楊先碧

現(xiàn)在，電腦不僅能模擬出自然界已有的許多事物，而且還可以模擬出一些尚未出現(xiàn)的事物。比如，不少科幻影片中未來世界的場(chǎng)景都是電腦模擬出來的，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中找不到那樣的場(chǎng)景。同樣，用現(xiàn)有的各種技術(shù)手段都難以觀察到的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)中的快速變化過程，而用電腦模擬這樣的過程，就能夠揭開物質(zhì)變化的神秘路徑。這一研究領(lǐng)域被稱為計(jì)算化學(xué)。馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾這三位美國科學(xué)家，因在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)而獲得了2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

把電腦引入化學(xué)研究中

我們知道，在物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，分子中的化學(xué)鍵會(huì)斷裂，原子、原子團(tuán)或離子會(huì)重新組合成新的物質(zhì)。如何才能直觀地描述化學(xué)反應(yīng)的微觀過程呢？

自從20世紀(jì)初量子物理學(xué)建立以來，化學(xué)家就試圖利用量子物理學(xué)的方法來深入了解化學(xué)反應(yīng)的微觀過程。然而，在電腦發(fā)明之前，這種嘗試異常艱難，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)，尤其像光合作用那樣的生物化學(xué)反應(yīng)，是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。許多化學(xué)變化是瞬間發(fā)生的。在不到1毫秒（千分之一秒）的時(shí)間里，電子從一個(gè)原子核跳向另一個(gè)原子核，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)化學(xué)方法根本無法記錄這些化學(xué)反應(yīng)的每一個(gè)過程。

面對(duì)瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及復(fù)雜的電子快速運(yùn)動(dòng)，依靠過去用塑料球和小木棒來創(chuàng)建分子模型的辦法已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)描繪化學(xué)反應(yīng)全過程的美好愿望。即使化學(xué)家選擇使用量子物理學(xué)來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過程，但繁雜的計(jì)算過程與巨大的計(jì)算量也只能應(yīng)付小分子的化學(xué)反應(yīng)。為此，卡普拉斯、萊維特、瓦謝爾等人提出了利用電腦來建立多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型。多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型的出現(xiàn)無疑是化學(xué)界的革命。通過該模型，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了用電腦監(jiān)控化學(xué)變化中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而能最優(yōu)化地控制化學(xué)反應(yīng)的過程。

20世紀(jì)六七十年代，雖然多數(shù)普通老百姓還不知道電腦為何物，但是電腦已經(jīng)成為一些科學(xué)家的好幫手。在化學(xué)研究中，引入電腦讓化學(xué)家對(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的描述變得可行。卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾就是這些化學(xué)家中的杰出代表，他們是利用新的技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)研究的先行者。瓦謝爾在獲獎(jiǎng)后接受采訪時(shí)說：“簡(jiǎn)單地說，我們的研究就是借助電腦分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，最終了解蛋白質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。”

用電腦程序模擬化學(xué)反應(yīng)

20世紀(jì)70年代初，美國化學(xué)家卡普拉斯便已經(jīng)針對(duì)基于量子理論的化學(xué)模擬方法開展了深入研究，開發(fā)出一套用量子物理方法模擬化學(xué)反應(yīng)的電腦程序，為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)了多尺度模型。

卡普拉斯的研究從視網(wǎng)膜開始。眼睛里視網(wǎng)膜的分子中存在一些自由電子，當(dāng)光照射到視網(wǎng)膜上時(shí)，這些自由電子就能夠獲得能量，改變分子的結(jié)構(gòu)，這也是人類形成視覺的初級(jí)階段?？ㄆ绽钩晒⒘艘暰W(wǎng)膜的電腦模型，他從更簡(jiǎn)單的類似的分子結(jié)構(gòu)起步，開發(fā)了一套電腦程序。

而在千里之外的以色列魏茨曼研究院，正在攻讀博士學(xué)位的瓦謝爾和攻讀碩士學(xué)位的萊維特也在進(jìn)行合作研究。這個(gè)研究院擁有一臺(tái)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，被稱為“格勒姆（Golem）”，那是取自猶太傳說中的一位有生命的泥人的名字。在“格勒姆”的幫助下，瓦謝爾和萊維特開發(fā)出一個(gè)突破性的計(jì)算機(jī)程序，此程序能夠模擬各種分子，包括多種生物大分子。

拿到博士學(xué)位后，瓦謝爾從以色列到美國做博士后研究，加入了卡普拉斯的哈佛團(tuán)隊(duì)，同時(shí)將自己的經(jīng)典理論程序也帶了過來。從那時(shí)開始，卡普拉斯與瓦謝爾開始合作開發(fā)一套新的程序，用于對(duì)化學(xué)反應(yīng)中不同的電子進(jìn)行分門別類的計(jì)算。

完成博士后研究之后，瓦謝爾找到在英國劍橋大學(xué)已經(jīng)完成博士學(xué)位的萊維特繼續(xù)合作，開始將量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)相結(jié)合的方法應(yīng)用于模擬酶的化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過不懈的努力，他們?cè)?976年成功實(shí)現(xiàn)了有關(guān)的算法，首次報(bào)道了酶反應(yīng)的計(jì)算模型。他們的程序是革命性的。因?yàn)樗麄兛梢杂眠@套程序來處理各種分子，分子的大小已不再是電腦模擬化學(xué)反應(yīng)的瓶頸問題。

