诺贝化学奖文字版.docx

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诺贝化学奖文字版

2013诺贝化学奖――将实验带入网络空间

迈克尔·莱维特：

美国斯坦福大学医学院教授。

他1947年生于南非比勒陀利亚，1971年在英国剑桥大学获得博士学位。

马丁·卡普拉斯：

美国哈佛大学和法国斯特拉斯堡大学教授。

他1930年生于奥地利维也纳，1953年在美国加州理工学院获得博士学位。

阿里耶·瓦谢尔：

美国加利福尼亚南部大学教授。

他1940年出生于以色列，1969年在以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位。

2013年诺贝尔化学奖颁给了3位美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢尔，以表彰他们在电脑模拟化学反应领域作出的开创性贡献。

3位科学家结合经典和量子物理学，设计出多尺度模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。

得奖理由

　　为复杂化学系统创立多尺度模型

　　瑞典皇家科学院说，在上世纪70年代，3位科学家为借助电脑程序理解和预测化学过程及其结果奠定了基础。

化学反应速度极快，传统方法几乎不可能弄清过程中的每一步。

借助3人的研究成果，科学家能够用电脑揭示化学反应的奥秘，比如催化剂净化废气和光合作用。

　　先前，化学家们只能在经典物理和量子物理之间作出选择。

前者计算简便，但只能用于大分子，无法模拟化学反应；后者则只能用于小分子并且计算量庞大。

3位获奖者做出“开创性工作”，融合经典物理和量子物理，创造出新方法。

比如，模拟一种药物如何作用于人体中特定蛋白质时，电脑用量子物理计算蛋白质内的原子与药物之间的相互作用，用经典物理模拟蛋白质剩余部分。

详细解析　　　　　　　　

图1：

现在的化学家在电脑上做实验几乎与在实验室做实验一样频繁，从电脑上得到的计算结果经由真实的实验得到结果证实后，让我们对原子世界如何运作会得到新的线索。

此可谓理论与实践相辅相成。

■化学反应以闪电的速度进行着，电子在原子核间跳跃，躲避着化学家们虎视眈眈的双眼。

2013年的诺贝尔化学奖得主们利用电脑，让化学反应的神祕路径得以现形。

对于化学运作的细部了解，使得催化剂、药物以及太阳能电池的最佳化变得更有效率。

全世界的许多化学家几乎每天在电脑上设计以及执行实验，透过马丁·卡普拉斯（MartinKarplus）、迈克尔·莱维特（MichaelLevitt）以及阿里耶·瓦谢尔（AriehWarshel）于70年代所发展的方法，化学家们检视着用肉眼无法看到的复杂化学过程中每一个小小的步骤。

