化学奖成果解读

让构建分子发生革命性变化的巧妙工具

从太阳能电池到轻便跑鞋，再到治疗各种疾病的药物，许多工业产品依赖于化学家合成的能力。然而要让肉眼不可见的化学成分按人类所需的方式合成新分子并非易事。2021年诺贝尔化学奖得主本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦的成就是，各自独立开发出一种分子构建工具——不对称有机催化，它广泛用于新药开发，并使化学合成变得更“绿色”。

催化剂是化学合成的一个重要工具，它本身不参与化学反应，但可以改变反应速率，大幅提高合成效率。19世纪的化学家已发现催化现象。1835年，瑞典著名化学家贝尔塞柳斯（也译作贝采里乌斯）首先指出，有一种新的“力量”可以“产生化学活动”，并列举某些物质的存在就可以驱动化学反应，这种现象就是“催化”。

此后，催化剂的广泛应用带来化学合成工业蓬勃发展。在催化剂的帮助下，人类可以很容易地获得药品、塑料、香水等生活所需品。据估计，目前全球约35%的国内生产总值（GDP）涉及化学催化。

然而直到2000年，广泛使用的催化剂仅有金属和酶两大类。其中金属催化剂很难用于大型工业生产，因为它们对氧气和水敏感，而大型工业生产中难以创造无氧无水的环境。此外许多金属催化剂是重金属，对环境有害。

另一类催化剂酶是蛋白质。生物体内的酶数以千计，它们驱动生命所必需的反应。许多酶还是不对称催化“专家”，可合成手性分子。手性分子是指与其镜像分子不能互相重合的、具有一定构象的分子。同样的化学组分可以生成互为镜像的手性分子，其特性可能有很大差异。化学家通常只需要其中一种，尤其是生产药品时，另一种手性分子可能作为杂质混入，这就需要不对称催化来控制反应。

上世纪90年代，开发新型酶催化剂成为热门领域，利斯特的工作就是从此开始的。在研究抗体酶时，利斯特开始“跳出盒子”思考酶究竟如何工作。酶一般是由数百个氨基酸组成的巨大分子，许多酶还含有可能具有催化作用的金属组分，然而大量酶催化的反应并不需要这些金属组分参与，而是由酶分子中一个或几个氨基酸驱动。他提出的问题是：氨基酸必须作为酶的一部分才能发挥催化作用吗？一个单独的氨基酸或类似的简单分子，能做同样的工作吗？

利斯特测试了用脯氨酸催化羟醛反应的效果。之前曾有研究人员测试过脯氨酸的催化效果，但研究没有持续下去，所以利斯特起初没有抱太大希望。然而出人意料的是，脯氨酸立即起作用了！利斯特不仅证明它是一种高效催化剂，而且还能驱动不对称催化。在两种可能的手性分子产物中，利用脯氨酸催化可以使其中一种占主导。

与金属和酶相比，脯氨酸是一种简单、便宜、环保的分子，因此成为化学家梦寐以求的催化工具。“这类催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一。”在2000年发表这项新成果时，利斯特将有机物驱动的不对称催化描述为一个充满潜力的新概念。

麦克米伦也在朝同样的方向努力。他曾致力于利用金属改善不对称催化，然而因为金属用于工业生产的局限性，最终转向设计有机催化剂。有机物通常有一个稳定的碳原子骨架，上面附着含有氧、氮、硫、磷等元素的化学基团。麦克米伦判断，能形成亚胺离子的有机物具有催化能力，因为亚胺离子含有的氮原子对电子有较强的亲和性。他据此选择了几种有机分子，并测试它们驱动狄尔斯-阿尔德反应的能力。结果如他预料，一些有机分子不仅有效驱动反应，在不对称催化方面也很出色，在两种可能的手性分子产物中，其中一种能占产物的90%以上。

麦克米伦意识到用有机小分子催化是一种可以推广的方法，需要找一个术语来描述。2000年，他在这项成果的相关论文引言中说：“在此，我们介绍了一种‘有机催化’新策略，我们希望它能用于一系列不对称转化。”

