书城科普读物站在巨人肩上-从沃森谈分子生物学
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第11章 法国分子生物学元勋——莫诺(2)

化学键的理论先驱——鲍林,1901年2月出生在美国的俄勒冈州波特兰市,这是一个伟大的生命。1922年,也就是21年后,他成为州立学院的化工理学士。过了四年,他又戴上了加州公学院最佳哲学博士的桂冠。

在他的一生中,曾先后在几十所著名的大学从事教学和科研工作。在化学、分子生物学上作出了卓越的贡献。

“对于聪明而不愿勤奋的人,我从来就对他不怀好感。”这就是他的人生格言,而他正是这样的一个从不自持聪明,始终不辞艰辛的在科学的高峰和崎岖的道路上攀登的人。

鲍林早期的成就是创建近代化学键理论,揭示了化学键的本质。所谓化学键,是指分子中原子间相互连接起来的一种作用。这种看不见、摸不着的化学键,是否真正存在呢?其本质是什么呢?当时尚无人知道。

鲍林即对这个问题发生了极大的兴趣,开始于大学一年级的时候,并立志要攻克这个堡垒。但他深知凭自己的能力,现在还为时尚早。于是他埋头于化学图书馆中,废寝忘食,刻苦学习。查阅各种资料,博览群书,汲取营养,充实、提高自己。同时,不断参加一些研究性工作。这些都为他以后的创造性工作打下了坚实的基础。

1926年,鲍林又远渡重洋,慕名来到“化学王国”德国。当时,欧洲正值量子理论风靡科学界的日子。一代量子理论大师像海森堡、玻耳、薛定谔、狄拉克等不断有观点问世。量子理论日臻完善。鲍林虚心地向他们学习,深受教益。经过多年精心研究,特别是受到方兴未艾的量子理论的启发,终于在1939年发表了他那部惊人的著作——《化学键的本质》。

文章指出,化学键就是分子或原子团之间因电子配合关系而产生的相互结合。简言之,化学键的本质就是电子的相互作用。这种相互作用有三种形式,即化学键的三种基本类型:共价键、离子键、金属键。各种各样的分子的化学键不同,也就意味着分子的性质差异。因此,掌握了化学键理论,就掌握了人工合成大门的一把钥匙。在该理论指导下,人工合成出一个又一个新物质,事实雄辩的证明了鲍林理论是正确的!

鲍林博士的重大成就让他两次获得诺贝尔奖之外,同时还荣获了美国化学学会的纯粹化学奖、国家科学奖、1977年苏联科学院罗蒙诺索夫金质奖章等十多项奖赏。此外,世界许多著名学府授予他荣誉博士学位和科学院荣誉院士称号。

在当今世界众多的化学家中,鲍林可以称得上是成就最突出的代表人物之一,他的研究工作范围非常广泛,许多方面都处于领先的地位,如:①他对化学键本质有深入的研究,首先提出化学键可能有一种混合特性,即既含有共价性,又含有离子性;②第一个提出“电负性”概念,并确定了元素的电负性值,有助于预见各种化合物的共价性和离子性程度;③把“共振”这个术语用于化学键理论;④首先提出氢键在本质上和程度上与共价键以及范德华力不同;⑤第一个提出蛋白质分子具有螺旋状结构。

鲍林还是少有的获得过两次诺贝尔奖金的科学家之一,下面让我们再来回顾一下鲍林的成长历程。

1901年2月28日,在美国西部俄勒冈州的波特兰市一位药剂师的家里降生了一个男婴,他就是后来闻名遐尔的化学家莱纳斯·鲍林。在莱纳斯·鲍林的幼年时期,他对于观察父亲在药房里配制各种粉剂和药膏非常感兴趣。不幸的是,在他九岁的时候,父亲就去世了,但是父亲的影响仍然在促使他爱好和学习化学。

在鲍林十一、二岁时,就经常去他的好友杰弗里家里玩,好友让鲍林看一些有趣的化学实验。鲍林记得最清楚的实验乃是将糖与氯酸钾混合,然后加上几滴浓硫酸,立刻发生了剧烈的反应,一面冒着水蒸气,一面生成了蓬松的像发面一样的黑色碳粒。鲍林还从父亲的朋友处得到了很多化学药品,于是他自己也做起了化学实验。

在高中时,化学老师不但让鲍林做有机化学实验,他还做了一系列定性分析实验。后来,鲍林居然能够协助老师对学校买来的煤和油进行热量测定。

鲍林在俄勒冈州州立学院学习的专业是化学工程,1922年获学士学位。但是他已经认识到自己所要选择的职业是化学,而不是工程。于是,他申请到加州理工学院学习,他被允许作为兼任助教工作的研究生。由于他的努力,1925年获该校哲学博士学位。毕业后,曾往欧洲留学,1927年回母校任教,1931年升任教授。他在加州理工学院一直工作到1963年。1963~1967年他担任加州圣巴巴拉民主学院研究中心的物理学和生物学教授。1967~1969年任圣地亚哥的加利福尼亚大学化学系教授。1969~1973年任斯坦福大学教授。1973年后,任以鲍林命名的科学和医学研究所研究教授。

