編譯 劉迪一

科學(xué)家有時(shí)會(huì)將贏得諾貝爾獎(jiǎng)比作“斯德哥爾摩之旅”。但由于全球疫情，今年和去年一樣 ，這趟獲獎(jiǎng)旅程只能在線上完成。當(dāng)然，云頒獎(jiǎng)應(yīng)該是不會(huì)減弱獲獎(jiǎng)?wù)叩南矏傊榈摹?/p>

物理學(xué)獎(jiǎng)被授予三位科學(xué)家。他們研究復(fù)雜、混沌和明顯隨機(jī)的物理系統(tǒng)，并開發(fā)了預(yù)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期行為的方法，其成果惠及從氣候研究到特殊材料研發(fā)等眾多領(lǐng)域。1 000萬瑞典克朗（約合736.8萬人民幣）的獎(jiǎng)金一半由普林斯頓大學(xué)的真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和馬克斯·普朗克氣象研究所的克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）分享，另一半歸屬羅馬大學(xué)的喬治·帕里西（Giorgio Parisi）。

瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)表示，真鍋淑郎和哈塞爾曼奠定了地球氣候模型的基礎(chǔ)，“量化了可變性并可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”；帕里西博士則因發(fā)現(xiàn)“從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中的無序和漲落的相互作用”而獲獎(jiǎng)。

熱和光

在20世紀(jì)60年代，大氣科學(xué)家真鍋淑郎將自己對(duì)地球大氣的新穎的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)見解相結(jié)合，做出第一個(gè)可靠的預(yù)測(cè)，即二氧化碳濃度增加一倍會(huì)使地球表面溫度升高。他的工作推動(dòng)了地球氣候物理模型的發(fā)展，也為今天我們所使用的氣候模型奠定了基礎(chǔ)。

大約在同一時(shí)間，麻省理工學(xué)院的愛德華·洛倫茲（Edward Lorenz）等科學(xué)家開始將天氣描述為一個(gè)混沌系統(tǒng)——換言之，它有許多相互作用的獨(dú)立成分，例如溫度、壓力、濕度和風(fēng)速，即使是初始條件的微小變化也可能導(dǎo)致后期的巨大差異。在這種描述體系中，天氣變化是很快的，即便是未來幾天內(nèi)的天氣也基本不可預(yù)測(cè)。

哈塞爾曼在20世紀(jì)70年代開發(fā)的氣候模型能相對(duì)可靠地預(yù)測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的地球氣候變化（短期的天氣變化難以預(yù)測(cè)）。他在描述自己的工作時(shí)，用布朗運(yùn)動(dòng)——植物學(xué)家羅伯特·布朗（Robert Brown）于1827年首次在顯微鏡下觀察到花粉在水中無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)——進(jìn)行了類比；近80年后，阿爾伯特·愛因斯坦假設(shè)可以用更微小、快速移動(dòng)的水分子的持續(xù)轟擊來解釋這些花粉的運(yùn)動(dòng)。大尺度的氣候變化同樣能被視為許多較小事件共同引發(fā)的結(jié)果。

1980年左右，帕里西發(fā)現(xiàn)了一些控制明顯隨機(jī)現(xiàn)象的規(guī)則。他研究了一種被稱為“自旋玻璃”的材料。在這種材料中，鐵原子隨機(jī)混入到銅原子的矩陣?yán)铩Ｃ總€(gè)鐵原子都是微型磁鐵，不過在正常的磁化金屬塊中，它們的南北兩極都指向同一個(gè)方向，但在自旋玻璃中的情況就不一樣了。帕里西設(shè)計(jì)了一種方法來了解它們?nèi)绾握业阶罴逊较?。他的?shù)學(xué)思想不僅有助于解釋地球氣候的一些復(fù)雜系統(tǒng)，還闡明了動(dòng)物行為、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等不同領(lǐng)域中其他明顯隨機(jī)現(xiàn)象。

