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甘肃手机报(周末版)-10.17

 2021/10/18/ 11:56 来源:甘肃手机报综合

  尽管全球仍被新冠疫情阴影笼罩,但科学家的光芒以及人们对科学的热情无法阻挡!诺贝尔奖遵照炸药发明者、瑞典人诺贝尔的遗嘱创立,于1901年开始颁发,今年是120周年。2021年诺贝尔奖颁奖季10月4日起“次第花开”,生理学或医学奖、物理学奖以及化学奖各自“名花有主”。这些科学家的研究成果不仅扩展了人类的认知,也成为人类知识大花园中最宝贵的花朵。

  《甘肃手机报*周末版》

  2021年10月17日

  农历辛丑年九月十二

  星期日

  〓本期导读〓

  >>生理学或医学奖:他们发现温度和触觉感受器

  >>物理学奖:他们揭开复杂系统内隐藏的秘密

  >>化学奖:他们的巧妙工具构建了分子

  >>经济学奖:“高冷”研究融入生活“温度”

  >120周年如约而至 2021年诺贝尔奖“次第花开”

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  ◆精彩拉开序幕

  瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖委员会宣布,美国科学家戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安因发现让人能感受到温度和触碰的感受器而获得2021年诺贝尔生理学或医学奖。这两位科学家主要从事躯体感知领域的研究。所谓躯体感知,指的是一些专门器官的能力,比如眼睛能看、耳朵能听、皮肤能感受触碰。诺贝尔奖委员会秘书长托马斯·佩尔曼在宣布这项奖项的获奖者时说:“这的确解开了自然界的一个秘密,它实际上是对我们的生存至关重要的东西,因此这是一项非常重要和意义深远的发现。”65岁的朱利叶斯利用辣椒中的活性成分辣椒素来识别让皮肤能对热量做出反应的神经感受器;帕塔普蒂安则从细胞中分离出会对机械刺激做出反应的压力感受器。

  ◆精彩继续

  瑞典皇家科学院宣布,日裔美籍科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼和意大利科学家乔治·帕里西荣膺2021年诺贝尔物理学奖,“以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献”。90岁的真锅和89岁的哈塞尔凭借有关气候模型的研究共享1000万瑞典克朗(约合114万美元)奖金的一半;73岁的帕里西因有关物理系统中无序与涨落的相互作用的研究获得奖金的另一半。“真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼为我们认识地球的气候和人类如何影响气候奠定了基础。”

  ◆好戏不停歇

  瑞典皇家科学院宣布,德国科学家本亚明·利斯特和美国科学家戴维·麦克米伦因开发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影响,使化学更加环保。”催化剂被称为化学家的“基本工具”。长期以来研究人员认为,原则上只有两种催化剂可用:金属和酶,但此次摘得桂冠的两位科学家在2000年独立开发出第三种催化剂--不对称有机催化剂。有机催化剂拥有一个稳定的碳原子架构,活性化学基团可以附着在碳原子上。有机催化剂通常由氧、氮、硫或磷等常见元素组成,这意味着这些催化剂既环保又廉价。利用有机催化剂,研究人员可以有效地构建很多物质,从新药到太阳能电池中能捕获光的分子等等,为人类带来了实实在在的福祉。正如诺贝尔奖委员会成员皮特·绍姆福伊在化学奖宣布后所说:“有机催化剂的出现像是棋盘上出现的一个有全新功能的棋子,它改变了整个游戏的规则。”

  诺贝尔奖遵照炸药发明者、瑞典人诺贝尔的遗嘱创立,于1901年开始颁发,今年是120周年。

  >生理学或医学奖:他们发现温度和触觉感受器

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  人类面临的最大谜题之一,是我们如何感知环境,例如,眼睛如何探测光、声波如何影响我们的内耳、不同的化合物如何与鼻子和嘴巴中的感受器相互作用并产生气味和味道,还有太阳的炎热、风的抚摸……这些对温度、触觉和运动的印象对于我们适应不断变化的环境至关重要。

  在日常生活中,我们认为这些感觉是理所当然的,但是神经冲动是如何启动,从而感知温度和压力呢?今年的诺贝尔生理学或医学奖得主已经解决了这个问题。

  来自美国加州大学旧金山分校的教授戴维·朱利叶斯利用从辣椒中提取的辣椒素,识别出了皮肤神经末梢中对热做出反应的传感器。美国斯克利普斯研究所的阿德姆·帕塔普蒂安使用压敏细胞发现了一种新型传感器,可以对皮肤和内脏中的机械刺激做出反应。

  ◆研究工作如辣椒般火热

  在20世纪90年代后期,朱利叶斯通过分析辣椒素如何引起身体的灼热感,看到了重大进步的可能性。已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神经细胞,但这种化学物质如何真正发挥这种功能是一个未解之谜。

  朱利叶斯和他的同事创建了一个包含数百万个DNA片段的库,这些片段对应于在感觉神经元中表达的基因,这些基因可以对疼痛、高温和触摸做出反应。朱利叶斯和同事们假设,该基因库中应该包含一个DNA片段,可编码一种能够对辣椒素做出反应的蛋白质。

