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【智库数据】基础研究引领前沿科学

已有 1668 次阅读 2021-10-15 10:44 |个人分类:智库数据|系统分类:人物纪事

2021年10月4日至6日,万众瞩目的诺贝尔三大自然科学奖——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖陆续公布。生理学或医学奖共同授予David Julius和Ardem Patapoutian,“以表彰他们发现了温度和触觉感受器”;化学奖因“不对称有机催化的发展”而共同授予Benjamin List和David WC MacMillan;物理学奖被授予“对理解复杂系统的开创性贡献”,一半因“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”研究共同授予Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann,另一半因“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”而授予Giorgio Parisi。


根据获奖者及其研究领域不难发现,生理学或医学奖、化学奖全部授予的是基础研究成果,同时获得诺贝尔物理学奖的三位科学奖之一,同时也是享受二分之一奖品份额的Giorgio Parisi同样从事基础研究。从总体上来看,今年诺贝尔自然科学奖体现了对基础研究的重视,正如Alfred Nobel的意愿是颁给“赋予人类最大利益”的人,本届诺贝尔奖所授予的基础研究成果提高了人们认识世界和改造世界的能力。因此,本篇专题推文将从五位长期从事基础研究的诺奖获得者及其学术成果为着力点进行分析,以期对科研历史及前沿发展有所启发。(以下文献分析均来自与scopus,截至2021年10月8日所得数据)

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01

诺贝尔生理学或医学奖——温度和触觉感受器


疼痛和压力是科学家们描述感觉的分子基础的最新前沿之一。2004年诺贝尔医学奖被授予阐明气味如何起作用的工作。早在1967年,该奖项就颁发给研究视觉的科学家。但与嗅觉和视觉不同的是,对疼痛或触觉的感知并不位于身体的孤立部分,科学家甚至不知道要寻找什么分子。


加利福尼亚大学旧金山分校的生理学教授David Julius利用辣椒素(一种来自辣椒的刺激性化合物,可引起灼热感)来识别皮肤神经末梢中对热有反应的传感器。


加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的分子生物学家Ardem Patapoutian所领导的团队通过用微型移液管戳入单个细胞,击中了一个能够对压力、触摸和身体部位做出定位反应的受体,可以对皮肤和内脏器官中的机械刺激做出反应。


今年诺贝尔奖获得者对 TRPV1、TRPM8 和压电通道的突破性发现,迅速增加了我们对神经系统如何感知热、冷和机械刺激的理解。TRP 通道是我们感知温度能力的核心;Piezo2 通道赋予我们触觉,获得感知身体部位和运动的能力;TRP 和压电通道也有助于许多额外的生理功能,这些功能取决于感测温度或机械刺激。这些发现将加深人类对生理过程和疾病状况的理解,在未来可以服务于各种疾病的治疗与相关慢性疼痛药物的研发。


David Julius


Julius于1955年出生于纽约,1977年在麻省理工学院获得生物学学士学位,并于1984年在加州大学伯克利分校获得博士学位,他还曾在哥伦比亚大学做过博士后,最终于1989 年在加州大学旧金山分校开始了他的职业生涯。2000年,朱利叶斯因其在克隆辣椒素受体方面的工作而获得首届Perl-UNC神经科学奖,2010年获得邵逸夫奖,2020年获得生命科学突破奖、卡弗里奖(神经科学领域)等。


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在scopus数据库中,Julius发文总数达到126篇,被引总数超过五万次,从1989年开始职业生涯后保持着较高的学术产出,在2000年克隆辣椒素受体工作受到关注后,其学术成果影响力迅速提高。在索引Julius发表文献中最具影响力的学术成果不难发现他专注于通过自然界中的独特分子来了解神经回路如何传递负责温度和疼痛感的信号到大脑。


正如他在获得2020年获得生命科学突破奖时所说“基础生物医学研究为改善人类健康奠定了基础,我们的目标是揭示神经系统的基本特性,重点是确定我们如何感知疼痛,以及伤害和疾病如何导致持续性疼痛综合征。许多人虽然直接意识到这个问题,并理解慢性疼痛使人衰弱,但它在很大程度上并未得到解决,所以我希望我们的研究将有助于解决这一紧迫的需求。”


