2021年諾貝爾獎「次第花開」


諾貝爾獎遵照炸藥發明者、瑞典人諾貝爾的遺囑創立,於1901年開始頒發,今年是120週年。儘管全球仍被新冠疫情陰影籠罩,但科學家的光芒以及人們對科學的熱情無法阻擋。 2021年諾貝爾獎頒獎季10月4日起「次第花開」,生理學或醫學獎、物理學獎以及化學獎各自「名花有主」。這些科學家的研究成果不僅擴展了人類的認知,也成為人類知識大花園中最寶貴的花朵。

生理學或醫學獎:他們發現溫度和觸覺感受器

人類面臨的最大謎題之一,是我們如何感知環境,例如,眼睛如何探測光、聲波如何影響我們的內耳、太陽的炎熱、風的撫摸……這些對溫度、觸覺和運動的印象對於我們適應不斷變化的環境至關重要。

在日常生活中,我們認為這些感覺是理所當然的,但是神經衝動是如何啟動,從而感知溫度和壓力呢?今年的諾貝爾生理學或醫學獎得主已經解決了這個問題。

來自美國加州大學舊金山分校的教授戴維·朱利葉斯利用從辣椒中提取的辣椒素,識別出了皮膚神經末梢中對熱做出反應的傳感器。美國斯克利普斯研究所的阿德姆·帕塔普蒂安使用壓敏細胞發現了一種新型傳感器,可以對皮膚和內臟中的機械刺激做出反應。

這些突破性的發現促進了我們對神經系統如何感知熱、冷和機械刺激的理解。兩位獲獎者在我們對感官與環境之間複雜相互作用的理解中發現了關鍵的缺失環節。

在20世紀90年代後期,朱利葉斯通過分析辣椒素如何引起身體的灼熱感,看到了重大進步的可能性。已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神經細胞,但這種化學物質如何真正發揮這種功能是一個未解之謎。

朱利葉斯和他的同事創建了一個包含數百萬個DNA片段的庫,這些片段對應於在感覺神經元中表達的基因,這些基因可以對疼痛、高溫和觸摸做出反應。朱利葉斯和同事們假設,該基因庫中應該包含一個DNA片段,可編碼一種能夠對辣椒素做出反應的蛋白質。

經過艱難的搜索,他們發現了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因–辣椒素感應基因。該基因編碼了一種新的離子通道蛋白,這種新發現的辣椒素受體後來被命名為TRPV1,是一種熱敏受體,在令人感覺疼痛的溫度下會被激活。

TRPV1的發現是一項重大突破,為發現其他溫度感應受體開闢了道路。朱利葉斯和帕塔普蒂安各自獨立地使用化學物質薄荷醇來鑑定TRPM8,這是一種被證明可以被寒冷激活的受體。與TRPV1和TRPM8相關的其他離子通道被鑑定出來,它們可以在不同的溫度範圍被激活。

雖然溫度感覺的機制被發現了,但機械刺激如何轉化為觸覺和壓力感仍不清楚。帕塔普蒂安希望確定被機械刺激激活的受體到底是什麼。

他與合作者首先確定了一種細胞系,當用微量移液管戳單個細胞時,該細胞系會發出可測量的電信號。他們識別出72個編碼可能受體的候選基因,將這些基因一一滅活,以找出與機械敏感性有關的基因。

他們成功地識別出了一種基因,該基因的沉默使細胞對微量移液器的戳刺不敏感。一種全新的、完全未知的機械敏感離子通道被發現,並被命名為Piezo1,取自希臘語中「壓力」一詞。接著,他們發現了與Piezo1相似的感覺神經元表達高水平的第二個基因,命名為Piezo2。進一步的研究證實Piezo1和Piezo2是離子通道,通過對細胞膜施加壓力而直接激活。

除了對觸覺至關重要,Piezo2離子通道還在對身體位置和運動感知(即本體感覺)中發揮關鍵作用。此外,Piezo1和Piezo2通道還可以調節其他重要的生理過程,包括血壓、呼吸和膀胱控制。

今年的諾貝爾獎獲得者對TRPV1、TRPM8和Piezo通道的開創性發現,讓我們了解了熱、冷和機械力如何引發神經衝動,使我們能夠感知和適應周圍的世界。 TRP通道是我們感知溫度能力的核心;Piezo2通道賦予我們觸覺和感知身體部位位置和運動的能力。 TRP和Piezo通道還有助於許多額外的生理功能,這些功能依賴於感知溫度或機械刺激。

由朱利葉斯和帕塔普蒂安的發現而引發的科學研究正緊鑼密鼓地展開,科學家們正專注於闡明它們在各種生理過程中的功能。這一發現也正被用於開發治療各種疾病如慢性疼痛的方法。

物理學獎:他們揭開複雜系統內隱藏的秘密

所有複雜系統都由許多不同且相互作用的部分組成,物理學家已經對它們展開了幾個世紀的研究,但很難用數學方法來描述它們–它們可能包含很多部分,也可能由偶然因素決定。這些複雜系統隨機、無序而混沌,比如天氣,初始值得微小偏差會導致結果迥然不同。

今年的諾貝爾物理學獎頒給了美國科學家真鍋淑郎、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼和義大利科學家喬治·帕里西,以表彰他們為我們理解複雜物理系統所作出的開創性貢獻。

其中一半獎金授予真鍋淑郎和哈塞爾曼,以表彰他們「為地球的氣候進行物理建模,量化其可變性並可靠地預測全球變暖」;另外一半獎金授予帕里西,以表彰他「發現從原子到行星尺度的物理系統內的無序和波動的相互作用」。

