20世纪的科学怪杰鲍林-第48部分

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是相反。”
　　为了理解这些重大的生物学现象，我们必须弄懂原子以及由原子通过键力形成的分子。
　　鲍林把科学问题、日常生活实例和英国文学及科学巨人的语录结合起来讲述，开始就把听众的注意力牢牢吸引住了。接下去他就概括地介绍了他的互补性理论，并以此作为解释生物分子相互作用的基础。往常，星期五晚间讲座的报告人总是呆板地站在讲台后面照本宣读，而鲍林却是脱稿讲话，手中拿着粉笔，一边在主席台上来回走动，一边在黑板上勾画出抗体形状和酶作用的示意图。他让听众想象自己是身高等于地球到月亮的距离的巨人，引导大家了解蛋白质结构问题是生物学的中心问题。他的报告是一次无懈可击、一气呵成的出色表演，并取得了理想的效果。在鲍林演讲后的一次聚会上，帝国学院院长赫尔布鲁爵士作了这样的评价：“当我们听莱纳斯报告时，我们觉得是在聆听一位天才娓娓叙述自己的思维过程。”
　　卡文迪什实验室
　　在那天晚上听讲的人群中，有一位名叫劳伦斯·布拉格的杰出人物，他也是一位始终关注着蛋白质结构的物理学家。自从鲍林提出了一整套确定复杂的硅酸盐结构的规则后，鲍林就超过了市拉格。在随后的20年时间里，两人的职业生涯循着两条平行上升的轨迹向前发展。布拉格从30年代早期的心理挫折中重新崛起，变得比以往更加坚强。更有信心，他领导下的曼彻斯特X射线晶体学实验室成为世界上最具理论创造性的研究机构之一。1938年，他的努力终于得到了回报，他应召继承卢瑟福担任英国最大的物理研究中心——剑桥卡文迪什实验室的主任。三年后他被封为爵士。
　　到1948年，他已把卡文迪什实验室建成为世界上最先进的X射线晶体学研究中心。然而就在这一点上，他和鲍林的兴趣分道扬镳了。鲍林感兴趣的是X射线衍射的结果；而布拉格感兴趣的却是衍射的过程，他致力于改进设备，发展用于解释X射线衍射图形的数学技巧。卡文迪什实验室之所以闻名于世，就是由于布拉格的设备品种齐全，威力强大；由于他吸收的青年研究人员聪明能干；还由于布拉格本人对衍射理论的长年不懈的研究所取得的丰硕成果。至于对分子结构的研究，布拉格主要让下面的工作人员去做。他们的研究对象主要限于矿物。合金和小的有机分子。但是当布拉格刚到实验室时，那里有一个由奥地利出生的科学家佩鲁茨①导的小组也在从事血红蛋白的结构研究，这项工作被布拉格称为是“勇敢的尝试”。布拉格开始时对蛋白质结构研究不大感兴趣——他一直对生物学不甚了了，并认为蛋白质分子肯定过于庞大和复杂，以致无法用X射线衍射法进行研究——但是佩鲁茨是一个不知疲倦和充满信心的研究者，并且已有足够的研究成果能引起布拉格的兴趣，使他认识到蛋白质研究是对X射线学的一个挑战，是一类难度超越矿物质研究的课题。当鲍林来到英国的时候，布拉格已经为佩鲁茨和他的年轻同事肯德鲁以及另外两个助手争取到了足够的资助，这些人也已取得了一批重要的成果，揭示了很多种血红蛋白分子的大致结构。而且，在蛋白质研究中取得重要进展的研究小组在英国并非独此一家。在其他大学里，霍奇金②胰岛素的研究已进入第二个十年；伯纳尔和他的同事已经开始做裂解核糖核酸酶的工作。
　　①佩鲁茨（Max　Ferdlnand　Perutz，1914），奥地利出生的英国生物化学家，因对球形蛋白、特别是血红蛋白结构进行X射线衍射分析，与肯德鲁（J。C。Kendreu）共获1962年诺41尔化学奖。
　　②霍奇金（Dorathy　Crowfoot　Hodgkin，1910—），英国女化学家，与同事合作得到维生素B12第一张X射线衍射照片（1948），确定了维生素B12的原子排列，获1964年诺贝尔化学奖。
　　鲍林对英国人的工作了解得越多，就越感到担心：在争取成为世界上最先完整地确定蛋白质分子结构的人的竞赛中，他可能成为失败者。他解决蛋白质结构问题的方法是从下向上，即先仔细确定单个氨基酸和小肽分子的结构，然后在此基础上再拼装出大分子结构；而与此相反，英国人的方法却是从上而下，即分析完整蛋白质分了的X射线衍射图。鲍林曾经以为蛋白质分子太大，它们的X射线衍射图过于复杂，因此在可预见的将来，从上到下的研究方法不可能奏效。但是在与伯纳尔和霍奇金交谈之后，鲍林意识到，英国人正接近于攻克某些蛋白质分子的结构问题，这使他感到很大的压力。
