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20世纪的科学怪杰鲍林 作者: 托马斯·哈格 8 生命科学 一大笔钱 约翰·洛克菲勒碰到了麻烦。他巨大的俄亥俄莱马油田产出的原油含有大量的硫，闻起来就像臭鸡蛋。大家称之为臭鼬汁，没有人购买。他的炼油厂不能去除这一种臭味，因此，面对成万桶毫无价值的原油，洛克菲勒束手无策。 一群在他印第安纳工厂的化学工程师请他出资以便寻找一种去除异味的方法，洛克菲勒拒绝了，因为他不想再将钱扔到水里去。但是，有几个工程师继续在业余时间钻研这一问题，并在1913年成功地找到了一种“裂化”石油的方法。这一新工艺不但去除了恶臭，而且使汽油的产量翻了一番。目睹这一成果，洛克菲勒茅塞顿开，几乎在一夜之间，他成了科学的坚决支持者。 这位工业大亨在晚年常常思考该如何来支配多年积聚起来的巨大财富。在他的亲自过问下，他建立的数额庞大的慈善基金有很大一部分投向了科学的目标和方法。洛克菲勒是一个基督徒，然而更是一个实用主义者，他并不希望把自己的钱施舍给那些有困难的人；他希望找到问题的根源，并消灭这些根源。他希望自己的投资能够改善人类的生活，而科学无疑是当代最有效的途径。 20年代，在由哲学教授转变为科学倡导者的威克立夫·罗兹的管理下，洛克菲勒慈善基金开始对纯科学进行大规模的资助。罗兹最大的一笔赞助是投给加州理工学院海耳的帕洛马山天文台的望远镜，而这不过是20年代洛克菲勒基金投给这所学校许多笔巨款之一。罗兹喜欢一下子投一大笔钱，而他之所以偏爱加州理工学院是因为他相信——与多数科学家的观点相同——最好的研究成果是由少数几个精英院校的顶尖科学家完成的，而且科学家本人比基金管理者更清楚该如何来开销这笔钱。罗兹的方法是确定基础研究最有价值的中心，提供一大笔附加条件极少的资金，并允许科学家自己去决定该如何处置这笔钱。需要分发的钱很多。到1932年，光是洛克菲勒慈善基金为美国科学研究提供的资金就达到本世纪初对科学的所有捐助额的六倍。科学史专家丹尼尔·凯弗里斯形容说，罗兹成了“科学界的中央银行”，而且他最爱说的一句话“让山巅更高些”也成了基金会非正式的座右铭。 在洛克菲勒和卡内基的慷慨资助以及私人捐款的推动下，私立科学中心，如加州理工学院、麻省理工学院、哥伦比亚大学、哈佛大学和约翰·霍普金斯大学，在20年代迅速壮大——更不用说洛克菲勒一手扶植起来的学校，如芝加哥大学以及纽约市的洛克菲勒医学研究院。不仅新建了大批基础设施、教学楼和实验室，学科的力量和影响也大大提高。在第一次世界大战期间，政府、企业和科学界三者之间结成的联盟——表现为海耳和密立根的全国科学研究委员会——在20年代得到了进一步的巩固，形成了一个由学术权威和社会名流组成的科学“集团”：大学教授，商人，政府官员，慈善基金管理人和有钱的理事会，以及国家科学院院长和美国科学发展协会会长。他们在学术会议上互相交流，在彼此的俱乐部中共进晚餐，向对方提出建议，彼此提供资金，互相提名担任更重要的职务，并共同规划了两次世界大战期间的科学进程。 这一体制对加州理工学院非常有利。例如，海耳、诺伊斯和密立根都是国家科学研究委员会的组织者，同时也是国家科学院中颇具影响力的人物。当卡内基基金会——该会基金资助了海耳的威尔逊天文台——在1919年寻找新的主席时，海耳和诺伊斯确保他们共同的朋友和前国家科学研究委员会主席约翰·C·麦利安能获得提名。正如诺伊斯向海耳指出的那样，“这样安排的话，你。我、他三个人就可以基本上左右卡内基基金会的政策。”在麦利安当选后，诺伊斯不费吹灰之力就获得了卡内基基金的赞助：在20年代用于各种化学研究项目的20万美金——占到化学系一年总开销的三分之一。其中一部分钱资助了鲍林的早期科学研究。 毫不奇怪，当时担任《科学》杂志编辑的詹姆斯·卡泰尔尖刻地把这种错综复杂的联系比喻成天文学中计算涉及几个天体时的行星运动所碰到的难题。“科学研究委员会属于国家科学院，或者是国家科学院属于科学研究委员会，或者两者都是帕萨迪纳的卫星，这是一个涉及三个天体的复杂问题。……卡内基公司、洛克菲勒基金会和国家科学研究委员会则是另一个涉及三个天体的问题。” 到了20年代末，从私人慈善基金那里获得的资助成了加州理工学院一项至关重要的收入——占总资产的百分之二十——其中很大一部分来自洛克菲勒基金。 诺伊斯从卡内基基金获得了很多钱来资助他的物理化学项目，现在他把目光转向洛克菲勒基金，希望通过它来扩充有机化学系。有机化学是加州理工学院的一个弱项。诺伊斯在系里唯一的有机化学家是特洛普时代的一个遗老，名叫霍华德·卢卡斯，诺伊斯认为他不够杰出。