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观察的盲区 1947年夏，鲍林和爱娃开始踏上旅程，对英国和斯堪的纳维亚进行为期两个月的访问。他们这次访问欧洲，既是讲学，又带有度假的性质。有机会躲避一下国内日益恶化的政治气氛，他们感到非常高兴。这一次，两个人仍把孩子全部留在家里让阿莱塔照料。夫妇俩先到纽约，鲍林出席了在那里举行的量子力学基础理论会议。然后，两人搭乘横越人西洋的新式大型远程客机飞赴英国。虽然在英国仍然随处可见战时轰炸的残迹，物资供应也很短缺，但鲍林夫妇在伦敦的逗留却非常愉快。在那里，英国皇家学会吸收鲍林作为荣誉会员，剑桥大学也授予他荣誉博士学位。6月12日的整个下午，剑桥大学在学校金碧辉煌的理事会大厅举行学位授予仪式。鲍林身穿全套博士礼服，与前英国驻印度总督、葡萄牙大使和其他八位显要人物排成一行，在座无虚席的大厅里穿行而过。他们就座后，开始聆听校方发言人用拉丁语宣读赞美同，其中提到鲍林成功地“解开了……原于结构之谜”。这个十分隆重的学位授予仪式成了鲍林访英活动的一个高潮。 访问伦敦以后，鲍林夫妇来到了斯堪的纳维亚。他们出席了正在那里举行的科学大会，并在海边愉快地度过了一个长假。8月份，他们怀着满意和喜悦的心情，精神焕发地飞回加州。他们急于回国料理个人事务，以便赶在冬天再度一起去英国。鲍林应邀将在牛津大学作为期六个月的伊斯曼讲座的教授。 孩子们看到父母回家，欢呼雀跃，使他们尤为高兴的是，冬天他们将陪伴父母亲一起去英国，他们全家团聚的时间实在太少了。彼得在学校的学习一直不好；聪明、可爱又文静的琳达已经15岁，她想方设法取悦父亲，总害怕父亲不带她去英国；克莱林还只是一个10岁的小男孩，他对父母经常离家外出颇为不满。 小莱纳斯却生活得很不错。这年秋天，他突然宣布与安尼塔·奥赛订婚，使他的父母大吃一惊。奥赛是麦考密克①洛克菲勒②两人的曾（外）孙女，国内最大一笔私产的继承人。他们的爱情带有童话色彩——一方是德高望重的科学家的性格沉稳的儿子，另一方是美国财界首富的美丽可人的女儿，因此媒体广泛报道了他们订婚的消息。9月，两位新人在鲍林的梅德尔寓所的草坪上举行了简朴的婚礼。对鲍林来说，这又是一大喜事；他觉得，世界上的事情应该是这样安排的。为了实现自己的美国梦想，他辛苦劳碌了一生；而现在，就在这山坡豪宅绿绒绒的草坪上，在南加州金色的阳光下，一群富有而显赫的贵宾相互祝酒，这无疑向世人宣告：他成功了！ ①麦考密克（Cyrus McCormick，1809—1884），美国工业家，发明家，1831年发明收割机，因建厂生产收割机而致富，后组建世界最大的国际收割机公司（1902）。 ②洛克菲勒（John D·Rockefeller，1839－1937），美国洛克菲勒财团创始人，创办俄亥俄美孚石油公司（1870），将其改组成美国第一个托拉斯（1881），后任新泽西美孚石油公司董事长（1899—1911），捐款建立芝加哥大学（1892）及一些慈善机构。 12月下旬，鲍林、爱娃和除小莱纳斯以外的三个孩子乘火车到纽约，预定圣诞节的次日搭乘玛丽皇后号离开美国。他们下榻在市中心的曼哈顿旅馆。家人们在房间里相互交换圣诞礼物。往窗外望去，他们惊喜地发现天空下起了纷纷扬扬的大雪，这是鲍林一家首次度过的白色圣诞节。一家老小兴高采烈地跑到室外玩雪，连鲍林和爱娃也捏雪球抛向街边的路牌。 然而，第二天清晨一看可傻了眼：好事过了头！一夜暴风雪把整个城市掩埋在积雪之中，街上不见任何移动的车辆，而轮船在几小时内就要开航，鲍林急得像热锅上的蚂蚁。