走近諾貝爾獎（六）在電腦中模擬化學反應

楊先碧

現(xiàn)在，電腦不僅能模擬出自然界已有的許多事物，而且還可以模擬出一些尚未出現(xiàn)的事物。比如，不少科幻影片中未來世界的場景都是電腦模擬出來的，因為在現(xiàn)實中找不到那樣的場景。同樣，用現(xiàn)有的各種技術手段都難以觀察到的復雜化學反應中的快速變化過程，而用電腦模擬這樣的過程，就能夠揭開物質變化的神秘路徑。這一研究領域被稱為計算化學。馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾這三位美國科學家，因在計算化學領域做出了突出貢獻而獲得了2013年諾貝爾化學獎。

把電腦引入化學研究中

我們知道，在物質發(fā)生化學反應時，分子中的化學鍵會斷裂，原子、原子團或離子會重新組合成新的物質。如何才能直觀地描述化學反應的微觀過程呢？

自從20世紀初量子物理學建立以來，化學家就試圖利用量子物理學的方法來深入了解化學反應的微觀過程。然而，在電腦發(fā)明之前，這種嘗試異常艱難，因為化學反應，尤其像光合作用那樣的生物化學反應，是一個十分復雜的過程。許多化學變化是瞬間發(fā)生的。在不到1毫秒（千分之一秒）的時間里，電子從一個原子核跳向另一個原子核，傳統(tǒng)的實驗化學方法根本無法記錄這些化學反應的每一個過程。

面對瞬間發(fā)生的化學反應，以及復雜的電子快速運動，依靠過去用塑料球和小木棒來創(chuàng)建分子模型的辦法已經無法實現(xiàn)描繪化學反應全過程的美好愿望。即使化學家選擇使用量子物理學來計算化學反應過程，但繁雜的計算過程與巨大的計算量也只能應付小分子的化學反應。為此，卡普拉斯、萊維特、瓦謝爾等人提出了利用電腦來建立多尺度復雜化學系統(tǒng)模型。多尺度復雜化學系統(tǒng)模型的出現(xiàn)無疑是化學界的革命。通過該模型，科學家實現(xiàn)了用電腦監(jiān)控化學變化中的每一個細節(jié)，從而能最優(yōu)化地控制化學反應的過程。

20世紀六七十年代，雖然多數(shù)普通老百姓還不知道電腦為何物，但是電腦已經成為一些科學家的好幫手。在化學研究中，引入電腦讓化學家對復雜化學反應的描述變得可行?？ㄆ绽?、萊維特和瓦謝爾就是這些化學家中的杰出代表，他們是利用新的技術手段進行科學研究的先行者。瓦謝爾在獲獎后接受采訪時說：“簡單地說，我們的研究就是借助電腦分析蛋白質的結構，最終了解蛋白質的化學反應機制?！?/p>

用電腦程序模擬化學反應

20世紀70年代初，美國化學家卡普拉斯便已經針對基于量子理論的化學模擬方法開展了深入研究，開發(fā)出一套用量子物理方法模擬化學反應的電腦程序，為復雜的化學反應設計了多尺度模型。

卡普拉斯的研究從視網膜開始。眼睛里視網膜的分子中存在一些自由電子，當光照射到視網膜上時，這些自由電子就能夠獲得能量，改變分子的結構，這也是人類形成視覺的初級階段?？ㄆ绽钩晒⒘艘暰W膜的電腦模型，他從更簡單的類似的分子結構起步，開發(fā)了一套電腦程序。

而在千里之外的以色列魏茨曼研究院，正在攻讀博士學位的瓦謝爾和攻讀碩士學位的萊維特也在進行合作研究。這個研究院擁有一臺功能強大的計算機，被稱為“格勒姆（Golem）”，那是取自猶太傳說中的一位有生命的泥人的名字。在“格勒姆”的幫助下，瓦謝爾和萊維特開發(fā)出一個突破性的計算機程序，此程序能夠模擬各種分子，包括多種生物大分子。

拿到博士學位后，瓦謝爾從以色列到美國做博士后研究，加入了卡普拉斯的哈佛團隊，同時將自己的經典理論程序也帶了過來。從那時開始，卡普拉斯與瓦謝爾開始合作開發(fā)一套新的程序，用于對化學反應中不同的電子進行分門別類的計算。