在诺伊斯看来，有机化学——对碳化物这种生命分子的研究——是一块基石，由此可以通向他心仪已久的其他领域：生物化学和医学研究。诺伊斯相信，这将是他这个科学分支的重大进步，在这一交叉学科中，化学可以促成生物学的革命，就像在他的帮助下，物理曾经促成了化学的革命一样。早在1922年，他就批准了一个在加州理工学院试制胰岛素的项目，并在随后的几年中，用卡内基提供的资金扩大了这一项目；他甚至想在理工学院内创建一个以研究为导向的医学院。 不过，第一步必须是有机化学。他需要寻找一个新人，一个具有国际声誉的科学新星，这样才可能以他为核心建立一支研究队伍。他开始寻找资助来实现这一计划。在90年代中期，诺伊斯说服洛克菲勒基金提供了一大笔赞助，包括雇佣一个新的有机化学家的费用，但是他找不到合适的人选。有机化学是欧洲，特别是德国的专长，在美国很难找到一流的学者，詹姆斯·布赖恩特·科南特是美国有机化学领域的第一人，但是1927年他在加州理工学院考察了两个月后，接受了哈佛大学的提议。接着诺伊斯的健康开始恶化，分散了精力。1930年，这一职位仍旧空缺，而洛克菲勒基金又给了加州理工学院一大笔赞助：20万美金，并保证会有更多的资金用于自然科学的发展，包括为盖茨实验室再盖一个新的有机化学楼。 诺伊斯把目光投向了鲍林。在鲍林将共振思想运用到苯分子结构的时候，诺伊斯就问过他能否考虑把自己的头衔变成有机化学教授。对诺伊斯而言，益处是显而易见的：在他的新楼里可以有一位大家公认的天才，一位具有建立一个新系所需凝聚力的科学家。但是鲍林很快就拒绝了。鲍林喜欢思考生物学问题——诺伊斯鼓励系里的教师参加生物系的研讨会，鲍林和遗传学家摩尔根小组中的年轻人混得很熟，甚至还翻译了一篇德文的遗传学论文，并且对此发表了自己的见解——不过，鲍林主要的兴趣仍然围绕着晶体结构和化学键。他相信自己的量子化学的结构法是所有化学的基础，包括有机化学和无机化学。被提升为正教授时，鲍林坚持把自己的正式头衔从物理化学教授变成了更为通用的化学教授。变回到有机化学将是一个退步。他不希望被归到某一类。 名称并不重要，重要的是鲍林实际做了些什么。诺伊斯认为鲍林在化学键上的工作是化学学科上最重大的进步，有机化学也不例外。只有鲍林有能力来推动一个科研项目。不管怎样，鲍林的小组将占据新大楼的中心位置。不过如果他的研究能够稍稍偏向生物学课题的话，将很有好处。 鲍林是个聪明人，他能够看准风向。1932年2月，鲍林同时向洛克菲勒基金会和卡内基基金会提出了申请，要求在五年时间里，每年得到一万五千美元的经费支持“对无机物和有机物结构的系列研究，包括理论和实验工作”。他要求资助的许多工作涉及到Ｘ射线晶体学和电子衍射的课题，但是他同时也描述了自己对有机分子日益增长的兴趣——出于对苯分子结构研究的成功。“我可望解决简单的有机晶体和分子的波函数，”他写道，并运用半经验的方式来“确立一整套原子半径和结构的原则，以便有把握地对原子排列，包括原子间的距离、任何分子的一般电子状态和其相对于其他分子的稳定性，作出预测。这些知识对生物化学也将是至关重要的，可以进而确定蛋白质的结构，确定血红蛋白和其他复杂的有机物的结构。” 韦弗 鲍林的提议——特别是关于蛋白质的论述——5；起了沃伦·韦弗的注意。刚好在两个月之前，洛克菲勒基金会雇佣了韦弗来分发其对自然科学的赞助款。 作为科学家，韦弗是二流的角色，但是他结交朋友的本领是一流的。他有一个好友是马克思·梅森，他在威斯康星大学读书时的电气力学教授，后来成为洛克菲勒基金会主席。另一位就是密立根。在芝加哥大学教授物理时，密立根对韦弗留下了极好的印象，以至当他去加州理工学院上任时，提出给韦弗一个教职。韦弗作为资历较浅的教授在帕萨迪纳度过了三年愉快的光阴，然后在1920年梅森又请他回威斯康星大学教书；韦弗走的时候，密立根拒绝接受他的辞呈，说他应该永远将自己当作一个加州理工学院的教师。 但是韦弗不精于实验室工作。他说：“我缺乏一个杰出的科研人员所需的那种奇妙的创造力火花，我从未曾有过一流的独创的思想。”因此，就像许多在实验台前失意的科学家那样，他转向教学和行政工作。他与形形色色的人建立了良好的关系，不久就扶摇直上，成了威斯康星大学数学系主任。 他安定了下来，似乎将在威斯康星度过漫长的岁月。突然，1932年初，梅森打电话给他，这次是到洛克菲勒基金会纽约办公室。梅森解释说，威克立夫·罗兹走了，他的慷慨的资助方式也结束了；大萧条使情况发生了改变，现在洛克菲勒基金会的那些理事们希望在捐出大笔金钱之前先清楚地了解一下这笔钱的具体用途。现在的趋势是，将数额较小的赞助分拨给由某一位科学家领导的具体的研究项目。