20世纪的科学怪杰鲍林-第28部分

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种机制提供了钥匙。
　　鲍林认识到，他研究抗体的主要成果是显示了分子结构与生物特异性之间的关系。兰德施泰纳在1943年逝世前，曾要求鲍林为他新版的免疫学专着撰写一章关于特异性的化学基础的内容。鲍林把这一章起名为“分子结构和分子作用力”，其中简明地总结了他关于蛋白质分子能够辨认和联结特定的目标分子的机理，为希望了解有关理论的读者提供了入门性介绍。鲍林强调指出，分子形状是决定一切的。精确的、互补的、丝丝入扣的形状使分子紧密啮合在一起，并通过累积起来的弱键作用联结成整体。而化学反应，正如大多数化学家所认为的那样，都是通过分子间的特定反应而形成强力的共价键或离子键，因此与弱键机制是完全不同的。
　　发表于1945年的这一章内容，不仅首次阐明了现代结构化学和免疫学之间的关系，而且还首次雄辩地证明了一个事实：在分子层次上发生的大多数甚至是全部的生物现象均可通过创造性地应用公认的化学原理而得到解释。由于这部分内容发表于免疫学的专着中，因此在化学界没有引起多少反响，然而对战后那些读过这本书的青年生物学家和免疫学家却产生了巨大的影响。例如，后来的诺贝尔奖得主。免疫学家乔舒亚·莱德布格认为，这章内容是鲍林所写的最重要的论着之一，对于那些缺乏经验的分子生物学家来说，这是一本帮助他们弄清大量复杂问题的指导书。
　　把免疫特异性归结为分子能够取精确的互补性形态的思想，既符合鲍林和德尔布吕克在1940年发表的论文中提出的理论，又符合鲍林和莫斯基关于蛋白质结构的设想：蛋白质是由氢键联结起来的有着精确形状的链状分子。然而，这个思想的适用范围已远远超出了免疫学。
　　1944年，薛定谔（他当时生活在都柏林）出版了一本小册子，书名为《生命是什么？》。由于作者被公认为波动方程之父，故此书出版后立即备受关注。然而这是一本怪书。薛定谔欲把自己富有创见的想象力以一种略带诗意的方式推广到解决重大的生物学问题。在鲍林看来，全书充满了模糊不清的推理。薛定谔在书中提出一个长期以来难以解答的悻论：为什么在趋于最大熵的宇宙中，那些有条不紊的生命系统却能存在并繁殖？他认为不能用经典的物理定律来解释生命现象。于是他提出了一个叫做“负嫡”的新概念。有机物以某种方式从这种尚未发现的物质中吸取能量后，就能抵御瓦解的趋势。在此理论框架内，薛定谔提出基因应是一种能自我复制的“非周期性晶体”。尽管理论本身含糊不清，但这本书在战后时期对年轻的物理学家产生了巨大影响，他们中许多人由此转向了生物学，投身于活体细胞的细胞质研究，期望从中发现新的物理定律。
　　鲍林认为这本书是“猪食”。没有任何人能证明这种所谓的“负嫡”的存在。基因决不是薛定谔声称的那种“非周期性晶体”，而极可能是蛋白质链，这种结构能够以若干种不同的形式稳定地存在于机体内。鲍林在评论《生命是什么？》这本小册子时说：“薛定谔的热力学讨论非常模糊和肤浅，即使作为通俗读物也是有误导作用的。无论是过去还是现在我都认为，薛定谔对我们正确理解生命现象没有任何贡献。”
　　鲍林对生命的本质有着他自己的更易为大众接受的解释。“薛定谔认为有生命的物质工作的方式不能用普通的物理定律来解释，有机体内部原子相互作用的方式不同于无生命物质内部的作用方式，”鲍林在给朋友的信中写道，“我并不认为这样的差别会真的被发现出来。”在鲍林看来，生命可以归结为“拥有一些具体的特征并可把这些特征遗传给自己产生的后裔”，生命过程只不过是一种分子的特异性，完全可用化学原理把它解释清楚。