最后总算找到了出租车，司机表示愿意尽力把他们送到码头——当然车费是很高的，最后好不容易准时赶到了码头。 孩子们上船后乐疯了，他们还从来没有那么开心过。船长推迟了开船的时间，以等待被大雪耽误的乘客。在这段时间里，三个孩子从船头跑到船尾，怎么也看不够。连他们简朴的船舱——鲍林为了省钱只买了三等舱票——似乎也充满了新奇和乐趣。最后，汽笛一声长鸣，玛丽皇后号在鹅毛大雪中徐徐驶离码头。 轮船冲出风雪之后，整个航程都比较平稳，孩子们只是少许有点晕船。旅程中的一天，鲍林在顶层甲板上散步，与一个名叫查格夫的化学家不期而遇。此人是核酸研究方面的专家，他向鲍林介绍了他最近关于分子次级结构（一种类似于嘌呤和嘧啶的结构）的研究结果，并力图引起鲍林的兴趣。但是，鲍林正在度假，而且觉得这个家伙有点夸夸其谈，自我吹嘘，因此颇为反感，他打断了对方的讲话，匆匆跑回船舱。后来，鲍林回忆说：“我没有仔细听他的讲话。”鲍林那始终活跃的思维这次竟然面对新的信息毫无反应，随其流逝，这在他的一生中可算是绝无仅有的，而他以后将为此而遗憾。 鲍林带着家人到达英国后，花了一周时间把全家安置了下来。他们住在伦敦的一套公寓里，并为孩子办好报名手续，让他们到当地的私立学校念书。接着鲍林就开始了他后来称之为“一生中最愉快的岁月之一”。在牛津大学，他是一个典型的美国佬，清瘦颀长，精力充沛，聪明幽默。当他大步行走在建有古老拱门和雉堞的校园里时，他的黑色长袍和灰白色长发在身后飘荡。学生和教授们蜂拥而来听他讲课。“他有轰动效应。演讲厅里挤满了听讲的学生，迟来者只能站着听课，”一个有幸挤进演讲厅的学生后来回忆道，“我从来没有听到过这样精彩的讲课。他讲课时轻松自如，妙趣横生。他的欢愉的微笑，借助计算尺进行的运算，以及自然迸发的思想火花，给人留下了难忘的印象。” 到了晚上，鲍林一家不是应邀赴宴或参加聚会（邀请之多实在使他们应接不暇），就是去看演出、听演讲或欣赏音乐会。鲍林不断会见科学家、实业家、政治家以及市政要人，只要一谈到政治或科学问题，鲍林的谈话总能强烈地吸引住他们。于是各种各样的荣誉接踵而来，他被选为皇家学会的外籍会员，并被牛津大学、伦敦大学和剑桥大学同时授予博士学位——他被告知，他是到当时为止唯一一位得此殊荣的人。 英国化学学会请他到联合王国各地作巡回报告，包括在伦敦大学和剑桥大学的三次专门的系列讲座。他报告的内容主要集中在分子的互补性理论上。借助于一个标准的分子球棍模型，他的报告就更为生动活泼。他常对听众这么说：“看这里，假如原子真像这个直径2到3英寸的球那么大，那么按照这个比例，观察这个原子的人将有250000英里那么高，就是说，他的身长等于地球到月亮的距离。” 这个头顶碰到月亮的人后来成为鲍林报告时常用的一个形象比喻，他在各种不同的场合用这个比喻来说明有志于攻克大分子结构难题的科学家所面临的挑战。他让听众想象自己是身长250000英里的巨人，这样你看到的地球就像一只台球那么大。你可以看清地球上1000英尺宽的、比如像中央公园或洛克菲勒中心这一类建筑物；而如果使用一种新型的电子显微镜，你就可以看到帝国大厦——当然看不到大厦的内部结构，以及一个个细小的黑点——那是街上的汽车。你可使用半透明的薄膜和超速离心机测出汽车的大小。但往下就出现了一个测量能力的空档。更细小一点的可使用Ｘ射线晶体学或电于衍射的方法去测量，这种技术具有令人难以置信的精确度，以至可以确定汽车上的插销、铆钉和齿轮的形状，但不能分辨出比它们更大的东西。 于是，在观察能力方面出现了一个空档，一个处于电子显微镜分辨能力与Ｘ射线衍射分辨技术之间的观察的盲区。对这个身长为250000英里的人来说，这一盲区的存在意味着他确定不了大小为1英尺到10英尺之间东西的形状，包括作为中央公园和帝国大厦的建造者以及汽车、铆钉等物件的制造者的人的形状。回到正常的尺度来问同样的问题，你会发现这个“未知的黑暗区域”——如鲍林所称呼的那样——大致处于蛋白质和其他大分子的体积范围内。正是这个尚未探索的区域现在要求人们集中力量去研究。 1948年2月，鲍林应邀到皇家科学研究院作一次周五晚问讲座，这种讲座很正式，每月举行一次，原先由法拉第①于1825年创办，出席者均为英国科技界和社会各界的名流。早先人们是把科学当作艺术一样看待的，科学报告就像手工艺品一样供人欣赏；当时创办这个讲座就是要为伦敦的富人们提供一个欣赏科学研究最新成果的机会。但是后来它逐步演变成为重要的科学报告会，只有那些取得重大成果的人才有应邀作报告的资格——比如说，汤姆逊②在这里举行讲座时宣布发现了电子。一位经常听讲的人士回忆道：“听众都是对优秀报告具有高度艺术鉴赏力的行家。演讲者和听众都身穿正式的晚间礼服，报告过程严格按传统礼仪进行，充满了一种与报告重要性相称的气氛。” ①法拉第（Michacl Faraday，1791—1867），英国物理学家和化学家，发现电磁感应现象（1831），电能定律（1834）和磁与光的关系（1845），并研究气体的扩散和液化合金钢的性质等。 ②汤姆逊（Sir Joseph John Thomson，1856—1940），英国物理学家，曾任剑桥大学教授（1884—1918），三一学院院长（1918—1940），发现电子（1897）及同位素（1912），因气体导电研究获1906年诺贝尔物理学奖。 为了作好周五晚间的报告，鲍林仔细准备了所要求的恰好一小时的讲话内容。报告开始前是一次正式的晚宴。晚宴毕，鲍林被人带进电子化学之父、伟大的法拉第曾经待过的办公室。办公室布置得古色古香，保存完好。鲍林独自一人留在那里，为上台讲演最后清理一遍自己的思路。 一小时后，镇定自若的鲍林走进了装饰华丽的小礼堂。台下坐着的听众都是特邀而来的，男士一律系黑色领带，女士则一律穿毛皮大衣并佩戴珠宝首饰。鲍林回想了一下在俄勒冈农学院当学生时所学到的演讲术要点，深深吸了一口气，开始了下面的讲话： 当我注视一个生命机体——你们中的任何一个人或我自己——的时候， 我发现了许多现象。这些现象提出了一系列需要回答的问题……皮肤是什 么？指甲是什么？指甲是怎么生长的？我是怎么会有触觉的——神经的构 造是怎样的？它是如何工作的？我是如何看见东西的？我是怎样闻到气味 的，为什么苯和异辛烷的气味不一样？为什么糖是甜的，而醋是酸的？我 血液中的血红蛋白是怎样把肺中的氧输送到组织中去的？我身体里的酶又 是怎样将我吃进的食物分解、燃烧从而保持我的体温，并在我体内生成新 的组织的？为什么接触病人会使自己患上感冒和肺炎，而通过服用某种特 定抗血清或磺胺类药物又能使身体康复？为什么青霉素有这样神奇的治病 功效？为什么我对麻疹、百日咳。脊髓灰质炎、天花具备免疫性，而有些 人则不具备？最后还要问，为什么我的孩子长大成人后显示出我和他们的 母亲的特征——这些特征是如何传送给他们的？ 所有这些问题都不能从书本中找到现成的答案。虽然乔叟①这么说 ①乔叟（Geoffrey Chaucer，1340—1400），英国诗人，用伦敦方言创作，使其成为英国的文学语言，代表作《坎特伯雷故事集》反映14世纪英国社会各阶层的生活面貌，体现了人文主义思想。 过，“在这古老的土地上／年复一年地生长出新的谷物／而在这古老的经 典中／产生出人类学习的所有新科学，”但没隔多久，培根①纠正了他 ①培根（Francis Bacon，1561—1626），英国哲学家，英语语言大师，英国唯物主义和实验科学的创始人，反对经院哲学，提出知识就是力量，主要著作有《论科学的价值和发展》。 的说法：“书本要服从科学，而不是相反。” 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，但其基础除了依赖于薛定谔波动方程外，还依赖于鲍林的直观想象力。化学家在应用鲍林的理论时，并不需要懂得怎样叠加波函数。这种简化方法使鲍林理论在30年代和40年代早期越来越流行。特别在鲍林的专着《化学键的本质》正式出版后，情况更是如此。化学家应用鲍林方法意味着已经涉足于最新的物理理论，而实际上又根本用不到学习物理；他们不费吹灰之力就带上了应用量子物理的光环， 鲍林本人的能力，他的才智和人格，在推广价键理论的过程中发挥了决定性的也可说是最重要的作用。他是一个杰出的教师，是一个极富性格魅力的演说家。他能吸引人们信仰他的理论。受他本人或他的著作的影响，研究者纷纷转而接受他的方法。到了40年代，价键理论似乎已经征服了整个化学界。 马利肯根本无法与鲍林竞争。不仅是因为他的基本概念过于深奥而使很多化学家望而却步，也不仅是因为他把这些概念包装得过于生僻而使人难以读懂（他用希腊字母来表示分子轨道，还带着复杂的上标和下标），而且还因为他是一个蹩脚的信息传播者——太精确，太数学化，太多的严格性，以致使他的理论变得十分枯燥乏味。在芝加哥大学，他讲课的效果极差，使化学系的学生感到厌倦。他的深邃的洞察力被笼罩在艰涩阴沉的理论迷雾中，使人摸不着头脑。他的论文大多数发表在与物理有关的杂志上，是很难读懂的。 在许多年里，马利肯只能眼巴巴地看着那么多荣誉和奖励落到鲍林的头上。他看到，鲍林发表于30年代的一系列关于“化学键的本质”的论文被盛赞为革命性成果，而他自己于同一时期发表的14篇系列文章“多原子分子的电子结构与价”却无人问津。他看到，鲍林讲课时教室里人满为患，而学生们对他却避而远之。他看到，给鲍林的邀请和荣誉一个接一个，而他自己却只能呆在芝加哥大学做一个辛辛苦苦的教书匠。 使马利肯感到特别恼怒的是，鲍林蔑视他的理论。鲍林倒并不认为他的理论是错误的——斯莱特和鲍林早在1931年就肯定价键理论和分子轨道理论都是对波动方程的很好的近似，假如深入研究下去，将推导出同样的结论；而且鲍林本人在自己早期的几篇论文里还采用了分子轨道理论的有关概念——但是鲍林却坚持主张，他的价键理论对化学家更实用且更适合于教学。“有一种理论已经足够了，”鲍林写道，“分子轨道只能把学生搞糊涂。”在他1935年出版的《量子力学导论》一书中，他用了相当大的篇幅论述价键理论，而只写了一小段文字把分子轨道理论一带而过。在《化学键的本质》一书中，他对马利肯的理论更只是顺便提了一句。 而马利肯却发现，风行一时的鲍林价键理论正在起着破坏作用。“鲍林是个演员，”他说，“他千方百计把每样事情都讲得通俗简单，这使他的理论在化学家中倍受欢迎；殊不知这样做的结果是使人们放弃了对事物的深入理解……他教给化学家非常粗略的概念并使他们自我满足，从而阻碍他们去做出更好的结果。” 在整个30年代，鲍林利用自己出色的演技将价键理论推上了唯我独尊的地位。但是到了40年代后期，越来越多的化学家开始学习马利肯的理论。