梦寐以求的催化工具。利斯特在2000年2月发表他的研究时称，“有机合成的不对称催化领域依然充满机遇，继续设计和筛选这些催化剂是我们未来的目标之一。”

在利斯特获得突破的两年前，麦克米伦告别了利用金属催化改良不对称催化反应的研究，转而设计像金属一样可以暂时提供或容纳电子的简单有机分子作为催化剂。

像金属的有机催化剂分子（图源：nobelprize.org）

他选择了几种具有潜力的有机分子催化Diels-Alder反应，一些有机分子在催化不对称催化反应上表现出色，两种手性分子产物中，一种手性分子占总产物的90%以上。2000年1月，在利斯特发表研究之前，麦克米伦提交了他的研究手稿。