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觀察的盲區 1947年夏，鮑林和愛娃開始踏上旅程，對英國和斯堪的納維亞進行為期兩個月的訪問。他們這次訪問歐洲，既是講學，又帶有度假的性質。有机會躲避一下國內日益惡化的政治气氛，他們感到非常高興。這一次，兩個人仍把孩子全部留在家里讓阿萊塔照料。夫婦倆先到紐約，鮑林出席了在那里舉行的量子力學基礎理論會議。然后，兩人搭乘橫越人西洋的新式大型遠程客机飛赴英國。雖然在英國仍然隨處可見戰時轟炸的殘跡，物資供應也很短缺，但鮑林夫婦在倫敦的逗留卻非常愉快。在那里，英國皇家學會吸收鮑林作為榮譽會員，劍橋大學也授予他榮譽博士學位。6月12日的整個下午，劍橋大學在學校金碧輝煌的理事會大廳舉行學位授予儀式。鮑林身穿全套博士禮服，与前英國駐印度總督、葡萄牙大使和其他八位顯要人物排成一行，在座無虛席的大廳里穿行而過。他們就座后，開始聆听校方發言人用拉丁語宣讀贊美同，其中提到鮑林成功地“解開了……原于結构之謎”。這個十分隆重的學位授予儀式成了鮑林訪英活動的一個高潮。 訪問倫敦以后，鮑林夫婦來到了斯堪的納維亞。他們出席了正在那里舉行的科學大會，并在海邊愉快地度過了一個長假。8月份，他們怀著滿意和喜悅的心情，精神煥發地飛回加州。他們急于回國料理個人事務，以便赶在冬天再度一起去英國。鮑林應邀將在牛津大學作為期六個月的伊斯曼講座的教授。 孩子們看到父母回家，歡呼雀躍，使他們尤為高興的是，冬天他們將陪伴父母親一起去英國，他們全家團聚的時間實在太少了。彼得在學校的學習一直不好；聰明、可愛又文靜的琳達已經15歲，她想方設法取悅父親，總害怕父親不帶她去英國；克萊林還只是一個10歲的小男孩，他對父母經常离家外出頗為不滿。 小萊納斯卻生活得很不錯。這年秋天，他突然宣布与安尼塔·奧賽訂婚，使他的父母大吃一惊。奧賽是麥考密克１洛克菲勒２兩人的曾（外）孫女，國內最大一筆私產的繼承人。他們的愛情帶有童話色彩——一方是德高望重的科學家的性格沉穩的儿子，另一方是美國財界首富的美麗可人的女儿，因此媒体廣泛報道了他們訂婚的消息。9月，兩位新人在鮑林的梅德爾寓所的草坪上舉行了簡朴的婚禮。對鮑林來說，這又是一大喜事；他覺得，世界上的事情應該是這樣安排的。為了實現自己的美國夢想，他辛苦勞碌了一生；而現在，就在這山坡豪宅綠絨絨的草坪上，在南加州金色的陽光下，一群富有而顯赫的貴賓相互祝酒，這無疑向世人宣告：他成功了！ １麥考密克（Cyrus McCormick，1809—1884），美國工業家，發明家，1831年發明收割机，因建厂生產收割机而致富，后組建世界最大的國際收割机公司（1902）。 ２洛克菲勒（John D·Rockefeller，1839－1937），美國洛克菲勒財團創始人，創辦俄亥俄美孚石油公司（1870），將其改組成美國第一個托拉斯（1881），后任新澤西美孚石油公司董事長（1899—1911），捐款建立芝加哥大學（1892）及一些慈善机构。 12月下旬，鮑林、愛娃和除小萊納斯以外的三個孩子乘火車到紐約，預定圣誕節的次日搭乘瑪麗皇后號离開美國。他們下榻在市中心的曼哈頓旅館。家人們在房間里相互交換圣誕禮物。往窗外望去，他們惊喜地發現天空下起了紛紛揚揚的大雪，這是鮑林一家首次度過的白色圣誕節。一家老小興高采烈地跑到室外玩雪，連鮑林和愛娃也捏雪球拋向街邊的路牌。 然而，第二天清晨一看可傻了眼：好事過了頭！一夜暴風雪把整個城市掩埋在積雪之中，街上不見任何移動的車輛，而輪船在几小時內就要開航，鮑林急得像熱鍋上的螞蟻。最后總算找到了出租車，司机表示愿意盡力把他們送到碼頭——當然車費是很高的，最后好不容易准時赶到了碼頭。 孩子們上船后樂瘋了，他們還從來沒有那么開心過。船長推遲了開船的時間，以等待被大雪耽誤的乘客。在這段時間里，三個孩子從船頭跑到船尾，怎么也看不夠。連他們簡朴的船艙——鮑林為了省錢只買了三等艙票——似乎也充滿了新奇和樂趣。最后，汽笛一聲長鳴，瑪麗皇后號在鵝毛大雪中徐徐駛离碼頭。 輪船沖出風雪之后，整個航程都比較平穩，孩子們只是少許有點暈船。旅程中的一天，鮑林在頂層甲板上散步，与一個名叫查格夫的化學家不期而遇。此人是核酸研究方面的專家，他向鮑林介紹了他最近關于分子次級結构（一种類似于嘌呤和嘧啶的結构）的研究結果，并力圖引起鮑林的興趣。但是，鮑林正在度假，而且覺得這個家伙有點夸夸其談，自我吹噓，因此頗為反感，他打斷了對方的講話，匆匆跑回船艙。后來，鮑林回憶說：“我沒有仔細听他的講話。”鮑林那始終活躍的思維這次竟然面對新的信息毫無反應，隨其流逝，這在他的一生中可算是絕無僅有的，而他以后將為此而遺憾。 鮑林帶著家人到達英國后，花了一周時間把全家安置了下來。他們住在倫敦的一套公寓里，并為孩子辦好報名手續，讓他們到當地的私立學校念書。接著鮑林就開始了他后來稱之為“一生中最愉快的歲月之一”。在牛津大學，他是一個典型的美國佬，清瘦頎長，精力充沛，聰明幽默。當他大步行走在建有古老拱門和雉堞的校園里時，他的黑色長袍和灰白色長發在身后飄蕩。學生和教授們蜂擁而來听他講課。