20世紀的科學怪傑：鮑林(44)

四四

　　直到1934年，劍橋大學晶體學家約翰·伯納爾證明了另一種理論。伯納爾發現，球蛋白就像水母：需要借助液體環境來保持原來的結構，失水後，結構就會遭到破壞。伯納爾將其懸浮在液體中進行Ｘ射線衍射，得到了一些實用的圖形。到了30年代末期，以他為中心的一個小組致力於揭開球蛋白結構之謎。他和同事們——其中包括多蘿西·霍奇金和在維也納受過培訓的青年化學家馬克思·佩魯茨——對一些球蛋白進行了提純、結晶和Ｘ射線衍射分析：胰島素、血紅蛋白和糜蛋白酶。這是在極端艱苦的環境中取得的巨大成就。在佩魯茨的記憶中，劍橋實驗室是「在一幢破舊灰色大樓底層的幾間燈光昏暗的髒屋子」，但是怕納爾成功地將其變成了「神話中的城堡」。

　　他們發現，他們研究的所有球蛋白都具有規則的結構，而且無一例外地異常複雜——當鮑林看見在劍橋實驗室中拍攝的照片時，他的第一個反應是，如果直接用Ｘ射線分析這類蛋白質結構是可行的話，那也至少要花費幾十年的時間。阿斯特伯裡和伯納爾的研究工作引起了越來越多的人的注意，其中也包括韋弗。他在30年代中期開始資助他們的工作。在洛克菲勒基金的支持下，三個中心開始圍繞蛋白質精確的結構展開聯合科研活動。前兩個中心分別由阿斯特伯裡和伯納爾領導。兩人都是物理學家，都認為只有通過不厭其煩的、直接的Ｘ射線衍射分析才能揭開整個蛋白質的結構之謎。第三個中心在帕薩迪納，由鮑林領導。他尋求以理論的形式，在對結構化學的深刻認識基礎上尋找一條捷徑。在1935年，三個中心的不同之處在于，英國科學家從其Ｘ射線工作中得到了許多實際數據，而鮑林還沒有發表過一篇關於蛋白質結構的論文。

　　§氫鍵

　　鮑林很快意識到，要對這些奇怪的巨大蛋白質分子作實驗，一定需要借助外界的幫助。

　　洛克菲勒醫學研究所的一個研究小組正好具備鮑林缺乏的這種專長。兩位洛克菲勒科學家，阿爾弗雷德·莫斯基和莫蒂默·安森最近所作的實驗表明，在某些情況下變性可以被逆轉；例如，血紅蛋白在受熱後會改變形狀並喪失攜氧的能力，然而如果被小心地冷卻，至少一部分分子會恢復原來的形狀和特性。結構和功能的這一聯繫令鮑林眼睛一亮，但是洛克菲勒小組的實驗技能更讓他心動。鮑林在1935年春天到紐約拜訪了莫斯基，兩人一見如故。鮑林直截了當地請莫斯基到加州理工學院工作幾年，令莫斯基又喜又驚。他結結巴巴地說，這是一個不壞的主意，但是過於突然，所長西蒙·弗萊克斯納不會答應的。鮑林說，他覺得所長可能會同意。他找到了所長辦公室，說服秘書立即安排他和所長會面。他不僅要求弗萊克斯納同意放莫斯基，還要求洛克菲勒醫學研究所支付一切費用。弗萊克斯納是洛克菲勒基金理事會成員，從韋弗那裡對鮑林早有耳聞。他對這位青年科學家的坦率感到好笑，同時對他將化學技巧運用到生物學上感到十分有趣，最終答應了鮑林的要求。

　　莫斯基在夏天剛開始的時候來到了帕薩迪納，馬上開始對蛋清、肌肉和其他蛋白質的變性過程做了一系列的實驗。鮑林讓莫斯基負責實驗室工作，同時彼此探討變性的化學含義——弄清楚這一過程對蛋白質的結構造成了哪些實際的影響。莫斯基和安森收集的實驗數據表明，變性過程可以分為兩個層次，這讓鮑林產生了濃厚的興趣。第一個層次由相對較弱的熱量和酸引起，往往是可逆的。而第二個層次，由較高的溫度，較強烈的化學環境或是與破壞蛋白質的酶發生的反應所引起，通常是不可逆轉的。

　　根據這些數據，鮑林很快地用化學鍵理論作出了自己的解釋。兩個層次的變性意味著有兩種類型的化學鍵，第一類涉及到相對較弱的化學鍵，很容易被打破或重建；第二類涉及到較強的化學鍵，難以打破，也難以重建。鮑林對打破第二類較強的化學鍵所需的能量進行了測定，數據表明這一類化學鍵為共價鍵；這反過來也驗證了蛋白質是由氨基酸與共價的肽鍵結合而成的長鏈的觀點。第二層的變性基本上將蛋白質撕裂成了碎片。

