并非“理综”，从十年诺奖看化学的“变与不变”-资讯-知识分子

并非“理综”，从十年诺奖看化学的“变与不变”

2022/10/15

导读

还有未来获奖者的靠谱预测

撰文｜邓耿（清华大学人文学院）
编辑｜马修

核心观点：诺贝尔化学奖虽然号称“理综奖”，但是所有研究领域实际上都与一个核心词相关，那就是“分子”。最近10年，诺贝尔化学奖出现了一些新的规律，反映诺奖委员会和化学界对于化学的理解也在发生着变化。在新的物质领域中重归合成和创造的母题，或许是化学奖将来的趋势。随着2022年诺贝尔化学奖最终花落点击化学和生物正交反应，化学界也迎来了一片赞许和支持。不少化学工作者甚至表示，这是他们期盼已久的一个发给化学界的化学奖。的确，卡尔·巴里·沙普利斯（Karl Barry Sharpless）和卡洛琳・R・贝尔托齐 (Carolyne R. Bertozzi)早已是众望所归的获奖者，笔者本人也曾多次预测他们会最终问鼎诺奖。不过，今年诺贝尔化学奖的回归化学，到底是“理综奖”的偶尔平衡，还是进入新常态呢？这个问题其实关系到国际科学界对化学的定位和认知。不少观察者都已经注意到，本世纪以来诺贝尔奖发奖逐渐出现了一些特定的年份规律，这在物理奖和化学奖中的体现尤其明显。所谓年份规律的意思，是指诺贝尔奖会在不同的学科分支领域之间求取平衡，比如物理奖大约每3～5年就在以下几个领域当中循环一次：凝聚态物理、高能物理、天体物理、原子分子光学和统计物理，先后顺序可能稍有错乱，但一般都保证每3～5年该领域都会有一个成就获得诺贝尔奖。化学奖之所以之前被广泛诟病为“理综奖”，其中一个重要原因是获得化学奖的很多人并不是化学家，或者做的并不是传统化学研究。但如果我们站在发奖规律的角度来看，就会发现诺贝尔奖在给化学不同分支领域的平衡分布方面是显然有所考虑的，并不是像有些人所谓的“其他的诺贝尔奖不方便得的都让得化学奖”。只不过化学涉及到的领域更多，而不同领域的权重不大一致，因此它们的周期变化也比物理奖要复杂，在外人看来就显得有些杂乱无章、难以预测了。从上世纪末截至2014年，化学奖体现出了对以下几个领域的特别偏爱，我们可以将它们分别总结如下：

（1）结构生物学领域：离子通道（2003年），真核生物转录（2006年），核糖体结构（2009年），g蛋白偶联受体（2012年）。不难看出有一个非常明显的规律，每三年就会有一个结构生物学工作获得诺贝尔奖。

（2）合成方法学领域：不对称催化（2001年），烯烃复分解（2005年），催化偶联（2010年）。这个规律也很显然，大约每5年就会有一个合成方法学的工作获得诺贝尔奖。

（3）生物化学领域：PCR（1993年），ATP合成（1997年），泛素（2004年），绿色荧光蛋白（2008年）。生物化学是诺贝尔化学奖传统的领域，在二十世纪平均每5～6年会有一次发给生物化学。不过绿色荧光蛋白是介于生物化学和化学生物学之间的一个研究工作。

（4）物理化学领域：电子转移理论（1992年），密度泛函理论（1998年），飞秒光谱学（1999年），表面化学（2007年），多尺度计算化学（2013年）。物理化学领域包括了化学本身的理论和物理化学相关实验研究，一般每6～7年就会给这个领域颁发一次诺贝尔奖。

（5）分析化学领域：核磁共振（1991年），生物大分子结构研究（2002年），超分辨显微（2014年）。分析化学领域大约每11～12年获得一次诺贝尔奖的规律是非常明显的。

（6）高分子化学领域：导电聚合物（2000年）。高分子领域是化学奖的一个小众领域，在整个20世纪差不多要20年才能发一次。但随着超分子化学的发展，这个规律正在逐渐被打破。

