張婷林 康立 趙悅 馬宏佳

復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型
——2013年諾貝爾化學(xué)獎簡介

張婷林 康立 趙悅 馬宏佳*

（南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院江蘇南京210097）

介紹了2013年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎?wù)?、獲獎成果及對教育的啟示。

化學(xué)；諾貝爾獎；多尺度模型

北京時間2013年10月9日下午5點(diǎn)45分，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾頒獎委員宣布今年的諾貝爾化學(xué)獎授予馬丁·卡普拉斯(MartinKarplus)，邁克爾·萊維特(MichaelLevitt)和亞利耶·瓦謝爾(AriehWarshel)，以獎勵他們在“發(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型”方面所做的貢獻(xiàn)。這三位科學(xué)家長期致力于開發(fā)計(jì)算機(jī)程序來研究化學(xué)反應(yīng)，他們創(chuàng)造性地讓經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)在化學(xué)研究中“并肩作戰(zhàn)”，為用計(jì)算機(jī)程序模擬和預(yù)測化學(xué)過程奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

馬丁·卡普拉斯邁克爾·萊維特亞利耶·瓦謝爾

一、獲獎?wù)吆喗?/h2>

馬丁·卡普拉斯（MartinKarplus），1930年出生于維也納，擁有美國和奧地利雙重國籍，是一位在奧地利出生的美國理論化學(xué)家，猶太裔。卡普拉斯1950年取得哈佛大學(xué)的文學(xué)學(xué)士學(xué)位，1953年獲加州理工學(xué)院的博士學(xué)位，現(xiàn)為美國哈佛大學(xué)化學(xué)教授。他是著名化學(xué)家鮑林的學(xué)生。主要研究方向是生物大分子的分子動力學(xué)模擬，他提出的“卡普拉斯方程”后來被應(yīng)用于核磁共振技術(shù)之中。他興趣廣泛，愛好攝影、寫作，舉辦過多次個人攝影展。

邁克爾·萊維特（MichaelLevitt），1947年出生于南非比勒陀利亞，擁有美國和英國雙重國籍，生物物理學(xué)家，美國斯坦福大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)教授。1971年于英國劍橋大學(xué)岡維爾與凱斯學(xué)院獲得博士學(xué)位。萊維特曾到北大做過訪問和報告，是北大定量生物學(xué)中心的兼職教授，該中心主任湯超對萊維特的印象是萊維特時時刻刻都在工作，“他現(xiàn)在還是自己編程，相比之下，有很多科學(xué)家都讓學(xué)生來做編程，而萊維特總是自己做，比較有特色?！贝送?，湯超還認(rèn)為萊維特“總是給人耳目一新的感覺，總是去做新的東西”，是個非常有創(chuàng)造性的人。

亞利耶·瓦謝爾（AriehWarshel），1940年出生于以色列，擁有美國和以色列雙重國籍。瓦謝爾曾參加過兩次中東戰(zhàn)爭。1969年在以色列魏茲曼科學(xué)院獲得博士學(xué)位，隨后，他在哈佛大學(xué)做博士后工作，1972年至1976年，他回到魏茲曼研究院研究分子生物學(xué)，在英國劍橋的實(shí)驗(yàn)室工作，2008年成為英國皇家化學(xué)學(xué)會資深會員，2009年當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士，目前為美國南加州大學(xué)杰出教授。

二、獲獎成果介紹

1.復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型

為了幫助人們理解物質(zhì)的性質(zhì)和變化，化學(xué)家們常常會利用塑料短桿和小球來表示分子結(jié)構(gòu)。今天，借助計(jì)算機(jī)軟件的幫助，化學(xué)家們使用電腦來展示各種分子模型，甚至可以模擬化學(xué)變化過程。

那么，誰設(shè)計(jì)了這些軟件？設(shè)計(jì)的依據(jù)又是什么？

上世紀(jì)70年代以前，科學(xué)家們在電腦上模擬分子所使用的軟件，要么是基于經(jīng)典物理學(xué)的，要么是基于量子物理學(xué)的。經(jīng)典物理的強(qiáng)大之處在于其計(jì)算過程相對簡單，可以模擬非常大型的分子及其精細(xì)結(jié)構(gòu)。但是經(jīng)典物理也有明顯的劣勢，它只能計(jì)算靜態(tài)，無法模擬化學(xué)反應(yīng)過程，因?yàn)樵诜磻?yīng)過程中，分子是充滿能量而處于激活態(tài)的。為了表現(xiàn)這一部分，化學(xué)家們不得不求助于量子物理學(xué)。在量子物理學(xué)中，電子具有波粒二象性，它既可以是粒子，也可以同時是波，因此它可以如實(shí)描述化學(xué)反應(yīng)過程，但卻需要計(jì)算機(jī)處理分子內(nèi)部的每一個電子和每一個原子核，靠它只能算有限的小分子，甚至無法考慮溶劑的影響。