　　鮑林對較弱的化學鍵的研究更富有成果。他很快意識到，打破第一類化學鍵所需要的能量符合他所知的稱為氫鍵的奇怪的化學鍵類型。在1935年的時候，鮑林是全美為數不多的理解並認識到氫鍵重要性的科學家之一。這一理論認為，氫在某種情形下，可以不形成一般的共價鍵或離子鍵，為兩個原子所共有，在兩者之間形成一座橋樑。鮑林認識到這一理論可以運用到他的化學鍵構想中：一方面，氫原子要靠近一個電負性很強的原子——比如說氧原子，或是氟原子——氫原子的孤電子被吸向這一原子，電荷集中在兩個原子之間的區域中，在這一邊形成一個小的負電荷。結果，在氫的另一邊電子出現的機會較少，形成了一個小的正電荷，這樣就與附近帶負電的原子或分子形成了靜電鍵——氫鍵。鮑林早在1928年就撰文討論過氫鍵的概念，在1934年自己的共振理論中也融入了這一理論，並在1935年關於冰的摘值的論文中集中運用了這一理論。

　　現在莫斯基的變性實驗使鮑林進一步確信，氫鍵是蛋白質結構中一個重要的成分。1935年秋天，他們兩人根據鮑林的思路初步提出了一種新理論。他們寫道：「我們對一個自然的蛋白質分子（表現出一定的特性）的認識如下。分子包含一個多肽鏈，在整個分子中連續不斷（或者在某些情形下，包含兩條或更多的多肽鏈）；這一多肽鏈被折疊為由氫鍵鍵合的唯一的結構。……」換句話說，所有蛋白質都包含氨基酸環，以及可能以阿斯特伯裡認為的原始蛋白質角蛋白形式存在的多肽鏈。強肽鍵使整個鏈成為一個整體，但是各部分之間較弱的氫鍵折疊之後使整個鏈成為其最終的形狀。這最終的形狀對蛋白質的功能是至關重要的；分子除非保持這一形狀，不然難以完成其功能。稍微受熱之後，氫鍵斷裂，整個鏈條伸長，並像針線盒中鬆散的紗線那樣糾結在一起。然而，只要整個鏈還是一個整體，在合適的條件下，氫鍵能夠重建，蛋白質也能恢復原先的形狀和活性。較強的處理將使鏈本身斷裂，打破肽鍵，並不可逆轉地使蛋白質變性。

　　1936年7月，這篇名為「論自然、變性和凝結的蛋白質結構」的論文發表在《國家科學院學報》上，很快就被公認為是本領域中一項重要的進展。鮑林對化學鍵的認識一舉對蛋白質變性和蛋白質活性的紛繁複雜的觀察數據提出了一個統一的解釋。韋弗大喜過望：儘管鮑林的思想最終被接受尚要假以時日，但是他向解決韋弗的「巨大的蛋白質問題」邁進了一大步。

　　然而，當論文在1936年6月1日到達《國家科學院學報》編輯部後的兩天，鮑林的生活經歷了一場巨變，原因與蛋白質沒有絲毫的聯繫。

　　◎9　國王　教皇　怪傑

　　§青年獨裁者

　　諾伊斯的健康長期以來如風中殘燭。在20年代，他首先被錯誤地診斷患有癌症，又被懷疑肺結核感染，靠大劑量的腺體注射來強打精神，還因為吃炸麵包受噎引起潰瘍而不得不進行了痛苦的咽喉手術。早在1928年，他就自以為「最多再活五六年——可能更少」。他開始把自己日漸衰弱的精力集中到為數很少的幾個項目上，其中最重要的是完善加州理工學院的本科教育體制。在90年代代早期，諾伊斯惡化的健康和他對課程政策的關注，使鮑林覺得化學系的需要遭到了怠慢。

　　但是，諾伊斯一貫的做法是將學院放在第一位。20年代初期，為了吸引密立根到帕薩迪納來，他和海耳決定把加州理工學院大部分的資源投向物理系。結果，密立根的王國迅速膨脹；1927年物理學有60個研究生，而化學系只有20個。

　　這正好同老牌大學，如哈佛和康奈爾大學，截然相反。在那些學校中，化學仍然是自然科學之王，比物理擁有更多的教師、金錢和榮耀。然而，諾伊斯到西部來是為了幹一番新的事業的。他相信，一個小系更團結，更便於交流不同的思想，而且不容易陷入派系的鬥爭。同時，教師較少，就能夠和精心選擇的學生保持更加密切的對話。他是一個出類拔萃的團隊協調者，本性不適合你傾我軋的爭鬥，因而對化學系的緩慢增長已經感到心滿意足了。在20年代，儘管在全校處於第二位，但是化學和化學工程系總的經費幾乎增加了三倍，有20個不同的研究項目得到了卡內基基金會的資助。即使在大蕭條迫使研究經費縮減，並使建造新的化學樓的計劃暫停下來的時候，諾伊斯看上去也並不煩惱。他的行事原則是穩健。

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