主要由于鲍林的工作，这时量子化学已经走出了初期的普及阶段，在名牌大学学习的化学系高年级学生希望学习量子力学基础和更多的数学知识，以便在未来的化学研究中取得更好的成果。新一代化学家学到的知识越多，他们就越不需要鲍林的简化方法。他们渴望掌握这一领域中更加定量化的、不依赖于直观的理论。他们在马利肯的分子轨道理论中找到了所需的东西。 有些事情真像风水轮回，成败难料。举例说，在30年代，对氢分子用分子轨道方法进行分析时，比用价键方法可得出更精确的键长，却只能得出较差的离解常数。但现在人们逐渐看清，经过改进的分子轨道方法是研究复杂分子的更加有效的工具。人们开始公开批评鲍林的价键理论的某些概念，比如电子负电能级的概念。有些批评者说，这一概念虽然在很多场合是一种实用的工具，但是它缺乏坚实的理论基础，用来处理矿物元素时更不可靠。他们还批评鲍林用共振体来解释分子性质的方法。在实践中，这种方法依赖于选取若干个恰当的初始结构——即所谓的正则结构——在它们之间形成共振，然后再恰当地权衡每个共振体的贡献得出最后的结果。一般来说，分子越大，包含的原子越多，那么解释分子性质所需要的正则结构的数量就越多。鲍林具有超常的化学直觉能力，常常能得到恰当的共振体，但其他化学家就得不出，鲍林的一个学生韦兰特（他曾成功地应用价键理论进行有机化学的研究）走得更远，他引入一种所谓的“受激态”结构——纯粹想象出来的在自然界不可能现实存在的结构——作为共振体的构件，使事情更加复杂化了。一些化学家认为，这种做法无异于鼓励人们胡思乱想，把各种怪东西都塞到正则混合体中去，价键理论的任意性太大了。越来越多的化学家产生了这样的感觉：鲍林和他的追随者为了解释某种分子的性质，可随时从他们的帽子里变出所需的共振混合体。 到1947年，甚至韦兰特也承认，尽管共振概念从总体上看对解释化学现象很有用，但确定正则结构的数值时，“带有很大的随意性，很不可靠……然而我并不认为这种方法是完全没有价值的。当严格的处理方式行不通而不得不采取近似方法时，那么你只能引进某种程度的随意性，这是为了取得进展唯一可行的方法，只要头脑清醒，不把所取得的结果看得太认真，你就不会有大的麻烦，并有可能获得某些研究成果。” 但是，到了战后时期，很多化学家急于把量子化学变成一门严格的定量化科学。对他们来说，价键方法已不再是一种好方法。正如马利肯所说，“当涉及到复杂分子时，价键方法要求有大量的共振结构，而对这些结构进行计算几乎是不可能的事。”在30年代，马利肯在英国找到了一小批人数虽少但影响颇大的志同道合的量子化学家。在莱纳德一琼斯（他是英国理论化学学会的首任主席）和朗盖一希金斯的领导下，英国的分子轨道理论研究者积极发展马利肯的理论并推广他的方法的应用范围。比如说，就在鲍林和马利肯在巴黎进行辩论之前不久，莱纳德一琼斯提出了一种简易方法，利用分子轨道理论解释键的方向性，从而克服了这种理论的一个重大缺陷。 到40年代后期，通过鲍林、马利肯和他们的追随者对量子化学的艰苦深入的研究，有两点变得越来越清晰：分子轨道理论和价键理论的核心内容在本质上是一致的；而分子轨道理论学派为分子的定量化研究提出了更简单、更有用的工具。潮流从价键理论转向了分子轨道理论。 在法国举行的这次辩论会上，马利肯被允许的发言时间跟鲍林得到的一样长，这个事实本身说明了他的分子轨道理论已经有了巨大的影响。一整大的报告虽然再次证实鲍林是一个更有吸引力的演讲者，但辩论的结果却清楚表明，在过去的十年里，除了对金属的价键研究取得一些新成果外，鲍林在价键理论方面并没有做多少重要的工作。他的注意力转向了其他方面。