今年的三位諾貝爾化學(xué)獎得主成功地將這兩種方法進(jìn)行分工，如圖1所示：反應(yīng)中心的自由電子用量子計(jì)算，外圍的原子用經(jīng)典物理，更外面的溶液就當(dāng)成均一的電介質(zhì)，不模擬。因此，采用經(jīng)典物理和量子物理兩種不同標(biāo)準(zhǔn)來研究化學(xué)反應(yīng)的過程，這就是多尺度。這三位科學(xué)家不僅提出了“多尺度模型”，而且依據(jù)其編制出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。

2.復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型的由來與發(fā)展

多尺度模型是如何發(fā)展和形成的呢？

圖1

多尺度模型的最初一步是在20世紀(jì)70年代，由馬丁·卡普拉斯和亞利耶·瓦謝爾在美國哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中邁出的。

卡普拉斯一直致力于量子物理方法的研究工作。他帶領(lǐng)的研究組開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序可以利用量子物理原理來模擬化學(xué)反應(yīng)過程。他還提出了“Karplus方程”，該方程的原理后來被應(yīng)用到了核磁共振技術(shù)中，這是一項(xiàng)化學(xué)家們所熟知的，基于分子的量子特性而發(fā)展起來的方法。

1970年，瓦謝爾來到卡普拉斯在美國的實(shí)驗(yàn)室并帶來了他的計(jì)算機(jī)程序。瓦謝爾曾在以色列的魏茨曼科學(xué)研究院進(jìn)行博士階段的研究工作，在超級計(jì)算機(jī)“Golem”（Golem，猶太人民間傳說中的無生命的巨人，注入魔力后可行動，但無思考能力）的幫助下，瓦謝爾和邁克爾·萊維特發(fā)展了一套革命性的計(jì)算機(jī)程序，其基于經(jīng)典物理理論，可以實(shí)現(xiàn)對所有分子的模擬。瓦謝爾和卡普拉斯在哈佛開始合作后，就致力于開發(fā)一種新型程序，其可以對不同的電子采用不同的處理方法。在大部分分子結(jié)構(gòu)中，每個電子都圍繞一個原子核運(yùn)行，但在有些分子中，部分電子可以在幾個原子核之間自由運(yùn)行。視網(wǎng)膜分子結(jié)構(gòu)中就存在這種自由電子，當(dāng)光線抵達(dá)視網(wǎng)膜，其中的自由電子充滿能量，從而造成分子結(jié)構(gòu)變形，這是構(gòu)成人類視覺的最初步驟?？ㄆ绽归L久以來對視網(wǎng)膜就有濃厚興趣，因?yàn)檫@是一種分子的量子化學(xué)過程，并會造成生物學(xué)效應(yīng)。最后，卡普拉斯和瓦謝爾成功地建立了簡化版的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)模型。

1972年，他們公布了一套計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)其處理自由電子時會采用量子物理算法，而當(dāng)處理其他電子和原子核時則采用更加簡單的經(jīng)典物理方法，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)這兩種方法的結(jié)合。但這種方法是有局限性的，它要求分子必須是鏡面對稱的。

瓦謝爾與萊維特的合作為多尺度模型的發(fā)展作出了進(jìn)一步貢獻(xiàn)。萊維特與在瓦謝爾曾一起在以色列的魏茨曼科學(xué)研究院基于經(jīng)典物理的計(jì)算機(jī)程序。他在劍橋大學(xué)讀博士期間，主要研究生物分子學(xué)，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等。瓦謝爾與萊維特的志向很遠(yuǎn)大。他們希望開發(fā)出一款程序，可用來研究酶類。在學(xué)生時代，瓦謝爾就曾關(guān)注過酶類的功能。也正是酶類之間的相互合作讓生命成為可能，它們幾乎控制著生命體內(nèi)的所有化學(xué)反應(yīng)。如果想了解生命，就需要了解酶類。為模擬酶類反應(yīng)，瓦謝爾與萊維特需要使經(jīng)典和量子物理學(xué)更順暢地協(xié)作，后來，瓦謝爾與萊維特在劍橋會合，繼續(xù)研究。1976年，他們實(shí)現(xiàn)了自己的目標(biāo)，發(fā)表了全球首個酶類反應(yīng)計(jì)算機(jī)模型。自此，在模擬化學(xué)反應(yīng)時，規(guī)模已不再是問題。

3.復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型的意義與應(yīng)用

現(xiàn)在，全世界每天都有化學(xué)家在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這都得益于三位科學(xué)家在上個世紀(jì)70年代所做的研究，他們?yōu)橛糜?jì)算機(jī)程序來了解和預(yù)測化學(xué)過程奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

借助軟件的幫助，化學(xué)家可以模擬一個化學(xué)過程中各種可能的反應(yīng)路徑，以了解在反應(yīng)不同階段不同原子所起的作用。當(dāng)找到了那些似乎可行的反應(yīng)路徑之后，就可以開展實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種計(jì)算機(jī)給出的反應(yīng)路徑是否確實(shí)是正確的，從而反過來修正模型，提升其進(jìn)行模擬時的精確度。如此相互促進(jìn)，讓現(xiàn)在化學(xué)家們在試管和計(jì)算機(jī)前所花費(fèi)的時間已經(jīng)幾乎相同。