（7）无机化学领域：富勒烯（1996年），准晶（2011年）。化学奖发给无机化学的概率可能是最低的，大约也要15～20年才能颁发一次。不过无机化学和凝聚态物理有很多交叉之处，因此在本世纪，石墨烯（2010）和蓝光二极管（2014）相继获得诺贝尔物理学奖。

上面我们对本世纪初诺贝尔化学奖的发展领域进行了梳理，并按照它们获奖频次的顺序排列出来。不难看出，虽然号称“理综奖”，但是所有研究领域实际上都与一个核心词相关，那就是“分子”。结构生物学和生物化学研究的是生物大分子的结构和功能，分析化学和物理化学是研究分子结构和功能的理论与手段。那些真正涉及到宏观生理意义的工作，最后都获得的是诺贝尔生理学或医学奖，而不是化学奖，获得化学奖的生物工作，都是在分子层面上理解生物过程的。因此与其说是生物学家越界抢了化学家的奖，倒不如说是化学学科的扩张，使得生物学的一部分已经变成了化学的研究领域。但是随着分子科学发展的进步，上述的发展规律也并非是一成不变的，领域本身也在相互淘汰和演化。最近10年以来，诺贝尔化学奖出现了一些新的规律，反映诺奖委员会和化学界对于化学的理解也在发生着变化。下面我们首先列出近10年诺贝尔化学奖的研究方向，再针对上面7个领域分别进行一些分析。

2013年：多尺度计算化学（物理化学）；

2014年：超分辨荧光显微（分析化学）；

2015年：DNA修复（生物化学）；

2016年：分子机器（超分子化学）；

2017年：冷冻电镜（分析化学/结构生物学）；

2018年：定向演化（化学生物学）；

2019年：锂离子电池（物理化学）；

2020年：基因编辑（生物化学）；

2021年：不对称有机催化（合成方法学）；

2022年：点击化学和生物正交化学（合成方法学/化学生物学）；

上面的梳理体现出这样一些特征：（1）最令人瞩目的变化就是，近10年来已经没有任何一个结构生物学家获得诺贝尔化学奖，之前每三年就得奖一次的规律出现了腰斩式下降。唯一直接和结构生物学相关的是冷冻电镜方法的发明，而这项工作其实属于分析化学范畴。其他获得诺贝尔奖的生物化学工作也逐渐从天然状态下对生物大分子的修饰和改变（泛素导致蛋白降解/DNA修复），转向了人工对于生物大分子的修饰和改造（绿色荧光蛋白/基因编辑）。（2）物理化学和分析化学的研究地位依然十分稳固，发奖的频率几乎没有变化。属于分析化学领域的冷冻电镜因为和结构生物学相关，因此多发一次。合成方法学在过去十年中看似有所忽视，但最后两年连发两次，依然说明每5～6年发一次合成方法学的规律是稳定的。（3）20世纪80年代以来兴起的超分子化学和化学生物学得到更多关注。超分子化学领域自1987年首次获得诺贝尔化学奖以来，时隔近30年，再得一次诺奖，并且获奖者大多是上一次获奖者的学生辈人物，反映出了这个领域的传承。随着未来超分子领域规律的深入揭示，以及它与高分子化学和生物化学的互动，获奖频率或许还能进一步提高。化学生物学过去一直没有获得过诺贝尔奖，两次获得诺贝尔奖对这一领域是一个鼓励。但领域内值得获得诺贝尔奖的还有不少，将来诺奖委员会应该会加以考虑。（4）无机化学和高分子化学由于频次较低，在过去10年中没有轮上诺贝尔奖。但这也说明，在未来10年中，它们还是很有可能获得诺贝尔奖的。这10年中的这种变化，到底反映了化学界对于化学的什么认识变化呢？应当说还是人们对于“化学”一词真实含义的深入思考。结构生物学过去之所以重要，是因为它揭示了重要的生物大分子的结构。但今天之所以不再重要，是因为了解这种结构已不再困难，我们更加关心的是如何人工合成、调控和操纵这些分子，以实现相应的功能。从这个意义上说，化学生物学和超分子化学更能体现这种旨趣，结构生物学在未来的淡出也就顺理成章了。毕竟化学本身从了解结构出发，最终还是要回到如何操纵和改造物质世界，以使得人类的意愿能够得到更好的实现。换句话说，过去10年的转变，主要体现出了化学界对于化学合成、改造和操纵分子功能的一面重新重视了起来。基于这一视角，我们可将上面的7个领域分成以下几组：（1）合成方法和化学反应精准调控的技术。这个领域传统上主要指的是有机小分子，因为在20世纪对于这一领域的精准调控已经取得了巨大进步。但在过去数十年以及未来，无机合成化学、高分子合成化学、生物大分子合成化学、超分子合成化学和合成生物学已经并且还将取得更多进展，这方面的研究是很值得斩获诺贝尔奖的，它是化学的根本手段。这一组包括原有的合成方法学、生物化学和高分子化学领域，按照规律将占到未来诺奖的1/3～1/2。（2）分析方法和理论思考。为配合上述合成方法和技术的进步，需要在实验手段和理论上都有所发展。能够揭示分子反应的深刻机理，以及适用于生物大分子、高分子和超分子的分析化学手段，应当是未来的重点。而超越分子尺度的化学理论如何构建，目前还在摸索当中，尚不知道有何种具体实现的途径。这一组包括原有的分析化学和物理化学，综合起来将会占到未来诺奖的1/4～1/3左右。（3）在生物、能源、材料等领域的应用拓展。随着上述合成化学、分析方法和理论思考的深入，理应能开发出更多有价值的生物分子体系和材料，并取得广泛应用，例如锂离子电池这样的普惠性技术将会涌现出来。这组将包括化学生物学的一部分以及无机化学等领域，应当也会占到未来诺奖的1/4左右。

