21世紀諾貝爾化學獎2001-2021

化學獎看起來越來越像生醫獎，又有什麼不可？
從塑料的發展，到尼龍、防水衣服，
再到液晶顯示器，甚至新冠疫苗的研發
生活上的應用無所不在，能領悟其中奧妙的諾貝爾化學。

每個世代的得獎者皆有其特色，反映著近代化學的歷史和演進。
進入21世紀之後的諾貝爾化學得主，
女性表現的越發出色，並與物理學、生物學進行大融通。
他們以先驅角色，引領科學不斷朝向知識的邊界前進。

◎本世紀諾貝爾化學獎的二、三事
•諾貝爾化學獎近來多頒給生物學家，這是怎麼回事？
•回應本世紀能源減碳重大課題，2019年化學獎肯定了新型電池的研究。
•第一個獲批轉的mRNA疫苗，背後竟是化工製程和生命知識的結合。
•研究水母為何發光，卻開創了疾病治療的新頁！
‧諾貝爾化學獎史上7名女性得主中，21世紀就佔了4名！
‧2014年光學解析度大突破，顯微鏡成為顯「奈」鏡了。

每年10月諾貝爾獎頒布，總在媒體和學界引來話題，從獲獎人的國家、背景、學術經歷和奮鬥歷程，到得獎感言和頒獎花絮，誠然是全球學界每年最大的盛事，因為它代表得主在科學成就的巔峰，也能展現出科學發展的最新趨勢。
《21世紀諾貝爾化學獎2001-2022》集結《科學月刊》每年在諾貝爾獎得主公布後，邀請國內同領域的專家，分析該年各個得主生平事蹟和得獎領域，以深入淺出的文字和說明，讓讀者瞭解化學研究的最新景況，前瞻地引導讀者思考科學的前景。
在最近的過去，諾貝爾化學獎有時表彰了科學家在化學方面的影響，但更多時候是表其彰對生命科學的影響。這些反映一個現實：化學獎越來越移向生命科學領域。事實上，本來，生命科學的研究就一直是化學家著迷的問題。而化學也可以被視為物理學的一個分支，因為它是對物質的研究，分析其結構、性質和變化，以瞭解它們在化學反應中發生了什麼事。這都促成了物理、化學與生物學的大融通。
其中一例是2019年諾貝爾化學獎由化學家惠廷翰（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino）和固態物理學家古迪納夫（John B . Goodenough）三位獲獎，得獎原因是「對鋰離子電池發展」的重大貢獻，如今電池發展是本世紀能源減碳重大課題。因此化學在一個全科大學出現在大部分的科技領域，包括工、農、醫、生命科學院。
另一例是2018諾貝爾化學獎――化學中的演化與革命。Caltech化學系的阿諾德（Frances Arnold）反向利用生物演化的概念，開發叫做定向演化的化學催化劑。在定向演化中，阿諾德在實驗室中提供了一個新方式，鼓勵酶的演化來催化商業上有用的反應。
此外實驗技術的突破，也為研究帶來很大的進步。例如2008年GFT（讓水母發出綠色螢光的物質）的發現，廣泛被運用在生物、生技與醫學領域，讓科學家能藉由螢光標定，更瞭解生物體或細胞內生命的運作，有讓我們對疾病的產生跟治療有更進一步的認識。而2020年得主道納與夏彭提耶，研究細菌的CRISPR/Cas系統，研發出一種簡單的基因編輯方法，將可望應用於許多領域。
另外值得一提的是，為本書撰稿的台灣化學家中，有許多師出諾貝爾獎大師門下，能一窺得獎者或特立獨行的研究風格，或平易近人的為人處事一面，更神遊於他們治學的風範和精神。

科學月刊
《科學月刊》（Science Monthly）是台灣本土科普領域的代表性刊物，代表好幾個世代的台灣科學家和理工知識分子回饋社會的心意，所形成的科學沙龍風貌以及在中學科學教育和科學政策上所造成的影響，都是《科學月刊》在台灣科學社群發展以及文化影響方面的具體表徵。作為國內科普推廣的重要刊物，介紹每年的諾貝爾獎內容是不可少的任務與目標。

曾耀寰（科學月刊社理事長、中研院物理所副技師）
累積2001年2021年的諾貝爾經濟科學獎，年份加倍、超值的內容，宴饗大眾，值得購買珍藏。

導讀：牟中原（台大化學系名譽教授）
諾貝爾獎是一個引導年輕人願景的方式。那願景可能是幼稚的，但很重要。讓年輕人將科學當作樂趣，為他們帶來理解的喜悅。諾貝爾發明了一個夢想機器：一種改變慶祝方式的方法，激勵年輕人做到的比他們夢想的更多，引領了一些最優秀年輕科學家。

推薦文：寒波（盲眼的尼安德塔石器匠部落主、泛科學專欄作者）
就算不是研究科學的讀者，閱讀諾貝爾獎的介紹，以及厲害科學家的故事，想必也能滿載而歸。

序│曾耀寰
導讀 對諾貝爾化學獎近年現象的觀察│牟中原
推薦文 │關於諾貝爾獎的二、三事∣寒波

2001｜諾貝爾化學獎 手性技術的極致展示――不對稱催化反應
2002｜諾貝爾化學獎 1. 透視生物巨分子結構
2. 分析蛋白質的利器
2003｜諾貝爾化學獎 揭開細胞膜通道的奧祕
2004｜諾貝爾化學獎 貼上標籤步向分解的蛋白
2005｜諾貝爾化學獎 分子的舞動奇蹟
2006｜諾貝爾化學獎 基因密碼的抄寫者
2007｜諾貝爾化學獎 探索物體表面的化學作用
2008｜諾貝爾化學獎 水母綠光點亮生命彩頁──繽紛奪目的螢光蛋白
2009｜諾貝爾化學獎 細胞的蛋白質工廠──轉譯生命現象的核糖體
2010｜諾貝爾化學獎 拓展有機金屬觸媒應用──分子建築師
2011｜諾貝爾化學獎 結晶學的黃金傳奇──準晶的發現與研究進展
2012｜諾貝爾化學獎 現代藥物標靶──G蛋白偶合受體之研究解析
2013｜諾貝爾化學獎 1. 化學家的駭客任務─虛擬實境的化學實驗與研究創新之理論實踐
2. 從分子生物到工業化學──用電腦模擬生物分子化學反應
2014｜諾貝爾化學獎 光學影像解析度大突破──顯微鏡變顯「奈」鏡了！
2015｜諾貝爾化學獎 癌症與遺傳疾病新療法──有核酸修復，才能生生不息
2016｜諾貝爾化學獎 1. 分子轉輪與分子馬達
2. 分子機械的研發之路
2017｜諾貝爾化學獎 用低溫捕獲生命原態的原子細節
2018｜諾貝爾化學獎 化學中的演化與革命
2019｜諾貝爾化學獎 改變電器使用生態的鋰離子電池
2020｜諾貝爾化學獎 神奇的基因剪刀手CRISPR/Cas9
2021｜諾貝爾化學獎 建構分子的巧妙工具――不對稱有機催化

2008｜諾貝爾化學獎　從水母綠光點亮生命彩頁──繽紛奪目的螢光蛋白
諾貝爾獎得主下村脩，從 1960 年開始跟隨約翰森（Frank H. Johnson）研究水母，初衷十分單純―想要瞭解為什麼水母會散發出漂亮的光芒。為了收集大量水母做研究，他常去海邊撈拾水母，有時甚至動員妻小一起幫忙收集。後來他專注研究一種學名為Aequorea victoria的水母；這種水母在北美西海岸隨洋流漂移，身體呈美麗的藍色，受到刺激時，其傘緣的發光器官（photoorgan）則會發出綠色螢光。
在收集到許多A. victoria後，下村脩將水母的傘緣割下置於濾紙上，榨萃取其汁液。經過約莫一年的嘗試與努力，他成功地從這些汁液中分離出水母發光蛋白（aequorin），這種分子在與鈣離子並存時會發出強烈藍光，也就是A. victoria呈藍色的原因。同時，他也分離出另一種讓水母產生綠色螢光的物質―GFP，這便是GFP的第一次破「水」問世。之後數年，下村脩進一步研究出GFP在分子立體結構上有一個特殊的發色團（chromophore），這個特殊的球狀結構由三個胺基酸組成，在吸收藍光或是紫外光後會被激發，而散發出明亮的綠色螢光。
這個發現大大顛覆了以往對發光蛋白的印象：大多數的發光蛋白都需要額外的輔助因子才能發光，如水母發光蛋白就需要鈣離子的存在才能發出藍光。然而GFP只需要照射藍光或紫外光，就可以發出綠色螢光。也就是說，如果想利用GFP的螢光觀測細胞內的變化，只要給細胞正確激發光源，它就會給予想要的資訊，不需額外加入其他分子，也不必擔心會影響細胞的正常生理。當時下村脩並沒有意識到GFP的應用前景，對他來說，瞭解水母為何會發光而滿足他純粹的好奇心，就是一種莫大的幸福。但正因為下村脩長期的熱情與執著，我們才有機會認識深藏在海洋生物體內的寶藏―GFP，使得後進有機會去應用這個神奇的綠色螢光蛋白。下村脩因此被譽為「生物發光研究第一人」。