然而马利肯却坚持在分子轨道理论领域里耐心耕耘，不断完善有关方法，他的方法已经更加适应新一代化学家的需要。一天的辩论结束后，并没有什么立时显现的后果，也没有大批人员的阵营转移；但它证实了一种发展趋势，即在未来的十年里，量子化学家将更欢迎分子轨道理论。乌龟追上了兔子。 讨论会后，马利肯和他的妻子来到鲍林在巴黎下榻的公寓参加晚会。当鲍林在众多化学家和物理学家中间周旋应酬时，马利肯夫妇静静地坐在一边。晚会气氛欢快，说笑声此起彼伏，人们时不时借用化学键开善意的玩笑。此外还有马利肯至今记得的“无数瓶的香滨”。鲍林女儿琳达即兴表演了一段独舞。晚会一直延续到深夜。然而，马利肯却悄悄地先行退席，在睡觉之前，他还要抓紧时间做一点研究工作。 镰状细胞 鲍林5月份回到伦敦后，到剑桥作了三次报告，这使他有机会对布拉格的卡文迪什实验室作出第一手的评估。佩鲁茨十分乐意充当向导。他非常钦佩鲍林，认为鲍林是世界科学界的巨人。佩鲁茨记得，当自己还是一个穷学生时，曾向女友借钱买了一本用过的旧书《化学键的本质》。他说，这本书“把我早先读过的教科书中的化学知识从平面转换成了三维世界”。鲍林对佩鲁茨关于血红蛋白的研究成果印象深刻。他的研究表明，血红蛋白分子总体上呈椭圆形。更重要的是，它看起来像是一堆堆蛋白质圆柱体，每个柱体的直径为10埃到11埃，沿着分子长轴的方向排列。鲍林注意到这个结果也许与他几星期前在病床上用纸折出的螺旋结构的尺度相符合。 但是他没有把这个想法说出来。“我并没有（向佩鲁茨）提起这件事，”鲍林说，“我总觉得还有点问题——很可能某个可笑的错误逃过了我的注意。”佩鲁茨的血红蛋白Ｘ射线衍射图显示了5.1埃的反射，而这不可能存在于鲍林的螺旋模型中。用未经证实的猜测把水搅混是毫无意思的，也没有必要把新的设想公开出来，让卡文迪什研究小组更快地深入到蛋白质结构研究的最后细节中去。 事实上，鲍林为在卡文迪什实验室的所见所闻而暗自焦急。布拉格——他很体面地接待了鲍林但仍然拒绝谈专业——把他的实验室建设成了一个晶体研究的窗口，实验室装备了各种最新的设备，使用这些设备的是那些最有才干的研究者。与此相对照，鲍林在加州理工学院的装备就显得陈旧落后了。“他们的设备是我们的五倍之多，也就是说，他们可同时拍摄30张Ｘ光照片，”鲍林写信告诉他的助手休斯说，“我认为我们必需毫不拖延地扩充我们的Ｘ射线实验室。” 鲍林又一次显示了强烈的竞争意识，他感到又要与布拉格展开一轮竞赛，而这次是为了更大的奖项而竞争。他不无忧虑地看到布拉格研究小组有很大的获胜机会。“我担心我们会输给英国对手，”鲍林写信给科里这么说，并在信中描述了佩鲁茨等人关于蛋白质结构的研究成果，“他们已经开始触及问题的核心，并正在想方设法取得突破……我认为他们取得了十分惊人的进展。”作力对策，鲍林要求科里改变研究的策略。他看到英国人利用蛋白质消化酶把蛋白质大分子分裂成中型分子——由大约26个氨基酸分子串成，这样大小的分子更加适宜于作Ｘ射线分析；他因而要求科里做同样的事情。科里有很强的敬业精神，他回信这样答复：“我急不可待地希望立即投入蛋白质研究，我想跟英国人好好地比一比。” 在余下的那些日子里，鲍林一家在英国过得很愉快。琳达和彼得喜欢他们的学校，同时也喜欢结交新朋友；克莱林在伦敦德雷根小学的拉丁语测验中取得了第一名，使大家吃了一惊。鲍林继续在牛津讲学，直到春季结束。5月份，他得到了洛克菲勒基金会批准给他70万美元资助的好消息。这笔资助用于他和比德尔的宏大合作项目：用分子生物学的方法开展蛋白质结构和其他问题的研究。6月份，他和爱娃在牛津跟孩子们和其他朋友一起庆祝他俩结婚25周年。 