李偉

近日，2021年諾貝爾獎(jiǎng)揭曉，7位科學(xué)家分享了化學(xué)、物理學(xué)和生理學(xué)或醫(yī)學(xué)三個(gè)自然科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)?！爸Z獎(jiǎng)科技”并不只是象牙塔中的科研成果和理論模型，它們已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，影響著我們的日常生活。

2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予美國(guó)科學(xué)家戴維·麥克米倫和德國(guó)科學(xué)家本杰明·李斯特，以表彰他們?cè)凇坝袡C(jī)催化”方面所作出的貢獻(xiàn)。

金屬是化工領(lǐng)域常用的催化劑，它們有一種特殊的能力——在化學(xué)反應(yīng)過程中暫時(shí)將電子提供給反應(yīng)物。這有助于松開原子之間的連接，分子的牢固結(jié)構(gòu)被打破，從而生成新的物質(zhì)。不過，很多金屬催化劑對(duì)氧氣和水非常敏感。為了使它們發(fā)揮作用，往往需要?jiǎng)?chuàng)造沒有氧氣和水分的環(huán)境，而這在大型工業(yè)體系中很難實(shí)現(xiàn)。另外，有些金屬催化劑屬于有毒重金屬，會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

戴維·麥克米倫設(shè)計(jì)出一些簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，讓它們替代金屬充當(dāng)催化劑，提供電子促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)。麥克米倫測(cè)試了幾種有機(jī)分子驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的能力。正如他所預(yù)期的，這一方法非常奏效。

除了金屬，另一種有效的催化劑是酶。生物體含有成千上萬種酶，驅(qū)動(dòng)著各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。很多酶都是“催化專家”，而且會(huì)“接力”工作——當(dāng)一種酶完成一個(gè)階段的反應(yīng)后，另一種酶就會(huì)接手，繼續(xù)推進(jìn)反應(yīng)。酶可以以驚人的精確度構(gòu)建復(fù)雜的分子，創(chuàng)造人類所需的各種物質(zhì)，如葉綠素、抗菌素等。

一種酶由數(shù)百種氨基酸組成，在它作為催化劑時(shí)，通常只有少數(shù)氨基酸參與化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量無用的工業(yè)廢料，非常不利于環(huán)保。

本杰明·李斯特跳出常規(guī)思維，提出疑問：氨基酸必須作為酶的一部分才能催化化學(xué)反應(yīng)嗎？只用氨基酸或其他類似的簡(jiǎn)單分子能完成同樣的工作嗎？于是，他嘗試直接用氨基酸催化化學(xué)反應(yīng)，最終取得了巨大的成功。

麥克米倫和李斯特的研究可謂殊途同歸，即用新型有機(jī)物替代傳統(tǒng)的催化劑。這種催化方式被稱為“有機(jī)催化”，它能更高效地創(chuàng)建分子結(jié)構(gòu)，生成有用的化合物，并大幅縮減工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的無用副產(chǎn)品，減小對(duì)環(huán)境的影響。

關(guān)于“有機(jī)催化”如何改變我們的生活，可以舉出成百上千的例子。研究人員通過“有機(jī)催化”大大簡(jiǎn)化了醫(yī)用抗菌素的生產(chǎn)過程，將生產(chǎn)效率提高數(shù)千倍！利用“有機(jī)催化”，可以通過相對(duì)簡(jiǎn)單的程序制造出大量獨(dú)特的分子，極大地豐富人們的“藥箱”。例如，一些原本只能從稀有植物或深海生物中分離出來的藥物，現(xiàn)在可以快速地批量生產(chǎn)。用于治療焦慮和抑郁的帕羅西汀，以及用于治療呼吸道感染的抗病毒藥物奧司他韋，都可以通過“有機(jī)催化”快速量產(chǎn)。

2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)由美國(guó)科學(xué)家戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安分享，以表彰他們?cè)谏窠?jīng)“感應(yīng)器”方面的發(fā)現(xiàn)，以及基于此開發(fā)的“離子通道”技術(shù)。

人類是如何感知環(huán)境刺激的？眼睛如何探測(cè)到光？聲波如何影響我們的內(nèi)耳？不同的化合物如何對(duì)我們鼻子和嘴巴中的“感應(yīng)器”施加影響，從而產(chǎn)生氣味和味道？還有陽(yáng)光的照射、微風(fēng)的輕拂……在日常生活中，我們認(rèn)為這些感覺是自然產(chǎn)生的，但人體的神經(jīng)沖動(dòng)是如何啟動(dòng)，從而感知外部刺激的呢？