2000年以来，有机催化剂的发展堪比“淘金热”，而利斯特和麦克米伦保持领先地位。他们设计了大量廉价而稳定的有机催化剂，可用于驱动各种不对称催化反应，还可以用于级联反应，使化工生产中的多个反应步骤连续执行，减少中间产物浪费，大幅提高反应效率。

不对称有机催化的发展对药物合成产生重大影响。在不对称催化广泛应用之前，许多合成药物中包含两种互为镜像的手性分子，其中一种具有活性，而另一种是杂质，有时会带来不良反应。一个灾难性的例子是，抗妊娠反应药物沙利度胺因混入手性分子杂质，而在上世纪中叶造成数以千计人类胚胎发育畸形。而现在利用有机催化剂就可以简单地获取手性分子。制药企业也利用有机催化剂简化现有药品生产流程，例如治疗焦虑和抑郁的帕罗西汀和治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦等。

物理学奖成果解读

他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘

物理学世界存在着很多“复杂系统”，大到多变的天气，小到金属中的原子运动……它们混乱随机，令人难以揣摩。而2021年诺贝尔物理学奖就授予了三名科学家，以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献”。

对人类至关重要的一个复杂系统正是我们的地球气候。日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼的工作为人类对气候的认知打下了坚实的科学基础。

如今，二氧化碳等温室气体是导致地球大气升温的“罪魁祸首”这一认知已经为大众所熟知，但正是真锅淑郎论证了大气中二氧化碳浓度增加如何导致地球表面温度的升高。20世纪60年代，他领导了地球气候物理模型的开发，是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人，他的工作为建立气候模型奠定了基础。

天气由温度、降水、风或云等气象指标描述，并受海洋和陆地事件影响，气候模型是基于天气计算的统计属性，如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等。比如，气候模型无法明确告诉我们明年12月北京的天气情况，却能告诉我们那个月北京的平均气温和降雨量。

为了解二氧化碳水平增加如何导致气温升高，真锅淑郎把空气团因对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。为方便计算，他构建了一个一维模型，深入到大气层中40公里，并通过改变大气中气体的浓度来测试模型。他发现，氧和氮对地表温度影响可忽略不计，而二氧化碳的影响则很明显：当二氧化碳水平翻倍，全球温度上升超过2摄氏度。

天气是混乱多变系统的经典例子，为何气候模型依然可靠呢？在真锅淑郎的研究约10年后，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候相关联的模型，回答了这一问题。

哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算，并证明这种噪音如何影响气候，从而为长期气候预报奠定了坚实科学基础。受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发，他创建了一个随机气候模型，证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。

哈塞尔曼还开发出可识别人类对气候系统影响的方法。他发现，气候模型以及观测和理论考量，均包含了有关噪音和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记，可被分离出来。这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响，为进一步研究气候变化扫清障碍。

与真锅淑郎和哈塞尔曼相比，意大利科学家乔治·帕里西的研究更聚焦于微观尺度。1980年左右，他发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配，奠定了复杂系统理论的基石。

帕里西的研究与一个有趣的概念密切相关——“自旋玻璃”。这可不是一种玻璃，而是指磁性合金材料的一种亚稳定状态。“自旋玻璃”是一种超复杂和混乱的系统，如果我们观察一种“自旋玻璃”合金材料中的原子运动，就会发现当中的铁原子和铜原子随机混合。材料中占比很少的铁原子以一种令人迷惑的方式改变了整个材料的磁性，每个铁原子都相当于一个小磁铁，即一个“自旋”，同时受到身边其他铁原子影响。在普通磁铁中，所有“自旋”都指向同一个方向，而在“自旋玻璃”中，它们会“受挫”，有些“自旋”试图指向同一个方向，而另一些则完全指向相反的方向。

“研究‘自旋玻璃’就好像观看莎士比亚所写的人类悲剧，”帕里西说，“如果你想和两个人同时交朋友，但他们彼此厌恶，这就令人受挫。”

