【印聯(lián)傳媒網(wǎng)訊】據(jù)10月9日消息，2013諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)得主為：馬丁·卡普拉斯(Martin Karplus)，邁克爾·萊維特(Michael Levitt)和亞利耶·瓦謝爾(Arieh Warshel)，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)?ldquo;發(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型”方面所做的貢獻(xiàn)。

　　化學(xué)反應(yīng)極為迅速，在數(shù)百萬(wàn)分一秒間，電子已經(jīng)完成從一個(gè)原子核向另一個(gè)原子核的遷移。經(jīng)典化學(xué)已經(jīng)難以跟上這樣的步伐，要想借助實(shí)驗(yàn)方法去描繪化學(xué)過(guò)程中的每一個(gè)小步驟幾乎已經(jīng)是不可能的任務(wù)。今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)便是綜合了兩個(gè)不同領(lǐng)域方法的精華，設(shè)計(jì)出了基于經(jīng)典物理與量子物理學(xué)兩大領(lǐng)域的方法。

　　將實(shí)驗(yàn)帶入信息時(shí)代

　　化學(xué)反應(yīng)極為迅速，電子在原子核間迅速遷移，讓科學(xué)家們眼花繚亂。2013年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者們所做的工作，讓化學(xué)家們得以借助計(jì)算機(jī)的幫助揭示化學(xué)的神秘世界。這一進(jìn)展所帶來(lái)的對(duì)詳細(xì)化學(xué)過(guò)程的了解將幫助我們改善催化劑，藥物甚至太陽(yáng)能電池板方面的工藝。

　　現(xiàn)在，全世界的化學(xué)家們每天都在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣的場(chǎng)景之所以可能，正是得益于三名科學(xué)家：Martin Karplus, Michael Levitt 和Arieh Warshel在上世紀(jì)70年代開(kāi)始所做的工作。他們仔細(xì)審視復(fù)雜化學(xué)過(guò)程中的每一個(gè)小步驟，而這些細(xì)節(jié)通常是肉眼難以察覺(jué)的。

　　一張圖像勝過(guò)千言萬(wàn)語(yǔ)，但并非全部

　　為了便于普通讀者理解這項(xiàng)成就的意義，我們?cè)谶@里舉例說(shuō)明。假設(shè)現(xiàn)在你接到一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：創(chuàng)造人工光合作用。這種發(fā)生在植物綠葉之中的神奇化學(xué)反應(yīng)讓我們的大氣中充滿氧氣，而這是地球上的生命體賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。然而這對(duì)于環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看同樣具有重要意義——如果你能模擬光合作用機(jī)制，那么我們就將能制造出更加高效的太陽(yáng)能電池板。當(dāng)水分子被分解就會(huì)產(chǎn)生氧氣，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生出可以被用做能源的氫氣。因此開(kāi)展這方面的工作具有巨大的吸引力和價(jià)值。如果你能成功，你將能幫助世界對(duì)抗溫室效應(yīng)。

　　首先，你可能需要上網(wǎng)查找與光合作用有關(guān)的蛋白質(zhì)的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)，這在一些大型數(shù)據(jù)庫(kù)中便可以免費(fèi)獲得。在你的電腦上，你可以自由地從各個(gè)角度進(jìn)行查看。這些巨大的蛋白質(zhì)分子可能包含數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的原子。在其中存在一個(gè)很小的區(qū)域，稱(chēng)作反應(yīng)中心。正是在這里水分子被分解。

　　然而實(shí)際上僅有少部分的原子實(shí)際參與到了這項(xiàng)過(guò)程中。比如說(shuō)，你看到4個(gè)錳離子，一個(gè)鈣離子和數(shù)個(gè)氧原子。在你面前，你很清楚的看到這些原子和離子的相對(duì)位置，但你卻無(wú)從知曉它們各自在反應(yīng)中的作用。而這正是你需要搞清楚的地方。

　　這一過(guò)程的細(xì)節(jié)利用傳統(tǒng)的化學(xué)方法幾乎是不可能予以完整呈現(xiàn)的，在一瞬間可以發(fā)生許多事，而這一事實(shí)便已經(jīng)讓傳統(tǒng)的試管研究方法成為不可能。光憑電腦屏幕上顯示的圖像，你也很難去猜測(cè)其中具體的反應(yīng)過(guò)程，因?yàn)檫@些圖像是在蛋白質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)繪制的。而當(dāng)陽(yáng)光照射到綠葉上，這些蛋白質(zhì)就會(huì)充斥能量，其整個(gè)原子結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生改變。為了理解這一過(guò)程，你需要了解被注入能量之后蛋白質(zhì)的樣子。

