20世纪的科学怪杰鲍林-第46章
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种机制提供了钥匙。
鲍林认识到，他研究抗体的主要成果是显示了分子结构与生物特异性之间的关系。兰德施泰纳在1943年逝世前，曾要求鲍林为他新版的免疫学专着撰写一章关于特异性的化学基础的内容。鲍林把这一章起名为“分子结构和分子作用力”，其中简明地总结了他关于蛋白质分子能够辨认和联结特定的目标分子的机理，为希望了解有关理论的读者提供了入门性介绍。鲍林强调指出，分子形状是决定一切的。精确的、互补的、丝丝入扣的形状使分子紧密啮合在一起，并通过累积起来的弱键作用联结成整体。而化学反应，正如大多数化学家所认为的那样，都是通过分子间的特定反应而形成强力的共价键或离子键，因此与弱键机制是完全不同的。
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。”鲍林认为，酶的键接点与目标分子有适当紧密度的啮合，使之可以比较松弛地拉住目标分子，而当目标分子慢慢滑进一个被折弯或拉紧的位置时，两者的啮合就变得十分紧密。酶的作用点像一把分子钳，它把目标分子折弯，使之易于断裂成很多小段。这些被断开的目标分子的形状与酶的键接点仅有部分的互补性，啮合变得松动起来，从而变得易于飘浮并与酶分开。鲍林还认为，相反的过程也完全可能发生，即酶松弛地联结住生成物分子，使他们聚集在一起，从而缓慢地进行逆反应过程，重新生成初始反应物，所有这些反应均是通过形状的互补性实现的。
鲍林对酶的作用机制所作的描述与他的关于抗体的理论是完全一致的。这一切还只是开了一个头。不久，他又提出了这样的理论和观点：味觉与嗅觉也是由被感物的分子与身体内部特定位置之间的互补性匹配产生的（这一理论至今在气味学研究者中间仍有很大的影响）。还有所谓的行为性病毒，这是一种有点介于可结晶蛋白分子和生命机体之间的奇异的物质形式（鲍林把它们称为“逃脱了父母机体控制的基因”），鲍林认为也可从互补性理论出发对它们作出解释。
鲍林猜测，基因可能是一种很大、很复杂的蛋白分子，它能够通过一种称为自催化的过程，精确地复制自己。他早在1940年就与德尔布吕克合写了一篇论文，论及关于基因复制的一种可能的一般性机制。到了1945年与1947年期间，鲍林在互补性理论的框架内对这个问题进行了更多的思考。到1948年，他设计了一种最简单的基因复制的一般模型。“我们对基因或病毒分子进行自我复制的机制尚不清楚有关的细节”，鲍林在一次互补性理论的报告会上这样对听众说。“一般来说，使用某种基因或病毒作为模板不能复制出与模板完全相同的分子，而只能生成与模板互补的分子。当然可能出现这样的情况：在某种模板上生成的分子既与模板同构，又同时与模板互补……假如作为模板的基因或病毒分子有两个互补的部分组成，那末每一部分可以复制出与另一部分同构的分子。于是，由两个互补部分组成的复合体就可以作为复制自身的模型。”在正式发现DNA的双螺旋结构四年之前，鲍林就已经这样明确地作出了基因可能具有双螺旋结构的预测。
鲍林实际上已经为分子生物学的结构理论奠定了基础。在这之后，他又把注意力转向了医学。战争期间，鲍林对医学的兴趣，从原先的肾病、抗体、血浆代用品等问题，进一步扩及到其他方面，他开始思考药物的结构，营养品的效能，他甚至提出这样的意见：有几种退化性疾病也许是由于红血球的堆集而引起的。有一个阶段，他还考虑在加州理工学院成立一个基础医学研究所，以便对他关于生物分子的结构和作用的设想进行试验。鲍林同样认为，分子互补性理论可以在这些问题的研究中发挥重要的作用。
战争即将结束之时，鲍林被任命为帕尔默委员会的成员。这是一个由医学专家组成的小组，鲍林是其中唯一的例外。该委员会遵照科学研究与发展局局长布什的指示，开会研究战后如何对医学研究进行资助。1945年春，该委员会在纽约的世纪俱乐部举行了一次午餐会。讨论过程中，医生们谈到了一种鲜为人知的被称为镰状细胞贫血症的血液病。来自哈佛的医药教授卡塞尔解释说，病的名称来源于病人的�
