2021年諾貝爾化學獎得主於10月6日揭曉！由德國學者李斯特（Benjamin List）和美國學者麥克米倫（David MacMillan）共同獲獎；他們的獲獎原因是推動了「不對稱有機催化劑」（asymmetric organocatalysis）的發展；諾貝爾委員會指出，他們開發出的有機催化劑不但對藥物研究產生巨大影響，也使化學合成的過程更加環保。

催化劑與不對稱催化

在日常生活當中，催化劑的應用極為常見：藥品、塑料、香水和香料，據估世界上35%的GDP是與某種化學催化有關。在2000年以前發現的所有催化劑，不是金屬就是酵素（也被稱為「酶」）。尤其是金屬，因為它們在化學反應發生時能暫時容納或是提供電子的特性，使得金屬成為很好的催化劑。

但金屬催化劑也有些問題：其一是有些對氧氣和水特別敏感，需要在無水無氧的環境操作，且部分價格相當昂貴，這在工業化製程當中很難實現；另一個是許多金屬催化劑是重金屬，對環境有害。第二種催化劑是與人體生理反應息息相關的「酵素」，所有生物體內成千上萬種的反應都與此有關，它們通常是由數百種氨基酸構成的巨大分子。

李斯特（Benjamin List）和麥克米倫（David MacMillan）在 2000 年時，各自在有機小分子（small organic molecules）的基礎上開發了第三種催化劑：不對稱有機催化劑。有機催化劑的應用在2000年後迅速擴展，主因是它們能夠驅動不對稱催化（asymmetric catalysis）。

有一種異構物，兩者在結構上就像你的兩隻手，長得很像但不能疊合，這種異構物稱為「對應異構物」。為了區分兩者，我們會用「左／右手性」、「左／右掌性」或「左／右旋光性」來描述結構上的差異。

對應異構物結構上的差異，也會影響到它的性質，例如：人體只能吸收右旋光性維他命 C （附註：市面上的左旋 C 並不是光左旋，而是左型右旋維他命 C）。而人工合成維他命 C 的時候，通常不可能全部變成右旋光性維他命 C，造成原物料的浪費。

在構建分子時，經常會出現兩種不同的分子可以形成的情況，就像人類的左右手一樣，是彼此的鏡像，但化學家通常只需要其中一種，尤其是在生產藥品時。

2001 年諾貝爾化學獎頒給了「不對稱催化劑」，這種催化劑可以讓化學反應的產物，多數變為某種對應異構物，以上述為例，若在人工合成維他命 C 的化學反應中，加入非對稱催化劑，能夠有效的生產右旋光性維他命 C，減少浪費。

催化，能不能再更簡單一點？

班傑明．李斯特 (Benjamin List) 在研究*催化性抗體的時候，開始思考酵素的工作原理。酵素是由氨基酸所構成，有些還含有有助於推動化學反應的金屬，但重點是：許多酵素是在沒有金屬的情況下催化化學反應的，且反應是由酵素中一個或少數幾個氨基酸所驅動的。這讓 Benjamin 在想，氨基酸一定得要是酵素的一部分才能催化化學反應嗎？單個氨基酸、或是類似的簡單分子，可以勝任這些工作嗎？

• 催化性抗體：具有加速化學反應特性的抗體，以酵素反應過程中受質的過度態類似物為抗原。

Benjamin 知道，早在 25 年前、1970 年代就有人在研究以脯氨酸 (proline) 用做催化劑，但卻沒有人繼續研究下去，Benjamin 認為可能是其效果不甚理想。因此在不抱任何的期待下，Benjamin 測試了是否能夠催化讓兩個碳原子結合的羥醛反應 (aldol reaction) 。這個簡單的嘗試，卻有令人驚訝的結果：它相當的有效。

透過實驗，Benjamin 不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑，也證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。與最開始研究脯氨酸作為催化劑的研究人員不同，Benjamin 了解它可能具有的巨大潛力，與金屬和酶相比，分子簡單、更容易合成且環保的脯氨酸，對化學家來說夢寐以求的工具。當他在 2002 年 2 月發表時，Benjamin 認為有機分子的不對稱催化是一個在未來會很有潛力的新概念。