　　而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)這就需要仰賴(lài)本年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主科學(xué)家們所奠基的一種計(jì)算機(jī)程序。

　　理論與實(shí)踐的相互促進(jìn)

　　借助軟件幫助，你可以模擬一個(gè)化學(xué)過(guò)程中各種可能的反應(yīng)路徑，這就是模擬或模型。這樣做將讓你得以了解在反應(yīng)不同階段不同原子所起的作用。

　　隨后，當(dāng)你找到了那些似乎可行的反應(yīng)路徑之后，你就可以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)來(lái)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(guò)來(lái)修正模型，提升其進(jìn)行模擬時(shí)的精確度。如此相互促進(jìn)，讓現(xiàn)在化學(xué)家們?cè)谠嚬芎陀?jì)算機(jī)前所花費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)幾乎相同。

　　那么，此次被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的這種計(jì)算機(jī)程序又究竟有著何種獨(dú)到之處呢?

　　牛頓的蘋(píng)果和薛定諤的貓

　　在此之前，當(dāng)科學(xué)家們需要在電腦上模擬分子，他們所擁有的軟件要么是基于經(jīng)典物理的，要么則是基于量子物理學(xué)的。

　　這兩種方法各自有著優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)典物理的強(qiáng)大之處在于其計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以擁有模擬非常大型的分子結(jié)構(gòu)，并向化學(xué)家們展示一個(gè)大型分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但是它也擁有明顯的劣勢(shì)，那就是它無(wú)法模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因?yàn)樵诜磻?yīng)過(guò)程中，分子是充滿能量而處于激活態(tài)的。經(jīng)典物理學(xué)方法無(wú)法理解這種狀態(tài)，這也是它最嚴(yán)重的缺陷。

　　因此為了表現(xiàn)這一部分，化學(xué)家們不得不求助于量子物理學(xué)。在這一理論中，電子具有兩態(tài)度=性，它既可以是粒子，也可以同時(shí)是波，就像薛定諤的貓，它可以同時(shí)處于活著和死亡的狀態(tài)。

　　量子物理學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于它是不偏不倚的，基于它所產(chǎn)生的模型不會(huì)帶有任何科學(xué)家們的先入之見(jiàn)。因此這樣的模擬將更加接近真實(shí)。然而量子物理學(xué)方法最大的局限性就在于它需要海量的計(jì)算。

　　在量子物理學(xué)方法中，計(jì)算機(jī)將需要處理分子內(nèi)部的每一個(gè)電子和每一個(gè)原子核。這就有點(diǎn)像是電子圖像的像素，像素增加當(dāng)然可以提升圖像的質(zhì)量，但是與此同時(shí)它也會(huì)大大增加電腦的運(yùn)算量。相似的，基于量子物理學(xué)的方法可以更真實(shí)地描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，但需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。而在上世紀(jì)70年代，這就意味著它只能被應(yīng)用于非常有限的小分子上。在考察反應(yīng)過(guò)程時(shí)科學(xué)家們也不得不忽略其周遭環(huán)境，盡管現(xiàn)實(shí)情況下的化學(xué)反應(yīng)往往都是在某種溶劑環(huán)境下發(fā)生的。然而如果科學(xué)家們將溶劑環(huán)境因素也考慮進(jìn)去的話，那么他們要想得到運(yùn)算結(jié)果可能就將需要等上數(shù)十年的時(shí)間了。

　　因此，經(jīng)典和量子化學(xué)是兩個(gè)完全不同的領(lǐng)域，在一些方面甚至是沖突的。然而2013年的諾獎(jiǎng)獲得者成功地在這兩者之間打開(kāi)了一扇門(mén)，將牛頓和他的蘋(píng)果，與薛定諤與他的貓相互結(jié)合在了一起。

　　量子化學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)合

　　這一聯(lián)姻的最初一步在1970年代，Martin Karplus位于美國(guó)哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中邁出了。Karplus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(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序可以利用量子物理原理來(lái)模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。他還提出了“Karplus方程”，該方程的原理后來(lái)被應(yīng)用到了核磁共振技術(shù)之中，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(lái)的方法。

　　1970年，在完成博士學(xué)位之后，以色列的Arieh Warshel抵達(dá)了Karplus在美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室。Warshel原先在以色列的魏茨曼科學(xué)研究所進(jìn)行博士階段的研究工作。這一研究所擁有一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“Golem”，這是猶太人民間傳說(shuō)中一種生物的名字。在Golem的幫助下，Arieh Warshel 和 Michael Levitt發(fā)展了一套革命性的計(jì)算機(jī)程序，其基于經(jīng)典理論，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有分子的模擬，甚至是那些巨大的生物分子。