Ardem Patapoutian


Patapoutian 1967年出生于黎巴嫩贝鲁特,1986年来到美国,1990年在加州大学洛杉矶分校获得分子、细胞和发育生物学学士学位。1976年至 2004年在加州大学洛杉矶分校担任教授。2016年Patapoutian任美国科学促进会会士,2017年任美国国家科学院院士,2020年任美国文理科学院院士。同年,他获神经科学科维理奖和BBVA基金会知识前沿奖生物学/生物医学奖。

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在scopus数据库中,Patapoutian总发文量109篇,总被引23957次,自2002年在三大顶级期刊之一Cell上发表了关于TRP的文章后,他的学术成果影响力成指数型增长。在其被引量最高的五篇学术发表中,2010年所提出新型离子通道Piezo1和Piezo2已经被证明其能够在温度感、触感、本体感觉、疼痛感及血管张力调节方面起到重要作用。Patapoutian最近的研究是利用基因组学技术识别表征机械敏感离子通道(机械转导)。


在获得诺贝尔奖接受采访时,Ardem Patapoutian提到“基础科学的一个美妙之处在于,它会将你带向你从未预料到的方向,在未来我们还有很长一段路要走。”


02

诺贝尔化学奖——不对称有机催化的发展


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和耐用的材料,将能量储存在电池中或抑制疾病的发展。这项工作需要催化剂,它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,我们的身体还包含数以千计的酶形式催化剂,它们可以分解出生命所必需的分子。因此,催化剂是化学家的基本工具,但研究人员长期以来认为,原则上只有两种催化剂可用:金属和酶。


Benjamin List和David MacMillan在2000年独立开发了第三种催化剂,它被称为不对称有机催化。有机催化剂有一个稳定的碳原子框架,更活泼的化学基团可以附着在碳原子上。这些通常含有常见元素,如氧、氮、硫或磷。这意味着这些催化剂既环保又生产成本低廉。有机催化剂应用的迅速扩展主要是由于它们能够驱动不对称催化。


Benjamin List


List 1968年出生于德国法兰克福,1997年毕业于德国法兰克福歌德大学获得博士学位,现为德国鲁尔河畔米尔海姆马克斯普朗克研究所所长,还担任北海道大学化学反应设计与发现研究所的首席研究员。他被认为是使用非金属和非酶催化剂的有机催化的创始人之一,自1999年以来,他所领导的团队一直专注于不对称有机催化,以此作为补充生物催化和过渡金属催化的基本方法。2016年获得德国最重要的研究奖项 Gottfried Wilhelm Leibniz奖,2018年成为德国国家科学院院士。


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在scopus数据库中,List总发文量253篇,总被引数超过三万,2000提出的直接不对称醛醇反应后获得了广泛的学术影响力。从其最高被引的五篇文章来看,List长期深耕于不对称有机催化领域,近些年正在探索小分子胺作为羰基转化的不对称催化剂、有机布朗斯台德酸在不对称反阴离子导向催化 (ACDC) 中的开发和应用、有机路易斯酸催化等课题。作为该领域的创始人和最具影响力的科学家之一,List在谈及有机催化领域时说“催化剂作为一项技术极其重要,它产生了世界三分之一的国民生产总值。它是一种远离魔法的分子,不知何故,从无到有地创造了一些东西,这就是催化作用。”


David MacMillan


MacMillan1968年在苏格兰贝尔斯希尔出生,1996年在加利福尼亚大学尔湾分校获得博士学位,博士毕业后曾在哈佛大学开展以不对称有机催化为中心的博士后研究工作。2000年6月加入加州理工学院化学系,与团队集中研究对映体选择性催化的新办法,并于2006年最终加入普林斯顿大学。MacMillan的研究团队在非对称有机催化领域取得多项重大突破,这些成果被他们用来开发合成一批复杂天然产品。2004年获得英国皇家化学研究院科戴-摩根奖章,2012年当选皇家学会院士、美国文理科学院院士,2018年当选美国国家科学院院士。

