20世纪的科学怪杰鲍林-第33部分

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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。
　　15　野蛮人的攻击（一）
　　梦想家
　　鲍林从英国回来后，在继续投身于科学的同时，又恢复了对政治的关注。1948年夏，举国上下正在为历史上最为喧闹和最出人意料的一次总统选举作准备。像许多支持罗斯福新政的民主党人一样，鲍林准备退出该党。他认为杜鲁门转向右翼，出卖了罗斯福的理想。
　　鲍林支持的候选人是罗斯福时期的农业部长，1940年到1943年期间的副总统华莱士。华莱士来自中西部，生性孤傲，有才学，还是一个富有的农业杂志出版商和杂交玉米的培育者。华莱士是最坚定的新政支持者，坚决支持与苏联和解。在美国战后反共调子越唱越高的时候，许多政界人士和报纸把他划入极端理想主义者一类——“战后时期的梦想家”，这是一个官员用来形容当时政府中自由派人士的一个称呼。
　　杜鲁门上台后，华莱士任商业部长。杜鲁门认为华莱士是一个优柔寡断的知识分子，与处理政府事务相比，他学习外语的兴趣更高一些。当杜鲁门重新采取反共立场时，曾在日记里愤怒地提到华莱士，称这个“百分之百的和平主义者”在内阁会议上竟然对大家说他“要解散武装力量，向俄国人提供原子弹秘密，寄希望于克里姆林宫政治局那伙冒险主义者”。杜鲁门意欲除掉他。到1946年下半年，他终于等到了机会。华莱士在麦迪逊广场公园作了一次演讲，嘲讽杜鲁门对苏联扩张主义的“强硬”政策。一周以后，杜鲁门要求