20世紀的科學怪傑：鮑林(64)

六四

　　發表於1945年的這一章內容，不僅首次闡明了現代結構化學和免疫學之間的關係，而且還首次雄辯地證明了一個事實：在分子層次上發生的大多數甚至是全部的生物現象均可通過創造性地應用公認的化學原理而得到解釋。由於這部分內容發表於免疫學的專著中，因此在化學界沒有引起多少反響，然而對戰後那些讀過這本書的青年生物學家和免疫學家卻產生了巨大的影響。例如，後來的諾貝爾獎得主。免疫學家喬舒亞·萊德布格認為，這章內容是鮑林所寫的最重要的論著之一，對於那些缺乏經驗的分子生物學家來說，這是一本幫助他們弄清大量複雜問題的指導書。

　　把免疫特異性歸結為分子能夠取精確的互補性形態的思想，既符合鮑林和德爾布呂克在1940年發表的論文中提出的理論，又符合鮑林和莫斯基關於蛋白質結構的設想：蛋白質是由氫鍵聯結起來的有著精確形狀的鏈狀分子。然而，這個思想的適用範圍已遠遠超出了免疫學。

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　　1944年，薛定諤（他當時生活在都柏林）出版了一本小冊子，書名為《生命是什麼？》。由於作者被公認為波動方程之父，故此書出版後立即備受關注。然而這是一本怪書。薛定諤欲把自己富有創見的想像力以一種略帶詩意的方式推廣到解決重大的生物學問題。在鮑林看來，全書充滿了模糊不清的推理。薛定諤在書中提出一個長期以來難以解答的悻論：為什麼在趨於最大熵的宇宙中，那些有條不紊的生命系統卻能存在並繁殖？他認為不能用經典的物理定律來解釋生命現象。於是他提出了一個叫做「負嫡」的新概念。有機物以某種方式從這種尚未發現的物質中吸取能量後，就能抵禦瓦解的趨勢。在此理論框架內，薛定諤提出基因應是一種能自我複製的「非週期性晶體」。儘管理論本身含糊不清，但這本書在戰後時期對年輕的物理學家產生了巨大影響，他們中許多人由此轉向了生物學，投身於活體細胞的細胞質研究，期望從中發現新的物理定律。

　　鮑林認為這本書是「豬食」。沒有任何人能證明這種所謂的「負嫡」的存在。基因決不是薛定諤聲稱的那種「非週期性晶體」，而極可能是蛋白質鏈，這種結構能夠以若干種不同的形式穩定地存在於機體內。鮑林在評論《生命是什麼？》這本小冊子時說：「薛定諤的熱力學討論非常模糊和膚淺，即使作為通俗讀物也是有誤導作用的。無論是過去還是現在我都認為，薛定諤對我們正確理解生命現象沒有任何貢獻。」

　　鮑林對生命的本質有著他自己的更易為大眾接受的解釋。「薛定諤認為有生命的物質工作的方式不能用普通的物理定律來解釋，有機體內部原子相互作用的方式不同於無生命物質內部的作用方式，」鮑林在給朋友的信中寫道，「我並不認為這樣的差別會真的被發現出來。」在鮑林看來，生命可以歸結為「擁有一些具體的特徵並可把這些特徵遺傳給自己產生的後裔」，生命過程只不過是一種分子的特異性，完全可用化學原理把它解釋清楚。

　　在薛定諤熱衷於負熵的夢想時，鮑林卻從果醬中受到了鼓舞。在廚房裡孩子丟棄的一隻果醬瓶的外壁上，他看到了分子互補性理論的實實在在的證據。殘留在瓶裡的果醬經過幾天之後，周圍出現了少量酒石酸氫鉀的小晶體，這是葡萄醬的一種組成成分。這一難解之謎的焦點是，酒石酸氫鉀的分子怎麼知道從果醬千千萬萬顆分子中分離出來，然後僅僅跟同類分子聚集在一起，自行組成次序井然、純度極高的晶格？按照鮑林的觀點，毫無疑問這是分子的互補性結構在起作用。

　　一種化學元素的少量分子堆集在一起將發揮晶種的作用，在晶種的表面存在很多空隙，留待新的分子去充填。但是只有同種分子才能緊密地嵌人。酒石酸氫鉀的分子排列起來而形成的空隙只能由同類的分子去充填，其他元素的分子不是太大和形狀不對，就是太小，以至飄移不定，難以長時間作穩定停留。按照熱力學理論，應該存在如純晶體這樣的分子排列最為緊密的結構，而不大可能是分子隨機排列的結果。無需借助新的自然規律，完美的晶體就能從葡萄醬中生成。這也是地面上、岩洞中和海洋裡各種晶體生成的方式，其生成條件比生命機體內的條件要平常得多。既然如此，在生命機體內高溫和奇特的化學環境裡，為什麼不能發生不同尋常的化學反應呢？