  经过艰难地搜索,他们发现了一个能够使细胞对辣椒素敏感的基因--辣椒素感应基因。该基因编码了一种新的离子通道蛋白,这种新发现的辣椒素受体后来被命名为TRPV1,是一种热敏受体,在令人感觉疼痛的温度下会被激活。

  朱利叶斯和帕塔普蒂安各自独立地使用化学物质薄荷醇来鉴定TRPM8,这是一种被证明可以被寒冷激活的受体。与TRPV1和TRPM8相关的其他离子通道被鉴定出来,它们可以在不同的温度范围被激活。

  ◆在压力下研究“压力”

  虽然温度感觉的机制被发现了,但机械刺激如何转化为触觉和压力感仍不清楚。帕塔普蒂安希望确定被机械刺激激活的受体到底是什么。

  他与合作者首先确定了一种细胞系,当用微量移液管戳单个细胞时,该细胞系会发出可测量的电信号。他们识别出72个编码可能受体的候选基因,将这些基因--灭活,以找出与机械敏感性有关的基因。

  他们成功地识别出了一种基因,该基因的沉默使细胞对微量移液器的戳刺不敏感。一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道被发现,并被命名为Piezo1,取自希腊语中“压力”一词。接着,他们发现了与Piezo1相似的感觉神经元表达高水平的第二个基因,命名为Piezo2。进一步的研究证实Piezo1和Piezo2是离子通道,通过对细胞膜施加压力而直接激活。

  除了对触觉至关重要,Piezo2离子通道还在对身体位置和运动感知(即本体感觉)中发挥关键作用。此外,Piezo1和Piezo2通道还可以调节其他重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制。

  >物理学奖:他们揭开复杂系统内隐藏的秘密

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  所有复杂系统都由许多不同且相互作用的部分组成,物理学家已经对它们展开了几个世纪的研究,但很难用数学方法来描述它们--它们可能包含很多部分,也可能由偶然因素决定。这些复杂系统随机、无序而混沌,比如天气,初始值的微小偏差会导致结果迥然不同。

  今年的诺贝尔物理学奖颁给了美国科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼和意大利科学家乔治·帕里西,以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献。

  ◆揪出全球变暖背后的“真凶”

  一个对人类至关重要的复杂系统是地球气候,真锅淑郎揭示了地球大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度升高。

  真锅淑郎介绍:“在20世纪60年代初,我们开发了一个大气辐射对流模型,并探索了水蒸气、二氧化碳和臭氧等温室气体在维持和改变大气热结构中的作用,这是科学家们对全球变暖长期研究的开始。随后的20世纪60年代末,我和同事开始开发一个大气-海洋-陆地耦合系统的大气环流模型,该模型最终成为模拟全球变暖的一个非常强大的工具,而我也一直在从事这一方面的研究。”

  对一维模型的分析催生了三维气候模型,该模型于1975年面世,成为理解气候秘密道路上的又一个里程碑。

  哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系起来的模型,还开发出了新方法来鉴别自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”。他发现,太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号,这些信号可以鉴别出来,而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。他的方法被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

  在这两位科学家研究的基础上,气候模型越来越精准。这些模型清楚地显示了温室效应在加速--自19世纪中叶以来,大气中二氧化碳的浓度增加了40%。几十万年来,地球大气中都没有这么多二氧化碳。而且,温度测量表明,过去150年全球变暖1℃。

  ◆自旋玻璃为复杂系统提供模型

  到了1980年左右,人们对复杂系统的理解愈发深入。帕里西提出了他关于随机现象如何受隐藏规则支配的发现,这被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

  他对自旋玻璃开展了深入研究。自旋玻璃是一种特殊类型的金属合金,其中铁原子随机混合进铜原子网格。每一个铁原子的行为都像一个小磁铁(或者说自旋),受到靠近它的其他铁原子的影响。在普通磁铁中,所有自旋都指向同一方向,但在自旋玻璃中,一些自旋对想要指向同一方向,而另一些自旋对想要指向相反方向--那么它们如何找到最佳方向呢?

  自旋玻璃的奇特性质为复杂系统提供了一个模型,在这些系统中,各个部分必须在各种反作用力间达到平衡。帕里西对自旋玻璃结构的基本发现非常深刻,使人们能够理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象,不仅可用于物理学领域,而且在数学、生物学、神经科学和机器学习等领域也“大显身手”。

  >化学奖:他们的巧妙工具构建了分子

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  10月6日,诺贝尔奖委员会公布了化学奖的获奖名单,本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦因为在“发展不对称有机催化”方面作出的卓越贡献而获奖。

  构建分子是一门困难的艺术。利斯特和麦克米伦开发出一种精确的分子构建新工具--有机催化剂,这一工具对药物研究产生了巨大影响,并使化学学科更加“绿色”。

  ◆化学家的“基本工具”

  许多研究领域和行业都依赖于化学家构建分子的能力,这些分子可以形成弹性及耐用的材料,或者将能量储存在电池中,或者在医学领域实现抑制疾病发展--以上这些工作都需要催化剂。