讓不對稱催化劑投入量產

而大衛麥克米倫（David MacMilan）為了能夠讓不對稱催化劑用在大規模工業生產，開始改良非對稱催化劑，由於在金屬的不對稱催化劑上沒有進展，他決定改變方向，嘗試以簡單的有機分子作為不對稱催化劑。

左圖為原本的金屬催化劑，銅原子是相對脆弱的部分，這使催化劑容易變質，增加使用上的難度。右圖為麥克米倫的有機分子催化劑。麥克米倫為了解決金屬催化劑中，金屬原子在結構中相對脆弱的問題，他決定開發一種沒有金屬原子的催化劑，後稱為「有機分子催化劑」。

透過有機催化劑驅動的化學反應，可讓研究人員更有效率的建構新藥物，甚至是太陽能電池中可捕獲光的分子。透過這些應用，有機催化劑為人類帶來極大的貢獻。而在李斯特與麥克米倫發現有機分子催化劑之後，也持續設計出了大量廉價且穩定的有機催化劑，讓不同的化學反應使用。

參考文獻

• Their tools revolutionised the construction of molecules. The Nobel Prize in Chemistry 2021

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近年來，大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生，國際間也會簽訂不同協議與政策，來減緩溫室氣體的排放，講到這邊，我們通常會想到化石燃料的使用，但較少被人們注意到的是，畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗，甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究，提出一種可能的解決方案，以減少畜牧業對環境的影響，也就是——「教小奶牛上廁所」！

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號，為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響？是哪方面的影響？為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢？要怎麼教？

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係？

首先，根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告，全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳，大約是人為排放溫室氣體的 14.5%，其中，牛是排放量最大的物種，佔畜牧業排放量的 65 %，而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動，FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案，其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術，來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH₄) 與一氧化二氮 (N₂O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N₂O) ，雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ，但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍！除此之外，每次排放的一氧化二氮 (N₂O) 都會停留在大氣中超過一世紀，可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起，紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成，主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用，因此紐西蘭政府制定了一個目標，要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢？

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高，而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O)，在紐西蘭和澳洲，通常將牛飼養在戶外，牠們排尿之後，就開始一趟名為「氮循環」的旅程，首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH₄⁺) ，再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No₂^–)，接著，另外一群微生物「硝化菌」，將亞硝酸鹽 (No₂^–) 再氧化成硝酸根 (NO₃^–)，以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然，旅程還沒有結束，另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N₂)，叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」，而一氧化二氮 (N₂O) 是反應的中間產物，會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎？

代誌不是憨人想得這麼簡單！當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時，會產生另一種空氣污染物——氨 (NH₄)。

所以，如果牛的尿液可以被收集處理，裡面所含的氮就可以被轉換，減緩對環境的衝擊，但是要怎麼收集牛的尿液呢？

最直接的方式就是，教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿？獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理，訓練小牛到特定的地方排尿，這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」，由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出，當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」，將飢餓的小白鼠放在箱子裡，內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率，因飢餓不安而活動的小白鼠，偶然壓到槓桿就會得到少量食物，當以後小白鼠看到槓桿，再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說，因反應而出現的食物是「強化物」，對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外，他們還運用訓練小孩上廁所，一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式，將目標拆解成小步驟，從最後一步開始訓練到第一步。

首先，小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡，當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後，把小牛帶到圍欄外的一條走廊上，並再次強化進去廁所裡尿尿的行為，如果小牛在走廊上就排尿，便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練，他們訓練的八頭小牛中，有七隻學會了在廁所尿尿，而且學習的速度和人類小孩差不多快！牠們大約只受了 15 天的訓練，大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套，比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源／參考資料 1

由此，研究團隊得到了兩個結論，第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射，在準備尿尿時會移動到廁所裡；第二，在可以得到獎勵的情況下，牠們學會先憋尿，除非到了正確的地方。

牛牛學會了，然後呢？

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後，下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢？

作者認為希望未來可以優化廁所裝置，自動檢測排尿以及給予獎勵，就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外，像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業，大多將牛飼養在開放的圍場，應該要把廁所設在哪裡，或者牛願意走多遠過來上廁所，都是需要進一步了解的問題，也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業，實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
3. 張春興（民80）。教育心理學：三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
4. Backward Chaining Technique
5. 全國法規資料庫：空氣污染防治法施行細則
6. The science of nitrous oxide

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