　　在薛定谔热衷于负熵的梦想时，鲍林却从果酱中受到了鼓舞。在厨房里孩子丢弃的一只果酱瓶的外壁上，他看到了分子互补性理论的实实在在的证据。残留在瓶里的果酱经过几天之后，周围出现了少量酒石酸氢钾的小晶体，这是葡萄酱的一种组成成分。这一难解之谜的焦点是，酒石酸氢钾的分子怎么知道从果酱千千万万颗分子中分离出来，然后仅仅跟同类分子聚集在一起，自行组成次序井然、纯度极高的晶格？按照鲍林的观点，毫无疑问这是分子的互补性结构在起作用。一种化学元素的少量分子堆集在一起将发挥晶种的作用，在晶种的表面存在很多空隙，留待新的分子去充填。但是只有同种分子才能紧密地嵌人。酒石酸氢钾的分子排列起来而形成的空隙只能由同类的分子去充填，其他元素的分子不是太大和形状不对，就是太小，以至飘移不定，难以长时间作稳定停留。按照热力学理论，应该存在如纯晶体这样的分子排列最为紧密的结构，而不大可能是分子随机排列的结果。无需借助新的自然规律，完美的晶体就能从葡萄酱中生成。这也是地面上、岩洞中和海洋里各种晶体生成的方式，其生成条件比生命机体内的条件要平常得多。既然如此，在生命机体内高温和奇特的化学环境里，为什么不能发生不同寻常的化学反应呢？
　　鲍林相信：“我们远远没有达到平衡态，因此在不违反热力学定律的情况下，那些看来很不可能的反应也可能发生。这类反应往往依赖于品种或模板的存在，它们决定着反应的方向。我们在无生命的世界里已经看到了这样的例子，其反应机制与生命机体内的反应机制是相同的，这就是丝丝入扣的分子互补性。”
　　鲍林认识到，没有必要补充新的定律，他看到了一个伟大的新理论体系的雏形：将他关于无机晶体学的理论和观点推广到整个生物学中去，利用现代物理化学相结合而产生的那些概念和理论，可以把整个宇宙统一起来。鲍林认为：“我们可以这样说，生命过程从无生命过程借用了同样的基本机制，这就是用来生成晶体这种奇妙结构的机制，”这个化学大一统理论适用于从矿物到人体的各种对象，精妙绝伦。鲍林坚信，他正走在正确的轨道上；他的直觉告诉他自己没有错。
　　1945年以后，分子生物学对鲍林的重要性和吸引力已不亚于晶体结构和化学键理论，他把过去投入其他领域并使他取得突出成就的聪明才智和干劲带进了这个新的学科。他花费大量时间，广泛阅读内容涉及生物化学、生理学、遗传学和酶学的各种杂志，还读一点细菌学和微生物学。他寻找突破口，即那些能够应用结构化学理论来回答生物学问题的最易于突破的领域。
　　最初选择的目标是酶。许多重要的生化反应似乎都发生在条件极差的环境里，其反应速度难以用普通化学定律来解释。人们认为这是由于酶的中介作用促成的。酶是一类可作为生物催化剂的蛋白分子，它能在保持自身不变的情况下加快反应进程。大多数化学反应的进程可以比拟为火车翻越山坡，首先注入一定量的能——活性能——用来激活初始反应物到达山顶，这时反应物已吸收了足够的能量发生化合或分解，或者产生其他各种变化，然后反应生成物沿着能量曲线的下降方向下滑到一种新的稳定态。催化剂的作用好比降低山坡的高度，即减少引发化学反应所需的活化能量。山坡越低，化学反应就开始得越快。当然，作用是两方面的；较低的山坡也使得反应生成物更易发生逆向反应重新组成初始反应物。总效应依赖于双方的相对浓度：如果反应物多于生成物，催化剂将推动反应向一个方向进行，形成更多的生成物，直至双方的浓度达到相等为止。在生物体内，通过加速形成生成物或者消耗生成物，酶化学反应将沿着正确的方向进行下去。
