“諾獎科技”如何影響我們的生活

李偉

近日，2021年諾貝爾獎揭曉，7位科學家分享了化學、物理學和生理學或醫學三個自然科學類獎項。“諾獎科技”并不只是象牙塔中的科研成果和理論模型，它們已經被應用于多個領域，影響著我們的日常生活。

2021年諾貝爾化學獎被授予美國科學家戴維·麥克米倫和德國科學家本杰明·李斯特，以表彰他們在“有機催化”方面所作出的貢獻。

金屬是化工領域常用的催化劑，它們有一種特殊的能力——在化學反應過程中暫時將電子提供給反應物。這有助于松開原子之間的連接，分子的牢固結構被打破，從而生成新的物質。不過，很多金屬催化劑對氧氣和水非常敏感。為了使它們發揮作用，往往需要創造沒有氧氣和水分的環境，而這在大型工業體系中很難實現。另外，有些金屬催化劑屬于有毒重金屬，會對環境造成危害。

戴維·麥克米倫設計出一些簡單的有機分子，讓它們替代金屬充當催化劑，提供電子促進化學反應，生成新的物質。麥克米倫測試了幾種有機分子驅動化學反應的能力。正如他所預期的，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，驅動著各種各樣的化學反應。很多酶都是“催化專家”，而且會“接力”工作——當一種酶完成一個階段的反應后，另一種酶就會接手，繼續推進反應。酶可以以驚人的精確度構建復雜的分子，創造人類所需的各種物質，如葉綠素、抗菌素等。

一種酶由數百種氨基酸組成，在它作為催化劑時，通常只有少數氨基酸參與化學反應。化學反應會產生大量無用的工業廢料，非常不利于環保。

本杰明·李斯特跳出常規思維，提出疑問：氨基酸必須作為酶的一部分才能催化化學反應嗎？只用氨基酸或其他類似的簡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反應，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，即用新型有機物替代傳統的催化劑。這種催化方式被稱為“有機催化”，它能更高效地創建分子結構，生成有用的化合物，并大幅縮減工業化學反應的無用副產品，減小對環境的影響。

關于“有機催化”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“有機催化”大大簡化了醫用抗菌素的生產過程，將生產效率提高數千倍！利用“有機催化”，可以通過相對簡單的程序制造出大量獨特的分子，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，現在可以快速地批量生產。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“有機催化”快速量產。

2021年諾貝爾生理學或醫學獎由美國科學家戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安分享，以表彰他們在神經“感應器”方面的發現，以及基于此開發的“離子通道”技術。

人類是如何感知環境刺激的？眼睛如何探測到光？聲波如何影響我們的內耳？不同的化合物如何對我們鼻子和嘴巴中的“感應器”施加影響，從而產生氣味和味道？還有陽光的照射、微風的輕拂……在日常生活中，我們認為這些感覺是自然產生的，但人體的神經沖動是如何啟動，從而感知外部刺激的呢？

美國加州大學舊金山分校教授戴維·朱利葉斯，利用辣椒素識別出了皮膚神經末梢中對熱量作出反應的“感應器”;斯克利普斯研究所的阿德姆·帕塔普蒂安利用壓敏細胞，發現了皮膚和內臟細胞中對刺激作出反應的“感應器”。他們兩人基于這一突破性發現，開發出模擬感應技術，即“離子通道”技術。他們的研究成果不僅明確了人類神經系統感知溫度、壓力和其他刺激的原理，而且有助于開發仿生感應器。

戴維·朱利葉斯利用辣椒素識別出神經末梢中的“感應器”

“離子通道”技術對于元宇宙的發展至關重要

“離子通道”技術可以幫助病患減輕疼痛等不良感受。該技術更廣闊的應用前景，在于兩個潛在的重要領域。

一是元宇宙。它被認為是互聯網發展的下一階段，是由增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、3D和AI等技術支持的虛擬現實網絡世界。如果人們能夠通過各種設備將自己與電腦系統和互聯網連接，就能感受虛擬世界。“離子通道”技術的加持，可以把元宇宙中人物的感覺轉移到現實中的人身上。

二是仿真人。機器人研究領域有一個重要方向：讓機器人與人越來越像。美國波士頓動力公司開發的新型機器人，無論走路還是跑步，其動作、姿態已經與人類一般無二。通過機器學習，有望讓機器人學會像人一樣思考。如果再引入“離子通道”技術，那么仿真人就有可能研發成功。它們對環境刺激的感受將與人類一樣，有助于提高其感應和行動能力。

2021年諾貝爾物理學獎由三位科學家分享，以分別表彰他們在溫室氣體導致氣候變化以及“自旋玻璃”模型領域的貢獻。

日裔美國科學家真鍋淑郎和他帶領的美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的團隊，設置了一個簡化模型，分析了大氣的“輻射—對流”平衡模式，并研究了水蒸氣所產生的效應。真鍋淑郎發現，隨著大氣中二氧化碳濃度的增大，地球表面和對流層的溫度會上升，而平流層的溫度會下降。

德國科學家克勞斯·哈塞爾曼建立了描述氣候變化的隨機模型（哈塞爾曼模型）。在這個模型中，長時間的氣候變化被解釋為短時間的天氣變化的累積，在隨機的天氣變化情況和穩定的氣候變化趨勢之間架起了一座橋梁。此外，他還開發了一系列識別自然現象和人類活動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實施碳減排戰略的理論基礎。

意大利科學家喬治·帕里西在“自旋玻璃”模型領域的研究取得了重要成果。“自旋玻璃”是一種非常復雜的材料模型，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雜相互作用的系統，例如大腦、網絡、市場、某個特殊人群等等。

帕里西推動了“自旋玻璃”模型在分析蛋白質結構方面的應用。蛋白質的分子結構與其功能密切相關。只有知道一種蛋白質的分子是如何折疊的，我們才能知曉其能夠發揮的作用。例如，胰島素如何控制血液中糖分的含量，抗體如何對抗冠狀病毒，這些都由相關蛋白質分子的結構決定。科研領域的許多重大挑戰，如研究某種疾病的治療方法，或者開發分解某種工業廢物的制劑，從根本上說都與蛋白質及其發揮的作用有關。

分析蛋白質結構一直是科研領域的巨大挑戰。傳統的分析方法需要進行大量的試驗并改正錯誤，往往要花費數年的時間來完成一組分析，且需要價值數百萬美元的專用設備。采用“自旋玻璃”模型分析一組蛋白質的結構，可以將所需的時間縮短到傳統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