復雜化學體系的多尺度模型
——2013年諾貝爾化學獎簡介

張婷林 康立 趙悅 馬宏佳

復雜化學體系的多尺度模型
——2013年諾貝爾化學獎簡介

張婷林 康立 趙悅 馬宏佳*

（南京師范大學教師教育學院江蘇南京210097）

介紹了2013年諾貝爾化學獎的獲獎者、獲獎成果及對教育的啟示。

化學；諾貝爾獎；多尺度模型

北京時間2013年10月9日下午5點45分，瑞典皇家科學院諾貝爾頒獎委員宣布今年的諾貝爾化學獎授予馬丁·卡普拉斯(MartinKarplus)，邁克爾·萊維特(MichaelLevitt)和亞利耶·瓦謝爾(AriehWarshel)，以獎勵他們在“發展復雜化學體系多尺度模型”方面所做的貢獻。這三位科學家長期致力于開發計算機程序來研究化學反應，他們創造性地讓經典物理學與量子物理學在化學研究中“并肩作戰”，為用計算機程序模擬和預測化學過程奠定了強有力的基礎。

馬丁·卡普拉斯邁克爾·萊維特亞利耶·瓦謝爾

一、獲獎者簡介

馬丁·卡普拉斯（MartinKarplus），1930年出生于維也納，擁有美國和奧地利雙重國籍，是一位在奧地利出生的美國理論化學家，猶太裔。卡普拉斯1950年取得哈佛大學的文學學士學位，1953年獲加州理工學院的博士學位，現為美國哈佛大學化學教授。他是著名化學家鮑林的學生。主要研究方向是生物大分子的分子動力學模擬，他提出的“卡普拉斯方程”后來被應用于核磁共振技術之中。他興趣廣泛，愛好攝影、寫作，舉辦過多次個人攝影展。

邁克爾·萊維特（MichaelLevitt），1947年出生于南非比勒陀利亞，擁有美國和英國雙重國籍，生物物理學家，美國斯坦福大學結構生物學教授。1971年于英國劍橋大學岡維爾與凱斯學院獲得博士學位。萊維特曾到北大做過訪問和報告，是北大定量生物學中心的兼職教授，該中心主任湯超對萊維特的印象是萊維特時時刻刻都在工作，“他現在還是自己編程，相比之下，有很多科學家都讓學生來做編程，而萊維特總是自己做，比較有特色。”此外，湯超還認為萊維特“總是給人耳目一新的感覺，總是去做新的東西”，是個非常有創造性的人。

亞利耶·瓦謝爾（AriehWarshel），1940年出生于以色列，擁有美國和以色列雙重國籍。瓦謝爾曾參加過兩次中東戰爭。1969年在以色列魏茲曼科學院獲得博士學位，隨后，他在哈佛大學做博士后工作，1972年至1976年，他回到魏茲曼研究院研究分子生物學，在英國劍橋的實驗室工作，2008年成為英國皇家化學學會資深會員，2009年當選美國國家科學院院士，目前為美國南加州大學杰出教授。

二、獲獎成果介紹

1.復雜化學體系的多尺度模型

為了幫助人們理解物質的性質和變化，化學家們常常會利用塑料短桿和小球來表示分子結構。今天，借助計算機軟件的幫助，化學家們使用電腦來展示各種分子模型，甚至可以模擬化學變化過程。

那么，誰設計了這些軟件？設計的依據又是什么？

上世紀70年代以前，科學家們在電腦上模擬分子所使用的軟件，要么是基于經典物理學的，要么是基于量子物理學的。經典物理的強大之處在于其計算過程相對簡單，可以模擬非常大型的分子及其精細結構。但是經典物理也有明顯的劣勢，它只能計算靜態，無法模擬化學反應過程，因為在反應過程中，分子是充滿能量而處于激活態的。為了表現這一部分，化學家們不得不求助于量子物理學。在量子物理學中，電子具有波粒二象性，它既可以是粒子，也可以同時是波，因此它可以如實描述化學反應過程，但卻需要計算機處理分子內部的每一個電子和每一個原子核，靠它只能算有限的小分子，甚至無法考慮溶劑的影響。