  催化剂被称为化学家的“基本工具”。但长期以来研究人员认为,原则上只有两种催化剂可用:金属和酶。利斯特和麦克米伦此次被授予2021年诺贝尔化学奖,正是因为他们在2000年独立开发了第三种催化剂--不对称有机催化,建立在有机小分子的基础上。

  ◆简单又巧妙 环保又廉价

  诺贝尔化学奖委员会主席约翰·阿克维斯特表示:“这个催化概念既简单又巧妙,事实上很多人都想知道,为什么我们没有早点儿想到它。”

  有机催化剂有一个稳定的碳原子框架,活性化学基团可以附着在碳原子上。有机催化剂通常由氧、氮、硫或磷等常见元素组成,这意味着这些催化剂既环保又廉价。

  有机催化剂使用范围的迅速扩大,主要是由于它们能够驱动不对称催化。在构建分子时,经常会形成两种不同的分子,就像我们的手一样,它们是彼此的镜像。化学家通常只需要其中一种,尤其是在生产药品时。

  自2000年以来,有机催化以惊人的速度发展。利斯特和麦克米伦迄今仍然是该领域的领导者,他们已经证明有机催化剂可用于驱动多种化学反应。

  利用这些反应,研究人员现在可以更有效地构建很多东西,从新药物到可在太阳能电池中捕获光的分子。可以说,通过这种方式,有机催化剂正在为人类带来最大的利益。

  >经济学奖:“高冷”研究融入生活“温度”

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  10月11日,作为压轴奖项的诺贝尔经济学奖揭晓,一半奖项授予经济学家David Card,以表彰“他对劳动经济学的实证研究性的贡献”;另一半授予经济学家Joshua D. Angrist和Guido W. Imbens,以表彰“他们在因果关系分析方面的方法论贡献”。

  作为最后一个开奖的奖项,诺贝尔经济学奖有着与其他“兄弟姐妹”不同的“性格特点”。看似遥不可及的经济学,实际上早已融入现实,与我们的生活产生了千丝万缕的联系。

  ◆充满“个性”的奖项

  众所周知,诺贝尔奖是根据瑞典化学家诺贝尔的遗嘱而设立的,但诺贝尔经济学奖却并非如此,它是唯一由诺贝尔基金会官方颁发的“非诺贝尔奖”。究其由来,或许我们可以从它的正式名称“瑞典中央银行纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济学奖”中,得到答案。虽然并非“纯正血统”,但是经济学奖与其他5个诺奖地位相同。

  由于并非“经典”诺奖,诺贝尔经济学奖成为最“年轻”的奖项,1969年才首次颁发,而其他的诺奖从1901年就开始颁发了。

  虽然诺贝尔经济学奖是年龄最小的,但是奖项得主年龄普遍偏高,平均达约67岁。2007年获奖的美国经济学家赫维克兹,是年纪最大的获奖者,获奖时年龄为90岁。最年轻得主为2019年获奖的美籍法裔经济学家迪弗洛,获奖时为46岁。

  这位经济学家迪弗洛,不仅是最年轻得主,也是第二位女性得主。诺贝尔经济学奖自颁发至今,女性获奖者仅有两名。首位女性得奖者是2009年获奖的美国经济学家奥斯特拉姆。

  ◆“高冷”研究融入生活“温度”

  提起经济学,相信大多数人都会觉得它高深莫测。但其实,诺贝尔经济学奖的得主们,已经从理论走向实践,把看似“高冷”的经济学变得更加“接地气”。其中有些内容,可以指导我们的生活。

  例如,在菜市场上,两个人看上了同一棵白菜,他们之间就存在竞价关系。当多个顾客为同一件商品竞价时,拍卖就出现了。最终有人以500元的价格买下了这棵白菜,虽然赢得了白菜,但是却陷入了“赢者诅咒”,即出价超过了物品的真实价值。那么,如何避免“赢者诅咒”,进行最优报价呢?

  2020年获奖者保罗·米尔格罗姆和罗伯特·威尔逊就为解决这一问题做出了贡献。他们改进了拍卖理论,设计了合理的拍卖模式。他们发明的同步多轮拍卖,在全球范围内,为无线电频道销售带来了巨大收益。除此之外,这种拍卖模式也可用于政府电力和天然气的拍卖,使全世界的买方卖方和纳税人受益。

  除了进行买卖以外,诺贝尔经济学奖得主们还在减轻全球贫困上贡献了自己的力量。

  2019年,据颁奖委员会介绍,目前全球仍有超过7亿人生活在极端贫困条件下,每年有近500万儿童死于5岁前,大部分是由于一些本可轻易治愈的疾病。

  同年,阿比吉特·巴纳吉、埃丝特·迪弗洛和迈克尔·克雷默,就“以实验性方法致力于减轻全球贫困”而获奖,颁奖委员会称,他们的研究“大大提高了我们抗击全球贫困的能力”。

  三位获奖者研究的关键,是把全球贫困问题分解为更小、更精确的问题。例如,为了找到提高儿童健康水平的方法,可以针对教育方法、医疗卫生系统、获得信贷的途径等方面设计实验,证实干预效用。

  (本期文字来源:科技日报、中国新闻网)

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