鲍林早期最主要的研究课题是化学键理论。当他还在大学时,就感到应该用化学键来解释物质的性质。后来又在加州理工学院利用X射线研究晶体结构,发表了涉及核间距和预言晶体结构的论文。

1922~1933年,物质结构研究领域发生了更巨大的变化,量子力学在化学中的运用,使鲍林能够应用这一理论来研究原子和分子的电子结构以及化学键的性质。例如,在化学键理论方面,柯塞尔曾经提出过离子键概念;路易斯则提出过共价键概念。鲍林认为,离子键和共价键是两种极端的形式。事实上,还可能存在一些介于离子键和共价键之间的中间结构,它们是这两种键的不同结合形式。也就是说,化学键可能有一种混合的特性,其中既含有离子键,也含有共价键。1932年,鲍林提出了电负性概念,并确定了很多元素的电负性的数值。他以键能的计算为基础,给每种原子指定一个电负性值,电负性最强的氟的数值是4,最弱的是0.7。电负性有助于预计各种化合物的离子性或共价性的程度,在阐明无机化合物的性质以及化学键的稳定性方面有一定的作用,它是鲍林对现代无机化学和物理学化学理论的一大贡献。

鲍林是把“共振”这一术语用于化学键的第一位科学家。

鲍林的有关化学键方面的论述主要发表在《化学键的本质》和《量子力学导论》中,这两本著作也是他的代表作。其他还有《分子的构造》和《线光谱的结构》等书。鲍林写的大学化学教科书也是颇为有名的,例如《普通化学》和《大学化学》。其中,《普通化学》的原版及其中译本曾被我国的高等学校化学系采用。

鲍林的研究领域也包括化学向生物学和医学的渗透。例如,他提出了纤维状蛋白质分子的α-螺旋体模型;他的有关镰状细胞贫血和其他遗传性溶血性贫血的异常血蛋白的研究则具有开创的意义;他还研究维生素C与癌症发病率和死亡率的关系以及维生素C对治疗感冒的功能。

对蛋白质多肽链的结构,鲍林指出了两点:第一,酰氨基的C—N键键长平均为1.32埃,比正常的单键要短,因此它具有一定的双键成分,在肽链的每一个氨基酸单位中,酰胺基团应具有平面结构;第二,酰胺基团之间应形成尽可能多的氢键。

根据以上两点提出蛋白质分子的α螺旋体模型,他指出:在肽链分子内部要满足最大限度的氢键,可能形成两种螺旋体,一种是α-螺旋体,它在螺旋体的每一转中包含5.1个氨基酸单位;另一种是γ-螺旋体,每一转中包含5.1个氨基酸单位。后来,α-螺旋体在一系列α-型纤维蛋白、合成多肽和球蛋白晶体的X射线衍射图上得到了证实,α-螺旋体是蛋白质二级结构的一种重要形式。因此,鲍林可算是最早提出蛋白质多肽链的结构的科学家。从此以后,关于这方面的研究有了很大进展,例如,我国科学工作者分别于1971年和1972年完成了分辨率为2.5埃和1.8埃的胰岛素晶体结构测定工作。

鲍林一生获得过不少荣誉,有三十所有名的大学授予他荣誉博士学位,并曾担任许多国家的科学院荣誉院士。1949年他一度当选为美国化学会主席。

鲍林曾两次获得诺贝尔奖金。第一次是由于他对化学键本质的研究以及用化学键理论来阐明复杂物质的结构而获得了1954年诺贝尔化学奖; 第二次是由于他尽力反对战争,1955年他与爱因斯坦等人呼吁科学家反对毁灭性武器。1957年他起草了“科学家反对核试验宣言”,有49个国家11000余名科学家签了名。同年又发表《不要再有战争》一文。为此他于1962年获诺贝尔和平奖。至于其他的奖励,则更是不胜枚举,其中包括吉布斯奖章、理查兹奖章、吉尔伯特-牛顿-路易斯奖章、巴斯德奖章、戴维奖章、罗蒙诺索夫奖章以及马丁·德·金医学成就奖等等。可以毫不夸张地说,鲍林完全称得上当代卓有成就的杰出化学家。

鲍林与我国化学界有着密切的联系,我国化学家唐有祺曾在他的指导下学习五年,获哲学博士学位。化学家卢嘉锡也曾在鲍林指导下进行博士后研究。鲍林还曾两次访问我国,与我国化学界进行了广泛的学术交流。