　　酶还具有高度的特异性，每一种酶仅能对一对反应物和生成物发挥作用。以消化液中的胰蛋白酶为例，它的作用是催化将蛋白质链分割成小段的过程。然而，它在链上的作用点是精确定位的：仅仅在两种特殊的氨基酸连接处发生作用，而决不会在别处。对鲍林来说，这种特异性很易理解：酶与抗体一样，其形状只与目标分子相匹配，也就是说，酶具有一种互补性结构。那么，与什么物质互补呢？鲍林注意到，酶在由反应物形成生成物以及由生成物重新构成反应物这两个方向上均能发挥作用。“酶必需在两个相反的反应方向上均发挥加速作用，这个事实告诉我，与酶互补的物质必定是位于反应物与生成物中间的某种中介物质，”鲍林说道。鲍林的假设与一种被酶化学家称为“活化复合体”的假设性物质有关。这种活化复合体生成于反应物与生成物的中间变化位置上，它在酶化学反应过程中仅能存在几分之一秒的时间。鲍林接着说道：“酶为什么能使化学反应的速度提高一千万倍之多？这个问题的答案是十分明显的——至少对我来说是这样，那就是，酶必需具备降低活化能的能力——即降低生成活化复合体的能量的能力。而要降低活化能，酶可通过与活化复合体形成强键而与反应物和生成物只形成弱键的途径来实现。”鲍林认为，酶的键接点与目标分子有适当紧密度的啮合，使之可以比较松弛地拉住目标分子，而当目标分子慢慢滑进一个被折弯或拉紧的位置时，两者的啮合就变得十分紧密。酶的作用点像一把分子钳，它把目标分子折弯，使之易于断裂成很多小段。这些被断开的目标分子的形状与酶的键接点仅有部分的互补性，啮合变得松动起来，从而变得易于飘浮并与酶分开。鲍林还认为，相反的过程也完全可能发生，即酶松弛地联结住生成物分子，使他们聚集在一起，从而缓慢地进行逆反应过程，重新生成初始反应物，所有这些反应均是通过形状的互补性实现的。
　　鲍林对酶的作用机制所作的描述与他的关于抗体的理论是完全一致的。这一切还只是开了一个头。不久，他又提出了这样的理论和观点：味觉与嗅觉也是由被感物的分子与身体内部特定位置之间的互补性匹配产生的（这一理论至今在气味学研究者中间仍有很大的影响）。还有所谓的行为性病毒，这是一种有点介于可结晶蛋白分子和生命机体之间的奇异的物质形式（鲍林把它们称为“逃脱了父母机体控制的基因”），鲍林认为也可从互补性理论出发对它们作出解释。
　　鲍林猜测，基因可能是一种很大、很复杂的蛋白分子，它能够通过一种称为自催化的过程，精确地复制自己。他早在1940年就与德尔布吕克合写了一篇论文，论及关于基因复制的一种可能的一般性机制。到了1945年与1947年期间，鲍林在互补性理论的框架内对这个问题进行了更多的思考。到1948年，他设计了一种最简单的基因复制的一般模型。“我们对基因或病毒分子进行自我复制的机制尚不清楚有关的细节”，鲍林在一次互补性理论的报告会上这样对听众说。“一般来说，使用某种基因或病毒作为模板不能复制出与模板完全相同的分子，而只能生成与模板互补的分子。当然可能出现这样的情况：在某种模板上生成的分子既与模板同构，又同时与模板互补……假如作为模板的基因或病毒分子有两个互补的部分组成，那末每一部分可以复制出与另一部分同构的分子。于是，由两个互补部分组成的复合体就可以作为复制自身的模型。”在正式发现DNA的双螺旋结构四年之前，鲍林就已经这样明确地作出了基因可能具有双螺旋结构的预测。
　　鲍林实际上已经为分子生物学的结构理论奠定了基础。在这之后，他又把注意力转向了医学。战争期间，鲍林对医学的兴趣，从原先的肾病、抗体、血浆代用品等问题，进一步扩及到其他方面，他开始思考药物的结构，营养品的效能，他甚至提出这样的意见：有几种退化性疾病也许是由于红血球的堆集而引起的。有一个阶段，他还考虑在加州理工学院成立一个基础医学研究所，以便对他关于生物分子的结构和作用的设想进行试验。鲍林同样认为，分子互补性理论可以在这些问题的研究中发挥重要的作用。
