20世纪的科学怪杰：鲍林(64)

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六四

发表于1945年的这一章内容，不仅首次阐明了现代结构化学和免疫学之间的关系，而且还首次雄辩地证明了一个事实：在分子层次上发生的大多数甚至是全部的生物现象均可通过创造性地应用公认的化学原理而得到解释。由于这部分内容发表于免疫学的专着中，因此在化学界没有引起多少反响，然而对战后那些读过这本书的青年生物学家和免疫学家却产生了巨大的影响。例如，后来的诺贝尔奖得主。免疫学家乔舒亚·莱德布格认为，这章内容是鲍林所写的最重要的论着之一，对于那些缺乏经验的分子生物学家来说，这是一本帮助他们弄清大量复杂问题的指导书。　　把免疫特异性归结为分子能够取精确的互补性形态的思想，既符合鲍林和德尔布吕克在1940年发表的论文中提出的理论，又符合鲍林和莫斯基关于蛋白质结构的设想：蛋白质是由氢键联结起来的有着精确形状的链状分子。然而，这个思想的适用范围已远远超出了免疫学。　　＊＊＊　　1944年，薛定谔（他当时生活在都柏林）出版了一本小册子，书名为《生命是什么？》。由于作者被公认为波动方程之父，故此书出版后立即备受关注。然而这是一本怪书。薛定谔欲把自己富有创见的想象力以一种略带诗意的方式推广到解决重大的生物学问题。在鲍林看来，全书充满了模糊不清的推理。薛定谔在书中提出一个长期以来难以解答的悻论：为什么在趋于最大熵的宇宙中，那些有条不紊的生命系统却能存在并繁殖？他认为不能用经典的物理定律来解释生命现象。于是他提出了一个叫做“负嫡”的新概念。有机物以某种方式从这种尚未发现的物质中吸取能量后，就能抵御瓦解的趋势。在此理论框架内，薛定谔提出基因应是一种能自我复制的“非周期性晶体”。尽管理论本身含糊不清，但这本书在战后时期对年轻的物理学家产生了巨大影响，他们中许多人由此转向了生物学，投身于活体细胞的细胞质研究，期望从中发现新的物理定律。　　鲍林认为这本书是“猪食”。没有任何人能证明这种所谓的“负嫡”的存在。基因决不是薛定谔声称的那种“非周期性晶体”，而极可能是蛋白质链，这种结构能够以若干种不同的形式稳定地存在于机体内。鲍林在评论《生命是什么？》这本小册子时说：“薛定谔的热力学讨论非常模糊和肤浅，即使作为通俗读物也是有误导作用的。无论是过去还是现在我都认为，薛定谔对我们正确理解生命现象没有任何贡献。” 　　鲍林对生命的本质有着他自己的更易为大众接受的解释。“薛定谔认为有生命的物质工作的方式不能用普通的物理定律来解释，有机体内部原子相互作用的方式不同于无生命物质内部的作用方式，”鲍林在给朋友的信中写道，“我并不认为这样的差别会真的被发现出来。”在鲍林看来，生命可以归结为“拥有一些具体的特征并可把这些特征遗传给自己产生的后裔”，生命过程只不过是一种分子的特异性，完全可用化学原理把它解释清楚。　　在薛定谔热衷于负熵的梦想时，鲍林却从果酱中受到了鼓舞。在厨房里孩子丢弃的一只果酱瓶的外壁上，他看到了分子互补性理论的实实在在的证据。残留在瓶里的果酱经过几天之后，周围出现了少量酒石酸氢钾的小晶体，这是葡萄酱的一种组成成分。这一难解之谜的焦点是，酒石酸氢钾的分子怎么知道从果酱千千万万颗分子中分离出来，然后仅仅跟同类分子聚集在一起，自行组成次序井然、纯度极高的晶格？按照鲍林的观点，毫无疑问这是分子的互补性结构在起作用。　　一种化学元素的少量分子堆集在一起将发挥晶种的作用，在晶种的表面存在很多空隙，留待新的分子去充填。但是只有同种分子才能紧密地嵌人。酒石酸氢钾的分子排列起来而形成的空隙只能由同类的分子去充填，其他元素的分子不是太大和形状不对，就是太小，以至飘移不定，难以长时间作稳定停留。按照热力学理论，应该存在如纯晶体这样的分子排列最为紧密的结构，而不大可能是分子随机排列的结果。