为了让读者感受到人类如何因此而受惠，让我们用一个例子来开头。

请穿上你的实验服，因为我们要给你一个挑战：

创造人工光合作用。

这个在绿叶中进行的化学反应，让大气充填了氧气，也是地球上有生命存在的必要条件之一。

从环境的角度来看，这是很有意义的，因为如果你能够模拟光合作用，就能创造更有效率的太阳能电池。

当水分解时会产生氧气，但伴随产生的氢气则可以用于驱动我们的车辆。

因此你有十足充分的理由参与这个计划，假如你成功了，你也会对解决温室效应的问题有所贡献。

一张图超过千言万语――但并非全部

做为第一步，你应该会上网去找寻那些控制光合作用的蛋白质的三维结构图像。

网络里这些图像均可自由的取得，在你的电脑上可将图像随意旋转和扭曲，它揭示了巨大的蛋白质分子里数以万计的原子。

在其中心某处，有一个小小的区域，被称为反应中心，这就是水分子被裂解的地方。

不过只有几个原子是直接参与这个反应的，图像很清楚的显示了原子与离子相互坐落的位置，但却无法说出这些原子与离子如何运作，这就是你需要搞清楚的。

电子必须从水分子中取出，另有四个质子（H+）必须处理，这到底如何发生呢？

这个过程用传统的化学方法基本上是无法弄清楚的，有太多的事情发生在一个毫秒（10-3秒）之内――这种速度排除了用试管实验来研究的可能。

从你的电脑图像也仍然很难猜测反应的过程，因为图像是在静态取得的，然而当太阳照射在绿叶上时，那些蛋白质充满了能量而整个分子的结构改变了。

为了了解这个化学反应，你需要知道充填了能量的分子结构是什么样子。

这就是需要召唤电脑程序来帮助你的时候，而这些电脑程序就是基于2013年的诺贝尔化学奖得主们所奠定的基石。

理论与实践――一个成功的相辅相成案例

利用这种电脑程序，你可以计算各种可能的反应路径，这被称为模拟（simulationormodeling），此法让你对那些原子在化学反应的不同阶段扮演的角色有些概念，而当你有一个可能的反应路径时，会较容易执行真实的实验来证实电脑的对错，这些实验反过来提供了新的线索以导致更好的电脑模拟结果；理论与实践达到相辅相成的效果。

结果是，化学家们花在电脑前面的时间，与花在试管之间的时间几乎一样多！

那么这次诺贝尔化学奖得主们发展的电脑程序，到底有何神奇之处呢？

将两个世界最好的整合起来

过去，当科学家们要在电脑上模拟分子时，他们拥有的程序不是基于经典牛顿物理学，就是基于量子物理，二者各有长短。

基于经典物理的程序能计算与处理大的化学分子，它们只能显示静态的分子，但是给予化学家们关于分子内的原子的相对位置很好的图像，可是你无法用这些程序去模拟化学反应。

在化学反应时，分子是充满能量的，处在激发的状态，经典物理就是无法理解这些状态，而这就成为一个严重的限制。

图2：

牛顿与薛丁格的猫：

从前，经典物理与量子化学分属两个相互对抗的世界，2013年的诺贝尔化学奖得主们替这两个世界打开了一扇大门，带来了顺畅的合作。

当科学家们要模拟化学反应时，他们需要转而求助量子物理；其二元理论（dualistictheory）将电子视为同时具有粒子与波动的双重性质，其中著名的“薛丁格的猫”，藏在盒中，可能是活的也可能是死的。

量子物理的强项在于它是没有偏见的，其模型不包括科学家们的预测，因此这样的模拟较为真实。

但其缺点在于计算需要耗费庞大的电脑资源，因于电脑需要处理分子中的每一个电子以及原子核。

这就好像一张数位图像的像素（pixel）数目，像素愈多解析度愈佳，但是需要较多的电脑空间。

类似的，透过量子物理的计算，虽然可以描绘化学反应中的详细过程，但是需要强大的电脑。

在1970年代，这意味著科学家们只能对小分子进行计算。

在模拟时，他们被迫忽略分子与周遭环境的作用，虽然真实世界中的化学反应大都在某些溶液中进行，但是假若科学家们计算时，要电脑将溶剂也一并考虑的话，他们将需要等待个几十年才能得到结果。

所以经典物理与量子化学是两个本质上不同，而且在某些方面相互冲突的世界。

但是2013年的诺贝尔化学奖得主们，替这两个世界打开了一扇大门，在他们的模型里，“牛顿与他的苹果”，跟“薛丁格和他的猫”合作。

量子化学与经典物理合作

在70年代，在美国哈佛大学卡普拉斯的实验室里，开展了合作的第一步。

卡普拉斯具有深厚的量子背景，他的研究小组发展的电脑程序，借着量子物理的帮助可以模拟化学反应。

他也发展了所谓的“卡普拉斯方程式”应用于核磁共振（NMR），那是一个化学家熟知的方法，乃基于分子的量子化学性质所建立的。

当瓦谢尔完成他的博士学位后，他在1970年进入了卡普拉斯的实验室。

他的博士学位是在以色列Rehovot的Weismann科学研究院所获得的，该研究院拥有一台能力强大的电脑，被称为Golem，那是取自犹太传说中的一位有生命的泥人的名字。

透过Golem的帮助，瓦谢尔与莱维特基于经典理论，发展了一个突破性的电脑程序，此程序能够模拟各种分子，甚至于真正很大的生物分子。

当瓦谢尔加入卡普拉斯在哈佛大学的研究小组时，带着他那经典的电脑程序，以这个程序为起点，他与卡普拉斯发展了一个新的程式，以不同的方式计算不同的电子。

在大部分的分子中，每一个电子绕着特定的原子核运行，但是在某些分子中，某些电子可以毫无阻碍的在数个原子核间移动，这些“自由电子”可以存在于像是视网醛（retinal）这个分子中，此分子是嵌在眼睛的视网膜上。