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在scopus数据库中,MacMillan总发文量185篇,总被引数超过四万次,他与List都专注于不对称有机催化的研究,但是除此以外,我们可以发现他在催化领域开拓,如光氧化还原催化,研究可见光介导的催化反应在有机化学中的应用;金属光氧化还原催化,是光催化与有机金属化学的结合;PotochemBio,利用可见光催化实现化学生物学应用的新转化(包括生物偶联和蛋白质标记)等等。MacMillan不仅在基础研究领域广泛涉猎,在其进一步研究计划中也尝试在制药工业(和其他化学工业)中应用和采用这些催化概念。


03

诺贝尔物理学奖——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


三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,但是相对于Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann对地球及气候建立复杂模型的应用研究,Giorgio Parisi因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。


复杂系统的特点是随机性和无序性,难以理解。1980 年左右,Giorgio Parisi在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。它们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,不仅在物理学中,在数学、生物学、神经科学和机器学习都可以得到应用。


Giorgio Parisi


Parisi 1948 年出生于罗马,1970 年毕业于罗马大学,获得高能物理学博士学位,在此期间他在Nicola Cabibbo的指导下研究了希格斯机制。研究兴趣广泛,涵盖统计物理学、场论、动力系统、数学物理学和凝聚态物理学。Parisi最著名的贡献是部分子密度的QCD演化方程,与Guido Altarelli共同获得,称为Altarelli-Parisi或DGLAP方程。在流体动力学领域,他因与Uriel Frisch一起引入多重分形模型来描述湍流中的间歇现象而闻名。他还因Kardar-Parisi-Zhang方程而在建模随机聚合领域闻名。他从复杂系统的角度研究动物(如群和羊群)的集体运动,并与其他意大利物理学家一起在气候变化研究中引入了随机共振的概念。Parisi于1999年获得阿卜杜斯萨拉姆国际理论物理中心 (ICTP) 颁发的狄拉克奖章,于2012年获得德国物理学会颁发的马克斯·普朗克奖章。2021 年他还因“在无序系统、粒子物理学和统计物理学方面的突破性发现”而获得沃尔夫奖。


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从scopus数据库来看,Parisi发文总量674篇,被引数超过47000次,从1970年至今保持着较高的学术产出,在他最具影响力的五篇期刊中也展现了他广泛的学术兴趣,在量子场论、统计力学和复杂系统均有涉猎,其理论几乎可以应用在所有领域:玻璃、大脑、金融、鸟类的飞行、冰川等,比如Parisi研究了大群椋鸟的飞行,其副本能够在神经网络和机器学习中具有应用场景,这些工作能够为未来科学研究指明方向。正如柏林自由大学达勒姆复杂量子系统中心的研究人员所说“Parisi参与发明了一些最强大和最重要的理论机器,用于理解自旋玻璃的行为和其他复杂的系统,他的工作对许多领域产生了深远的影响,包括粒子物理学、量子场论、神经网络理论和其他数学方法,这些成就的深度和广度都是非凡的。”


04

总结


诺贝尔奖以其巨大的关注度和影响力来支持和鼓励基础研究,我们发现这些基础科学通常是在发现后数年或数十年才得以获得共识,因为实现其含义可能需要很长时间。即使在科技迅速发展的今天,我们也要尊重这种汇报缓慢的基础研究,正如Isaac Newton所说,科学建立在先前工作的基础上,思想家“站在巨人的肩膀上”,它从基础研究开始,旨在在解决问题之前了解问题。


然后,仅靠诺贝尔奖对基础研究的支持远远不够,诺贝尔奖只是通过它自身的影响力加强世界对基础研究的重视,因此区域、国家、机构也应当加强对基础研究的重视程度与资金投入。今年获得诺贝尔奖的科学发现凸显了欧盟对基础研究投资的重要性,获得物理学奖的Giorgio Parisi、 Klaus Hasselmann都曾获得欧盟研发计划的资助,欧盟研发专员Mariya Gabriel表示,投资于顶级前沿科学有助于使欧洲研究保持在前沿。数位诺贝尔奖获得者在一定程度上可以证明欧盟研发投入的有效性。同时,本届诺贝尔奖基础研究往往始于二十年前甚至更早,这也启发我国需要深入对基础研究人才培养规律的认识,稳定、持续的基础研究投入是国家前沿科学进步的有效策略之一。 










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