理事们希望看到成果。当然这意味着基金管理人更严格地对项目进行监督，并能够眼光准确地从众多参与角逐的科学家之中挑出胜利者来。梅森相信韦弗的判断力。他对韦弗解释说，这就是他希望韦弗掌管自然科学部的原因。 韦弗吃惊得说不出一句话。这一工作的前景让他感到目眩和神往。在38岁时，这位脾气好，长着一张聪明面孔的实验失败者和中层学术经理人被请来执掌世界上最重要的科学赞助机构。他将拥有开辟新的研究领域的权力，成全或毁灭一个人的学术生涯，分配数百万美元的经费，甚至改变科学历史的进程。 他迫不及待地接受了这份工作。 韦弗本人的独创思想可能很少，但是他善于发现别人的思想。他特别热衷于一种新的生物学。尽管他本人没有受过这方面的教育，但是他相信那里正孕育着一场科学革命，将诞生一种能够大大改善人类生活的新方法。和诺伊斯一样，他相信更为“成功”的自然科学——数学、物理和化学——其方法如果能应用到生物学上，将促成这一学科的一场革命。他把这称为“物理科学对生物科学的友好入侵”。 在谈及自己30年代早期的思想时，他甚至不用“生物学”这个词，先是称之为“生命的过程”，然后在1936年发明了一个恰当的名称：分子生物学。他对洛克菲勒基金的理事们说，这将改变我们对生命世界的看法。旧生物学关注的是整个有机体，而分子生物学关注的是单个细胞中的未知世界、新陈代谢的过程与单个蛋白质的结构。定量的测量将支持定性的观察。运用从化学和物理学中得到的普遍的自然规律，生物学将从野外走进实验室。在此，新一代科学家将运用令人匪夷所思的强大的实验设备，如Ｘ射线晶体学仪器、超高速离心器和日益强大的显微镜，来发现生命的本源。 韦弗并不是唯一抱有这种热情的人。20年代末，H·G·威尔斯和胡里安·赫胥黎出版了一本畅销书《生命科学》，通俗地概述了这一领域的科学，代表了一小批抱有同样观点的英国和美国科学家的思潮。不久，他们写道，“以超越我们想象能力的理论和实践知识武装起来的生物科学”，将可能“最终左右人类的发展”。科学家将“直接对遗传物质动手术，使未来的优生学成为可能的现实”。那时，人类将改良任何一个物种，包括人自身，就像改良小麦和玉米的品种一样。 韦弗将这一思想又向前推进了一步。他对洛克菲勒基金的理事们说，基于实验室的对生物学和心理学的研究工作，将揭示导致暴力、郁闷、失常和性问题的分子结构，从而帮助“人们使自己的行为理性化”。他说，从现在开始，洛克菲勒基金应致力于使用最有力的新兴科学技能来揭开人类身体和大脑的神秘面纱。理事们大多是保守派，他们被能发现社会动荡的根本因素这一思想打动了。他们全权委托韦弗执行他的这一名为“人的科学”的计划。从那以后，洛克菲勒基金不再赞助那些与生命科学没有直接联系的数学、物理和化学。 韦弗深知，新计划的成功取决于找到那些能够把各自的技能应用到新领域中去的化学家和物理学家。鲍林在化学上的能力是有目共睹的，近来又开始对生物化学问题发生了兴趣，是一个合适的人选。作为洛克菲勒基金自然科学部主任，韦弗上任后的第一批事情之一就是拨给鲍林两年各两万美金——足够鲍林支付五个博士后和一个专职助手的薪水，还有些余钱可以用来购买仪器、试管、晶体、胶卷、变压器和其他一些必需的专门设备。这甚至超过了鲍林因大萧条而损失的研究经费，同时也标志着两人长期互利合作关系的开始。 就加州理工学院而言，洛克菲勒基金有所侧重的资助方案有利也有弊。新的安排意味着天文学、地质学和数学、物理、化学领域多数的研究项目——与生物学和心理学无关的学科，将失去获得资金的机会。照韦弗的说法，一分钱也拿不到。甚至密立根也不能说服基金会来赞助他的宇宙射线的研究。但是，摩尔根的遗传学研究将获得洛克菲勒的慷慨资助，鲍林的研究同样如此。 在加入洛克菲勒基金会不久，韦弗就访问了加州理工学院，并留下了良好的印象。诺伊斯精心安排他参观了盖茨实验楼，并向他介绍有机化学发展的长期规划——他聪明地称其为生物有机化学——和自己的人才储备，特别提到了鲍林。那天晚上，韦弗在日记中写道：“诺伊斯对我说，即使整个化学系就剩下鲍林一个人，它仍将是世界上最重要的化学系之一。他希望我不要将这句话认为是普通的加利福尼亚式的恭维。” 韦弗一见到鲍林，就开始相信诺伊斯的话可能是正确的。在加州理工学院其他的化学实验室里，只有一两个研究生一声不响地在完成教授指派的任务，而鲍林在天体物理学大楼里的实验室则充满了生机。屋子里有九个博士后与五个研究生，济济一堂，彼此热烈地进行着讨论。在这里，各种思想自由公开地交流，有点像路易斯的伯克利实验室。原始思想被潦草地涂在黑板上，引起激烈的争论和笑声。韦弗觉得这里有点像具有欧洲风格的理论化学中心——学院内的学院，而鲍林掌管着一切。