7月份，鲍林在阿姆斯特丹一次大型科学会议上报告了自己关于金属结构的新设想。他在黑板上写满了数据，然后自己躲到黑板后面讲话，逗得与会者开怀大笑。一天鲍林走在阿姆斯特丹的大街上，看到一个妇女的外套被夹在电车的门缝里，人被电车拖着跑。他立即从后面追上去，一面扶起这个妇女，一面猛敲车门，直到售票员停下车子松开她为止。鲍林表现出的天不怕地不怕的莽撞脾气给朋友们留下了难忘的印象。鲍林全家接着到了瑞士，后来又再到法国过了两个星期。在此期间鲍林从巴黎大学又得到了一个荣誉学位。 到他准备返回加州理工学院的时候，鲍林脑子里已充满了新的设想。离开美国的这段时间，使鲍林有机会与欧洲最优秀的科学家进行交流并受到启发，也使他能静下心来仔细思考一些问题。用价键理论处理金属键的思路，关于蛋白质螺旋结构的设想，均使他感到满意；对于与马利肯的辩论，他自己的感觉也挺不错；他的脑了里充满着其他设想，却急需验证。他在给科里的信中这么说：“我觉得这次花这么长时间出国访问是非常值得的，这里的环境有利于我思考问题并找出解决问题的办法。” 他访问欧洲的成果在他回到帕萨迪纳以后开始表现出来了。在几个月时间里，他写出了一系列论文，这些论文总结了他的互补性理论以及他在巴黎报告过的金属结构新理论；进一步论述了抗体的作用，氢化铀的结构，纤维性硫的稳定性，双价氧的键能以及血红蛋白的结构，Ｘ射线对果绳的作用，等等。文章所涉及的主题从科普性的“今日世界与化学”到专业性非常强的“类胡萝卜素的顺、反异构性”，分别发表在法国、德国、英国和美国的杂志上。从1948年到1949年的两年内，他发表文章的总数达到创记录的30篇。 在这些数目众多的论文中，有一组文章特别引人注目。这组文章报告了鲍林领导下的研究镰状细胞贫血症病因的小组所取得的成果。 得到这个结果并不容易。鲍林的看法是，变异的镰状细胞血红蛋白之所以在脱氧后发生结晶现象，是由于细胞的结构发生了变化。然而在很长的时间内，从医学博士转过来研究化学的青年学者依泰诺（鲍林在1946年秋季指派他研究这个问题）却找不出正常人的血红蛋白与镰状细胞贫血症患者的血红蛋白在结构上的重要区别，它们有相同的细胞重量，给出相同的酸基滴定曲线。由于镰状细胞血的供源很难找到，因此他的研究进度就更缓慢了。所有的镰状细胞贫血症患者均为非洲裔美国人，他们大多住在美国南部，在加州难得有几个病例。开始时鲍林和依泰诺尝试与洛杉矶黑人社区的医生达成协议，取得少量的血样；后来有一阵他们劝诱病人直接来加州理工学院供血，付给他们少量酬金。最后鲍林在路易斯安那的图莱恩大学找到一个医生，他可获得大量的这类血液并能满足鲍林的全部研究所需。 一旦拥有充裕的血源，鲍林就让依泰诺观察不同的化学药品对镰状细胞血红蛋白的影响。依泰诺的研究证实，氧气在发生镰状形变的过程中发挥著作用，在一定幅度内减少含氧量会加速红细胞的镰状化。在这一发现的基础上，他们提出了一种快速诊断镰状细胞病的测试法，鲍林和依泰诺还联合写出了第一篇有关这个课题的论文。依泰诺还证实，血液中加入一氧化碳后（一氧化碳会与血红蛋白不可逆转地结合在一起，从而阻止氧气的进入），能够防止红细胞出现镰状弯曲。根据鲍林的推测，所在的变异似乎都局限在血红蛋白分子里。 这个结果说明了为什么正常的血红蛋白和镰状细胞血红蛋白看起来那么相像。原来能够探测到的两者之间的区别只是分子所带电荷的微小差别。依泰诺把血红蛋白分子分割开来，发现这种差别局限在分子的蛋白质部分，即珠蛋白部分，而不发生在含铁的血质部分。对一个很大的分子来说，这只是一个微小的变化。