“他有轟動效應。演講廳里擠滿了听講的學生，遲來者只能站著听課，”一個有幸擠進演講廳的學生后來回憶道，“我從來沒有听到過這樣精彩的講課。他講課時輕松自如，妙趣橫生。他的歡愉的微笑，借助計算尺進行的運算，以及自然迸發的思想火花，給人留下了難忘的印象。” 到了晚上，鮑林一家不是應邀赴宴或參加聚會（邀請之多實在使他們應接不暇），就是去看演出、听演講或欣賞音樂會。鮑林不斷會見科學家、實業家、政治家以及市政要人，只要一談到政治或科學問題，鮑林的談話總能強烈地吸引住他們。于是各种各樣的榮譽接踵而來，他被選為皇家學會的外籍會員，并被牛津大學、倫敦大學和劍橋大學同時授予博士學位——他被告知，他是到當時為止唯一一位得此殊榮的人。 英國化學學會請他到聯合王國各地作巡回報告，包括在倫敦大學和劍橋大學的三次專門的系列講座。他報告的內容主要集中在分子的互補性理論上。借助于一個標准的分子球棍模型，他的報告就更為生動活潑。他常對听眾這么說：“看這里，假如原子真像這個直徑2到3英寸的球那么大，那么按照這個比例，觀察這個原子的人將有250000英里那么高，就是說，他的身長等于地球到月亮的距离。” 這個頭頂碰到月亮的人后來成為鮑林報告時常用的一個形象比喻，他在各种不同的場合用這個比喻來說明有志于攻克大分子結构難題的科學家所面臨的挑戰。他讓听眾想象自己是身長250000英里的巨人，這樣你看到的地球就像一只台球那么大。你可以看清地球上1000英尺寬的、比如像中央公園或洛克菲勒中心這一類建筑物；而如果使用一种新型的電子顯微鏡，你就可以看到帝國大廈——當然看不到大廈的內部結构，以及一個個細小的黑點——那是街上的汽車。你可使用半透明的薄膜和超速离心机測出汽車的大小。但往下就出現了一個測量能力的空檔。更細小一點的可使用Ｘ射線晶体學或電于衍射的方法去測量，這种技術具有令人難以置信的精确度，以至可以确定汽車上的插銷、鉚釘和齒輪的形狀，但不能分辨出比它們更大的東西。 于是，在觀察能力方面出現了一個空檔，一個處于電子顯微鏡分辨能力与Ｘ射線衍射分辨技術之間的觀察的盲區。對這個身長為250000英里的人來說，這一盲區的存在意味著他确定不了大小為1英尺到10英尺之間東西的形狀，包括作為中央公園和帝國大廈的建造者以及汽車、鉚釘等物件的制造者的人的形狀。回到正常的尺度來問同樣的問題，你會發現這個“未知的黑暗區域”——如鮑林所稱呼的那樣——大致處于蛋白質和其他大分子的体積范圍內。正是這個尚未探索的區域現在要求人們集中力量去研究。 1948年2月，鮑林應邀到皇家科學研究院作一次周五晚問講座，這种講座很正式，每月舉行一次，原先由法拉第１于1825年創辦，出席者均為英國科技界和社會各界的名流。早先人們是把科學當作藝術一樣看待的，科學報告就像手工藝品一樣供人欣賞；當時創辦這個講座就是要為倫敦的富人們提供一個欣賞科學研究最新成果的机會。但是后來它逐步演變成為重要的科學報告會，只有那些取得重大成果的人才有應邀作報告的資格——比如說，湯姆遜２在這里舉行講座時宣布發現了電子。一位經常听講的人士回憶道：“听眾都是對优秀報告具有高度藝術鑒賞力的行家。演講者和听眾都身穿正式的晚間禮服，報告過程嚴格按傳統禮儀進行，充滿了一种与報告重要性相稱的气氛。” １法拉第（Michacl Faraday，1791—1867），英國物理學家和化學家，發現電磁感應現象（1831），電能定律（1834）和磁与光的關系（1845），并研究气体的擴散和液化合金鋼的性質等。 ２湯姆遜（Sir Joseph John Thomson，1856—1940），英國物理學家，曾任劍橋大學教授（1884—1918），三一學院院長（1918—1940），發現電子（1897）及同位素（1912），因气体導電研究獲1906年諾貝爾物理學獎。 為了作好周五晚間的報告，鮑林仔細准備了所要求的恰好一小時的講話內容。報告開始前是一次正式的晚宴。晚宴畢，鮑林被人帶進電子化學之父、偉大的法拉第曾經待過的辦公室。辦公室布置得古色古香，保存完好。鮑林獨自一人留在那里，為上台講演最后清理一遍自己的思路。 一小時后，鎮定自若的鮑林走進了裝飾華麗的小禮堂。台下坐著的听眾都是特邀而來的，男士一律系黑色領帶，女士則一律穿毛皮大衣并佩戴珠寶首飾。鮑林回想了一下在俄勒岡農學院當學生時所學到的演講術要點，深深吸了一口气，開始了下面的講話： 當我注視一個生命机体——你們中的任何一個人或我自己——的時候， 我發現了許多現象。這些現象提出了一系列需要回答的問題……皮膚是什 么？指甲是什么？指甲是怎么生長的？我是怎么會有触覺的——神經的构 造是怎樣的？它是如何工作的？我是如何看見東西的？我是怎樣聞到气味 的，為什么苯和异辛烷的气味不一樣？為什么糖是甜的，而醋是酸的？我 血液中的血紅蛋白是怎樣把肺中的氧輸送到組織中去的？我身体里的□又 是怎樣將我吃進的食物分解、燃燒從而保持我的体溫，并在我体內生成新 的組織的？為什么接触病人會使自己患上感冒和肺炎，而通過服用某种特 定抗血清或磺胺類藥物又能使身体康复？為什么青霉素有這樣神奇的治病 功效？為什么我對麻疹、百日咳。