　　在这样的情况下，他又一次考虑从理论上解决蛋白质的母体——角蛋白链的结构问题，这是他在1937年曾经尝试过的事。当时他试图构造一条与阿斯特贝里的X射线数据相匹配的蛋白质链，但没有成功。于是他怀疑自己关于氨基酸结构或键的想法是错误的。但这些年来的研究成果，包括科里所做的关于氨基酸的具体研究，都告诉他自己并没有错。分子尺度与他的假设大致吻合。他还曾预言，肽分子的键具有双键特征，两侧的原子固定在一个平面上，这一猜测也被科里关于二酮哌嗪的研究结果所证实。他当时其实已十分接近于成功，不可思议的是，他竟然没有坚持下去。
　　1948年春天，他重新研究这个问题，不过这一次采用了新的指导原则。在30年代，化学家曾提出长链淀粉分子具有像螺旋转梯那样的结构，鲍林早年的合作伙伴哈金斯（鲍林曾与他一起做过一些早期的研究工作，最后得出了肽键的平面性结论）曾从理论上论证这种螺旋结构也是蛋白质分子的主要结构形式。按照哈金斯模型，氨基酸链的形状不是阿斯特贝里模型假设的扁平、扭结的带状，而是螺旋上升的梯状，像床垫弹簧那样；哈金斯还假设链的圈与圈之间由氢键固定，从而能保持结构的稳定性。
　　这是一个非常富于启发性的假设，并早已在英国晶体学家中间引起热烈讨论。这些假设有助于解释一些现象。按照阿斯特贝里的扁平带模型，蛋白质的化学性质应该反映出带了的双面性特点，然而，蛋白质链实际上似乎是各向同性的，这恰与螺旋线形成的圆柱体整体形状相吻合。此外，理论的推断结果也有利于螺旋线假设。正如克里克①——他当时是佩鲁茨和肯德鲁实验室里的一个研究生——所说，“众所周知，如果一条链由完全相同的环以完全一致的方式折叠并联结起来，且每个环与相邻环的关系也完全一致，那么这样的链就形成螺旋结构。”叫它螺旋结构也好，螺旋线也好，反正哈金斯的假设对卡文迪什的研究者产生了重要影响。很快地，似乎英国的每一个蛋白质研究者都在寻找螺旋结构了。比如霍奇金（鲍林访问牛津大学时曾与她进行过几次长谈）就在她的胰岛素分子的研究中密切注意寻找螺旋结构的证据。
　　①克里克（Franis　Crick，1916—）英国生物物理学家和遗传学家，因参与制成脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构模型，为分于遗传学奠定了基础，而与沃森（J。Watson）和威尔金斯（M。Wilkins）共获1962年诺贝尔医学奖。
　　在皇家科学研究院报告后一个多星期，鲍林病倒了。由于英国潮湿的天气，他患上了严重的骨窦炎，只得卧床休息了。他记得：“第一天我阅读侦探小说以便使自己不想倒霉的事，第二天依然如此。但第三天我就厌烦了，我于是想，”我为什么不能想想蛋白质的结构问题呢？“这样，他决定对角蛋白链的结构再进行一次研究的尝试。不过这次采用了螺旋模型的设想。他准备好铅笔、直尺和一些纸，然后开始描绘氨基酸链的草图。根据记忆，他勾画出原子键的长度和夹角。他采用了三步工作法：第一步，根据氨基酸的已知尺度把链画出来；第二步，把元素在空间按这样的方式排列出来，使氢键易于生成并使钛键处在同一平面内；第三步，检验这样得出的模型能否解释X射线衍射数据。他画出了每个氨基酸分子的基本碳一碳一氮骨架，然后用粗线表示肽键，将它们连结起来，这些肽键在纸页内保持平直。他又将那些区别不同类型的氨基酸分子的侧键画成由螺旋线中心指向外面的线段。通过这种表示法，这些侧键将不会对存在于中心部位的重复结构产牛干扰，
　　然后，他将纸张进行折叠。折叠时将肽键平直地保持在纸页上，而只在氨基酸骨架中与肽键相连的单个碳原子处折角，这是他认为可能发生旋转的地方。他设法将角度折得与四面体角大致相等，这样大小的折角对碳键来说是最自然的。他对纸张采用各种不同的折叠方法，力图把元素排成恰当的形式，以便形成尽可能多的氢键。没隔多久，他就得出了一种形状优美的螺旋结构。这使他大喜过望。这个结构具有平面性的肽键，大致正确的键角和长度，并可在拐弯处形成适当数量的氢键。“我一下子忘记了自己正患着感冒，我实在是太兴奋了，”他说。