无需借助新的自然规律，完美的晶体就能从葡萄酱中生成。这也是地面上、岩洞中和海洋里各种晶体生成的方式，其生成条件比生命机体内的条件要平常得多。既然如此，在生命机体内高温和奇特的化学环境里，为什么不能发生不同寻常的化学反应呢？　　鲍林相信：“我们远远没有达到平衡态，因此在不违反热力学定律的情况下，那些看来很不可能的反应也可能发生。这类反应往往依赖于品种或模板的存在，它们决定着反应的方向。我们在无生命的世界里已经看到了这样的例子，其反应机制与生命机体内的反应机制是相同的，这就是丝丝入扣的分子互补性。” 　　鲍林认识到，没有必要补充新的定律，他看到了一个伟大的新理论体系的雏形：将他关于无机晶体学的理论和观点推广到整个生物学中去，利用现代物理化学相结合而产生的那些概念和理论，可以把整个宇宙统一起来。鲍林认为：“我们可以这样说，生命过程从无生命过程借用了同样的基本机制，这就是用来生成晶体这种奇妙结构的机制，”这个化学大一统理论适用于从矿物到人体的各种对象，精妙绝伦。鲍林坚信，他正走在正确的轨道上；他的直觉告诉他自己没有错。　　1945年以后，分子生物学对鲍林的重要性和吸引力已不亚于晶体结构和化学键理论，他把过去投入其他领域并使他取得突出成就的聪明才智和干劲带进了这个新的学科。他花费大量时间，广泛阅读内容涉及生物化学、生理学、遗传学和酶学的各种杂志，还读一点细菌学和微生物学。他寻找突破口，即那些能够应用结构化学理论来回答生物学问题的最易于突破的领域。　　最初选择的目标是酶。许多重要的生化反应似乎都发生在条件极差的环境里，其反应速度难以用普通化学定律来解释。人们认为这是由于酶的中介作用促成的。酶是一类可作为生物催化剂的蛋白分子，它能在保持自身不变的情况下加快反应进程。大多数化学反应的进程可以比拟为火车翻越山坡，首先注入一定量的能——活性能——用来激活初始反应物到达山顶，这时反应物已吸收了足够的能量发生化合或分解，或者产生其他各种变化，然后反应生成物沿着能量曲线的下降方向下滑到一种新的稳定态。　　催化剂的作用好比降低山坡的高度，即减少引发化学反应所需的活化能量。山坡越低，化学反应就开始得越快。当然，作用是两方面的；较低的山坡也使得反应生成物更易发生逆向反应重新组成初始反应物。总效应依赖于双方的相对浓度：如果反应物多于生成物，催化剂将推动反应向一个方向进行，形成更多的生成物，直至双方的浓度达到相等为止。在生物体内，通过加速形成生成物或者消耗生成物，酶化学反应将沿着正确的方向进行下去。　　酶还具有高度的特异性，每一种酶仅能对一对反应物和生成物发挥作用。以消化液中的胰蛋白酶为例，它的作用是催化将蛋白质链分割成小段的过程。然而，它在链上的作用点是精确定位的：仅仅在两种特殊的氨基酸连接处发生作用，而决不会在别处。对鲍林来说，这种特异性很易理解：酶与抗体一样，其形状只与目标分子相匹配，也就是说，酶具有一种互补性结构。那么，与什么物质互补呢？鲍林注意到，酶在由反应物形成生成物以及由生成物重新构成反应物这两个方向上均能发挥作用。“酶必需在两个相反的反应方向上均发挥加速作用，这个事实告诉我，与酶互补的物质必定是位于反应物与生成物中间的某种中介物质，”鲍林说道。　　鲍林的假设与一种被酶化学家称为“活化复合体”的假设性物质有关。这种活化复合体生成于反应物与生成物的中间变化位置上，它在酶化学反应过程中仅能存在几分之一秒的时间。鲍林接着说道：“酶为什么能使化学反应的速度提高一千万倍之多？这个问题的答案是十分明显的——至少对我来说是这样，那就是，酶必需具备降低活化能的能力——即降低生成活化复合体的能量的能力。而要降低活化能，酶可通过与活化复合体形成强键而与反应物和生成物只形成弱键的途径来实现。”

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