現(xiàn)在，用電腦模擬化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)分支學(xué)科，名為“計(jì)算化學(xué)”。在20多年前，計(jì)算化學(xué)仍是一門只面向具有高度量子物理學(xué)與數(shù)值分析素養(yǎng)的人從事的研究，而且由于其龐大的計(jì)算量，絕大部分的計(jì)算工作需依靠昂貴的大型電腦主機(jī)或高階工作站來進(jìn)行。這種情況在20世紀(jì)90年代中期開始有了重大的改變。由于電腦的處理器以及外圍設(shè)備（如高速內(nèi)存及硬盤）的大幅進(jìn)步，電腦的運(yùn)算速度大大增加，使得電腦逐漸開始成為從事量子化學(xué)計(jì)算的一種經(jīng)濟(jì)而高效的工具。

計(jì)算化學(xué)改善生活

每年的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)大多數(shù)都會(huì)讓人覺得十分深?yuàn)W而遙遠(yuǎn)，不少人心中或許都有一個(gè)共同的疑問：這些成果是不是只是科學(xué)家的自娛自樂呢？這些成果對(duì)我們的日常生活究竟有多大幫助呢？其實(shí)，不少研究成果都在直接或間接地改善我們的生活。獲得2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的相關(guān)成果更是可以很直接地改善我們的生活。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在發(fā)表的聲明中說：對(duì)化學(xué)家來說，電腦是同試管一樣重要的工具，電腦對(duì)真實(shí)生命的模擬已為化學(xué)領(lǐng)域大部分研究成果的取得立下了“汗馬功勞”。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(cè)結(jié)果。

首先，計(jì)算化學(xué)可以幫助我們更好地理解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制。無論是高分子材料的研究，還是對(duì)生物體內(nèi)一些生化反應(yīng)原理的研究，都可以給我們帶來實(shí)惠。比如，研究高分子材料的合成過程，可以更好地了解反應(yīng)過程，可以對(duì)反應(yīng)過程中的那些原子基團(tuán)進(jìn)行控制，從而可以生產(chǎn)出性能多樣的“功能性材料”。又比如，研究健康細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞的過程，可以知曉是哪些生物大分子產(chǎn)生了什么樣的變異，以及這些變異所涉及的分子區(qū)域，可以開發(fā)出針對(duì)性較強(qiáng)的治療方法。

其次，計(jì)算化學(xué)可以為合成新物質(zhì)提供線索和指明方向。在電腦應(yīng)用到化學(xué)研究之前，化學(xué)家合成所需新物質(zhì)的方法是不斷嘗試，利用不同的物質(zhì)來多次的交叉嘗試，最終找到合適的原料。這樣的研究方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且浪費(fèi)原材料和實(shí)驗(yàn)室資源。有了電腦之后，化學(xué)家就可以先用電腦進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，排除那些明顯不可能的反應(yīng)路徑，找到幾條最有可能的路徑，這樣就大大縮短了合成新物質(zhì)所需要的時(shí)間，減少了人力物力的消耗。在電腦的幫助下，越來越多的人造化合物出現(xiàn)在我們的日常生活中。

另外，計(jì)算化學(xué)還能帶來一些新技術(shù)。比如，卡普拉斯基于分子的量子化學(xué)性質(zhì)建立了卡普拉斯方程式，然后科學(xué)家利用這個(gè)方程式開發(fā)出核磁共振技術(shù)。利用這種技術(shù)制造的核磁共振掃描儀不僅是一種重要的化學(xué)物質(zhì)分析儀器，而且還可以幫助我們發(fā)現(xiàn)包括惡性腫瘤在內(nèi)的多種病變。萊維特在一篇論文中提及他的夢(mèng)想：在分子的層面上模擬出一個(gè)完整的活生生的人體。如果他的這個(gè)夢(mèng)想能夠?qū)崿F(xiàn)，人體生理功能的分子機(jī)制在電腦中就可以一一展現(xiàn)出來。

用電腦開發(fā)新藥

在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的就是新藥的開發(fā)。從某種意義上來說，藥物學(xué)家就像是“選秀”娛樂節(jié)目的評(píng)委。他們首先根據(jù)化合物的元素組成、結(jié)構(gòu)等屬性，從數(shù)千萬種天然和人造化合物中“海選”出1萬多個(gè)可能有用的分子進(jìn)入第一輪評(píng)比。接著，他們把這些化合物的相關(guān)資料輸入到電腦中，讓電腦把那些不易成功提取或合成的成本過高的化合物淘汰掉。

在第二輪“比賽”中，再把那些并不太適合作為藥物（比如毒副作用較強(qiáng)）的化合物淘汰掉。這樣一輪輪地篩選下來，最終有幾十種化合物進(jìn)入“決賽”。藥物學(xué)家再次登場(chǎng)充當(dāng)評(píng)委，采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)這些化合物進(jìn)行“考評(píng)”。最終的“總冠軍”就是藥物學(xué)家要找的新藥有效成分。當(dāng)然，最終這個(gè)藥物能否成為藥店中的“明星”，就得看它的藥性究竟有多好了。

美國醫(yī)藥界的專家稱，目前研發(fā)一種新藥通常需要12～16年的時(shí)間，平均費(fèi)用高達(dá)7000萬美元。其他國家新藥研究所需要的時(shí)間和費(fèi)用也差不多。計(jì)算化學(xué)家表示，隨著電腦在藥物研發(fā)中的廣泛應(yīng)用，以及用于藥物研發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)不斷升級(jí)，未來新藥的品種將越來越多，研發(fā)周期也會(huì)越來越短，藥價(jià)自然也可以不斷降下來，人們的生命健康可得到更多的保障。