　　战争即将结束之时，鲍林被任命为帕尔默委员会的成员。这是一个由医学专家组成的小组，鲍林是其中唯一的例外。该委员会遵照科学研究与发展局局长布什的指示，开会研究战后如何对医学研究进行资助。1945年春，该委员会在纽约的世纪俱乐部举行了一次午餐会。讨论过程中，医生们谈到了一种鲜为人知的被称为镰状细胞贫血症的血液病。来自哈佛的医药教授卡塞尔解释说，病的名称来源于病人的红血球从扁平的圆盘状畸变为弯曲的月牙状。这些镰刀形的红血球阻塞小血管，引发一系列；临床症状：由于缺乏红血球输氧而引起骨头和腹部疼痛，并在肺部、肾脏和脑部形成血块。卡塞尔教授还指出一个奇怪的现象，那就是在返回肺部的静脉血中有着比富氧的动脉血中更多的镰状红血球。
　　鲍林听后，怦然心动。他从自己对血红蛋白的研究中得知，红血球几乎只包含血红蛋白和水两种物质。如果缺氧和富氧都会影响到血液细胞的形状是否平整，那末血红蛋白——这是一种固氧分子——也许会在里面起作用。其他委员围坐在桌边抽烟交谈，鲍林却坐在一旁陷入沉思。他的脑子里出现了血红蛋白分子的形象，这是一种球状的、一头有点细长的蛋白分子，有点像粗短的圆柱体。假设某种东西改变了血红蛋白分子表面的形状，而这种形状与另一个血红蛋白分子表面的某一部分的形状是互补的，那末形状互补的分子就会粘连。如果形状的改变出现在分子的两端，那末这些分子就会首尾相接地连接起来，从而在红血球内部形成长的链。一旦足够多的链再互相连接，就能生成类似血红蛋白晶体的物质，从而将血细胞扭曲成镰状。但是氧气在这过程中起了什么作用呢？他问自己。他想，把氧固定在血红蛋白中必定会改变分子的形状，以至分子的粘接点处发生畸变或被遮蔽。加进氧则防止镰状发生；取出氧则加剧镰状扭曲。鲍林茅塞顿开。他把自己的想法向大家作了解释，进一步向卡塞尔问了几个有关镰状细胞贫血症的问题，最后他问各位医生是否赞成他回到帕萨迪纳后进行一些正常血红蛋白和镰状细胞血红蛋白的对比试验。卡塞尔表示可以试试，至于其他大多数医生都不大懂得鲍林所说的东西，因为他们在结构化学方面的知识少得可怜。
　　这一段时期，也许由于他自己曾经生过一回的布赖特氏病（肾小球肾炎），医学问题在鲍林的脑海里一直占据着突出的位置。血液问题、治病问题均与他的关于互补性的新理论交织起来了。互补性理论也许还可以用来解释药物的作用呢！1940年，一个英国研究人员提出磺胺类药物之所以能抑制细菌感染，是由于它伪装成细菌的食品源而取代了细菌所需的代谢物，实质上是把细菌饿死了。这个机制在理论上是说得通的，因为药物在结构上与代谢物很接近。同许多学者一样，鲍林也认为两种物质竞相争夺活细胞的某个键接点将成为研制新药的中心概念。1947年10月，他在耶鲁大学的一次报告会上说：“当人类有能力详细确定疾病的媒介生物的分子结构以及人体细胞成分的分子结构的时候，就有可能针对每种疾病确定相应的化学药物的特定配方，然后再根据配方，合成药物，保护人类免受那种疾病的侵袭。”
　　到这个阶段，鲍林确信他的互补性理论已足够解释所有的生物特异性。他已找到了一种通过标准的化学语汇来解释生命本质的方法。从酶的作用到基因的复制等各种生命现象，用不到寻找新的物理定律，鲍林一次性地给出了合理的解释。生命从其根源来说，就是一种精确的分子结构。鲍林的这种朴实的观点以及他从化学角度对生命现象作出的解释，成为20世纪科学史上最深刻的发现之一。鲍林的理论确立了分子结构理论的中心地位，并成为通向分子生物学的发展道路上一座重要的里程碑。鲍林预言，分子生物学的基础将是互补性分子的相互作用理论。
　　然而，在那个时候，似乎没有人认真听他讲话，说得确切一点，是大多数人对他所讲的内容的重要性不甚了了，他们缺乏必要的知识理解它。40年代后期的生物学家对物理化学这门学科只懂得一点皮毛，而多数化学家又从来不把蛋白质看作是化学物质。分子生物学家亚历山大·里奇这么评述：“当时的大多数生物化学家不知道何谓范德瓦尔斯力，也不知道氢键和静电势。”鲍林跨越了这么多学科的界限，使用了这么多种不同的科学语言，只有一小部分学者能够听懂他的报告。