美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校教授戴維·朱利葉斯，利用辣椒素識(shí)別出了皮膚神經(jīng)末梢中對(duì)熱量作出反應(yīng)的“感應(yīng)器”;斯克利普斯研究所的阿德姆·帕塔普蒂安利用壓敏細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)了皮膚和內(nèi)臟細(xì)胞中對(duì)刺激作出反應(yīng)的“感應(yīng)器”。他們兩人基于這一突破性發(fā)現(xiàn)，開發(fā)出模擬感應(yīng)技術(shù)，即“離子通道”技術(shù)。他們的研究成果不僅明確了人類神經(jīng)系統(tǒng)感知溫度、壓力和其他刺激的原理，而且有助于開發(fā)仿生感應(yīng)器。

戴維·朱利葉斯利用辣椒素識(shí)別出神經(jīng)末梢中的“感應(yīng)器”

“離子通道”技術(shù)對(duì)于元宇宙的發(fā)展至關(guān)重要

“離子通道”技術(shù)可以幫助病患減輕疼痛等不良感受。該技術(shù)更廣闊的應(yīng)用前景，在于兩個(gè)潛在的重要領(lǐng)域。

一是元宇宙。它被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的下一階段，是由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、3D和AI等技術(shù)支持的虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)世界。如果人們能夠通過各種設(shè)備將自己與電腦系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)連接，就能感受虛擬世界。“離子通道”技術(shù)的加持，可以把元宇宙中人物的感覺轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)中的人身上。

二是仿真人。機(jī)器人研究領(lǐng)域有一個(gè)重要方向：讓機(jī)器人與人越來越像。美國(guó)波士頓動(dòng)力公司開發(fā)的新型機(jī)器人，無論走路還是跑步，其動(dòng)作、姿態(tài)已經(jīng)與人類一般無二。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，有望讓機(jī)器人學(xué)會(huì)像人一樣思考。如果再引入“離子通道”技術(shù)，那么仿真人就有可能研發(fā)成功。它們對(duì)環(huán)境刺激的感受將與人類一樣，有助于提高其感應(yīng)和行動(dòng)能力。

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由三位科學(xué)家分享，以分別表彰他們?cè)跍厥覛怏w導(dǎo)致氣候變化以及“自旋玻璃”模型領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

日裔美國(guó)科學(xué)家真鍋淑郎和他帶領(lǐng)的美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的團(tuán)隊(duì)，設(shè)置了一個(gè)簡(jiǎn)化模型，分析了大氣的“輻射—對(duì)流”平衡模式，并研究了水蒸氣所產(chǎn)生的效應(yīng)。真鍋淑郎發(fā)現(xiàn)，隨著大氣中二氧化碳濃度的增大，地球表面和對(duì)流層的溫度會(huì)上升，而平流層的溫度會(huì)下降。

德國(guó)科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼建立了描述氣候變化的隨機(jī)模型（哈塞爾曼模型）。在這個(gè)模型中，長(zhǎng)時(shí)間的氣候變化被解釋為短時(shí)間的天氣變化的累積，在隨機(jī)的天氣變化情況和穩(wěn)定的氣候變化趨勢(shì)之間架起了一座橋梁。此外，他還開發(fā)了一系列識(shí)別自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)在氣候中留下的印跡的方法。

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究成果都證明，大氣溫度的升高是人類過度排放二氧化碳造成的。這一研究成果成為全球各國(guó)實(shí)施碳減排戰(zhàn)略的理論基礎(chǔ)。

意大利科學(xué)家喬治·帕里西在“自旋玻璃”模型領(lǐng)域的研究取得了重要成果?！白孕ＡА笔且环N非常復(fù)雜的材料模型，可以用來描述各種無序材料（膠體、顆粒等），也可以用來描述各種包含復(fù)雜相互作用的系統(tǒng)，例如大腦、網(wǎng)絡(luò)、市場(chǎng)、某個(gè)特殊人群等等。

帕里西推動(dòng)了“自旋玻璃”模型在分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與其功能密切相關(guān)。只有知道一種蛋白質(zhì)的分子是如何折疊的，我們才能知曉其能夠發(fā)揮的作用。例如，胰島素如何控制血液中糖分的含量，抗體如何對(duì)抗冠狀病毒，這些都由相關(guān)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)決定。科研領(lǐng)域的許多重大挑戰(zhàn)，如研究某種疾病的治療方法，或者開發(fā)分解某種工業(yè)廢物的制劑，從根本上說都與蛋白質(zhì)及其發(fā)揮的作用有關(guān)。

分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)一直是科研領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的分析方法需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)并改正錯(cuò)誤，往往要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間來完成一組分析，且需要價(jià)值數(shù)百萬美元的專用設(shè)備。采用“自旋玻璃”模型分析一組蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以將所需的時(shí)間縮短到傳統(tǒng)分析方法的十分之一到二十分之一，將成本縮減到百分之一。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com