“自旋玻璃”为研究复杂系统提供了物理模型。1979年，帕里西取得突破性进展，成功利用一种名为“副本戏法”的数学工具描绘“自旋玻璃”问题。这一方法后来也被用于很多复杂系统研究。

帕里西的开创性发现使理解和描述许多不同的、显然完全随机的复杂材料和现象成为可能，不仅对物理学影响深远，也给数学、生物学、神经科学和机器学习等领域的研究带来启示。

生理学或医学奖成果解读

神经细胞如何 感知温度和触碰

人类对温度和触碰的感知能力对生存至关重要。能够感知温度和触碰的神经脉冲是如何产生的？2021年诺贝尔生理学或医学奖得主戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安的工作帮助人类洞悉了其中的机理。

长久以来，人类对感知能力背后的机理充满好奇心，并提出过各种假说。约瑟夫·厄兰格和赫伯特·加瑟两位科学家曾发现，不同类型的感觉神经纤维可以对不同的刺激——例如对疼痛和非疼痛触碰——做出反应，两人因此获得1944年诺贝尔生理学或医学奖。自那时起，科学家发现神经细胞是高度专业化的，不同分工的神经细胞可以探测和转导不同类型刺激，并使人类能感知到周围环境的细微差别。

然而，在朱利叶斯和帕塔普蒂安的发现之前，人类对神经系统如何感知环境的理解仍然存在一片空白区域：温度和触碰如何在神经系统中转化为电脉冲？

20世纪90年代后期，在美国加利福尼亚大学旧金山分校工作的戴维·朱利叶斯通过分析辣椒素如何使人产生灼热感而取得重大进展。朱利叶斯和他的同事创建了一个由数百万个DNA（脱氧核糖核酸）片段组成的基因库，这些DNA片段与能对疼痛、热和触碰做出反应的感觉神经元中表达的基因相对应。朱利叶斯和他的同事推测，该基因库中应该包含一个DNA片段，它能编码一种可以对辣椒素做出反应的蛋白质。

经过艰苦的搜索，朱利叶斯和他的同事终于发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因。该基因编码了一种新的离子通道蛋白，这种对辣椒素敏感的蛋白被命名为TRPV1。当朱利叶斯进一步研究TRPV1蛋白对热的反应能力时，他意识到自己发现了一种对热敏感的受体，这种受体在机体感觉到疼痛的温度下能被激活。

TRPV1的发现使人们了解到温度差异如何在神经系统中诱发电信号，该发现还引领了其他对温度敏感受体的研究之路。此后，朱利叶斯和帕塔普蒂安分别独立利用化学物质薄荷醇发现了一种能被寒冷激活的受体TRPM8。

为了解释机械刺激如何转为触觉，在美国斯克里普斯研究所工作的帕塔普蒂安希望找出被机械刺激激活的受体。帕塔普蒂安和他的同事首先发现了一种细胞系，当其中单个细胞被微管戳到时，该细胞系会发出可测量的电信号。他们随后筛选并鉴定出72个候选基因，通过将这些基因逐个关闭，成功识别出一个对机械刺激敏感的基因。当该基因关闭后，细胞对被微管戳到的压力不再敏感。

帕塔普蒂安和他的同事发现的是一种全新的压力敏感离子通道，他们将其命名为Piezo1。这个词来源于希腊语中的“压力”一词。根据与Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事还发现了第二种与压力感知相关的离子通道，并将其命名为Piezo2。研究还发现，通过对细胞膜施加压力，Piezo1和Piezo2离子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他团队在此基础上发表了一系列论文，证明了Piezo2离子通道对触觉至关重要，此外还在身体位置和运动感知方面发挥着关键作用。

朱利叶斯和帕塔普蒂安的工作还有助于理解与感知温度或机械刺激相关的许多其他的生理功能。例如，Piezo1和Piezo2通道可以调节血压、呼吸和膀胱控制等重要生理过程。相关成果正在被用于开发治疗慢性疼痛等疾病的疗法。

（据新华社电）