　　其次，他所讲的东西尚未经过验证。到那时为止，还没有研究者确定过任何一种蛋白质的氨基酸链，也没有结构化学家或晶体学家即或只是粗略地描画过鲍林所说的那种互补性形状。蛋白质的详细形状仍然是一个谜。当时已知其三维构形，且与蛋白质稍微有点关系的物质，只是由鲍林小组研究确定的几种氨基酸分子和肽分子。无人知道基因是怎样形成的，更不知道它是怎样工作的。有关酶作用的可靠数据刚刚开始发表。在对蛋白质结构的细节知之甚少的情况下，可以进行各种猜测，但很难作出明确的判断。鲍林自己也认识到这种情况，因而每每在结束报告时，总要指出当务之急是对蛋白质的形成过程进行更深入的探讨。在这一时机到来之前，鲍林仅限于口头报告自己的见解，不想写成论文到那些要对文章进行评审的杂志上发表，尽管后者的影响要大得多，比如可产生如同他关于变性和抗体结构的论文那样的重大影响。鲍林要等到他的一般性理论有了更多的实验结果作为佐证的时候才写成论文发表，战争一结束，鲍林即指派尼曼对他关于酶的假设进行实验验证，但这个青年学者很快失去了兴趣，转而从事其他工作了。此后，鲍林一直在努力寻找适当的人员开展镰状细胞血红蛋白的研究。
　　在此过程中，鲍林始终坚信自己所走的道路是正确的。他在1947年这样说：“有关生物力来自结构互补性的理论存在着非常有力的证据，并且我认为分子互补性很可能是机体内部形成生物特异性的唯一机制。”到1948年，他告诉公众：“我相信我们可以利用分子结构理论来理解生命机体的这些性质，并弄清楚生命的本质（但意识除外）。”
　　人生的峰巅
　　鲍林和比德尔是代表战后美国科学事业乐观向上和兴旺发达的两个著名人物。第二次世界大战以后，美国在基础科研方面占据了世界上无可争议的领先地位。德国科技界在希特勒的统治下陷于瘫痪，战争也使欧洲许多重要的研究中心遭到了严重破坏。那些未遭破坏的，比如著名的剑桥卡文迪什实验室，也已经日薄西山，经费窘迫。在那些致力解决温饱和恢复战争创伤的国家里，基础科学不可能被置于优先考虑的位置。
　　然而，在战后的美国，科学家们却处于金钱和荣誉的包围之中。他们被尊为民族英雄，他们发明的火箭、雷达和炸弹帮助联军赢得了战争。在战后的欢庆氛围中，他们倍受人们的崇拜。科学家——特别是原子能专家——的事迹频频出现在报刊杂志上，他们应邀到俱乐部演讲，参加国会山的鸡尾酒会并成为引人注目的贵宾。这真是一个令人陶醉的年代。
　　深受其益的美国政府醉心于创造一个由取之不尽的原子能支撑起来的繁荣富裕的新时代，打算继续大力资助科学研究。以前无力开展的几百万美元的大项目，其中最突出的如原子对撞机和核反应堆，突然都得到了批准。要是能提供足够的经费，那末只要一声令下，谁知道科学家又会创造出怎样的奇迹呢？
　　1945年，罗斯福病逝，杜鲁门接任总统。他上任后最先做的事情之一就是要求布什——他作为科学研究和发展局局长组织了战时的科研工作——准备一份关于战后科研发展计划的报告。布什并没有简单地以一纸公文应付了事，而是把这当作改变战后科学事业面貌的大好机会来认真对待。他召开各种专家小组会议（包括医学研究方面的帕尔默委员会会议，鲍林也应邀参加），让专家们就不同的研究领域提出建议，然后集思广益，汇总成一份有很强说服力的长篇综合性文件，他把文件定名为“科学——广阔无垠的疆域”。计划的最后提出了建立国家研究基金的建议。通过该项基金，由专家小组来决定如何分配纳税人的钱，以便在决定项目资助时排除政治压力的影响。布什指出，只有通过这种方式，即由科学家向科学家发放经费，才能使由政府资助的基础科研不受外界干预，有关学者就能自由地开展研究活动。议会里的批评者指责该计划缺乏根据，并抓住布什建议的拨款数字大作文章。布什建议，第一年科研拨款3300万美元，以后逐年递增，到第五年增加到12000万美