卡普拉斯对于视网醛有著长期的兴趣，因为这个分子的量子化学性质影响了某些生物的功能；当光照射在视网膜上，视网醛的自由电子就会得到能量，因此改变了分子的形状，这是人类视觉的第一步。

最后卡普拉斯与瓦谢尔终于能够处理视网醛，不过他们是从具有简单结构的类似分子开始的。

他们发展了一个电脑程序，运用量子物理来处理自由电子的计算，但是用简单的经典理论来处理其它的电子以及所有的原子核。

在1972年，他们发表了研究结果，这乃是第一次有人能够通过经典物理与量子物理的合作来处理化学相关的问题，但是此法仅能处理具有镜面对称性的分子（像人一般有一面镜子在身体正中央而左右对映）。

用一个万用程序来计算生命的化学

在哈佛大学待了两年之后，瓦谢尔又与莱维特合作。

此时莱维特已经完成了英国剑桥大学的博士训练，正值全球尖端的研究都在探讨像DNA、RNA以及蛋白质这类的生物分子，他企图用他的经典电脑程序来对生物分子的结构做进一步的了解，然而限制仍然存在，仅能观察静态的分子。

莱维特与瓦谢尔瞄准了一个很高的目标，他们想要发展一个程序用来研究酵素；也就是生命活体中控制与催化化学反应的许多蛋白质。

早在瓦谢尔还是一位年轻的学生时，他就对于酵素如何运作很好奇。

透过酵素间的相互合作，生命才可能存在，它们控制了基本上所有生命体内的各种化学，如果你想要了解生命，你就必须了解酵素。

为了能够模拟酵素的反应，莱维特与瓦谢尔必须让经典物理与量子物理的合作更为顺畅，这花了他们许多年去克服各种障碍。

他们的探索始于Weismann科学研究院，但是当莱维特在数年后完成了他的博士后研究的训练，他回到了剑桥，在那里瓦谢尔也来加入。

在1976年，他们达成了目标并发表了第一个酵素反应的电脑模拟，他们的程序是革命性的，因为它可以用在各种分子上，在模拟化学反应时，大小已经不成问题。

聚焦于运作的心脏

现在当化学家模拟化学反应时，他们需要时就会运用这种力量。

他们对每一个直接影响化学过程的电子与原子核，进行吃力的量子物理计算，这样，他们取得关键所在尽可能最佳的解析，分子其它的部分则用经典的方程式来模拟。

为了不浪费电脑的能力，莱维特与瓦谢尔将计算的负载进一步修减，电脑不需要一直处理分子中不重要部分的每一个原子，他们展示了可以将多个原子合并计算。

现在的计算中，科学家还在模拟时加入了第三个层次。

简单的来说，电脑可将离化学反应中心很远的原子们包裹在一起，成为一个均匀的质体，在科学圈内，这被称为介电介质（dielectricmedium）。

图3：

现今化学家们模拟分子的运作时，若有需要就会运用电脑的力量。

量子物理的计算成为了此一系统的核心，其外则是基于经典物理的处理，而在最外层的原子和分子则视为聚集在一起的一团均匀物质，这种简化的方式，让我们能用计算来处理那些巨大的化学体系。

模拟将带我们进展到多远取决于未来

因为现今的科学家可以用电脑来进行实验，这让我们对化学反应如何的进行有了更深的理解。

卡普拉斯、莱维特以及瓦谢尔发展的方法的优势在于它们是万用的，它们可以用来研究各种化学；从生命的分子到工业上的化学反应，科学家可以将太阳能电池、汽车用的催化剂或甚至于药物最佳化，而这仅是举几个例子而已。

不过进展不会停在那里，在莱维特的一篇论文中，写到了他的梦想：

在分子的层次模拟生命体，那真是个极为诱人的想法。

由2013年的诺贝尔化学奖得主们发展的电脑模拟，是极为有力的工具，到底它可将我们的知识推进到多远，只有未来才能决定。