在结束对加州理工学院的访问之后，韦弗对鲍林的评价是“具有一流的思考能力，惊人的分析能力，并拥有与实验科学保持紧密和卓有成效的联系的天才。……哈佛大学、麻省理工学院、密歇根大学竞相高薪礼聘，他几乎被公认为是世界理论化学的领袖。” 唯一的缺陷是鲍林不研究生命科学——至少尚没有开始。在访问中，韦弗宣扬他的分子生物学方法，强调洛克菲勒基金对生物分子结构的兴趣要大大高于对硫化物的兴趣。他俩在鲍林的办公室进行了一次长谈，他怂恿鲍林运用其结构化学的思想来揭开生命之谜。 但是这一信息似乎并没有在鲍林身上产生效果。几个月后，当韦弗在1933年10月第二次来加州理工学院访问时，鲍林最初两年的经费快要用完了。在1932年至1933年有鲍林名字的二十多篇论文中，只有苯的那篇和另外两三篇有关小的碳基分子的文章是关于有机化学的，分子生物学的论文几乎一篇也没有。所有其他的论文都是关于鲍林感兴趣的无机晶体或是一般的量子理论问题。鲍林知道韦弗另有所图，所以特地为自己的赞助人准备了一份六页纸的报告，向他解释自己是如何开销洛克菲勒基金的，以及自己未来的打算。他说，自己当前的科研重点是解决有机分子的结构，然后还投其所好地特意向韦弗提到，将来他将研究叶绿素和血红蛋白。这些暗示和承诺还不能令韦弗满意。他喜欢鲍林，认为他前途似锦，但是他得让基金会理事们接受鲍林的观点。他坦率地告诉鲍林说，普通有机化学的结构工作不可能得到金钱；只有那些直接与生物学相关的工作才可能得到资助。 鲍林洗耳恭听。当他在1933年正式申请延长三年的赞助时，他在报告中以显著的位置提到了生物分子。韦弗认为他应该获得赞助，但是由于鲍林几乎没有什么与生物学有关的研究成果，韦弗发现很难让理事会下决心。最后，他把鲍林比作路易·巴斯德，后者在19世纪50年代对化学结构的抽象兴趣最终导致了生物学和医学的重大发现。即使这样，理事会也只批准将赞助延长一年。韦弗心平气和地向鲍林通报了这一消息，告诉他经济状况使长期的资助变得“不明智”，并重申了洛克菲勒基金会的期望：“如果你的研究工作能够直接涉及叶绿素、血红蛋白和其他具有生物学重要意义的物质，那么你的申请将得到优先的考虑。” 生物学是有趣的，但是鲍林并没有打算围绕它来丰富自己的学术生涯。他的有机化学基础有限，而且这辈子他没有上过一堂生物课。他自信有能力解决几乎任何问题，但是转向生物学将使自己脱离成功的领域，进入一个具有不同预期值的陌生地方，并由另一群科学家来对他的成功作出判断。这将冒很大的风险。另外，他觉得只要再有一点时间和金钱，他很快就能发现决定硫化矿物结构的一般规律。1934年初，他要求美国潘若士基金地质学会资助他的这项研究。 他被拒绝了，这令鲍林感到意外，觉得这是对自己的研究计划和人格的双重打击。他突然意识到洛克菲勒基金的重要性。鲍林用洛克菲勒基金会的赞助扩建了自己的实验室，而且用这笔钱招募的助手、博士后和研究生促使他养成了一种新的工作风格。首先由他提出新的思想或需要解决的问题，叫学生进行实验，然后帮助他们分析结果并合写论文。这一方式使他走出了实验室，专心于书房，进行他最擅长的理论思维；这扩大了他的研究领域，使他能够对自己感兴趣的课题同时进行思考。他在1934年发表的论文都是合作的，一般的合作者的工资或是使用的实验设备都是洛克菲勒基金提供的。大萧条还远没有结束，也不可能从其他渠道获得大笔资金。 鲍林追逐着金钱。他写道：“显然，除非我对与生物学有关的化学发生兴趣，我很难继续得到洛克菲勒基金的资助。”他放弃了一部分矿物学的研究工作，把重点转向生物分子。他后来无奈地说：“上述这段经历说明，赞助机构可以影响科学的进程。” 血液 鲍林在有机化学和生物分子研究方面起步也许是晚了一些，但是一旦开始，他就以他一贯的精力和想象力全力以赴地投入了工作。在理论方面，他和自己的学生韦兰德将他们的共振思想运用到了重要的有机物质结构上，如有机酸中的羧基和不含芳烃的原子团。劳伦斯·布罗克威的电子衍射仪已经开始运转，一系列关于有机小分子结构的论文开始出现，其中一篇描述的是血红蛋白的一个亚层结构。 血红蛋白是实验室研究的理想对象，这有以下几个原因。首先最重要的，它是肌体中最重要的一类分子。毛发、角质和羽毛，皮肤、肌肉和腱，都是蛋白质，神经和血液的最主要的部分也同样是蛋白质。人们还无法解释的能够催化某些反应的酶是蛋白质；抗体和染色体——携带遗传密码且由蛋白质和核酸纠结而成的物质——的大部分也是蛋白质。蛋白质参与每一种反应，而且是肌体任何一个器官的重要组成部分。人们认为，生命的秘密可以在蛋白质中找到。 在30年代早期，没有人知道蛋白质的特性，甚至不知道蛋白质看上去是怎么样的。