伴随错愕和激动，2021年斯德哥尔摩之旅开启

编译 刘迪一

科学家有时会将赢得诺贝尔奖比作“斯德哥尔摩之旅”。但由于全球疫情，今年和去年一样 ，这趟获奖旅程只能在线上完成。当然，云颁奖应该是不会减弱获奖者的喜悦之情的。

物理学奖被授予三位科学家。他们研究复杂、混沌和明显随机的物理系统，并开发了预测系统长期行为的方法，其成果惠及从气候研究到特殊材料研发等众多领域。1 000万瑞典克朗（约合736.8万人民币）的奖金一半由普林斯顿大学的真锅淑郎（Syukuro Manabe）和马克斯·普朗克气象研究所的克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）分享，另一半归属罗马大学的乔治·帕里西（Giorgio Parisi）。

瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会表示，真锅淑郎和哈塞尔曼奠定了地球气候模型的基础，“量化了可变性并可靠地预测全球变暖”；帕里西博士则因发现“从原子到行星尺度的物理系统中的无序和涨落的相互作用”而获奖。

热和光

在20世纪60年代，大气科学家真锅淑郎将自己对地球大气的新颖的动力学和热力学见解相结合，做出第一个可靠的预测，即二氧化碳浓度增加一倍会使地球表面温度升高。他的工作推动了地球气候物理模型的发展，也为今天我们所使用的气候模型奠定了基础。

大约在同一时间，麻省理工学院的爱德华·洛伦兹（Edward Lorenz）等科学家开始将天气描述为一个混沌系统——换言之，它有许多相互作用的独立成分，例如温度、压力、湿度和风速，即使是初始条件的微小变化也可能导致后期的巨大差异。在这种描述体系中，天气变化是很快的，即便是未来几天内的天气也基本不可预测。

哈塞尔曼在20世纪70年代开发的气候模型能相对可靠地预测较长时间段内的地球气候变化（短期的天气变化难以预测）。他在描述自己的工作时，用布朗运动——植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）于1827年首次在显微镜下观察到花粉在水中无规则的运动——进行了类比；近80年后，阿尔伯特·爱因斯坦假设可以用更微小、快速移动的水分子的持续轰击来解释这些花粉的运动。大尺度的气候变化同样能被视为许多较小事件共同引发的结果。

1980年左右，帕里西发现了一些控制明显随机现象的规则。他研究了一种被称为“自旋玻璃”的材料。在这种材料中，铁原子随机混入到铜原子的矩阵里。每个铁原子都是微型磁铁，不过在正常的磁化金属块中，它们的南北两极都指向同一个方向，但在自旋玻璃中的情况就不一样了。帕里西设计了一种方法来了解它们如何找到最佳方向。他的数学思想不仅有助于解释地球气候的一些复杂系统，还阐明了动物行为、神经科学和机器学习等不同领域中其他明显随机现象。

今年的物理学奖得主是第一组因理解气候而被诺奖委员会垂青的科学家。而当委员会成员被问及这份垂青是不是他们——在第26届联合国气候变化大会（COP26）于格拉斯哥举办的前夕——向世界各国领导人传达的一个不那么微妙的信号时，他们表示，诺贝尔奖项旨在颂扬那些获奖发现本身。此外，他们还补充道，这也表明气候建模和全球变暖的概念依赖于坚实的物理科学。人类再也不能说自己不知道地球是怎么样的，或者为什么变暖的了。

第三催化剂

马克斯·普朗克煤炭研究所的本杰明·李斯特（Benjamin List）和普林斯顿大学的戴维·麦克米兰（David MacMillan）共同获得化学奖。他们在2000年独自研发了基于有机小分子的催化剂（当时他们不知道对方的研究情况）——这是酶和过渡金属之后的第三种催化剂。

一些化学反应速度很快，但大多数——包括许多具有重要工业意义的——需要催化剂的帮助。生物体进化出了酶形式的催化剂，它们是尺寸大、结构复杂且有时会“喜怒无常”的蛋白质分子，其优点在于它们能创建出光学异构体——互为镜像的一对分子。这对制药行业意义重大，因为不同的对映异构体能在机体内产生不同的影响。此外，如果你选对了酶，往往只需区区几个阶段，多步反应便可完成。

过渡金属，例如铜、镍和铁，是元素周期表中间区域的金属，其原子核周围的电子层结构相当复杂，这意味着它们在化学层面上“多才多艺”，也令其成为良好的催化剂。过渡金属催化剂比酶更容易处理，但我们通常无法区分对映异构体；另一方面，过渡金属化合物往往是有毒的，会对环境造成不良影响；此外，它们参与催化的多步骤反应可能会很冗长。