脊髓灰質炎、天花具備免疫性，而有些 人則不具備？最后還要問，為什么我的孩子長大成人后顯示出我和他們的 母親的特征——這些特征是如何傳送給他們的？ 所有這些問題都不能從書本中找到現成的答案。雖然喬叟１這么說 １喬叟（Geoffrey Chaucer，1340—1400），英國詩人，用倫敦方言創作，使其成為英國的文學語言，代表作《坎特伯雷故事集》反映14世紀英國社會各階層的生活面貌，体現了人文主義思想。 過，“在這古老的土地上／年复一年地生長出新的谷物／而在這古老的經 典中／產生出人類學習的所有新科學，”但沒隔多久，培根１糾正了他 １培根（Francis Bacon，1561—1626），英國哲學家，英語語言大師，英國唯物主義和實驗科學的創始人，反對經院哲學，提出知識就是力量，主要著作有《論科學的价值和發展》。 的說法：“書本要服從科學，而不是相反。” 為了理解這些重大的生物學現象，我們必須弄懂原子以及由原子通過 鍵力形成的分子。 鮑林把科學問題、日常生活實例和英國文學及科學巨人的語錄結合起來講述，開始就把听眾的注意力牢牢吸引住了。接下去他就概括地介紹了他的互補性理論，并以此作為解釋生物分子相互作用的基礎。往常，星期五晚間講座的報告人總是呆板地站在講台后面照本宣讀，而鮑林卻是脫稿講話，手中拿著粉筆，一邊在主席台上來回走動，一邊在黑板上勾畫出抗体形狀和□作用的示意圖。他讓听眾想象自己是身高等于地球到月亮的距离的巨人，引導大家了解蛋白質結构問題是生物學的中心問題。他的報告是一次無懈可擊、一气呵成的出色表演，并取得了理想的效果。在鮑林演講后的一次聚會上，帝國學院院長赫爾布魯爵士作了這樣的評价：“當我們听萊納斯報告時，我們覺得是在聆听一位天才娓娓敘述自己的思維過程。” 卡文迪什實驗室 在那天晚上听講的人群中，有一位名叫勞倫斯·布拉格的杰出人物，他也是一位始終關注著蛋白質結构的物理學家。自從鮑林提出了一整套确定复雜的硅酸鹽結构的規則后，鮑林就超過了市拉格。在隨后的20年時間里，兩人的職業生涯循著兩條平行上升的軌跡向前發展。布拉格從30年代早期的心理挫折中重新崛起，變得比以往更加堅強。更有信心，他領導下的曼徹斯特Ｘ射線晶体學實驗室成為世界上最具理論創造性的研究机构之一。1938年，他的努力終于得到了回報，他應召繼承盧瑟福擔任英國最大的物理研究中心——劍橋卡文迪什實驗室的主任。三年后他被封為爵士。 到1948年，他已把卡文迪什實驗室建成為世界上最先進的Ｘ射線晶体學研究中心。然而就在這一點上，他和鮑林的興趣分道揚鑣了。鮑林感興趣的是Ｘ射線衍射的結果；而布拉格感興趣的卻是衍射的過程，他致力于改進設備，發展用于解釋Ｘ射線衍射圖形的數學技巧。卡文迪什實驗室之所以聞名于世，就是由于布拉格的設備品种齊全，威力強大；由于他吸收的青年研究人員聰明能干；還由于布拉格本人對衍射理論的長年不懈的研究所取得的丰碩成果。至于對分子結构的研究，布拉格主要讓下面的工作人員去做。他們的研究對象主要限于礦物。合金和小的有机分子。但是當布拉格剛到實驗室時，那里有一個由奧地利出生的科學家佩魯茨１導的小組也在從事血紅蛋白的結构研究，這項工作被布拉格稱為是“勇敢的嘗試”。布拉格開始時對蛋白質結构研究不大感興趣——他一直對生物學不甚了了，并認為蛋白質分子肯定過于龐大和复雜，以致無法用Ｘ射線衍射法進行研究——但是佩魯茨是一個不知疲倦和充滿信心的研究者，并且已有足夠的研究成果能引起布拉格的興趣，使他認識到蛋白質研究是對Ｘ射線學的一個挑戰，是一類難度超越礦物質研究的課題。當鮑林來到英國的時候，布拉格已經為佩魯茨和他的年輕同事肯德魯以及另外兩個助手爭取到了足夠的資助，這些人也已取得了一批重要的成果，揭示了很多种血紅蛋白分子的大致結构。而且，在蛋白質研究中取得重要進展的研究小組在英國并非獨此一家。在其他大學里，霍奇金２胰島素的研究已進入第二個十年；伯納爾和他的同事已經開始做裂解核糖核酸□的工作。 １佩魯茨（Max Ferdlnand Perutz，1914），奧地利出生的英國生物化學家，因對球形蛋白、特別是血紅蛋白結构進行X射線衍射分析，与肯德魯（J.C.Kendreu）共獲1962年諾41爾化學獎。 ２霍奇金（Dorathy Crowfoot Hodgkin，1910—），英國女化學家，与同事合作得到維生素B12第一張X射線衍射照片（1948），确定了維生素B12的原子排列，獲1964年諾貝爾化學獎。 鮑林對英國人的工作了解得越多，就越感到擔心：在爭取成為世界上最先完整地确定蛋白質分子結构的人的競賽中，他可能成為失敗者。他解決蛋白質結构問題的方法是從下向上，即先仔細确定單個氨基酸和小□分子的結构，然后在此基礎上再拼裝出大分子結构；而与此相反，英國人的方法卻是從上而下，即分析完整蛋白質分了的Ｘ射線衍射圖。鮑林曾經以為蛋白質分子太大，它們的Ｘ射線衍射圖過于复雜，因此在可預見的將來，從上到下的研究方法不可能奏效。但是在与伯納爾和霍奇金交談之后，鮑林意識到，英國人正接近于攻克某些蛋白質分子的結构問題，這使他感到很大的壓力。 在這樣的情況下，他又一次考慮從理論上解決蛋白質的母体——角蛋白鏈的結构問題，這是他在1937年曾經嘗試過的事。