然而，蛋白质是推动生命过程的引擎；那些冷冰冰的化学物质正是在这些分子层次上变成了活动的、会呼吸的有机体。发现韦弗所称的“巨大的蛋白质问题”的秘密将是生命科学计划的最重要的一项内容。 然而，如果从实际出发，研究蛋白质是一场恶梦。早期的资料显示，它们是巨大的分子，有时候包括几十万个原子——比鲍林解决过的任何分子结构都要复杂得多。它们很难提纯，而且很易变质。只要用酸或碱稍稍进行加热或者处理，就足以改变一个蛋白质的自然形状并使它丧失活性——就是人们所说的“变性”。如同打蛋的经验显示，稍稍用一把叉子搅拌一个蛋清，有时就足以使它变性。 血红蛋白至少还不至于这样脆弱。从牛或羊的血液里可以容易地得到大量纯净的血红蛋白。它更大的优势是会结晶，这意味着它具有一种规则的、重复的结构。一种物质只要能够结晶，那么至少就有可能通过Ｘ射线衍射来分析它的结构。 血红蛋白还可以被分解开来，一段一段地进行研究。它是一种与别的非蛋白质结合的蛋白质，在此是与一种称为卟啉的环状分子结合在一起。卟啉又与一个铁原子结合在一起，铁原子又与氧结合在一起，这样，血红蛋白就能把氧带到全身各处。当鲍林在1929年访问哈佛时，科南特就向他介绍了一些自己有关卟啉的研究工作，引起了鲍林的兴趣。卟啉之所以引起人们的兴趣，首先是由于它奇特的形状——由许多小环组成的一个大环——然而更重要的是，它存在于大自然的每一个角落，在植物的叶绿素中和氧结合，在许多动物的血红蛋白中也是它与氧结合。卟啉似乎在分子层次上代表了具有生命普遍意义的分子生物学思想：哪里有生命，哪里就有卟啉，它在不同的有机体中扮演了相似的角色。 卟啉由四个串成环的吡咯组成。吡咯是一个由单键或双键交替键合的原子环，称为“蛋白质与非蛋白质结合”的结构。鲍林在化学键本质的一篇论文中曾经对这一结构的化学性质作过讨论。要研究血红蛋白，吡咯是一个自然的起点。从这里开始，鲍林可以逐级研究更为复杂的结构：四个吡咯结合在一起组成一个卟啉环；一个卟啉环加上一个铁原子组成一个血色素；每个血色素和一个球状蛋白质组成一个血红蛋白单位；四个血红蛋白组成一个血红蛋白分子。最终的构造大得令人难以想象：一个包含上万个原子的球体。鲍林很快作出结论，这一构造十分复杂，无法直接用Ｘ射线晶体学进行研究，尽管一些受洛克菲勒基金资助的乐观的英国研究人员正打算这样去做。也许他可以把血红蛋白分子分解成其组成部分，弄清楚每一个亚层结构，然后把它们再装配起来。 鲍林开始阅读能够找到的所有关于血红蛋白的资料，包括一篇深入探讨分子是如何与氧结合的论文。这里有一个谜。研究人员发现，氧与血红蛋白中的四个血色素结合时，它们似乎并非各自为政。结合了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易结合，而失去了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易失去。血色素之间似乎进行着某种形式的交流。这可以用来解释血红蛋白是如何在肺中搭载氧，又是如何在身体的其他部分卸载氧的，然而分子间的交流难以用化学理论来解释。 不过，在经过几个星期的思索之后，鲍林想出了一种高明的办法。他设计了一个能够描述前人收集的关于氧原子结合数据的公式，然后对四个血色素之间的各种空间关系进行了数学分析，最后得出了一种符合结合曲线的方向。他说，四个血色素最有可能的方向是在一个平面正方形的四个角上。后来证明他的观点是错误的，但是当他在1935年首次提出这一观点时，引起了血色素研究者中绝大多数医学研究人员和生物化学家的热烈讨论。在这一领域中，他们从未看见过这样的研究方法。显然，一个具有新思路的新天才出现了。 鲍林发表了自己的观点，向韦弗表明他对待新的研究计划是认真严肃的。但是，他在血红蛋白分子其他研究上的进展并不顺利。他试图将新的Ｘ射线技巧运用到卟啉上去，但很快就发现这种方法十分复杂，难以在短期内见效。鲍林放弃了努力，告诉韦弗他不是那种能花两年时间来对一种化合物进行详尽的晶体分析的化学家。解决血红蛋白结构的问题最终耗费了20年时间，无数次研磨，无数次Ｘ射线照射，并将最终为别人赢得诺贝尔奖。 鲍林一年的洛克菲勒基金就要到期了，所以他再次申请经费进行更基础的研究工作。对于非生物学的研究工作，韦弗难以保证任何洛克菲勒基金的资助，但是他有一个好主意。他建议鲍林利用潜在的洛克菲勒基金的资助作跳板，争取让密立根拿出五千美元左右来进行基础性研究。自己学校的支持加上鲍林近来在血红蛋白研究上的进展可能会说服洛克菲勒基金会的理事们把赞助延长到三年。