今年的物理學(xué)獎(jiǎng)得主是第一組因理解氣候而被諾獎(jiǎng)委員會(huì)垂青的科學(xué)家。而當(dāng)委員會(huì)成員被問及這份垂青是不是他們——在第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP26）于格拉斯哥舉辦的前夕——向世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人傳達(dá)的一個(gè)不那么微妙的信號(hào)時(shí)，他們表示，諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)旨在頌揚(yáng)那些獲獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)本身。此外，他們還補(bǔ)充道，這也表明氣候建模和全球變暖的概念依賴于堅(jiān)實(shí)的物理科學(xué)。人類再也不能說自己不知道地球是怎么樣的，或者為什么變暖的了。

第三催化劑

馬克斯·普朗克煤炭研究所的本杰明·李斯特（Benjamin List）和普林斯頓大學(xué)的戴維·麥克米蘭（David MacMillan）共同獲得化學(xué)獎(jiǎng)。他們?cè)?000年獨(dú)自研發(fā)了基于有機(jī)小分子的催化劑（當(dāng)時(shí)他們不知道對(duì)方的研究情況）——這是酶和過渡金屬之后的第三種催化劑。

一些化學(xué)反應(yīng)速度很快，但大多數(shù)——包括許多具有重要工業(yè)意義的——需要催化劑的幫助。生物體進(jìn)化出了酶形式的催化劑，它們是尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有時(shí)會(huì)“喜怒無?！钡牡鞍踪|(zhì)分子，其優(yōu)點(diǎn)在于它們能創(chuàng)建出光學(xué)異構(gòu)體——互為鏡像的一對(duì)分子。這對(duì)制藥行業(yè)意義重大，因?yàn)椴煌膶?duì)映異構(gòu)體能在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生不同的影響。此外，如果你選對(duì)了酶，往往只需區(qū)區(qū)幾個(gè)階段，多步反應(yīng)便可完成。

過渡金屬，例如銅、鎳和鐵，是元素周期表中間區(qū)域的金屬，其原子核周圍的電子層結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，這意味著它們?cè)诨瘜W(xué)層面上“多才多藝”，也令其成為良好的催化劑。過渡金屬催化劑比酶更容易處理，但我們通常無法區(qū)分對(duì)映異構(gòu)體；另一方面，過渡金屬化合物往往是有毒的，會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響；此外，它們參與催化的多步驟反應(yīng)可能會(huì)很冗長(zhǎng)。

李斯特和麥克米蘭找到了一種兩全其美的方法：他們研發(fā)的不含金屬原子的小分子催化劑能生成純對(duì)映異構(gòu)體，而且通?？梢院?jiǎn)化多步反應(yīng)。這具有重大的工業(yè)意義。

李斯特把目光聚焦于可催化羥醛縮合反應(yīng)的醛縮酶a。羥醛縮合是碳原子間形成分子鍵的一種重要形式。醛縮酶a由350個(gè)氨基酸組成，不過真正發(fā)揮作用的只有其中3種——賴氨酸、谷氨酸和酪氨酸。鑒于此，他想知道能否把醛縮酶a的活性中心給分離出來，同時(shí)保持其活性。事實(shí)上，他做得比自己期待的更好。李斯特成功證明了醛醇縮合反應(yīng)是可以由單個(gè)脯氨酸催化的；而且至關(guān)重要的是，這保留了酶介導(dǎo)反應(yīng)的對(duì)映體純度。

麥克米蘭選擇從問題的另一個(gè)角度出發(fā)，試圖從參與狄爾斯-阿爾德反應(yīng)過程的催化劑中去除金屬，也就是銅。狄爾斯-阿爾德反應(yīng)是一種將兩個(gè)分子（其中一個(gè)含有四個(gè)碳原子，另一個(gè)則含有兩個(gè)碳）連接成一個(gè)六碳環(huán)的過程。六碳環(huán)在有機(jī)化學(xué)中無處不在，也可以引入各種各樣的側(cè)基。麥克米蘭發(fā)現(xiàn)他可以通過使用咪唑烷酮（不含金屬）來催化狄爾斯-阿爾德反應(yīng)，以激活含兩個(gè)碳原子的反應(yīng)物，進(jìn)而積極地與其四碳“伙伴”反應(yīng)結(jié)合。