　　鮑林相信：「我們遠遠沒有達到平衡態，因此在不違反熱力學定律的情況下，那些看來很不可能的反應也可能發生。這類反應往往依賴於品種或模板的存在，它們決定著反應的方向。我們在無生命的世界裡已經看到了這樣的例子，其反應機制與生命機體內的反應機制是相同的，這就是絲絲入扣的分子互補性。」

　　鮑林認識到，沒有必要補充新的定律，他看到了一個偉大的新理論體系的雛形：將他關於無機晶體學的理論和觀點推廣到整個生物學中去，利用現代物理化學相結合而產生的那些概念和理論，可以把整個宇宙統一起來。鮑林認為：「我們可以這樣說，生命過程從無生命過程借用了同樣的基本機制，這就是用來生成晶體這種奇妙結構的機制，」這個化學大一統理論適用於從礦物到人體的各種對象，精妙絕倫。鮑林堅信，他正走在正確的軌道上；他的直覺告訴他自己沒有錯。

　　1945年以後，分子生物學對鮑林的重要性和吸引力已不亞於晶體結構和化學鍵理論，他把過去投入其他領域並使他取得突出成就的聰明才智和幹勁帶進了這個新的學科。他花費大量時間，廣泛閱讀內容涉及生物化學、生理學、遺傳學和酶學的各種雜誌，還讀一點細菌學和微生物學。他尋找突破口，即那些能夠應用結構化學理論來回答生物學問題的最易於突破的領域。

　　最初選擇的目標是酶。許多重要的生化反應似乎都發生在條件極差的環境裡，其反應速度難以用普通化學定律來解釋。人們認為這是由於酶的中介作用促成的。酶是一類可作為生物催化劑的蛋白分子，它能在保持自身不變的情況下加快反應進程。大多數化學反應的進程可以比擬為火車翻越山坡，首先注入一定量的能——活性能——用來激活初始反應物到達山頂，這時反應物已吸收了足夠的能量發生化合或分解，或者產生其他各種變化，然後反應生成物沿著能量曲線的下降方向下滑到一種新的穩定態。

　　催化劑的作用好比降低山坡的高度，即減少引發化學反應所需的活化能量。山坡越低，化學反應就開始得越快。當然，作用是兩方面的；較低的山坡也使得反應生成物更易發生逆向反應重新組成初始反應物。總效應依賴於雙方的相對濃度：如果反應物多於生成物，催化劑將推動反應向一個方向進行，形成更多的生成物，直至雙方的濃度達到相等為止。在生物體內，通過加速形成生成物或者消耗生成物，酶化學反應將沿著正確的方向進行下去。

　　酶還具有高度的特異性，每一種酶僅能對一對反應物和生成物發揮作用。以消化液中的胰蛋白酶為例，它的作用是催化將蛋白質鏈分割成小段的過程。然而，它在鏈上的作用點是精確定位的：僅僅在兩種特殊的氨基酸連接處發生作用，而決不會在別處。對鮑林來說，這種特異性很易理解：酶與抗體一樣，其形狀只與目標分子相匹配，也就是說，酶具有一種互補性結構。那麼，與什麼物質互補呢？鮑林注意到，酶在由反應物形成生成物以及由生成物重新構成反應物這兩個方向上均能發揮作用。「酶必需在兩個相反的反應方向上均發揮加速作用，這個事實告訴我，與酶互補的物質必定是位於反應物與生成物中間的某種中介物質，」鮑林說道。

　　鮑林的假設與一種被酶化學家稱為「活化複合體」的假設性物質有關。這種活化複合體生成於反應物與生成物的中間變化位置上，它在酶化學反應過程中僅能存在幾分之一秒的時間。鮑林接著說道：「酶為什麼能使化學反應的速度提高一千萬倍之多？這個問題的答案是十分明顯的——至少對我來說是這樣，那就是，酶必需具備降低活化能的能力——即降低生成活化複合體的能量的能力。而要降低活化能，酶可通過與活化複合體形成強鍵而與反應物和生成物只形成弱鍵的途徑來實現。」

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