三位科學(xué)家的研究理論和方法適用于化學(xué)的每個領(lǐng)域，可以用來探索各種各樣的化學(xué)過程，通過模擬，化學(xué)家能更快獲得比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測結(jié)果。科學(xué)家們可以研究植物光合作用而用于太陽能電池的設(shè)計(jì)，研究汽車?yán)锏娜紵^程而優(yōu)化燃料等。不僅如此，獲獎?wù)呷R維特還希望能夠從分子層面模擬一整個生物體，成為真正意義上的“數(shù)字生命”。

三、啟發(fā)與思考

1.團(tuán)隊(duì)合作與學(xué)科交叉導(dǎo)致創(chuàng)新

今年的諾貝爾化學(xué)獎由三位化學(xué)家共享，體現(xiàn)出科研當(dāng)中非常重要的合作意識和學(xué)科交叉。每個人的智慧和創(chuàng)造是有限的，但將智慧集合起來則有可能產(chǎn)生加倍疊加的作用。因?yàn)?，在合作的過程中，每個人可以相互學(xué)習(xí)，在交流的過程中擦出靈感的火花，從而激發(fā)出新的想法。不同學(xué)科和不同理論會有不同的優(yōu)勢和缺陷，自然界是復(fù)雜的，探索自然也需要人們綜合運(yùn)用不同學(xué)科的不同理論。而學(xué)科交叉，本身就是一種創(chuàng)新，更為發(fā)展新的理論和技術(shù)提供了可能。今年諾貝爾化學(xué)獎為人們提供了經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)交叉應(yīng)用導(dǎo)致“復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型”誕生的成功范例。

2.傳統(tǒng)學(xué)科要進(jìn)入信息時代

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在計(jì)算機(jī)大量運(yùn)用的信息時代，化學(xué)實(shí)驗(yàn)還要不要？試管燒杯還要不要？既然能用計(jì)算機(jī)模擬出化學(xué)變化的過程，計(jì)算機(jī)是否能夠取代試管燒杯，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)“搬到”電腦里？答案應(yīng)該是否定的。借助軟件的幫助，化學(xué)家可以模擬一個化學(xué)過程中各種可能的反應(yīng)路徑，以了解在反應(yīng)不同階段不同原子所起的作用。但仍然需要用真正的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種計(jì)算機(jī)給出的反應(yīng)路徑是否正確，從而反過來修正模型。只有基于前期實(shí)驗(yàn)的事實(shí)和理論，才能夠成功建立化學(xué)反應(yīng)的過程模型，并且還需要后期實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，才能使計(jì)算機(jī)模擬出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有說服力。同時，人們也應(yīng)該看到，計(jì)算機(jī)的工作大大提高了人們對化學(xué)變化認(rèn)識的深度和廣度。計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相互促進(jìn)，讓現(xiàn)在化學(xué)家們在試管和計(jì)算機(jī)前所花費(fèi)的時間已經(jīng)幾乎相同，二者缺一不可。這也正是傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)入信息時代的必然。

3.廣泛興趣和創(chuàng)新欲望導(dǎo)致成功

今年的三位化學(xué)諾貝爾化學(xué)獎得主都是非常有故事的科學(xué)家?？ㄆ绽怪袑W(xué)的時候，父母給哥哥買了一套化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，他也想要，但為了安全，父母給他買了一個顯微鏡，他一直保存至今。年輕卡普拉斯迷戀觀鳥，曾對電影產(chǎn)生濃厚興趣，去過卓別林的工作室，見到了卓別林本人，后來他迷上攝影，在他的個人網(wǎng)頁上有許多精美的攝影作品。66歲的萊維特現(xiàn)在還在自己編寫計(jì)算機(jī)程序，他總做新的東西，是個非常有創(chuàng)造性的人。

由此我們可以看出，教育和環(huán)境的熏陶對一個人成長的重要影響。孩子小時候在自己感興趣的方面進(jìn)行嘗試、探索和發(fā)現(xiàn)，有助于培養(yǎng)做事的能力和毅力，有助于思維的發(fā)展?？茖W(xué)家也同時是藝術(shù)家，因?yàn)榭茖W(xué)也需要有想象力、有創(chuàng)造力、創(chuàng)新能力，更需要有動手實(shí)踐、將夢想轉(zhuǎn)變?yōu)槌涩F(xiàn)實(shí)的能力。

［1］http：//www.guokr.com/post/516552/

［2］http：//m.guokr.com/post/516589/

［3］http：//emuch.net/html/201310/6456870.html

［4］http：//emuch.net/html/201310/6489111.html

［5］http：//epaper.hf365.com/hfwb/html/2013-10/10/content-731510.htm

［6］http：//www.nobelprize.org/nobel-prizes/chemistry/laureates/ 2013/

［7］http：//chemistry.harvard.edu/people/martin-karplus

［8］http：//med.stanford.edu/profiles/Michael-Levitt

［9］http：//chem.usc.edu/faculty/Warshel.html

［10］http：//www-isis.u-strasbg.fr/biop/start

1008-0546（2013）11-0002-03

06-1

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2013.11.001

*通訊聯(lián)系人：mahongjia@njnu.edu.cn