當時他試圖构造一條与阿斯特貝里的Ｘ射線數据相匹配的蛋白質鏈，但沒有成功。于是他怀疑自己關于氨基酸結构或鍵的想法是錯誤的。但這些年來的研究成果，包括科里所做的關于氨基酸的具体研究，都告訴他自己并沒有錯。分子尺度与他的假設大致吻合。他還曾預言，□分子的鍵具有雙鍵特征，兩側的原子固定在一個平面上，這一猜測也被科里關于二酮□秦的研究結果所證實。他當時其實已十分接近于成功，不可思議的是，他竟然沒有堅持下去。 1948年春天，他重新研究這個問題，不過這一次采用了新的指導原則。在30年代，化學家曾提出長鏈淀粉分子具有像螺旋轉梯那樣的結构，鮑林早年的合作伙伴哈金斯（鮑林曾与他一起做過一些早期的研究工作，最后得出了□鍵的平面性結論）曾從理論上論證這种螺旋結构也是蛋白質分子的主要結构形式。按照哈金斯模型，氨基酸鏈的形狀不是阿斯特貝里模型假設的扁平、扭結的帶狀，而是螺旋上升的梯狀，像床墊彈簧那樣；哈金斯還假設鏈的圈与圈之間由氫鍵固定，從而能保持結构的穩定性。 這是一個非常富于啟發性的假設，并早已在英國晶体學家中間引起熱烈討論。這些假設有助于解釋一些現象。按照阿斯特貝里的扁平帶模型，蛋白質的化學性質應該反映出帶了的雙面性特點，然而，蛋白質鏈實際上似乎是各向同性的，這恰与螺旋線形成的圓柱体整体形狀相吻合。此外，理論的推斷結果也有利于螺旋線假設。正如克里克１——他當時是佩魯茨和肯德魯實驗室里的一個研究生——所說，“眾所周知，如果一條鏈由完全相同的環以完全一致的方式折疊并聯結起來，且每個環与相鄰環的關系也完全一致，那么這樣的鏈就形成螺旋結构。”叫它螺旋結构也好，螺旋線也好，反正哈金斯的假設對卡文迪什的研究者產生了重要影響。很快地，似乎英國的每一個蛋白質研究者都在尋找螺旋結构了。比如霍奇金（鮑林訪問牛津大學時曾与她進行過几次長談）就在她的胰島素分子的研究中密切注意尋找螺旋結构的證据。 １克里克（Franis Crick，1916—）英國生物物理學家和遺傳學家，因參与制成脫氧核糖核酸（DNA）的分子結构模型，為分于遺傳學奠定了基礎，而与沃森（J.Watson）和威爾金斯（M.Wilkins）共獲1962年諾貝爾醫學獎。 在皇家科學研究院報告后一個多星期，鮑林病倒了。由于英國潮濕的天气，他患上了嚴重的骨竇炎，只得臥床休息了。他記得：“第一天我閱讀偵探小說以便使自己不想倒霉的事，第二天依然如此。但第三天我就厭煩了，我于是想，“我為什么不能想想蛋白質的結构問題呢？”這樣，他決定對角蛋白鏈的結构再進行一次研究的嘗試。不過這次采用了螺旋模型的設想。他准備好鉛筆、直尺和一些紙，然后開始描繪氨基酸鏈的草圖。根据記憶，他勾畫出原子鍵的長度和夾角。他采用了三步工作法：第一步，根据氨基酸的已知尺度把鏈畫出來；第二步，把元素在空間按這樣的方式排列出來，使氫鍵易于生成并使鈦鍵處在同一平面內；第三步，檢驗這樣得出的模型能否解釋Ｘ射線衍射數据。他畫出了每個氨基酸分子的基本碳一碳一氮骨架，然后用粗線表示□鍵，將它們連結起來，這些□鍵在紙頁內保持平直。他又將那些區別不同類型的氨基酸分子的側鍵畫成由螺旋線中心指向外面的線段。通過這种表示法，這些側鍵將不會對存在于中心部位的重复結构產牛干扰， 然后，他將紙張進行折疊。折疊時將□鍵平直地保持在紙頁上，而只在氨基酸骨架中与□鍵相連的單個碳原子處折角，這是他認為可能發生旋轉的地方。他設法將角度折得与四面体角大致相等，這樣大小的折角對碳鍵來說是最自然的。他對紙張采用各种不同的折疊方法，力圖把元素排成恰當的形式，以便形成盡可能多的氫鍵。沒隔多久，他就得出了一种形狀优美的螺旋結构。這使他大喜過望。這個結构具有平面性的□鍵，大致正确的鍵角和長度，并可在拐彎處形成适當數量的氫鍵。“我一下子忘記了自己正患著感冒，我實在是太興奮了，”他說。 這是一個典型的例子，能夠很好地說明鮑林的隨机方法的特點：采用少數几個起關鍵作用的限定性化學規則去构作合理的結构模式。然而，當鮑林意識到從他的模型所得出的Ｘ射線衍射圖形很可能与阿斯特貝里和其他人得出的圖形不相符時，他的興奮情緒減退了。自然界的角蛋白分子顯示出5.1埃的強反射，這一長度被認為是在鏈的軸向上兩個重复單元之間的距离——在螺旋結构中，就是鏈的兩個相鄰螺圈之間的距离。為了在螺旋模式中驗證這個可能的結果，需要花几個月的時間仔細地构作模型，但從他的簡略草圖似乎已可看出，他的螺旋模式將產生出不同的周期性間距。通過應用他自己提出的關于□鍵和氫鍵的規則進行推算，鮑林發現：“我無法將我的結构伸長或壓縮。” 鮑林又回到了床上。他并沒有張揚自己涂抹的草圖，甚至沒有寫信告訴科里。他只是把螺旋型构想存放起來，留待回到加州理工學院后作進一步探索。正如他所說，他所擁有的全部成果暫時“還只是一張紙片”。 龜兔賽跑 鮑林的骨竇炎持續了好几個星期，當他攜家人到巴黎進行學術訪問時仍未痊愈，鮑林安置好住處后，隨即說服美國大使館的醫生給他配了一些青霉素，服用后炎症果然就很快消失了。愛娃和孩子們抓緊時間外出逛公園，參觀博物館和大教堂，到食品店購物，而鮑林則忙于參加法國科學界的各种社交活動。 