横跨生物学和医学领域的天才化学家晚年又为何沦为被嘲弄的科学家

Posted 2022-12-29 化学键

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横跨生物学和医学领域的天才化学家晚年又为何沦为被嘲弄的科学家

20世纪是个大师辈出的时代，世纪之初的量子论、相对论、波粒二象性等物理学革命成果促使化学面貌焕然一新，鲍林这样一位天才化学家生逢其时，研究兴趣横跨化学、生物化学、医学并且成果丰硕，此外他还是一位坚定的和平主义者，积极推动反核事业，赢得「 ”和平老人”美誉，他的一生精彩无限，值此鲍林逝世25周年之际，谨以本文缅怀一代化学大师。一、人物生平 1901年2月18日，鲍林出生于美国西海岸的俄勒冈州波特兰市，他的家境并不宽裕，父亲是当地一名药剂师也是家中仅有的经济来源，然而父亲在他年幼之时突然因病离世，家境也因此急剧恶化。尽管生活艰难，鲍林却并未意志消沉，他在打工贴补家用的同时坚持学习，并且对化学表现出极其浓厚的兴趣。 1917年，鲍林考入俄勒冈州农学院化学工程系，一度因家境困难辍学，1922年顺利获得学士学位后他又考入加州理工学院跟随当时著名的化学家诺伊斯（Noyes）从事晶体X射线衍射研究，并成功完成了辉钼矿（MoS2）晶体的全测定工作。1925年，鲍林获得化学哲学博士学位后又相继在欧洲多个重点实验室从事学习和研究工作，也正是在那时候鲍林接触到新兴的量子力学理论和现代物理测试方法，为他后来提出化学键理论奠定了重要基础。此后，鲍林便任教于母校加州理工学院，1969年又担任斯坦福大学化学教授，他一生所涉领域颇多，也犯过错误，但丝毫不能掩盖他在科学史上光辉的一面，1994年8月19日鲍林在自家农场去世，走完了他非凡的一生。图1 青年时代的鲍林二、化学键本质的探索者鲍林对化学的最大贡献当属他对化学键本质的研究及其在物质结构方面的应用，这也正是他青年时代起就非常感兴趣的研究内容。物理学家建立原子结构模型后不久，美国化学家路易斯（G. N. Lewis）提出「 ”共用电子对”达到稀有气体稳定结构的电子模型，几年后朗缪尔（I. Langmuir）接受和发展了路易斯的观点，提出以「 ”共价键”来表示共用的一对电子。然而他们仍然不能科学地阐释化学键的本质，即无法解释原子之间为何会选择「 ”共享”电子，将本该相互排斥的电子牢牢结合在一起的「 ”力”又是什么呢？图2 美国化学家G. N. Lewis和I. Langmuir 受限于旧量子论，路易斯-朗缪尔的共价键理论本质上是个静态模型，不但无法阐明成键本质更无法解释氢分子（H2）独特的光谱现象。1927年，德国化学家海特勒（W. H. Heitler）和伦敦（F. W. London）创造性地将量子力学方法用于处理氢分子，标志着量子化学的诞生，也奠定了近代价键理论的基础。海特勒-伦敦的计算结果表明，由于电子的波动性，原子间波的干涉作用使得原子轨道重叠区域电子密度增大，自旋相反的单电子（未成对电子）在相互接近过程中彼此呈现相互吸引的作用，并使体系能量降低，这也解决了化学键的本质问题。图3 德国化学家W. H. Heitler和F. W. London 上述理论被称为价键理论（Valence Bond Theory），俗称的VB法，也时常被称作电子配对理论。它在解释共价键的方向性和饱和性以及定性讨论分子结构方面取得很大成功，但理论初期的不完善性也显露无疑，例如有些分子的键角明显偏离原子轨道之间的夹角，有些原子的成键数目大于价层轨道中未成对电子数，VB法在解释这些现象时显得无能为力。为了解释多原子分子的空间结构，鲍林于1931年在VB法的基础上创造性地提出了杂化轨道理论（Hybrid Orbital Theory），合理解释了甲烷分子（CH4）的四面体构型，进一步丰富和发展了VB理论。为了衡量化合物中原子对「 ”成键电子对（键合电子）”的吸引能力，鲍林又率先提出「 ”电负性”概念，他以热化学和键能数据为基础，系统给出了电负性标度数据，这些数据至今仍被广泛采用，在预测化合物及化学键的离子性或共价性程度上发挥了重要作用。图4 杂化轨道理论对甲烷分子成键的解释除了以上贡献，还需要指出的是，鲍林是「 ”共振论”的创始人。诸如苯（C6H6）、臭氧（O3）分子在内的不少分子需要用两个或更多价键结构才能给出满意的描述，因此鲍林认为正是这些价键结构之间的「 ”共振”才完整构成了分子的真正结构。然而「 ”共振论”问世后的数十年中，争论不休，褒贬不一，上世纪50年代初，苏联学者曾以「 ”唯心论”和「 ”机械论”从哲学方面对它进行简单化的错误批判，这种批判也影响到后来的中国学术界。站在现代化学角度来看，「 ”共振论”确有其弊端，但它毕竟与主流的分子轨道理论相比更加简明直观，在定性解释化合物的某些性质上依然实用，因而它并未完全退出历史舞台，国内外教科书及文献著作中「 ”共振论”依然被广泛采用。图 5 苯分子和二氧化氮分子的「 ”共振”结构鲍林自上世纪30年代开始致力于化学键的研究，1931年2月发表价键理论，此后陆续发表相关论文，1939年出版了化学史上具有划时代意义的《化学键的本质》一书。