李斯特和麥克米蘭的工作直接開啟了不對(duì)稱有機(jī)催化這一全新的化學(xué)領(lǐng)域。該領(lǐng)域目前正在工業(yè)界大放異彩。

感覺與感知

人體的五感設(shè)定可以追溯至古希臘的亞里士多德。其中的四種感覺顯而易見，因?yàn)樗鼈兌寂c特定器官有關(guān)：視覺對(duì)應(yīng)眼睛，聽覺對(duì)應(yīng)耳朵，味覺靠舌頭，嗅覺用鼻子。但那第五種經(jīng)典感覺——觸覺，卻分布于整個(gè)身體表面——當(dāng)然，指尖是絕對(duì)的觸感聚集地。

此外，觸覺只是諸多分布式感覺里的一種，此外人體也能有意識(shí)地感知包括疼痛、熱和冷等感覺。另外現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)，人體也存在無意識(shí)感知的感覺，并將其統(tǒng)稱為本體感覺。它們跟蹤身體及其各部位的位置和運(yùn)動(dòng)。今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)現(xiàn)兩種分布式感覺——溫度和機(jī)械刺激——的分子機(jī)制的科學(xué)家。

他們分別是來自加州大學(xué)舊金山分校的大衛(wèi)·朱利葉斯（David Julius）和斯克利普斯研究所的阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）。朱利葉斯率先在溫度感知方面做出了開創(chuàng)性的成果，之后帕塔普蒂安成為朱利葉斯的同行，不過兩人各自獨(dú)立開展工作。帕塔普蒂安博士后來轉(zhuǎn)向了對(duì)機(jī)械刺激的研究。

20世紀(jì)90年代后期，朱利葉斯博士開始研究辣椒素（辣椒的活性成分）。由于一個(gè)化學(xué)巧合（正如當(dāng)時(shí)假設(shè)的和現(xiàn)在已知的那樣），辣椒素與人體的一種熱受體蛋白發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而激活了它。朱利葉斯試圖確定這一辣椒素的受體蛋白質(zhì)是什么。為此，他針對(duì)那些已知在熱受體細(xì)胞中具有活性的蛋白質(zhì)制備了海量基因片段，然后將這些片段引入其他細(xì)胞，令其生產(chǎn)相應(yīng)的蛋白質(zhì)片段。完成后，他測(cè)試了改變的細(xì)胞對(duì)辣椒素的敏感性。

結(jié)果證明，引起辣椒素敏感性的片段是辣椒素型瞬時(shí)受體電位蛋白（TRPV1）的一部分。TRPV1是一種精妙的非選擇性陽(yáng)離子配體門控通道，對(duì)鈣離子具有高通透性，負(fù)責(zé)人體內(nèi)的很多工作。朱利葉斯發(fā)現(xiàn)TRPV1的確如預(yù)測(cè)的那般對(duì)熱敏感：當(dāng)溫度升至43攝氏度以上后，它的通道會(huì)打開，允許鈣和鈉離子通過；而這種化學(xué)信號(hào)又會(huì)激發(fā)神經(jīng)沖動(dòng)，讓大腦知道溫度有變。

帕塔普蒂安在將目光轉(zhuǎn)向觸覺后就一直深耕此方向。在他研究期間，分子生物學(xué)取得了極大進(jìn)展，這令他有能力處理完整蛋白質(zhì)——或者更確切地說，完整蛋白質(zhì)的基因。他鑒定了72種在機(jī)械敏感細(xì)胞系中表達(dá)的蛋白質(zhì)——它們看起來像是潛在的觸敏（或者說機(jī)械敏感性）離子通道。他通過使編碼蛋白質(zhì)的基因沉默，然后一次一個(gè)地測(cè)試細(xì)胞的敏感性，最終找到了那個(gè)對(duì)壓力敏感的Piezo1蛋白。

自然界生物體內(nèi)的Piezo1并非存在于它們的感覺神經(jīng)元內(nèi)，而是位于膀胱等非常倚靠壓力敏感度的器官中。不過帕塔普蒂安發(fā)現(xiàn)了一個(gè)藏在神經(jīng)末梢里的類似Piezo1的通道——Piezo2，負(fù)責(zé)觸摸和本體感覺。

資料來源 The Economist