鲍林听取了韦弗的建议，并添加了自己的一个威胁：如果密立根不答应的话，他就会接受另一所大学的提议。他得到了每年的五千美元。鲍林发电报告诉韦弗这个好消息；韦弗很快回信说，理事会已投票批准将他每年一万美金的资助再延长三年。 在三年时间里，韦弗和鲍林从赞助者和受赞助者发展成了同谋和朋友。 资金来源稳定之后，鲍林就可以自由地尝试用别的方法来研究血红蛋白，并满足一下自己在别的领域的兴趣。1935年，他和自己以前的一位学生，现在的博士后布莱特·威尔逊在经过三年的努力之后，将鲍林波动力学的备课笔记编成了一本教材：《量子力学入门及在化学上的应用》。尽管在出版后头几年的销量并不是非常可观的——量子力学还没有被化学家们接受为必修课程——这本书将具有深远的影响。在30年时间里，这本教材一版再版，使一代又一代的学生了解了新物理学的重要性。 同样在1935年，鲍林在突发的灵感驱动下发表了一篇关于“不规则排列”问题的论文——这一关于水分子的理论解释了冰在绝对零度时的余摘问题。这是一项纯理论的研究，可以追溯到他跟随托尔曼学习的日子。30年后，先进的计算机对这些公式进行了彻底的验算，证明鲍林的理论是正确的。如今这一称为“质子不规则排列”的理论，按照这一领域的一位学生的说法，“是美国对现代水的晶体学的最大贡献。” 然而这些研究只是一些岔道：血红蛋白才是目的地。 鲍林开始发现，生物学几乎和化学同样有趣。在1935年夏天的大部分时间里，鲍林在加州理工学院位于科罗那得马的海洋生物研究所里，从帽贝中提取血蓝素，一种与血红蛋白有亲缘关系的物质，并和阿尔伯特·泰勒，一位加州理工学院的青年生物学教授成了朋友。泰勒正试图找出海胆自体不育的机制。这一研究工作进一步激发了鲍林的兴趣，为什么生命能够识别自己和别人，为什么分子与自身和别人的反应不同。也许这里存在着某种化学联系。鲍林一直在寻找新的思想，把这个问题也归人了大脑。 鲍林回到帕萨迪纳后，想出了研究血红蛋白的新方法——考察其在磁场中的运动。鲍林的推理过程为，当氧和血红蛋白中的铁原子结合时，也许是以一种共价的形式——反应将是特定和相当强烈的——这意味着至少它的一个孤电子将成对，而且其顺磁性——具有一个或更多的孤电子的分子的一种特性——将下降。如果他能够测出顺磁性的变化，他就有可能回答氧是如何与血红蛋白结合的问题。 为了进行其他的研究工作，他先前从海耳的私人实验室里借过一大块水冷式磁铁。1935年秋天，他请查尔斯·科耶尔，一位刚出炉的，精力旺盛、干劲十足的加州理工学院博士来进行这项工作。他们设计的实验相当简单：一个装有牛血的小玻璃试管被悬挂在磁铁的两极中，一头用一根线栓在一个敏感的天平上。当磁铁的电源被接通后，顺磁性物质将被吸引至一个方向；天平能够测出磁性变化的程度。 在测试了含氧血、缺氧血以及各种控制手段后，他们发现鲍林的预测是正确的：结合的氧失去的孤电子参与了与铁原子结成的共价键。这就迈出了重要的～步，证明氧并非如一些研究者认为的那样，不分青红皂白地吸附在铁原子上。但是鲍林和科耶尔也发现了血红蛋白分子一些令人惊异的行为。他们的实验显示，血红蛋白中的铁原子在和氧结合的时候，也发生了根本性的变化，它与卟啉的化学键从离子键变成了共价键。鲍林写道：“在增加了氧原子后，血红蛋白分子结构会发生如此极端的变化，令人又惊又喜。如此紧密联系在一起的物质的化学键类型会如此不同，这种现象至今为止只在血红蛋白衍生物中发现过。” 鲍林和科耶尔在1936年发表的这篇论文进一步提高了鲍林的知名度。他们想出了一种巧妙的办法来解决一个古老的问题，并表明物理化学家在生物化学领域同样能够作出有价值的工作。他逐渐被原先专业领域外的科学家所知晓。他进入了一个新的领域，并很快开始征服它。 毛发和兽角 到现在为止，鲍林的工作都是围绕分子的血红素进行的，然而与此同时，鲍林努力思考着分子的其他部分——珠蛋白部分，即蛋白质部分。蛋白质化学还是一个庞大而又支离破碎的领域，鲍林用他惯常的方式开始自学，一面广泛地阅读科学文献，一面寻找着合适的切入点，以便用自己擅长的化学知识来提供深刻的见解。他发现蛋白质是由称为氨基酸的材料构成的。氨基酸的种类相对较少，20种左右，但都具有关键的相同点：每一个氨基酸都具有由三个原子组成的骨架，碳—碳—氮。碳的一头是羧基的一部分，氮的一头是氨基的一部分。各种氨基酸唯一的区别在于与中间碳原子相连的支链。伟大的德国有机化学家埃米尔·费歇尔在20世纪就证明，氨基酸可以通过头尾相连，即把羧基和氨基相连而构成较长的链，费歇尔把这一共价键称为肽键。他将构成的较长的分子称为多肽。到了30年代，尽管并不是每一个人都认为所有蛋白质都包含多肽链，但至少有一部分蛋白质是包含多肽链的。 