今年的三位諾貝爾化學獎得主成功地將這兩種方法進行分工，如圖1所示：反應中心的自由電子用量子計算，外圍的原子用經典物理，更外面的溶液就當成均一的電介質，不模擬。因此，采用經典物理和量子物理兩種不同標準來研究化學反應的過程，這就是多尺度。這三位科學家不僅提出了“多尺度模型”，而且依據其編制出了相應的計算機程序。

2.復雜化學體系的多尺度模型的由來與發展

多尺度模型是如何發展和形成的呢？

圖1

多尺度模型的最初一步是在20世紀70年代，由馬丁·卡普拉斯和亞利耶·瓦謝爾在美國哈佛大學的實驗室中邁出的。

卡普拉斯一直致力于量子物理方法的研究工作。他帶領的研究組開發的計算機程序可以利用量子物理原理來模擬化學反應過程。他還提出了“Karplus方程”，該方程的原理后來被應用到了核磁共振技術中，這是一項化學家們所熟知的，基于分子的量子特性而發展起來的方法。

1970年，瓦謝爾來到卡普拉斯在美國的實驗室并帶來了他的計算機程序。瓦謝爾曾在以色列的魏茨曼科學研究院進行博士階段的研究工作，在超級計算機“Golem”（Golem，猶太人民間傳說中的無生命的巨人，注入魔力后可行動，但無思考能力）的幫助下，瓦謝爾和邁克爾·萊維特發展了一套革命性的計算機程序，其基于經典物理理論，可以實現對所有分子的模擬。瓦謝爾和卡普拉斯在哈佛開始合作后，就致力于開發一種新型程序，其可以對不同的電子采用不同的處理方法。在大部分分子結構中，每個電子都圍繞一個原子核運行，但在有些分子中，部分電子可以在幾個原子核之間自由運行。視網膜分子結構中就存在這種自由電子，當光線抵達視網膜，其中的自由電子充滿能量，從而造成分子結構變形，這是構成人類視覺的最初步驟。卡普拉斯長久以來對視網膜就有濃厚興趣，因為這是一種分子的量子化學過程，并會造成生物學效應。最后，卡普拉斯和瓦謝爾成功地建立了簡化版的視網膜結構模型。

1972年，他們公布了一套計算機程序，當其處理自由電子時會采用量子物理算法，而當處理其他電子和原子核時則采用更加簡單的經典物理方法，這是世界上首次實現這兩種方法的結合。但這種方法是有局限性的，它要求分子必須是鏡面對稱的。

瓦謝爾與萊維特的合作為多尺度模型的發展作出了進一步貢獻。萊維特與在瓦謝爾曾一起在以色列的魏茨曼科學研究院基于經典物理的計算機程序。他在劍橋大學讀博士期間，主要研究生物分子學，如DNA、RNA和蛋白質等。瓦謝爾與萊維特的志向很遠大。他們希望開發出一款程序，可用來研究酶類。在學生時代，瓦謝爾就曾關注過酶類的功能。也正是酶類之間的相互合作讓生命成為可能，它們幾乎控制著生命體內的所有化學反應。如果想了解生命，就需要了解酶類。為模擬酶類反應，瓦謝爾與萊維特需要使經典和量子物理學更順暢地協作，后來，瓦謝爾與萊維特在劍橋會合，繼續研究。1976年，他們實現了自己的目標，發表了全球首個酶類反應計算機模型。自此，在模擬化學反應時，規模已不再是問題。

3.復雜化學體系的多尺度模型的意義與應用

現在，全世界每天都有化學家在計算機上設計并進行實驗，這都得益于三位科學家在上個世紀70年代所做的研究，他們為用計算機程序來了解和預測化學過程奠定了強有力的基礎。

借助軟件的幫助，化學家可以模擬一個化學過程中各種可能的反應路徑，以了解在反應不同階段不同原子所起的作用。當找到了那些似乎可行的反應路徑之后，就可以開展實驗來驗證這種計算機給出的反應路徑是否確實是正確的，從而反過來修正模型，提升其進行模擬時的精確度。如此相互促進，讓現在化學家們在試管和計算機前所花費的時間已經幾乎相同。