在鮑林參加的一次科學研討會上，會議組織者專門留出一整天時間來討論、比較鮑林的分子价鍵理論和芝加哥大學馬利肯１的分子軌道理論的优缺點。這次討論成為与會者關注的熱點。 １馬利肯（Robert Mulliken，1896—1986），美國化學家，物理學家，提出不同原子結合成分子時電子軌道行為的量子力學理論，獲1966年諾貝爾化學獎。 在人數日趨眾多的量子化學界內，人們把這兩种理論的爭論看得有點類似于馬丁·路德１教皇的挑戰。從同一本“圣經”即公認的量子力學原理出發，兩位科學家在近20年的時間里對它的化學意義作了迥然不同的解釋。 １馬丁·路德（Martin Luther，1483—1546），德國人，16世紀歐洲宗教改革運動發起者，基督教新教路德宗創始人，曾公布《九十五條論綱》（1517），抨擊教廷發售贖罪卷，否定教皇權威，將圣經譯成德文。 從德國化學家海特勒和倫敦的電子交換思想導出的鮑林理論認為，分子是不同原子的疊合体。原子与原子之間通過鍵聯結，而鍵是由定位于兩個原子核之間的若干個電子形成的。鍵的數目等于元素的价數，也就是元素的鍵容量，由此鮑林學派就被人們稱為价鍵學派或VB學派。從理論上說，將每個鍵的波函數疊加起來，就可計算出總的量子力學狀態。當然對計算結果還需根据每個健對相鄰鍵的作用情況進行适當的修正。 在鮑林大力宣傳VB理論的近20年時間里，馬利肯卻耐心研究自己的分子軌道（MO）理論，他堅信：分子并不是像VB理論鼓吹者所設想的那种情況。在馬利肯看來，分子并不是由不同的原子通過不同的鍵聯結起來的聚集体，而是一個不可分割的整体，其特有的性態只能從分子本身來加以解釋。他研究過分子吸收和發射光譜的現象，這方面的研究經歷使他相信不應把鍵接電子看作是固定在某個位置上的，而應看作分布在整個表面上，這樣才能更好地解釋分子的性態。雖然這個理論對多數化學家來說不那么直觀，但馬利肯經過20年的研究后堅信這個理論是正确的。馬利肯認為，分子應該是它們自身實際表現出來的那個樣子，而不是如19世紀的化學家所設想的它們應該具有的那种樣子。他借用美國女作家斯泰因１話來概括自己的觀點：“分子的定義是：分子就是分子。” １斯泰因（Gertrude Stein，1874—1946），美國女作家，移居巴黎（1903），提倡先鋒派藝術，運用重复或片斷化、簡單化手法寫作，作品有小說《三個女人的一生》、《艾百斯·B·托克拉斯自傳》等。 在价鍵理論和分子軌道理論的爭論中，絕大多數化學家贊同和接受价鍵理論，出現這個結果的一個主要原因是鮑林的才智和人格所發揮的重要作用。鮑林懂得怎樣解釋他的价鍵理論使化學家樂于接受。原子通過不同的鍵每次一個地与其他原子聯接起來，這种情況可以在紙上用聯接元素符號的一根根虛線表示出來，這与化學家們關于化學鍵的看法相吻合。同樣重要的是，鮑林善于找出捷徑來簡化數學運算。盡管從理論上講，可以通過將不同的波函數疊加從而得出分子的量子力學刻畫，但在當時尚無電子計算机的情況下，除了一些最簡單的分子外，一般分子的有關數學計算非常困難，實際上根本不可行。鮑林提出一些半經驗性的變通辦法來避開這种困難，諸如共振能和電子負電等級的計算方法，這些變通辦法符合量子力學的精神，但其基礎除了依賴于薛定諤波動方程外，還依賴于鮑林的直觀想象力。化學家在應用鮑林的理論時，并不需要懂得怎樣疊加波函數。這种簡化方法使鮑林理論在30年代和40年代早期越來越流行。特別在鮑林的專著《化學鍵的本質》正式出版后，情況更是如此。化學家應用鮑林方法意味著已經涉足于最新的物理理論，而實際上又根本用不到學習物理；他們不費吹灰之力就帶上了應用量子物理的光環， 鮑林本人的能力，他的才智和人格，在推廣价鍵理論的過程中發揮了決定性的也可說是最重要的作用。他是一個杰出的教師，是一個极富性格魅力的演說家。他能吸引人們信仰他的理論。受他本人或他的著作的影響，研究者紛紛轉而接受他的方法。到了40年代，价鍵理論似乎已經征服了整個化學界。 馬利肯根本無法与鮑林競爭。不僅是因為他的基本概念過于深奧而使很多化學家望而卻步，也不僅是因為他把這些概念包裝得過于生僻而使人難以讀懂（他用希腊字母來表示分子軌道，還帶著复雜的上標和下標），而且還因為他是一個蹩腳的信息傳播者——太精确，太數學化，太多的嚴格性，以致使他的理論變得十分枯燥乏味。在芝加哥大學，他講課的效果极差，使化學系的學生感到厭倦。他的深邃的洞察力被籠罩在艱澀陰沉的理論迷霧中，使人摸不著頭腦。他的論文大多數發表在与物理有關的雜志上，是很難讀懂的。 在許多年里，馬利肯只能眼巴巴地看著那么多榮譽和獎勵落到鮑林的頭上。他看到，鮑林發表于30年代的一系列關于“化學鍵的本質”的論文被盛贊為革命性成果，而他自己于同一時期發表的14篇系列文章“多原子分子的電子結构与价”卻無人問津。他看到，鮑林講課時教室里人滿為患，而學生們對他卻避而遠之。他看到，給鮑林的邀請和榮譽一個接一個，而他自己卻只能呆在芝加哥大學做一個辛辛苦苦的教書匠。 使馬利肯感到特別惱怒的是，鮑林蔑視他的理論。