李斯特和麦克米兰找到了一种两全其美的方法：他们研发的不含金属原子的小分子催化剂能生成纯对映异构体，而且通常可以简化多步反应。这具有重大的工业意义。

李斯特把目光聚焦于可催化羟醛缩合反应的醛缩酶a。羟醛缩合是碳原子间形成分子键的一种重要形式。醛缩酶a由350个氨基酸组成，不过真正发挥作用的只有其中3种——赖氨酸、谷氨酸和酪氨酸。鉴于此，他想知道能否把醛缩酶a的活性中心给分离出来，同时保持其活性。事实上，他做得比自己期待的更好。李斯特成功证明了醛醇缩合反应是可以由单个脯氨酸催化的；而且至关重要的是，这保留了酶介导反应的对映体纯度。

麦克米兰选择从问题的另一个角度出发，试图从参与狄尔斯-阿尔德反应过程的催化剂中去除金属，也就是铜。狄尔斯-阿尔德反应是一种将两个分子（其中一个含有四个碳原子，另一个则含有两个碳）连接成一个六碳环的过程。六碳环在有机化学中无处不在，也可以引入各种各样的侧基。麦克米兰发现他可以通过使用咪唑烷酮（不含金属）来催化狄尔斯-阿尔德反应，以激活含两个碳原子的反应物，进而积极地与其四碳“伙伴”反应结合。

李斯特和麦克米兰的工作直接开启了不对称有机催化这一全新的化学领域。该领域目前正在工业界大放异彩。

感觉与感知

人体的五感设定可以追溯至古希腊的亚里士多德。其中的四种感觉显而易见，因为它们都与特定器官有关：视觉对应眼睛，听觉对应耳朵，味觉靠舌头，嗅觉用鼻子。但那第五种经典感觉——触觉，却分布于整个身体表面——当然，指尖是绝对的触感聚集地。

此外，触觉只是诸多分布式感觉里的一种，此外人体也能有意识地感知包括疼痛、热和冷等感觉。另外现代科学发现，人体也存在无意识感知的感觉，并将其统称为本体感觉。它们跟踪身体及其各部位的位置和运动。今年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现两种分布式感觉——温度和机械刺激——的分子机制的科学家。

他们分别是来自加州大学旧金山分校的大卫·朱利叶斯（David Julius）和斯克利普斯研究所的阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）。朱利叶斯率先在温度感知方面做出了开创性的成果，之后帕塔普蒂安成为朱利叶斯的同行，不过两人各自独立开展工作。帕塔普蒂安博士后来转向了对机械刺激的研究。

20世纪90年代后期，朱利叶斯博士开始研究辣椒素（辣椒的活性成分）。由于一个化学巧合（正如当时假设的和现在已知的那样），辣椒素与人体的一种热受体蛋白发生反应，进而激活了它。朱利叶斯试图确定这一辣椒素的受体蛋白质是什么。为此，他针对那些已知在热受体细胞中具有活性的蛋白质制备了海量基因片段，然后将这些片段引入其他细胞，令其生产相应的蛋白质片段。完成后，他测试了改变的细胞对辣椒素的敏感性。

结果证明，引起辣椒素敏感性的片段是辣椒素型瞬时受体电位蛋白（TRPV1）的一部分。TRPV1是一种精妙的非选择性阳离子配体门控通道，对钙离子具有高通透性，负责人体内的很多工作。朱利叶斯发现TRPV1的确如预测的那般对热敏感：当温度升至43摄氏度以上后，它的通道会打开，允许钙和钠离子通过；而这种化学信号又会激发神经冲动，让大脑知道温度有变。

帕塔普蒂安在将目光转向触觉后就一直深耕此方向。在他研究期间，分子生物学取得了极大进展，这令他有能力处理完整蛋白质——或者更确切地说，完整蛋白质的基因。他鉴定了72种在机械敏感细胞系中表达的蛋白质——它们看起来像是潜在的触敏（或者说机械敏感性）离子通道。他通过使编码蛋白质的基因沉默，然后一次一个地测试细胞的敏感性，最终找到了那个对压力敏感的Piezo1蛋白。

自然界生物体内的Piezo1并非存在于它们的感觉神经元内，而是位于膀胱等非常倚靠压力敏感度的器官中。不过帕塔普蒂安发现了一个藏在神经末梢里的类似Piezo1的通道——Piezo2，负责触摸和本体感觉。

资料来源 The Economist