三位科學家的研究理論和方法適用于化學的每個領域，可以用來探索各種各樣的化學過程，通過模擬，化學家能更快獲得比傳統實驗更精準的預測結果。科學家們可以研究植物光合作用而用于太陽能電池的設計，研究汽車里的燃燒過程而優化燃料等。不僅如此，獲獎者萊維特還希望能夠從分子層面模擬一整個生物體，成為真正意義上的“數字生命”。

三、啟發與思考

1.團隊合作與學科交叉導致創新

今年的諾貝爾化學獎由三位化學家共享，體現出科研當中非常重要的合作意識和學科交叉。每個人的智慧和創造是有限的，但將智慧集合起來則有可能產生加倍疊加的作用。因為，在合作的過程中，每個人可以相互學習，在交流的過程中擦出靈感的火花，從而激發出新的想法。不同學科和不同理論會有不同的優勢和缺陷，自然界是復雜的，探索自然也需要人們綜合運用不同學科的不同理論。而學科交叉，本身就是一種創新，更為發展新的理論和技術提供了可能。今年諾貝爾化學獎為人們提供了經典物理學和量子物理學交叉應用導致“復雜化學體系多尺度模型”誕生的成功范例。

2.傳統學科要進入信息時代

化學是以實驗為基礎的自然科學，在計算機大量運用的信息時代，化學實驗還要不要？試管燒杯還要不要？既然能用計算機模擬出化學變化的過程，計算機是否能夠取代試管燒杯，將化學實驗“搬到”電腦里？答案應該是否定的。借助軟件的幫助，化學家可以模擬一個化學過程中各種可能的反應路徑，以了解在反應不同階段不同原子所起的作用。但仍然需要用真正的實驗來驗證這種計算機給出的反應路徑是否正確，從而反過來修正模型。只有基于前期實驗的事實和理論，才能夠成功建立化學反應的過程模型，并且還需要后期實驗的驗證，才能使計算機模擬出的實驗結果有說服力。同時，人們也應該看到，計算機的工作大大提高了人們對化學變化認識的深度和廣度。計算機模擬和實驗驗證相互促進，讓現在化學家們在試管和計算機前所花費的時間已經幾乎相同，二者缺一不可。這也正是傳統學科進入信息時代的必然。

3.廣泛興趣和創新欲望導致成功

今年的三位化學諾貝爾化學獎得主都是非常有故事的科學家。卡普拉斯中學的時候，父母給哥哥買了一套化學實驗器材，他也想要，但為了安全，父母給他買了一個顯微鏡，他一直保存至今。年輕卡普拉斯迷戀觀鳥，曾對電影產生濃厚興趣，去過卓別林的工作室，見到了卓別林本人，后來他迷上攝影，在他的個人網頁上有許多精美的攝影作品。66歲的萊維特現在還在自己編寫計算機程序，他總做新的東西，是個非常有創造性的人。

由此我們可以看出，教育和環境的熏陶對一個人成長的重要影響。孩子小時候在自己感興趣的方面進行嘗試、探索和發現，有助于培養做事的能力和毅力，有助于思維的發展。科學家也同時是藝術家，因為科學也需要有想象力、有創造力、創新能力，更需要有動手實踐、將夢想轉變為成現實的能力。

［1］http：//www.guokr.com/post/516552/

［2］http：//m.guokr.com/post/516589/

［3］http：//emuch.net/html/201310/6456870.html

［4］http：//emuch.net/html/201310/6489111.html

［5］http：//epaper.hf365.com/hfwb/html/2013-10/10/content-731510.htm

［6］http：//www.nobelprize.org/nobel-prizes/chemistry/laureates/ 2013/

［7］http：//chemistry.harvard.edu/people/martin-karplus

［8］http：//med.stanford.edu/profiles/Michael-Levitt

［9］http：//chem.usc.edu/faculty/Warshel.html

［10］http：//www-isis.u-strasbg.fr/biop/start

1008-0546（2013）11-0002-03

06-1

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2013.11.001

*通訊聯系人：mahongjia@njnu.edu.cn