　　这是一个典型的例子，能够很好地说明鲍林的随机方法的特点：采用少数几个起关键作用的限定性化学规则去构作合理的结构模式。然而，当鲍林意识到从他的模型所得出的X射线衍射图形很可能与阿斯特贝里和其他人得出的图形不相符时，他的兴奋情绪减退了。自然界的角蛋白分子显示出5。1埃的强反射，这一长度被认为是在链的轴向上两个重复单元之间的距离——在螺旋结构中，就是链的两个相邻螺圈之间的距离。为了在螺旋模式中验证这个可能的结果，需要花几个月的时间仔细地构作模型，但从他的简略草图似乎已可看出，他的螺旋模式将产生出不同的周期性间距。通过应用他自己提出的关于肽键和氢键的规则进行推算，鲍林发现：“我无法将我的结构伸长或压缩。”
　　鲍林又回到了床上。他并没有张扬自己涂抹的草图，甚至没有写信告诉科里。他只是把螺旋型构想存放起来，留待回到加州理工学院后作进一步探索。正如他所说，他所拥有的全部成果暂时“还只是一张纸片”。
　　龟兔赛跑
　　鲍林的骨窦炎持续了好几个星期，当他携家人到巴黎进行学术访问时仍未痊愈，鲍林安置好住处后，随即说服美国大使馆的医生给他配了一些青霉素，服用后炎症果然就很快消失了。爱娃和孩子们抓紧时间外出逛公园，参观博物馆和大教堂，到食品店购物，而鲍林则忙于参加法国科学界的各种社交活动。
　　在鲍林参加的一次科学研讨会上，会议组织者专门留出一整天时间来讨论、比较鲍林的分子价键理论和芝加哥大学马利肯①的分子轨道理论的优缺点。这次讨论成为与会者关注的热点。
　　①马利肯（Robert　Mulliken，1896—1986），美国化学家，物理学家，提出不同原子结合成分子时电子轨道行为的量子力学理论，获1966年诺贝尔化学奖。
　　在人数日趋众多的量子化学界内，人们把这两种理论的争论看得有点类似于马丁·路德①教皇的挑战。从同一本“圣经”即公认的量子力学原理出发，两位科学家在近20年的时间里对它的化学意义作了迥然不同的解释。
　　①马丁·路德（Martin　Luther，1483—1546），德国人，16世纪欧洲宗教改革运动发起者，基督教新教路德宗创始人，曾公布《九十五条论纲》（1517），抨击教廷发售赎罪卷，否定教皇权威，将圣经译成德文。
　　从德国化学家海特勒和伦敦的电子交换思想导出的鲍林理论认为，分子是不同原子的叠合体。原子与原子之间通过键联结，而键是由定位于两个原子核之间的若干个电子形成的。键的数目等于元素的价数，也就是元素的键容量，由此鲍林学派就被人们称为价键学派或VB学派。从理论上说，将每个键的波函数叠加起来，就可计算出总的量子力学状态。当然对计算结果还需根据每个健对相邻键的作用情况进行适当的修正。
　　在鲍林大力宣传VB理论的近20年时间里，马利肯却耐心研究自己的分子轨道（MO）理论，他坚信：分子并不是像VB理论鼓吹者所设想的那种情况。在马利肯看来，分子并不是由不同的原子通过不同的键联结起来的聚集体，而是一个不可分割的整体，其特有的性态只能从分子本身来加以解释。他研究过分子吸收和发射光谱的现象，这方面的研究经历使他相信不应把键接电子看作是固定在某个位置上的，而应看作分布在整个表面上，这样才能更好地解释分子的性态。虽然这个理论对多数化学家来说不那么直观，但马利肯经过20年的研究后坚信这个理论是正确的。马利肯认为，分子应该是它们自身实际表现出来的那个样子，而不是如19世纪的化学家所设想的它们应该具有的那种样子。他借用美国女作家斯泰因①话来概括自己的观点：“分子的定义是：分子就是分子。”
　　①斯泰因（Gertrude　Stein，1874—1946），美国女作家，移居巴黎（1903），提倡先锋派艺术，运用重复或片断化、简单化手法写作，作品有小说《三个女人的一生》、《艾百斯·B·托克拉斯自传》等。
　　在价键理论和分子轨道理论的争论中，绝大多数化学家赞同和接受价键理论，出现这个结果的一个主要原因是鲍林的才智和人格所发挥的重要作用。鲍林懂得怎样解释他的价键理论使化学家乐于接受。原子通过不同的键每次一个地与其他原子联接起来，这种情况可以在纸上用联接元素符号的一根根虚线表示出来，这与化学家们关于化学键的看法相吻合。同样重要的是，鲍林善于找出捷径来简化数学运算。尽管从理论上讲，可以通过将不同的波函数叠加从而得出分子的量子力学刻画，但在当时尚无电子计算机的情况下，除了一些最简单的分子外，一般分子的有关数学计算非常困难，实际上根本不可行。鲍林提出一些半经验性的变通办法来避开这种困难，诸如共振能和电子负电等级的计算方法，这些变通办法符合量子力学的精神，但其基