合成化学构成化学之树的根基，理论和分析方法构成了支撑成果的枝干，生物、环境、材料等体系成为这棵树上结出的果实。

此外从诺贝尔奖委员会的考虑来看，他们还存在着一个倾向，即更加重视概念上的突破与创新，尤其是在分子体系和结构认知上的突破。如饱受争议的准晶（2011年）和定向演化（2018年），其实就研究方向和人数而言，都不是化学领域的主流或热门，诺奖委员会之所以青睐它们，可能主要关注到了它们在概念意义上的价值。准晶打破了人们对晶体结构的固有成见，定向演化则将生物界存在的自然进化和人工操纵结合到了一起，包括分子机器（2016年），它们在精神气质上都与化学改造和操纵自然的根本目的是相匹配的。由此，我们可对未来10年当中诺贝尔化学奖的发奖领域进行一个大致的估计和预测。在时间规律上，我们可能无法准确预测某一年是具体哪位化学家获得，但整个10年当中的分布应当会服从相应的规律。另一方面，限定在未来10年，是因为10年之后得奖的成果很有可能是在未来10年中做出的，现在无法准确知道是谁或者哪个领域。（1）合成领域。有机合成方法学中的金属催化和碳氢活化是很有可能获得诺贝尔奖的，其代表人物如John F. Hartwig和Stephen L. Buchwald已经获得了2019年沃尔夫奖，这方面还有一些华人科学家，如余金权、马大为等。如果考虑到对方法学的重视，物理有机化学对反应参数和反应机理的研究也有可能分享。有机全合成领域的Kyriacos Costa Nicolaou和Samuel J. Danishefsky（他们的贡献之一是人工合成紫杉醇）也是可能的人选。在高分子领域，原子转移自由基聚合反应（ATRP）的发明者Krzysztof Matyjaszewski与Mitsuo Sawamoto是呼声很高的得主。在生物大分子合成的领域，蛋白质合成化学也很有可能获得一次诺贝尔奖以代表化学生物学，这方面代表人物会很多，例如Stephen Kent等。此外在无机合成领域，碳纳米管的代表人物饭岛澄男（Sumio Iijima) 、金属有机框架复合物MOF的代表人Omar Yaghi、藤田诚（Makoto Fujita）、包括超分子化学的Peter Stang都有可能获得诺贝尔奖。预计在未来10年当中，有机和高分子合成方法学会发2～3次奖，生物大分子与化学生物学会发1～2次奖，无机领域也会发1～2次奖。（2）分析和理论领域。过去数十年当中，化学反应动态和瞬时的二维以及超快光谱研究是一个重要领域，尽管其代表人物较多，并且超快激光已经在2018年获得诺贝尔物理学奖，但这个领域还是有可能获得一次诺贝尔化学奖的。高分辨质谱由于与生物组学的密切关系，也可能获得诺奖关注。此外，在无机化学研究领域电镜技术的进步，尤其是近年来球差电镜的发展很有可能获得一次诺贝尔奖，但是这个领域代表人物也有四五个，包括德国的Maximilian Haider、Knut Urban、Harald Rose，美国的Ondrej L. Krivanek等，或许要稍微晚点再发。此外，应用广泛的同步辐射技术，也有可能获得一次诺贝尔化学奖，当然他们获得诺贝尔物理学奖也是有可能的。在理论方面，由于近年来的广泛应用，计算化学应该有机会获得一次诺贝尔化学奖，但具体发给哪个领域可能还有争议，目前看来，从头算分子动力学Roberto Car和Michele Parrinello，以及d带中心理论的Jens Kehlet Nørskov或许最有可能。除此之外，非平衡态热力学的Christopher Jarzynski（证明同名不等式）和Gavin E. Crooks（证明涨落定理）也有可能在普里高津之后半个世纪再得诺贝尔化学奖。预计在未来十年中，分析化学会发1～2次奖，而理论与计算化学会发1次。（3）应用和材料领域。生物化学领域，以DNA甲基化等为研究对象的表观遗传学研究，有可能获得诺贝尔化学奖，这方面C. David Allis肯定是主要代表人物之一。提出和发展光遗传学领域的Karl Deisseroth和Peter Hegemann等人也有可能获得化学奖，当然他们获得生理学或医学奖也在情理之中。将化学生物学方法应用到生物体系研究的Peter Schultz和Stuart L. Schreiber有可能代表化学生物学获得诺贝尔奖。材料领域可发奖的项目很多，关键看它们是否在未来还会继续产生更多的社会效益，例如纳米科学领域的Geogle Whitesides、Louis E. Brus、Paul Alivisatos、Charles Lieber等人，环境和能源化学领域的表面光催化、钙钛矿和有机太阳能电池等，以及很多华人关注的有机发光二极管OLED的发明人邓青云，聚集诱导发光现象AIE的发现人唐本忠等。预计在未来10年中，生物化学和化学生物学领域的应用会发1～2次奖，材料领域的应用也会发1～2次。最后，如果诺奖委员会严格遵循时间规律的话，我们可以尝试排列出未来十年中不同领域诺贝尔化学奖的颁奖次序：

