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  • 2021年诺贝尔自然科学奖解读

    发布时间: 2021-10-12 10:41首页:房产新闻 > 头条热点 > 科技新闻 > 阅读()

      2021年诺贝尔生理学或医学奖――

      破解人类感知之谜

      中青报・中青网记者 邱晨辉

      想象一下,在炎热的夏日,当你赤脚走过草坪,你可以感受太阳的热力,风的抚摸,以及脚下的每一片草叶。这些对于温度、触摸和运动的印象,是几乎每个人都可以感受得到的。

      不过,这些热或冷,硬或软,疼痛或压迫,是怎么来的?这些感知是哪些神经导致的,它又是如何启动的?人类却不得而知。

      2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者要解决的,就是这个问题。北京时间10月4日,这一奖项揭晓,授予美国科学家大卫・朱利叶斯(David Julius)和阿登・帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以表彰他们在“发现温度和触觉感受器”方面的贡献。

      来自诺贝尔奖委员会的说法是:两位科学家的突破性发现,引领了一系列密集的研究活动,让人们对神经系统如何感知热、冷和机械刺激的理解迅速加快。

      眼睛如何检测光线,声波如何影响我们的内耳,不同的化合物如何与我们鼻子和嘴巴中的感受器相互作用,产生嗅觉和味觉?几千年来,人类面临的一大谜题,就是我们如何感知所处的环境。

      在17世纪,哲学家勒内・笛卡尔设想,可以将皮肤的不同部分与大脑连接起来。通过这种机制,接触明火的脚,会向大脑发送机械信号。后来的发现表明,人体存在特化的感觉神经元,能记录我们周围环境的变化。

      科学家约瑟夫・厄兰格和赫伯特・加瑟因发现,机体存在不同类型的感觉神经纤维,能对不同刺激作出反应,例如对疼痛和非疼痛触摸的反应,他们二人因此获得了1944年诺贝尔生理学或医学奖。

      从那时起,科学家已经证明,神经细胞已经高度特化,以检测和转导不同类型的刺激,人类因此能够对周围的环境进行细微地感知。例如,人们通过指尖,可以感受表面纹理的差异,也能辨别令人愉悦的温暖和令人痛苦的灼烧。

      不过,科学家仍有一个尚未解决的基本问题:温度和机械刺激,如何在神经系统中被转化为电脉冲?

      在20世纪90年代后期,大卫・朱利叶斯在美国加利福尼亚大学旧金山分校,对化合物辣椒素如何引发“接触辣椒时的灼烧感”的分析时,看到了“胜利的曙光”。

      彼时,科学家已经知道,辣椒素可以激活引起疼痛感受的神经细胞,但这种化学物质具体如何起到作用,仍是未解之谜。

      朱利叶斯和同事创建了一个包含数百万个DNA片段的资料库,这些片段对应感觉神经元表达的基因,它们可以对疼痛、热和触觉作出反应。经过大量的工作和艰苦的搜索,他们确定了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因――机体感受辣椒素的基因,就这样被发现了!

      朱利叶斯团队进一步实验表明,他们找到的这个基因,编码了一种新的离子通道蛋白,这一辣椒素受体,后来被命名为 TRPV1。

      诺奖委员会认为,TRPV1的发现,被认为是一项重大突破,这为揭开其他温度感应感受器开辟了道路。

      然而,当人体感知温度的机制被不断揭开时,科学界仍不清楚人体将机械刺激转化为触压觉的机制。

      在位于美国加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所,帕塔普蒂安和同事们发现了一种全新的、对机械力敏感的离子通道,并以希腊语中表示“压力”的词汇,将其命名为Piezo1。他们还发现了一个与Piezo1相似的基因,并将其命名为Piezo2,它在感觉神经元中处于高表达水平。通过进一步研究,Piezo1和Piezo2是离子通道感受器,对细胞膜施加压力,可直接激活这两种感受器。

      诺奖委员会给出这样的评价:今年诺贝尔生理学或医学奖获得者的突破性发现,让人们理解了冷、热、机械作用力如何触发神经冲动,以及人类感知并适应外界刺激的机制。当然,基于该发现的众多研究,还正在进行之中,研究者正致力于阐明它们在各种生理过程中的功能,这些有望大范围应用在众多疾病的治疗之中。

      2021年诺贝尔物理学奖――

      全球变暖能够可靠预测

      中青报・中青网见习记者 杨洁

      地球气候是一个对人类至关重要的复杂系统。

      大气中二氧化碳含量的增加,如何导致地球表面温度升高?地球气候要如何变化?人类又会如何影响它?

      这一切与“天注定”的事情找到了科学的预测方案。

      北京时间10月5日17时45分许,2021年诺贝尔物理学奖揭晓,授予美国普林斯顿大学高级气象学家真锅秀郎(Syukuro Manabe)和德国汉堡马克斯普朗克气象研究所教授克劳斯・哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),以表彰他们“用于地球气候的物理建模,量化可变性并可靠地预测全球变暖”,另外一半由意大利罗马大学教授乔治・帕里西(Giorgio Parisi)共享,“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用。”

      来自诺贝尔奖委员会的说法是:3位获奖者因对混沌和明显随机现象的研究而分享了今年的诺贝尔物理学奖。真锅秀郎和克劳斯・哈塞尔曼为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定了基础。乔治・帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。

      1903年诺贝尔化学奖得主阿伦利乌斯(Svante Arrhenius)揭开了关于二氧化碳影响的重要谜题。他得出的结论是,如果大气中的二氧化碳水平减半,这足以让地球进入一个新的冰河时代。反之亦然――二氧化碳量增加一倍会使温度升高5-6摄氏度,这个结果在某种程度上与目前的估计值惊人地接近。