鲍林觉得费歇尔的理论很合理，他开始用这个理论去认识蛋白质，将其视作由肽键联结的氨基酸所构成的长链。但是如何用这一长链的构造来解释蛋白质的多样性，如何解释蛋白质在肌体中令人眼花缭乱的功能呢？所有蛋白质都是由多肽链的不同排列构成的呢，还是存在着别的基本结构？ 和以前一样，结构仍然是鲍林研究的重点。他相信，蛋白质的构造方式决定了它的活性。然而要发现它们的构造却几乎不可能。直接用电子衍射或Ｘ射线晶体衍射难以解决蛋白质复杂的构造问题。例如，瑞典科学家西奥多·斯韦德贝里刚刚证明，血红蛋白是一个庞然大物，包含数十万个原子。其他的蛋白质也差不多大小。 不过，仍然有一些实验室试图通过Ｘ射线来获得对蛋白质结构的初步认识。最著名的两个实验室都在英国。在利兹，威廉·阿斯特伯里正在调查羊毛和其他纤维蛋白质，如毛发、角质、羽毛和肌肉纤维的分子结构。他的研究成果——出乎许多科学家的意外——清楚地显示出这些蛋白质具有一种规则的重复结构，一种晶体结构。 阿斯特伯里认为，他能够解释羊毛为什么可以被拉长而不会断裂，为什么又能缩回到原来的长度。羊毛同兽角、指甲和人的头发一样，统称为角蛋白。到了30年代初，阿斯特伯里也确信，角蛋白是由环状的多肽链组成的长链。他将其称为“分子毛线”。他的Ｘ射线照片显示，当羊毛被拉长时，分子发生了变化。尽管照片很模糊，他难以确定单个原子的位置，但是仍然可以从中推断出，角蛋白被拉伸时——他称其为乙型——多肽环被拉长了，而未被拉伸时的形态，或甲型的多肽环则是折叠在一起的。他的测量还表明，折叠发生在两个方向上，而不是三个方向上——就像在桌面上将甲型中的多肽环折叠成锯齿形状。进一步的研究显示，肌肉纤维具有同样的基本形状。 这是一项重大的进步，对蛋白质的特性作出了分子上的解释。 阿斯特伯里认为，也许这些分子的折叠同样能够用来解释肌肉和染色体的收缩。他开始将角蛋白视为“所有蛋白质的祖父”，这一基本结构也许可以解释所有其他蛋白质的运动。 但是，他有些高兴得太早了。Ｘ射线衍射还不足以用来解决羊毛角蛋白中多肽链的结构，因为每一根链中包含上万个原子。无法精确地了解角蛋白的构造，而且将其固定的力量仍然是一个不解之谜。尚无法证明角蛋白是由多肽链组成的——阿斯特伯里的研究工作只是表明有这种可能性。 鲍林对阿斯特伯里的工作进行了仔细的研究。 阿斯特伯里关注的是角蛋白这类纤维蛋白质，而另一组英国科学家关注的是球蛋白的分子结构。这类蛋白质在体液中会溶解，如血红蛋白、抗体和酶。这里主要的问题是获取良好的晶体。球蛋白并非不能结晶——比如科学家们长期以来就知道，血红蛋白在干燥后会结晶——但是在进行Ｘ射线衍射时，它们只能形成一片模糊的图像。这使一些蛋白质化学家推测，球蛋白没有内部结构，只不过是氨基酸随意的聚合，而肌体真正的活性组织——非蛋白质分子，如维生素和荷尔蒙——是自由定位的。 直到1934年，剑桥大学晶体学家约翰·伯纳尔证明了另一种理论。伯纳尔发现，球蛋白就像水母：需要借助液体环境来保持原来的结构，失水后，结构就会遭到破坏。伯纳尔将其悬浮在液体中进行Ｘ射线衍射，得到了一些实用的图形。到了30年代末期，以他为中心的一个小组致力于揭开球蛋白结构之谜。他和同事们——其中包括多萝西·霍奇金和在维也纳受过培训的青年化学家马克思·佩鲁茨——对一些球蛋白进行了提纯、结晶和Ｘ射线衍射分析：胰岛素、血红蛋白和糜蛋白酶。这是在极端艰苦的环境中取得的巨大成就。在佩鲁茨的记忆中，剑桥实验室是“在一幢破旧灰色大楼底层的几间灯光昏暗的脏屋子”，但是怕纳尔成功地将其变成了“神话中的城堡”。他们发现，他们研究的所有球蛋白都具有规则的结构，而且无一例外地异常复杂——当鲍林看见在剑桥实验室中拍摄的照片时，他的第一个反应是，如果直接用Ｘ射线分析这类蛋白质结构是可行的话，那也至少要花费几十年的时间。阿斯特伯里和伯纳尔的研究工作引起了越来越多的人的注意，其中也包括韦弗。他在30年代中期开始资助他们的工作。在洛克菲勒基金的支持下，三个中心开始围绕蛋白质精确的结构展开联合科研活动。前两个中心分别由阿斯特伯里和伯纳尔领导。两人都是物理学家，都认为只有通过不厌其烦的、直接的Ｘ射线衍射分析才能揭开整个蛋白质的结构之谜。第三个中心在帕萨迪纳，由鲍林领导。他寻求以理论的形式，在对结构化学的深刻认识基础上寻找一条捷径。在1935年，三个中心的不同之处在于，英国科学家从其Ｘ射线工作中得到了许多实际数据，而鲍林还没有发表过一篇关于蛋白质结构的论文。 氢键 鲍林很快意识到，要对这些奇怪的巨大蛋白质分子作实验，一定需要借助外界的帮助。 洛克菲勒医学研究所的一个研究小组正好具备鲍林缺乏的这种专长。