鮑林倒并不認為他的理論是錯誤的——斯萊特和鮑林早在1931年就肯定价鍵理論和分子軌道理論都是對波動方程的很好的近似，假如深入研究下去，將推導出同樣的結論；而且鮑林本人在自己早期的几篇論文里還采用了分子軌道理論的有關概念——但是鮑林卻堅持主張，他的价鍵理論對化學家更實用且更适合于教學。“有一种理論已經足夠了，”鮑林寫道，“分子軌道只能把學生搞糊涂。”在他1935年出版的《量子力學導論》一書中，他用了相當大的篇幅論述价鍵理論，而只寫了一小段文字把分子軌道理論一帶而過。在《化學鍵的本質》一書中，他對馬利肯的理論更只是順便提了一句。 而馬利肯卻發現，風行一時的鮑林价鍵理論正在起著破坏作用。“鮑林是個演員，”他說，“他千方百計把每樣事情都講得通俗簡單，這使他的理論在化學家中倍受歡迎；殊不知這樣做的結果是使人們放棄了對事物的深入理解……他教給化學家非常粗略的概念并使他們自我滿足，從而阻礙他們去做出更好的結果。” 在整個30年代，鮑林利用自己出色的演技將价鍵理論推上了唯我獨尊的地位。但是到了40年代后期，越來越多的化學家開始學習馬利肯的理論。主要由于鮑林的工作，這時量子化學已經走出了初期的普及階段，在名牌大學學習的化學系高年級學生希望學習量子力學基礎和更多的數學知識，以便在未來的化學研究中取得更好的成果。新一代化學家學到的知識越多，他們就越不需要鮑林的簡化方法。他們渴望掌握這一領域中更加定量化的、不依賴于直觀的理論。他們在馬利肯的分子軌道理論中找到了所需的東西。 有些事情真像風水輪回，成敗難料。舉例說，在30年代，對氫分子用分子軌道方法進行分析時，比用价鍵方法可得出更精确的鍵長，卻只能得出較差的离解常數。但現在人們逐漸看清，經過改進的分子軌道方法是研究复雜分子的更加有效的工具。人們開始公開批評鮑林的价鍵理論的某些概念，比如電子負電能級的概念。有些批評者說，這一概念雖然在很多場合是一种實用的工具，但是它缺乏堅實的理論基礎，用來處理礦物元素時更不可靠。他們還批評鮑林用共振体來解釋分子性質的方法。在實踐中，這种方法依賴于選取若干個恰當的初始結构——即所謂的正則結构——在它們之間形成共振，然后再恰當地權衡每個共振体的貢獻得出最后的結果。一般來說，分子越大，包含的原子越多，那么解釋分子性質所需要的正則結构的數量就越多。鮑林具有超常的化學直覺能力，常常能得到恰當的共振体，但其他化學家就得不出，鮑林的一個學生韋蘭特（他曾成功地應用价鍵理論進行有机化學的研究）走得更遠，他引入一种所謂的“受激態”結构——純粹想象出來的在自然界不可能現實存在的結构——作為共振体的构件，使事情更加复雜化了。一些化學家認為，這种做法無异于鼓勵人們胡思亂想，把各种怪東西都塞到正則混合体中去，价鍵理論的任意性太大了。越來越多的化學家產生了這樣的感覺：鮑林和他的追隨者為了解釋某种分子的性質，可隨時從他們的帽子里變出所需的共振混合体。 到1947年，甚至韋蘭特也承認，盡管共振概念從總体上看對解釋化學現象很有用，但确定正則結构的數值時，“帶有很大的隨意性，很不可靠……然而我并不認為這种方法是完全沒有价值的。當嚴格的處理方式行不通而不得不采取近似方法時，那么你只能引進某种程度的隨意性，這是為了取得進展唯一可行的方法，只要頭腦清醒，不把所取得的結果看得太認真，你就不會有大的麻煩，并有可能獲得某些研究成果。” 但是，到了戰后時期，很多化學家急于把量子化學變成一門嚴格的定量化科學。對他們來說，价鍵方法已不再是一种好方法。正如馬利肯所說，“當涉及到复雜分子時，价鍵方法要求有大量的共振結构，而對這些結构進行計算几乎是不可能的事。”在30年代，馬利肯在英國找到了一小批人數雖少但影響頗大的志同道合的量子化學家。在萊納德一瓊斯（他是英國理論化學學會的首任主席）和朗蓋一希金斯的領導下，英國的分子軌道理論研究者積极發展馬利肯的理論并推廣他的方法的應用范圍。比如說，就在鮑林和馬利肯在巴黎進行辯論之前不久，萊納德一瓊斯提出了一种簡易方法，利用分子軌道理論解釋鍵的方向性，從而克服了這种理論的一個重大缺陷。 到40年代后期，通過鮑林、馬利肯和他們的追隨者對量子化學的艱苦深入的研究，有兩點變得越來越清晰：分子軌道理論和价鍵理論的核心內容在本質上是一致的；而分子軌道理論學派為分子的定量化研究提出了更簡單、更有用的工具。潮流從价鍵理論轉向了分子軌道理論。 在法國舉行的這次辯論會上，馬利肯被允許的發言時間跟鮑林得到的一樣長，這個事實本身說明了他的分子軌道理論已經有了巨大的影響。一整大的報告雖然再次證實鮑林是一個更有吸引力的演講者，但辯論的結果卻清楚表明，在過去的十年里，除了對金屬的价鍵研究取得一些新成果外，鮑林在价鍵理論方面并沒有做多少重要的工作。他的注意力轉向了其他方面。然而馬利肯卻堅持在分子軌道理論領域里耐心耕耘，不斷完善有關方法，他的方法已經更加适應新一代化學家的需要。一天的辯論結束后，并沒有什么立時顯現的后果，也沒有大批人員的陣營轉移；但它證實了一种發展趨勢，即在未來的十年里，量子化學家將更歡迎分子軌道理論。烏龜追上了兔子。 討論會后，馬利肯和他的妻子來到鮑林在巴黎下榻的公寓參加晚會。當鮑林在眾多化學家和物理學家中間周旋應酬時，馬利肯夫婦靜靜地坐在一邊。