      到了1960年,真锅秀郎领导了地球气候物理模型的开发,成为第一个探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。

      为了使计算易于管理,真锅秀郎选择将模型缩小到一维,即一个垂直的柱子,距离大气层40公里。模型发现氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计,而二氧化碳则有明显的影响:当二氧化碳水平翻倍时,全球温度升高了两摄氏度以上。

      真锅秀郎获得了解二氧化碳影响的开创性模型,1975年,该模型发表,成为了解气候秘密道路上的又一个里程碑。1950年,德国汉堡的一位年轻的物理学博士生克劳斯・哈塞尔曼正在从事流体动力学研究,开发海浪和洋流的观测和理论模型。

      之后,克劳斯・哈塞尔曼搬到加利福尼亚继续从事海洋学研究,见到了查尔斯・大卫・基林等同事,还和他们一起创办了一个牧歌合唱团。克劳斯・哈塞尔曼不知道,在他后来的工作中,他会经常使用基林曲线,该曲线显示二氧化碳水平的变化。

      研究中, 克劳斯・哈塞尔曼创建了将天气和气候联系在一起的模型,解决了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。

      该模型清楚地显示了加速的温室效应:自19世纪中叶以来,大气中的二氧化碳含量增加了40%。温度测量表明,在过去的150年中,全球温度升高了1摄氏度。

      他的方法已被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

      又过了10年,大约在1980年,乔治・帕里西( Giorgio Parisi)在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式,使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能。这可应用在物理学、数学、生物学、神经科学和机器学习等领域。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

      “今年的诺奖表明,我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上,基于对观测的严格分析。今年的获奖者都为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化作出了贡献。”诺贝尔物理学委员会主席Thors Hans Hansson说。

      2021年诺贝尔化学奖――

      将分子构建变为艺术

      实习生 孙少卿 中青报・中青网记者 叶雨婷

      构建分子是一门困难的艺术。

      2021年10月6日,本杰明・李斯特(Benjamin List)和大卫・麦克米兰(David W.C. MacMillan)因开发了一种精确的分子构建新工具――有机催化,而获得2021年诺贝尔化学奖,这对药物研究产生了巨大的影响。诺贝尔奖委员会的评语为:(他们)推动了不对称有机催化领域的发展。

      人们对“催化剂”的概念并不陌生。在中学化学实验中就已利用二氧化锰作催化剂,在常温下分解双氧水制备氧气。如果没有二氧化锰的催化作用,便可能需要将双氧水加热至煮沸才能得到同样的效果。因此,催化剂是化学反应中的常见工具。长期以来,化学家一直认为原则上只有两种类型的催化剂:金属和酶。早在2001年、2018年,诺贝尔化学奖就已表彰过对研究这两类催化剂作出杰出贡献的6名科学家。

      2000年,本杰明・李斯特和大卫・麦克米兰相互独立地开发了第三种催化剂――有机小分子催化剂,这种有机小分子催化剂具有稳定的碳原子框架,可以附着更多的活性化学基团,从而实现较高的催化效率。许多种氨基酸就是性能较好的有机小分子催化剂,相对于昂贵、脆弱、污染较大的金属催化剂来说,有机小分子催化剂价格低廉、易于提取、适应性广,因此,一经发现就引起了学术界的广泛注意。

      李斯特和麦克米兰开发的不对称有机催化,解决了手性有机物的高效合成问题。在有机物中存在两种手性分子,通常分为左手性和右手性。在进行合成时,这两种分子一般会同时出现。由于两种手性分子的化学性质通常是不同的,人们只希望得到某一种手性分子。

      例如,对于某些特殊的药物而言,可能左手性分子是有效成分,但右手性分子则是有害成分。人们为了去除这种成分付出了巨大的努力,而使用不对称有机催化,许多反应便具有很好的专一性,使得合成结果基本只存在一种手性分子。诺贝尔化学委员会主席Johan Qvist说:“这种催化的概念既简单又巧妙,事实上,许多人都在想为什么我们没有更早地想到它。”

      有机小分子催化剂也大大简化了某些分子的合成流程。以一种天然分子马钱子碱为例,1952年,科学家首次实现人工合成时,使用了29个不同的化学反应,原材料的转化率只有0.0009%。2011年,在有机小分子催化剂的帮助下,只需12步就能实现人工合成,生产效率提高了7000倍。

      当然,相关文献也指出了目前有机小分子催化剂的一些缺点,虽然其用途广泛、价格低廉、结构稳定,能够满足绿色化学的需求,但是与金属催化剂相比,有机小分子催化剂的催化效率仍稍逊一筹。因此,如何设计更高效的有机小分子催化剂仍是目前学界研究的重点方向。除此之外,在工业生产中有机小分子催化剂还尚未得到大规模应用。如何开发适合规模化、工业化生产的有机小分子催化剂,也是化学家们面临的共同挑战。

      据统计,诺贝尔化学奖自1901年设立以来,除了某些特殊年份外,迄今已颁发了113次,共有188名科学家获此殊荣。其中,最年轻的诺贝尔化学奖得主是著名科学家玛丽・居里的女儿约里奥・居里,年仅35岁的她于1935年获奖。最年长的诺贝尔化学奖得主是约翰・古迪纳夫,2019年他获奖时已97岁。

      此外,唯一一名两次获得诺贝尔化学奖的科学家是弗雷德里克・桑格,他分别于1958年、1980年获奖。除此之外,有两名科学家曾获得过其他诺贝尔奖项:玛丽・居里,1903年获诺贝尔物理奖、1911年获诺贝尔化学奖;莱纳斯・鲍林,1954年获诺贝尔化学奖、1961年获诺贝尔和平奖。值得一提的是,莱纳斯・鲍林也是唯一一名两次均为单人获奖的获奖者。

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