化學(xué)反應(yīng)是如何“歷歷在目”的
“過去，化學(xué)家們利用塑料球和小棍來(lái)建造分子的模型，而現(xiàn)在，建模則是由計(jì)算機(jī)完成。”瑞典皇家科學(xué)院給出的新聞通稿中這樣寫道。
馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒這三位科學(xué)家因在20世紀(jì)70年代開發(fā)出“多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型”而摘得了今年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)桂冠。因?yàn)檫@項(xiàng)研究，科學(xué)家得以用計(jì)算機(jī)揭開神秘的化學(xué)反應(yīng)的面紗，通過計(jì)算機(jī)程序模擬，讓復(fù)雜化學(xué)過程中肉眼不可見的每一個(gè)細(xì)微步驟都“歷歷在目”。
化學(xué)反應(yīng)像閃電般快速發(fā)生，在數(shù)百萬(wàn)分之一秒間，電子已經(jīng)完成從一個(gè)原子核向另一個(gè)原子核的遷移，科學(xué)家的肉眼無(wú)法觀察。“在這種情況下，要想借助實(shí)驗(yàn)方法去描繪化學(xué)過程中的每一個(gè)小步驟幾乎已經(jīng)是不可能的任務(wù)。”北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授高毅勤說(shuō)。
而此前，經(jīng)典物理學(xué)與量子力學(xué)分屬于互相對(duì)立的世界。科學(xué)家們?cè)陔娔X上模擬時(shí)，他們擁有的軟件要么是基于經(jīng)典物理的，要么則是基于量子物理學(xué)的。前者的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)便，但只能用于大分子，無(wú)法模擬化學(xué)反應(yīng)；后者則只能用于小分子并且計(jì)算量龐大。
2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在這兩個(gè)世界之間打開了一扇門，并帶來(lái)了活躍的合作前景。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審團(tuán)說(shuō)，三位科學(xué)家的開創(chuàng)性在于，他們讓經(jīng)典物理學(xué)與迥然不同的量子物理學(xué)在化學(xué)研究中“并肩作戰(zhàn)”。
上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授孫淮舉例說(shuō)，一個(gè)蛋白質(zhì)分子里有成百上千個(gè)原子，但化學(xué)反應(yīng)往往發(fā)生在其中的一個(gè)小區(qū)間。量子物理學(xué)能夠精確描述如酶催化等小區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)，但小區(qū)間不是孤立的，整個(gè)環(huán)境也需要納入研究考量。今年獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，將量子物理學(xué)和分子力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，用量子化學(xué)計(jì)算小區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)，用分子力學(xué)處理環(huán)境的影響，彌補(bǔ)了分子力學(xué)無(wú)法模擬反應(yīng)過程及量子化學(xué)無(wú)法完成海量計(jì)算的缺陷。
多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型的出現(xiàn)無(wú)疑翻開了化學(xué)史的“新篇章”，讓傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)走上了信息化的快車道。如今，反映真實(shí)情況的計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)成為現(xiàn)在化學(xué)界大多數(shù)新進(jìn)展的關(guān)鍵；化學(xué)家在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)幾乎與在實(shí)驗(yàn)室里做的一樣多，從計(jì)算機(jī)上獲得的理論結(jié)果被現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，之后又產(chǎn)生了新的線索，引導(dǎo)我們?nèi)ヌ剿髟邮澜绻ぷ鞯脑怼?/p>
“多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來(lái)研究各種各樣的化學(xué)過程，從生物分子到工業(yè)化學(xué)過程等。”孫淮說(shuō)。人們發(fā)現(xiàn)，借助三位科學(xué)家的研究工作，自然界的許多疑問被解答了。例如，綠葉如何進(jìn)行光合作用？催化劑如何加快化學(xué)反應(yīng)？藥物如何在人體中發(fā)生作用？科學(xué)家們可以以此優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)，制造出更高效的太陽(yáng)能電池，還可以通過研究催化水分子的分解來(lái)開發(fā)更多清潔能源等等。
孫淮介紹，目前中國(guó)科學(xué)家也在相關(guān)領(lǐng)域積極參與研究，但對(duì)多尺度模型的建立研究還在初始階段。他認(rèn)為，計(jì)算化學(xué)必將在生物科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。
細(xì)胞是如何組織“貨物”運(yùn)輸?shù)?/strong>
人體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是如何運(yùn)送到身體的每一個(gè)角落的？這是一個(gè)司空見慣卻又很難回答的問題。慶幸的是，2013年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者：詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·祖德霍夫給了我們答案，他們共同揭開了細(xì)胞內(nèi)部囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制的神秘面紗，展示了一個(gè)基本的細(xì)胞生理過程的種種細(xì)節(jié)。
中科院動(dòng)物所研究員李培峰解釋說(shuō)，細(xì)胞猶如繁忙而巨大的港口，負(fù)責(zé)傳輸營(yíng)養(yǎng)分子的交通工具——囊泡，好比是港口的“穿梭巴士”，“乘客”搭乘巴士在細(xì)胞內(nèi)外往來(lái)。在這一過程中，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生出各種不同的分子，如膜蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、各種酶和細(xì)胞因子等，它們必須被傳遞至細(xì)胞內(nèi)不同的位置上，或需要被精確地在正確的時(shí)間轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外部。