晚會气氛歡快，說笑聲此起彼伏，人們時不時借用化學鍵開善意的玩笑。此外還有馬利肯至今記得的“無數瓶的香濱”。鮑林女儿琳達即興表演了一段獨舞。晚會一直延續到深夜。然而，馬利肯卻悄悄地先行退席，在睡覺之前，他還要抓緊時間做一點研究工作。 鐮狀細胞 鮑林5月份回到倫敦后，到劍橋作了三次報告，這使他有机會對布拉格的卡文迪什實驗室作出第一手的評估。佩魯茨十分樂意充當向導。他非常欽佩鮑林，認為鮑林是世界科學界的巨人。佩魯茨記得，當自己還是一個窮學生時，曾向女友借錢買了一本用過的舊書《化學鍵的本質》。他說，這本書“把我早先讀過的教科書中的化學知識從平面轉換成了三維世界”。鮑林對佩魯茨關于血紅蛋白的研究成果印象深刻。他的研究表明，血紅蛋白分子總体上呈橢圓形。更重要的是，它看起來像是一堆堆蛋白質圓柱体，每個柱体的直徑為10埃到11埃，沿著分子長軸的方向排列。鮑林注意到這個結果也許与他几星期前在病床上用紙折出的螺旋結构的尺度相符合。 但是他沒有把這個想法說出來。“我并沒有（向佩魯茨）提起這件事，”鮑林說，“我總覺得還有點問題——很可能某個可笑的錯誤逃過了我的注意。”佩魯茨的血紅蛋白Ｘ射線衍射圖顯示了5.1埃的反射，而這不可能存在于鮑林的螺旋模型中。用未經證實的猜測把水攪混是毫無意思的，也沒有必要把新的設想公開出來，讓卡文迪什研究小組更快地深入到蛋白質結构研究的最后細節中去。 事實上，鮑林為在卡文迪什實驗室的所見所聞而暗自焦急。布拉格——他很体面地接待了鮑林但仍然拒絕談專業——把他的實驗室建設成了一個晶体研究的窗口，實驗室裝備了各种最新的設備，使用這些設備的是那些最有才干的研究者。与此相對照，鮑林在加州理工學院的裝備就顯得陳舊落后了。“他們的設備是我們的五倍之多，也就是說，他們可同時拍攝30張Ｘ光照片，”鮑林寫信告訴他的助手休斯說，“我認為我們必需毫不拖延地擴充我們的Ｘ射線實驗室。” 鮑林又一次顯示了強烈的競爭意識，他感到又要与布拉格展開一輪競賽，而這次是為了更大的獎項而競爭。他不無憂慮地看到布拉格研究小組有很大的獲胜机會。“我擔心我們會輸給英國對手，”鮑林寫信給科里這么說，并在信中描述了佩魯茨等人關于蛋白質結构的研究成果，“他們已經開始触及問題的核心，并正在想方設法取得突破……我認為他們取得了十分惊人的進展。”作力對策，鮑林要求科里改變研究的策略。他看到英國人利用蛋白質消化□把蛋白質大分子分裂成中型分子——由大約26個氨基酸分子串成，這樣大小的分子更加适宜于作Ｘ射線分析；他因而要求科里做同樣的事情。科里有很強的敬業精神，他回信這樣答复：“我急不可待地希望立即投入蛋白質研究，我想跟英國人好好地比一比。” 在余下的那些日子里，鮑林一家在英國過得很愉快。琳達和彼得喜歡他們的學校，同時也喜歡結交新朋友；克萊林在倫敦德雷根小學的拉丁語測驗中取得了第一名，使大家吃了一惊。鮑林繼續在牛津講學，直到春季結束。5月份，他得到了洛克菲勒基金會批准給他70万美元資助的好消息。這筆資助用于他和比德爾的宏大合作項目：用分子生物學的方法開展蛋白質結构和其他問題的研究。6月份，他和愛娃在牛津跟孩子們和其他朋友一起慶祝他倆結婚25周年。 7月份，鮑林在阿姆斯特丹一次大型科學會議上報告了自己關于金屬結构的新設想。他在黑板上寫滿了數据，然后自己躲到黑板后面講話，逗得与會者開怀大笑。一天鮑林走在阿姆斯特丹的大街上，看到一個婦女的外套被夾在電車的門縫里，人被電車拖著跑。他立即從后面追上去，一面扶起這個婦女，一面猛敲車門，直到售票員停下車子松開她為止。鮑林表現出的天不怕地不怕的莽撞脾气給朋友們留下了難忘的印象。鮑林全家接著到了瑞士，后來又再到法國過了兩個星期。在此期間鮑林從巴黎大學又得到了一個榮譽學位。 到他准備返回加州理工學院的時候，鮑林腦子里已充滿了新的設想。离開美國的這段時間，使鮑林有机會与歐洲最优秀的科學家進行交流并受到啟發，也使他能靜下心來仔細思考一些問題。用价鍵理論處理金屬鍵的思路，關于蛋白質螺旋結构的設想，均使他感到滿意；對于与馬利肯的辯論，他自己的感覺也挺不錯；他的腦了里充滿著其他設想，卻急需驗證。他在給科里的信中這么說：“我覺得這次花這么長時間出國訪問是非常值得的，這里的環境有利于我思考問題并找出解決問題的辦法。” 他訪問歐洲的成果在他回到帕薩迪納以后開始表現出來了。在几個月時間里，他寫出了一系列論文，這些論文總結了他的互補性理論以及他在巴黎報告過的金屬結构新理論；進一步論述了抗体的作用，氫化鈾的結构，纖維性硫的穩定性，雙价氧的鍵能以及血紅蛋白的結构，Ｘ射線對果繩的作用，等等。文章所涉及的主題從科普性的“今日世界与化學”到專業性非常強的“類胡蘿卜素的順、反异构性”，分別發表在法國、德國、英國和美國的雜志上。從1948年到1949年的兩年內，他發表文章的總數達到創記錄的30篇。 在這些數目眾多的論文中，有一組文章特別引人注目。這組文章報告了鮑林領導下的研究鐮狀細胞貧血症病因的小組所取得的成果。 得到這個結果并不容易。鮑林的看法是，變异的鐮狀細胞血紅蛋白之所以在脫氧后發生結晶現象，是由于細胞的結构發生了變化。