对于全世界科学家来说，十一假期也是一个“开奖季”。这几天里，诺贝尔科学类奖项一一揭晓。让我们来重新回顾下今年的“开奖”情况，看看哪些科研成就能够永载史册。

生理学或医学奖：感知热、冷和触碰的奥秘

人类对温度和触碰的感知能力对生存至关重要，这种能力支撑了人类与周围世界的互动。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。

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片段组成的基因库，这些DNA片段与能对疼痛、热和触碰作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作出反应的蛋白质。

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。

对于感知的研究，为帮助医药公司研制新一代精准止痛药奠定了理论基础。例如，TRPV1对炎症过程中产生的化学物质很敏感，与炎症相关的疼痛敏感反应有关，这为癌症疼痛和其他疾病的治疗开辟了新途径。

物理学奖：气候变化和随机的隐秘法则

所有复杂系统都由许多不同的相互作用的部分组成，却很难用数学方法来描述——它们可能有数量巨大的组成部分，或者被随机因素所支配。今年诺贝尔物理学奖得主真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西，找到了描述复杂系统并且预测它们的长期行为的新方法。

对人类至关重要的一个复杂系统就是地球气候，因此也成为科学家长期探索的对象。20世纪60年代，真锅淑郎领导了地球气候的物理模型的发展，将对流引起的气团垂直输运以及水蒸气的潜热纳入其中。

他选择将模型简化为一根垂直的圆柱体，从地面直达40千米高的大气层。在经过大量计算后，他发现氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，而二氧化碳则具有显著的影响：当二氧化碳浓度翻倍时，全球气温会上升2℃以上。而且，这个模型还证实这种升温的确是由二氧化碳浓度增加所导致的。

在真锅淑郎的研究大约10年之后，克劳斯·哈塞尔曼找到了面对多变且混沌的天气的办法，成功创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，这样就能回答一个问题，即为什么尽管天气是多变且混乱的，气候模型仍然可靠。完善的气候模型清楚地显示了加速的温室效应：自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳的含量增加了40%。在过去数十万年间，地球的大气层从未有过如此之多的二氧化碳。温度测量则表明在过去的150年中，全球温度升高了1℃。

虽然人们在21世纪才开始接触到全球变暖的概念，但在30年前，真锅淑郎和哈塞尔曼的先驱性研究就证明了全球变暖和人类活动的相关性，为人们解决全球变暖的问题提供了一定的理论基础。

1980年左右，乔治·帕里西通过分析“自旋玻璃”来对复杂系统进行研究，发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配。“自旋玻璃”是指磁性合金材料的一种亚稳定状态。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。那么它们是如何找到最佳方向的？

帕里西就在这些看似随机的变化中，找到了其中的规律。他的解决办法在数学上的正确性在多年之后才得到证明。从那时起，他的方法在许多无序系统中被广泛使用，成为复杂系统理论的基石。面对日益复杂的世界和不断出现的问题，帕里西对复杂系统的研究在事关我们生活的很多方面产生了深远影响。

化学奖：构建分子新工具

构建分子是一门困难的艺术，却能让许多研究领域和行业受益。新的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的进展——以上这些工作都需要催化剂。

催化剂是控制和加速化学反应的物质，但不会成为最终产品的一部分。例如，汽车中的催化剂将废气中的有毒物质转化为无害分子；我们的身体也包含数以千计的酶形式的催化剂，它们可以分解出生命所必需的分子。因此，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。本杰明·李斯特和戴维·麦克米伦被授予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。

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。本杰明·李斯特和戴维·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，从新药物到可以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。