需要利用极为敏感的探索工具才能进行深入的研究。 为了加快研究的进程，鲍林在1947年秋季吸收了另一个博士后研究者加入该项目，他的名字叫辛格。辛格在大分子的物化研究方面比依泰诺更有经验，他还懂得怎样使用一种叫做泰氏仪的新型仪器。这种仪器是战前由瑞典化学家泰赛列斯发明的，它利用分子的电学性质把蛋白质从混合体中分离出来。人们知道，每个蛋白质分子的表面都携带着一组确定的电荷。泰赛列斯据此发明了一种仪器，蛋白质溶液放置在仪器的玻璃试管的中部，试管置于电场之中，一头为正极，另一头为负极。根据各种不同的因素，特别是按照蛋白质分子表面携带的不同的电荷组合，溶液中的蛋白质分子将以不同的方式和速度，被吸引到正极或负极上去。这是一种精巧、轻柔而又精确性很高的分高蛋白质混合液的方法，在分离过程中蛋白质分子不会受到任何损害。在大战期间泰氏仪还很少，而且在市场上买不到，鲍林请斯托特范特为加州理工学院专门制作了一台。 当鲍林在英国访问的时候，理工学院的泰氏仪已经安装就绪并可实际使用了。辛格和依泰诺试着利用它来分离镰状细胞和正常的血红蛋白，最后终于发现了两者之间的区别。镰状细胞血红蛋白分子比正常分子以更快的速度趋向电场的负极，看起来在正常的pH值下，镰状细胞分子带有3个额外的单位正电荷。这个结果明确显示了一个事实：镰状细胞贫血症患者血液中的血红蛋白分子与正常人血液中的同类分子有着重要的区别。鲍林原先的推测是正确的。 这个结果令人十分惊讶：仅一种分子所带的电荷发生细微变化，就可使健康人患上致命的疾病。在为这项研究所写的第一篇重要论文中，鲍林把这种奇异的特性醒目地写进了论文的标题：“镰状细胞贫血症，一种分子型疾病”，这篇论文于1949年秋季正式发表。尽管在此之前已有人用比较宽泛的语言从分子层面上论述过疾病的病因，但像鲍林研究组这样具体展示疾病的分子变异基础的，还是第一次。此后，辛格和依泰诺继续深入进行这一项研究。处于镰状细胞贫血症中间阶段的患者称为有“镰状细胞贫血性状”，比重症病人的症状要轻。依泰诺和辛格通过实验证实，这类病人的血液中含有正常血红蛋白和镰状细胞血红蛋白的混合体。对正常人、镰状细胞贫血性状患者和镰状细胞贫血症患者的家族关系进行分析的结果显示，这种病是按照孟德尔①式遗传的。遗传疾病的镰状细胞基因由两条等位基因组成，即有两个变异体，分别来自父母亲。镰状细胞贫血性状患者携带一条带病的等位基因。即一个变异体；而重症病人携带两条带病的等位基因。 ①孟德尔（Gregor Mendel，1822—1884），奥地利遗传学家，孟德尔学派创始人，原为天主教神父，发现遗传基因原理（1865），总结出分离定律和独立分配定律，奠定了遗传学的数学基础。 这样，鲍林研究组确定了疾病的根源在于某类特定分子的变异，并把这种变异与基因学说紧密联系了起来。他们的研究成果成为医学和分子生物学发展史上的里程碑。这一成果证实了鲍林的看法：弄清楚蛋白质分子所在的那个未知的黑暗区域的情况是十分重要的，这就吸引了整整一代医学科研人员从分子层面上来进行疾病的研究。这一成果有力地支持了鲍林关于医药研究必须建立在现代化学方法基础上的观点，展示了对遗传性疾病新的研究前景。他们的研究成果还开创了异常血红蛋白研究工作的新时期，这类研究此后延续了多年并取得了丰硕的成果。最后，他们的成果又一次提高了鲍林的地位，特别是他在医学界的地位。 ------------------ 亦凡公益图书馆扫校(shuku.net) |
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