两位洛克菲勒科学家，阿尔弗雷德·莫斯基和莫蒂默·安森最近所作的实验表明，在某些情况下变性可以被逆转；例如，血红蛋白在受热后会改变形状并丧失携氧的能力，然而如果被小心地冷却，至少一部分分子会恢复原来的形状和特性。结构和功能的这一联系令鲍林眼睛一亮，但是洛克菲勒小组的实验技能更让他心动。鲍林在1935年春天到纽约拜访了莫斯基，两人一见如故。鲍林直截了当地请莫斯基到加州理工学院工作几年，令莫斯基又喜又惊。他结结巴巴地说，这是一个不坏的主意，但是过于突然，所长西蒙·弗莱克斯纳不会答应的。鲍林说，他觉得所长可能会同意。他找到了所长办公室，说服秘书立即安排他和所长会面。他不仅要求弗莱克斯纳同意放莫斯基，还要求洛克菲勒医学研究所支付一切费用。弗莱克斯纳是洛克菲勒基金理事会成员，从韦弗那里对鲍林早有耳闻。他对这位青年科学家的坦率感到好笑，同时对他将化学技巧运用到生物学上感到十分有趣，最终答应了鲍林的要求。 莫斯基在夏天刚开始的时候来到了帕萨迪纳，马上开始对蛋清、肌肉和其他蛋白质的变性过程做了一系列的实验。鲍林让莫斯基负责实验室工作，同时彼此探讨变性的化学含义——弄清楚这一过程对蛋白质的结构造成了哪些实际的影响。莫斯基和安森收集的实验数据表明，变性过程可以分为两个层次，这让鲍林产生了浓厚的兴趣。第一个层次由相对较弱的热量和酸引起，往往是可逆的。而第二个层次，由较高的温度，较强烈的化学环境或是与破坏蛋白质的酶发生的反应所引起，通常是不可逆转的。根据这些数据，鲍林很快地用化学键理论作出了自己的解释。两个层次的变性意味着有两种类型的化学键，第一类涉及到相对较弱的化学键，很容易被打破或重建；第二类涉及到较强的化学键，难以打破，也难以重建。鲍林对打破第二类较强的化学键所需的能量进行了测定，数据表明这一类化学键为共价键；这反过来也验证了蛋白质是由氨基酸与共价的肽键结合而成的长链的观点。第二层的变性基本上将蛋白质撕裂成了碎片。 鲍林对较弱的化学键的研究更富有成果。他很快意识到，打破第一类化学键所需要的能量符合他所知的称为氢键的奇怪的化学键类型。在1935年的时候，鲍林是全美为数不多的理解并认识到氢键重要性的科学家之一。这一理论认为，氢在某种情形下，可以不形成一般的共价键或离子键，为两个原子所共有，在两者之间形成一座桥梁。鲍林认识到这一理论可以运用到他的化学键构想中：一方面，氢原子要靠近一个电负性很强的原子——比如说氧原子，或是氟原子——氢原子的孤电子被吸向这一原子，电荷集中在两个原子之间的区域中，在这一边形成一个小的负电荷。结果，在氢的另一边电子出现的机会较少，形成了一个小的正电荷，这样就与附近带负电的原子或分子形成了静电键——氢键。鲍林早在1928年就撰文讨论过氢键的概念，在1934年自己的共振理论中也融入了这一理论，并在1935年关于冰的摘值的论文中集中运用了这一理论。 现在莫斯基的变性实验使鲍林进一步确信，氢键是蛋白质结构中一个重要的成分。1935年秋天，他们两人根据鲍林的思路初步提出了一种新理论。他们写道：“我们对一个自然的蛋白质分子（表现出一定的特性）的认识如下。分子包含一个多肽链，在整个分子中连续不断（或者在某些情形下，包含两条或更多的多肽链）；这一多肽链被折叠为由氢键键合的唯一的结构。……”换句话说，所有蛋白质都包含氨基酸环，以及可能以阿斯特伯里认为的原始蛋白质角蛋白形式存在的多肽链。强肽键使整个链成为一个整体，但是各部分之间较弱的氢键折叠之后使整个链成为其最终的形状。这最终的形状对蛋白质的功能是至关重要的；分子除非保持这一形状，不然难以完成其功能。稍微受热之后，氢键断裂，整个链条伸长，并像针线盒中松散的纱线那样纠结在一起。然而，只要整个链还是一个整体，在合适的条件下，氢键能够重建，蛋白质也能恢复原先的形状和活性。较强的处理将使链本身断裂，打破肽键，并不可逆转地使蛋白质变性。 1936年7月，这篇名为“论自然、变性和凝结的蛋白质结构”的论文发表在《国家科学院学报》上，很快就被公认为是本领域中一项重要的进展。鲍林对化学键的认识一举对蛋白质变性和蛋白质活性的纷繁复杂的观察数据提出了一个统一的解释。韦弗大喜过望：尽管鲍林的思想最终被接受尚要假以时日，但是他向解决韦弗的“巨大的蛋白质问题”迈进了一大步。 然而，当论文在1936年6月1日到达《国家科学院学报》编辑部后的两天，鲍林的生活经历了一场巨变，原因与蛋白质没有丝毫的联系。 ------------------ 亦凡公益图书馆扫校(shuku.net) |
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