2015｜諾貝爾化學獎　癌症與遺傳疾病新療法――有核酸修復，才能生生不息
生命一代一代地延續，細胞不斷地被複製，主導所有生命本質的遺傳物質去氧核糖核酸（DNA），在生物體內已流傳了億萬年，這些遺傳物質時時刻刻受到環境因子的攻擊破壞，但它們奇蹟似地依然歷久彌新。獲得2015年諾貝爾化學獎的林達爾、桑賈爾，以及莫德里奇，就是投身研究細胞如何修復核酸結構，以確保正確的遺傳訊息。他們分別研究並拼湊出幾個與人類相關的核酸修復系統。
我們的生命從單一細胞的受精卵開始，到胎兒、嬰兒到長大成人，形成上兆個細胞，期間共有上兆個細胞分裂事件，核酸也經過同樣次數的複製，神奇的是，這些分裂出來的細胞中遺傳物質的組成與最初的受精卵極為相似！這就是生命物質所顯示出的最偉大的一面，因為所有的化學反應都有隨機錯誤的先天缺陷，再加上生物體的DNA隨時隨地都會受到放射性及化學性的傷害。
在經年累月當中，核酸沒有變成一團混亂，而是維持著令人訝異的完整度，主要是因為有好幾套修復系統：成群的蛋白質監測著基因，持續校對基因體，同時修復受損或是錯誤的部分，2015年三位得獎人解開了這種基本生命機制的分子層次，讓我們瞭解細胞如何正確運作，同時告訴我們若干遺傳疾病的分子機轉，以及癌症發生與老化的機制。
許多癌症中，有一或多種修復系統被關閉，使得它們的核酸常常突變而引發對化療的抗藥性。同時這些生病的細胞就更依賴仍有功能的修復系統，才能避免DNA過度損傷而無法苟活。目前科學家企圖利用這個弱點發展新的抗癌藥，抑制殘存的核酸修復來減緩或中止腫瘤的生長，如一種稱為olaparib的藥物。三位化學獎得主所完成的基礎研究，不僅加深我們認識生命如何維護自身，同時也可能發展出救命的新藥，如同莫德里奇接受訪問時所說的：「這就是為什麼由好奇心所驅使的基礎研究是那麼重要，你永遠不知道它會導引到哪一個方向⋯⋯當然，加入一點好運也有幫助。」

2019｜諾貝爾化學獎　改變電器使用生態的鋰離子電池
人類在1970年代時意識到石油資源有限，不可能無止境地開發，所以開始尋求其他如太陽能、風能等再生能源的開發，希望為人類找到除了化石燃料外的替代能源。而通常再生能源都是無法連續的，必須設法將這些能源儲存下來。
當時艾克森石油（Exxon）公司投入了新能源的研究，惠廷翰就是在那時加入艾克森，並致力於開發最終能擺脫化石燃料的能源技術，成功發展出二硫化鈦（titanium disulphide），製成能將離子嵌入的超導體，作為電池的陰極，並使用鋰金屬作為電池陽極，利用鋰的強大動力釋放電子，讓電子在陰陽極間流動，製備出的電池只有銀幣般大小，卻可提供太陽能手錶使用所需的電力。
但是，當他試圖想要提升電池的工作電壓或製作更大型的電池時，電池經常着火。雖然因鋰的活性太大、易爆炸而無法使用，但仍開發出首個具有充放電功能的鋰離子電池，為往後鋰離子電池的發展奠定基礎。
日本化學家吉野彰是日本化學公司旭化成株式会社的研究員，並被視為現代鋰離子電池的發明者。1985年，吉野彰在古迪納夫的基礎上，使用石油焦（petroleum coke）取代金屬鋰作為陽極，創造出更穩定安全、體積更輕巧、在商業化上可行的鋰離子電池。隨著索尼（Sony）在1991年製造出世界上第一款商用鋰離子電池，也樹立一個在成本、性能和可攜性上難以超越的電池結構，從此開啟行動電子設備的革命，手機、照相機、手持攝影機乃至電動汽車等領域，陸續步入可攜式新能源的時代。