　　當(dāng)Arieh Warshel加入Martin Karplus在哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，他也帶來(lái)了他的計(jì)算機(jī)程序。就從此時(shí)開(kāi)始，他和Karplus開(kāi)始共同開(kāi)發(fā)一種新型程序，其可以對(duì)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(gè)電子都圍繞一個(gè)原子核運(yùn)行，但在有些分子中，部分電子可以在幾個(gè)原子核之間自由運(yùn)行。比方說(shuō)，視網(wǎng)膜分子結(jié)構(gòu)中就存在這種自由電子。Karplus長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)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(guò)程，并會(huì)造成生物學(xué)效應(yīng);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(lèi)視覺(jué)的最初步驟。

　　最后，Karplus 和 Warshel成功地建立了視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)模型。然而他們一開(kāi)始建立的模型是被大大簡(jiǎn)化了的。他們發(fā)展了一套計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)其處理自由電子時(shí)會(huì)采用量子物理算法，而當(dāng)處理其他電子和原子核時(shí)則采用更加簡(jiǎn)單的經(jīng)典方法。1972年，他們公布了這項(xiàng)最新的方法，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(duì)稱(chēng)的。

　　計(jì)算生命化學(xué)的通用程序

　　經(jīng)過(guò)在哈佛大學(xué)為期兩年的深造，瓦謝爾與萊維特重新會(huì)合。而萊維特已在劍橋大學(xué)完成博士培訓(xùn)，主要研究生物分子學(xué)，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等。他使用了經(jīng)典的計(jì)算機(jī)程序來(lái)更好地了解生物分子究竟是什么樣子的。但其局限性不可否認(rèn)，只能研究靜止?fàn)顟B(tài)下的分子。

　　瓦謝爾與萊維特的志向很遠(yuǎn)大。他們希望開(kāi)發(fā)出一款程序，可用來(lái)研究酶類(lèi)，以及主導(dǎo)和簡(jiǎn)化鮮活有機(jī)體化學(xué)過(guò)程的蛋白質(zhì)。在學(xué)生時(shí)代，瓦謝爾就曾關(guān)注過(guò)酶類(lèi)的功能。也正是酶類(lèi)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(lèi)。

　　為模擬酶類(lèi)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，這可能需要幾年的時(shí)間來(lái)解決各種問(wèn)題。于是，他們?cè)谖捍穆茖W(xué)研究所(Weizmann insitute)著手研究。但幾年后萊維特完成博士后培訓(xùn)后，他回到了劍橋。后來(lái)，瓦謝爾與萊維特在劍橋會(huì)合。1976年，他們實(shí)現(xiàn)了自己的目標(biāo)，發(fā)表了全球首個(gè)酶類(lèi)反應(yīng)計(jì)算機(jī)模型。自此，在模擬化學(xué)反應(yīng)時(shí)，規(guī)模已不再是問(wèn)題。

　　專(zhuān)注于核心原子

　　當(dāng)前化學(xué)家在模擬化學(xué)過(guò)程時(shí)，他們會(huì)應(yīng)用到所需的一切裝備。他們會(huì)對(duì)直接影響化學(xué)過(guò)程的每一個(gè)電子和原子核進(jìn)行破費(fèi)周折的量子物理計(jì)算。這樣，他們才可能獲得最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而分子的其他部分則使用經(jīng)典的方程式進(jìn)行模擬。

　　為了不浪費(fèi)計(jì)算資源，萊維特和瓦謝爾已經(jīng)對(duì)工作量進(jìn)行了進(jìn)一步削減。計(jì)算機(jī)無(wú)需再對(duì)每一個(gè)單一的原子進(jìn)行計(jì)算，尤其是那些無(wú)關(guān)緊要的部分。他們已經(jīng)證明，在計(jì)算過(guò)程中，完全可以將幾個(gè)原子進(jìn)行合并處理。

　　模擬的深遠(yuǎn)意義需由未來(lái)決定

　　當(dāng)前科學(xué)家們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，這有利于我們更深入地了解整個(gè)化學(xué)過(guò)程。卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾所發(fā)明的多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來(lái)研究各種各樣的化學(xué)過(guò)程，從生命分子到工業(yè)化學(xué)過(guò)程等。科學(xué)家們還可以以此優(yōu)化太陽(yáng)能電池、機(jī)動(dòng)車(chē)的燃料，甚至要藥品等。

　　其研究進(jìn)展還不僅如此，萊維特還曾在一份刊物中談到其夢(mèng)想：在分子層面上模擬鮮活有機(jī)體，這是一個(gè)頗具吸引力的想法。今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主所開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)足夠強(qiáng)大，但究竟能在多大程度上豐富我們的知識(shí)還需時(shí)間來(lái)決定。

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