然而在很長的時間內，從醫學博士轉過來研究化學的青年學者依泰諾（鮑林在1946年秋季指派他研究這個問題）卻找不出正常人的血紅蛋白与鐮狀細胞貧血症患者的血紅蛋白在結构上的重要區別，它們有相同的細胞重量，給出相同的酸基滴定曲線。由于鐮狀細胞血的供源很難找到，因此他的研究進度就更緩慢了。所有的鐮狀細胞貧血症患者均為非洲裔美國人，他們大多住在美國南部，在加州難得有几個病例。開始時鮑林和依泰諾嘗試与洛杉磯黑人社區的醫生達成協議，取得少量的血樣；后來有一陣他們勸誘病人直接來加州理工學院供血，付給他們少量酬金。最后鮑林在路易斯安那的圖萊恩大學找到一個醫生，他可獲得大量的這類血液并能滿足鮑林的全部研究所需。 一旦擁有充裕的血源，鮑林就讓依泰諾觀察不同的化學藥品對鐮狀細胞血紅蛋白的影響。依泰諾的研究證實，氧气在發生鐮狀形變的過程中發揮著作用，在一定幅度內減少含氧量會加速紅細胞的鐮狀化。在這一發現的基礎上，他們提出了一种快速診斷鐮狀細胞病的測試法，鮑林和依泰諾還聯合寫出了第一篇有關這個課題的論文。依泰諾還證實，血液中加入一氧化碳后（一氧化碳會与血紅蛋白不可逆轉地結合在一起，從而阻止氧气的進入），能夠防止紅細胞出現鐮狀彎曲。根据鮑林的推測，所在的變异似乎都局限在血紅蛋白分子里。 這個結果說明了為什么正常的血紅蛋白和鐮狀細胞血紅蛋白看起來那么相像。原來能夠探測到的兩者之間的區別只是分子所帶電荷的微小差別。依泰諾把血紅蛋白分子分割開來，發現這种差別局限在分子的蛋白質部分，即珠蛋白部分，而不發生在含鐵的血質部分。對一個很大的分子來說，這只是一個微小的變化。需要利用极為敏感的探索工具才能進行深入的研究。 為了加快研究的進程，鮑林在1947年秋季吸收了另一個博士后研究者加入該項目，他的名字叫辛格。辛格在大分子的物化研究方面比依泰諾更有經驗，他還懂得怎樣使用一种叫做泰氏儀的新型儀器。這种儀器是戰前由瑞典化學家泰賽列斯發明的，它利用分子的電學性質把蛋白質從混合体中分离出來。人們知道，每個蛋白質分子的表面都攜帶著一組确定的電荷。泰賽列斯据此發明了一种儀器，蛋白質溶液放置在儀器的玻璃試管的中部，試管置于電場之中，一頭為正极，另一頭為負极。根据各种不同的因素，特別是按照蛋白質分子表面攜帶的不同的電荷組合，溶液中的蛋白質分子將以不同的方式和速度，被吸引到正极或負极上去。這是一种精巧、輕柔而又精确性很高的分高蛋白質混合液的方法，在分离過程中蛋白質分子不會受到任何損害。在大戰期間泰氏儀還很少，而且在市場上買不到，鮑林請斯托特范特為加州理工學院專門制作了一台。 當鮑林在英國訪問的時候，理工學院的泰氏儀已經安裝就緒并可實際使用了。辛格和依泰諾試著利用它來分离鐮狀細胞和正常的血紅蛋白，最后終于發現了兩者之間的區別。鐮狀細胞血紅蛋白分子比正常分子以更快的速度趨向電場的負极，看起來在正常的pH值下，鐮狀細胞分子帶有3個額外的單位正電荷。這個結果明确顯示了一個事實：鐮狀細胞貧血症患者血液中的血紅蛋白分子与正常人血液中的同類分子有著重要的區別。鮑林原先的推測是正确的。 這個結果令人十分惊訝：僅一种分子所帶的電荷發生細微變化，就可使健康人患上致命的疾病。在為這項研究所寫的第一篇重要論文中，鮑林把這种奇异的特性醒目地寫進了論文的標題：“鐮狀細胞貧血症，一种分子型疾病”，這篇論文于1949年秋季正式發表。盡管在此之前已有人用比較寬泛的語言從分子層面上論述過疾病的病因，但像鮑林研究組這樣具体展示疾病的分子變异基礎的，還是第一次。此后，辛格和依泰諾繼續深入進行這一項研究。處于鐮狀細胞貧血症中間階段的患者稱為有“鐮狀細胞貧血性狀”，比重症病人的症狀要輕。依泰諾和辛格通過實驗證實，這類病人的血液中含有正常血紅蛋白和鐮狀細胞血紅蛋白的混合体。對正常人、鐮狀細胞貧血性狀患者和鐮狀細胞貧血症患者的家族關系進行分析的結果顯示，這种病是按照孟德爾１式遺傳的。遺傳疾病的鐮狀細胞基因由兩條等位基因組成，即有兩個變异体，分別來自父母親。鐮狀細胞貧血性狀患者攜帶一條帶病的等位基因。即一個變异体；而重症病人攜帶兩條帶病的等位基因。 １孟德爾（Gregor Mendel，1822—1884），奧地利遺傳學家，孟德爾學派創始人，原為天主教神父，發現遺傳基因原理（1865），總結出分离定律和獨立分配定律，奠定了遺傳學的數學基礎。 這樣，鮑林研究組确定了疾病的根源在于某類特定分子的變异，并把這种變异与基因學說緊密聯系了起來。他們的研究成果成為醫學和分子生物學發展史上的里程碑。這一成果證實了鮑林的看法：弄清楚蛋白質分子所在的那個未知的黑暗區域的情況是十分重要的，這就吸引了整整一代醫學科研人員從分子層面上來進行疾病的研究。這一成果有力地支持了鮑林關于醫藥研究必須建立在現代化學方法基礎上的觀點，展示了對遺傳性疾病新的研究前景。他們的研究成果還開創了异常血紅蛋白研究工作的新時期，這類研究此后延續了多年并取得了丰碩的成果。最后，他們的成果又一次提高了鮑林的地位，特別是他在醫學界的地位。 ------------------ 亦凡公益圖書館掃校(shuku.net) |
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