该书彻底改变了人们对化学键的认识，将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的层次，由于鲍林在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献，他赢得了1954年诺贝尔化学奖。三、生物学和医学领域的先行者鲍林前期的主要研究内容是化学键理论，从中后期开始他的研究领域逐渐拓展到生物学和医学领域。1937年起，他便开始对氨基酸和蛋白质的结构进行研究，并正式确定蛋白质的a-螺旋体结构——这是蛋白质研究领域的重大突破，也为后来确定DNA结构创造了条件也提供了理论依据。尽管鲍林最终没能正确揭示DNA的双螺旋结构，还和生物学家沃森、克里克有过关于DNA真实结构的争论，但无法否认他为后续蛋白质结构研究所奠定的重要基础。图 6蛋白质的a-螺旋体结构（左）、DNA结构发现者沃森和克里克（中）、DNA和RNA的螺旋结构（右）（图片来源于网络） 1945年，鲍林开始了他对「 ”分子病”的研究，当时人们普遍认为镰刀型细胞贫血症仅仅是由红细胞变形引起的典型的细胞型疾病，鲍林却敏锐地意识到该疾病极有可能是一种血红蛋白分子的疾病。为此他借助电泳技术成功发现正常与异常血红蛋白在相同电场中表现出的迁移速度差异，1949年11月鲍林在Science上发表论文，详细讨论了异常血红蛋白与正常血红蛋白的差异，并且讨论了疾病成因和遗传机制等问题。鲍林对镰刀型细胞血红蛋白的研究第一次展示了这种疾病的分子基础，也是真正意义上第一次提出「 ”分子病”的概念，吸引了后续医学科研人员从分子层次上进行疾病研究。图 7 正常的血红蛋白（圆饼状）和镰刀型细胞贫血症异常血红蛋白（图片来源于网络）四、坚定的和平主义者 20世纪50年代，二战结束后不久，鲍林特别关注世界范围内的战争与和平问题。那时世界各国都在频繁地进行核试验，鲍林意识到核辐射对人类生存及健康造成的巨大威胁，1955年他联合爱因斯坦等科学家，反对研究和生产毁灭性武器。1958年，他又撰写了《不要再有战争》一书，书中以丰富的资料，说明了核武器对人类的重大威胁。1962年，鲍林因在反对核武器试验上做出的努力获得诺贝尔和平奖，成为继居里夫人之后第二位获得不同诺贝尔奖项的科学家，也是仅有的每次都是独立获奖的人。图 8 鲍林撰写的《不要再有战争一书》五、毁誉参半的「 ”维生素之争” 20世纪60年代，美国突然掀起一股维生素热潮，而这股热潮的制造者正是鲍林。他认为维生素C能够增强人体免疫系统，对感冒有显著疗效，他更指出服用大剂量的维生素C还可使癌症得到缓解。为此，他做了大量的研究和宣传工作，人们对这位科学家深信不疑，霎时间维生素C成为「 ”明星分子”。此外，鲍林还认为维生素C是一种常见的「 ”正分子”并大肆宣扬所谓「 ”正分子医学”，然而这一观点严重挑战了传统医学认知，被认为是对传统医学的威胁，时至今日也从未得到主流医学界的认可。图 9 商品化的维生素C和它的结构式（图片来源于网络）尽管鲍林的说法得到普通民众的热烈追捧，却一直未得到医学界和营养学界的认可，反对和批评之声不绝于耳，昔日的「 ”科学巨匠”也被攻击为「 ”江湖庸医”，他也被视为「 ”伪科学传播者”。时至今日，对于鲍林晚年极力推崇维生素C的争议仍未完全退却，学界也没有对维生素C的保健作用和服用剂量等达成共识。客观来说，无论争议的具体焦点如何，维生素对生命有机体的重要作用仍不失为20世纪的重要发现之一，这是毋庸置疑、也是无可争议的。六、结束语鲍林一生对化学的贡献颇多，对年轻一代化学家的影响也极其深远，他十分关切我国的化学事业，曾于1973年和1981年两度对我国进行学术访问和交流，著名化学家唐有祺和卢嘉锡先生都曾在鲍林指导下研究和学习。从现代化学的进程来评价鲍林，他创造性地提出杂化轨道、电负性、共振论等化学领域最基础又广泛使用的概念，极大丰富和发展了价键理论，成为当之无愧的「 ”现代结构化学奠基人”；横跨生物学和医学领域，他的研究又为后人指明方向；为世界和平奔走，科学家的人文精神在他身上得到了极好诠释。尽管晚年深陷争议，但鲍林敢为人先，积极探索新领域的精神仍然值得我们赞赏。作为极富创造力的科学家和热心世界和平的社会活动家，鲍林完美诠释了一个科学家应该具备的品质，而这种品质必将世代流传，影响和激励着一代又一代的科学工作者。参考资料： [1] 盛根玉. 化学键本质的探索者鲍林[J]. 化学教学, 2011 (11): 57-60. [2] 张宏志, 摇李建. 鲍林对于血红蛋白分子学领域的贡献[J]. 大学化学, 2012, 27(6). [3] 褚廷夫. 有「 ”第一流天才”与「 ”和平老人”美誉的鲍林[J]. 化学教学, 1998, 6: 10-11. [4] 田荷珍. 鲍林与现代化学[J]. 大学化学, 1987, 2(2): 56-59. [5] 周公度, 段连运. 结构化学基础（第5版）[M]. 北京大学出版社, 2017 [6] 淮沙. 维生素之争[J]. 生命世界, 2010 (3): 26-31. [7] 吕仁庆等. 鲍林与共振论-关于共振论的论争[J]. 广东化工, 2010, 37(5): 23-24. 撰稿人：Geronimo