2023年：生物化学/化学生物学

2024年：无机化学/材料

2025年：化学生物学/生物化学

2026年：分析化学

2027年：合成方法学

2028年：物理化学/理论化学

2029年：生物化学

2030年：高分子化学/超分子化学

2031年：材料化学/化学生物学

2032年：合成方法学

当然，对于未来10年的预测只是已有结果的简单回顾，难免挂一漏万，还不是对于未来更长时间内化学发展的预测。从上面的预测也不难看出，华人科学家在其中扮演的角色还是相对较小的。这也是自然的结果：过去数十年中，我们的化学水平虽然取得了长足发展，但大部分还是在跟跑阶段，原创性的工作并不产生在中国。要期待中国在未来获得诺贝尔化学奖，就需要提前布局未来20年到50年内化学发展的可能方向。如果我们按照刚才总结的诺奖发奖规律的三大方面进行一些推演，那么在未来20年乃至更长的时间段内，合成化学、分析与理论化学和应用化学三个方面的进展，应当更多的围绕以下这些方面来展开。首先是超越传统有机小分子的高分子、生物大分子、超分子和无机复合材料的合成方法，继而是围绕着上述这些超越分子水平的体系发展出来的分析方法和理论工具，最后是这些合成得到材料的应用。我们还将看到，在未来，化学的分析和理论方法，将和物理学进行更紧密的交融；而它的应用和拓展方向，也将在生物学领域内得到更多的实现；但化学所固有的改造和操纵自然的本质也将在这一过程中逐渐得到认识并强化。归根到底，“理综”只是表象，“化学”才是本质。（感谢University of Konstanz的倪兵博士、北京大学口腔医学院的刘欣宇助理教授等人的建议。）©️封面图：Photo by Terry Vlisidis on Unsplash

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