這3位科學家迎難而上,創造性地提出了很多描述和預測它們長期行為的新方法,揭示了這些複雜系統背後隱藏的秘密,有助於人們更好地理解此類系統及其長期發展趨勢。

一個對人類至關重要的複雜系統是地球氣候,真鍋淑郎揭示了地球大氣中二氧化碳含量的增加如何導致地球表面溫度升高。真鍋淑郎介紹:「在20世紀60年代初,我們開發了一個大氣輻射對流模型,並探索了水蒸氣、二氧化碳和臭氧等溫室氣體在維持和改變大氣熱結構中的作用,這是科學家們對全球變暖長期研究的開始。隨後的20世紀60年代末,我和同事開始開發一個大氣-海洋-陸地耦合系統的大氣環流模型,該模型最終成為模擬全球變暖的一個非常強大的工具。」

對一維模型的分析催生了三維氣候模型,該模型於1975年面世,成為理解氣候秘密道路上的又一個里程碑。哈塞爾曼創建了一個將天氣和氣候聯繫起來的模型,還開發出了新方法來鑑別自然現象和人類活動在氣候變化中留下的「蛛絲馬跡」。他發現,太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體濃度的變化會在氣候系統中留下獨特的信號,這些信號可以鑑別出來,而這種識別「指紋」的方法也可以應用於人類對氣候系統的影響。他的方法被用來證明大氣溫度的升高是由於人類排放的二氧化碳。

在這兩位科學家研究的基礎上,氣候模型越來越精準。這些模型清楚地顯示了溫室效應在加速–自19世紀中葉以來,大氣中二氧化碳的濃度增加了40%。幾十萬年來,地球大氣中都沒有這麼多二氧化碳。而且,溫度測量表明,過去150年全球變暖1℃。

到了1980年左右,人們對複雜系統的理解愈發深入。帕里西提出了他關於隨機現像如何受隱藏規則支配的發現,這被認為是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。

他對自旋玻璃開展了深入研究。自旋玻璃是一種特殊類型的金屬合金,其中鐵原子隨機混合進銅原子網格。每一個鐵原子的行為都像一個小磁鐵,受到靠近它的其他鐵原子的影響。在普通磁鐵中,所有自旋都指向同一方向,但在自旋玻璃中,一些自旋對想要指向同一方向,而另一些自旋對想要指向相反方向–那麼它們如何找到最佳方向呢?

自旋玻璃的奇特性質為複雜系統提供了一個模型,在這些系統中,各個部分必須在各種反作用力間達到平衡。帕里西對自旋玻璃結構的基本發現非常深刻,使人們能夠理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的材料和現象,不僅可用於物理學領域,而且在數學、生物學、神經科學和機器學習等領域也「大顯身手」。

諾貝爾物理學獎委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調說:「這3位科學家的發現獲得了諾貝爾獎的認可,表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學基礎上,而且基於對觀測的嚴謹分析。他們的發現有助於我們更深入地了解複雜物理系統的性質和演化。」

化學獎:他們的巧妙工具構建了分子

構建分子是一門困難的藝術。今年的諾貝爾化學獎頒給了德國科學家本亞明·利斯特和美國科學家戴維·麥克米倫,以表彰他們在「發展不對稱有機催化」方面作出的卓越貢獻。利斯特和麥克米倫開發出一種精確的分子構建新工具–有機催化劑,這一工具對藥物研究產生了巨大影響,並使化學學科更加「綠色」。

許多研究領域和行業都依賴於化學家構建分子的能力,這些分子可以形成彈性及耐用的材料,或者將能量儲存在電池中,或者在醫學領域實現抑制疾病發展–以上這些工作都需要催化劑。

催化劑是控制和加速化學反應的物質,但不會成為最終產品的一部分。例如,汽車中的催化劑將廢氣中的有毒物質轉化為無害分子;我們的身體也包含數以千計的酶形式的催化劑,它們可以分解出生命所必需的分子。

因此,催化劑被稱為化學家的「基本工具」。但長期以來研究人員認為,原則上只有兩種催化劑可用:金屬和酶。利斯特和麥克米倫此次被授予2021年諾貝爾化學獎,正是因為他們在2000年獨立開發了第三種催化劑–不對稱有機催化,建立在有機小分子的基礎上。

諾貝爾化學獎委員會主席約翰·阿克維斯特表示:「這個催化概念既簡單又巧妙,事實上很多人都想知道,為什麼我們沒有早點兒想到它。」

有機催化劑有一個穩定的碳原子框架,活性化學基團可以附著在碳原子上。有機催化劑通常由氧、氮、硫或磷等常見元素組成,這意味著這些催化劑既環保又廉價。

有機催化劑使用範圍的迅速擴大,主要是由於它們能夠驅動不對稱催化。在構建分子時,經常會形成兩種不同的分子,就像我們的手一樣,它們是彼此的鏡像。化學家通常只需要其中一種,尤其是在生產藥品時。

自2000年以來,有機催化以驚人的速度發展。利斯特和麥克米倫迄今仍然是該領域的領導者,他們已經證明有機催化劑可用於驅動多種化學反應。

利用這些反應,研究人員現在可以更有效地構建很多東西,從新藥物到可在太陽能電池中捕獲光的分子。可以說,通過這種方式,有機催化劑正在為人類帶來最大的利益。

——江蘇科技報劉霞張佳欣張夢然

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