完成博士后研究之后，瓦謝爾找到在英國劍橋大學已經完成博士學位的萊維特繼續(xù)合作，開始將量子力學和經典力學相結合的方法應用于模擬酶的化學反應。經過不懈的努力，他們在1976年成功實現(xiàn)了有關的算法，首次報道了酶反應的計算模型。他們的程序是革命性的。因為他們可以用這套程序來處理各種分子，分子的大小已不再是電腦模擬化學反應的瓶頸問題。

現(xiàn)在，用電腦模擬化學反應已經成為一個分支學科，名為“計算化學”。在20多年前，計算化學仍是一門只面向具有高度量子物理學與數(shù)值分析素養(yǎng)的人從事的研究，而且由于其龐大的計算量，絕大部分的計算工作需依靠昂貴的大型電腦主機或高階工作站來進行。這種情況在20世紀90年代中期開始有了重大的改變。由于電腦的處理器以及外圍設備（如高速內存及硬盤）的大幅進步，電腦的運算速度大大增加，使得電腦逐漸開始成為從事量子化學計算的一種經濟而高效的工具。

計算化學改善生活

每年的諾貝爾科學獎大多數(shù)都會讓人覺得十分深奧而遙遠，不少人心中或許都有一個共同的疑問：這些成果是不是只是科學家的自娛自樂呢？這些成果對我們的日常生活究竟有多大幫助呢？其實，不少研究成果都在直接或間接地改善我們的生活。獲得2013年諾貝爾化學獎的相關成果更是可以很直接地改善我們的生活。諾貝爾化學獎評選委員會在發(fā)表的聲明中說：對化學家來說，電腦是同試管一樣重要的工具，電腦對真實生命的模擬已為化學領域大部分研究成果的取得立下了“汗馬功勞”。通過模擬，化學家能更快獲得比傳統(tǒng)實驗更精準的預測結果。

首先，計算化學可以幫助我們更好地理解復雜化學反應的機制。無論是高分子材料的研究，還是對生物體內一些生化反應原理的研究，都可以給我們帶來實惠。比如，研究高分子材料的合成過程，可以更好地了解反應過程，可以對反應過程中的那些原子基團進行控制，從而可以生產出性能多樣的“功能性材料”。又比如，研究健康細胞轉化為癌細胞的過程，可以知曉是哪些生物大分子產生了什么樣的變異，以及這些變異所涉及的分子區(qū)域，可以開發(fā)出針對性較強的治療方法。

其次，計算化學可以為合成新物質提供線索和指明方向。在電腦應用到化學研究之前，化學家合成所需新物質的方法是不斷嘗試，利用不同的物質來多次的交叉嘗試，最終找到合適的原料。這樣的研究方法費時費力，且浪費原材料和實驗室資源。有了電腦之后，化學家就可以先用電腦進行模擬實驗，排除那些明顯不可能的反應路徑，找到幾條最有可能的路徑，這樣就大大縮短了合成新物質所需要的時間，減少了人力物力的消耗。在電腦的幫助下，越來越多的人造化合物出現(xiàn)在我們的日常生活中。

另外，計算化學還能帶來一些新技術。比如，卡普拉斯基于分子的量子化學性質建立了卡普拉斯方程式，然后科學家利用這個方程式開發(fā)出核磁共振技術。利用這種技術制造的核磁共振掃描儀不僅是一種重要的化學物質分析儀器，而且還可以幫助我們發(fā)現(xiàn)包括惡性腫瘤在內的多種病變。萊維特在一篇論文中提及他的夢想：在分子的層面上模擬出一個完整的活生生的人體。如果他的這個夢想能夠實現(xiàn)，人體生理功能的分子機制在電腦中就可以一一展現(xiàn)出來。

用電腦開發(fā)新藥

在計算化學領域，與人們日常生活密切相關的就是新藥的開發(fā)。從某種意義上來說，藥物學家就像是“選秀”娛樂節(jié)目的評委。他們首先根據(jù)化合物的元素組成、結構等屬性，從數(shù)千萬種天然和人造化合物中“海選”出1萬多個可能有用的分子進入第一輪評比。接著，他們把這些化合物的相關資料輸入到電腦中，讓電腦把那些不易成功提取或合成的成本過高的化合物淘汰掉。

在第二輪“比賽”中，再把那些并不太適合作為藥物（比如毒副作用較強）的化合物淘汰掉。這樣一輪輪地篩選下來，最終有幾十種化合物進入“決賽”。藥物學家再次登場充當評委，采用實驗的方法對這些化合物進行“考評”。最終的“總冠軍”就是藥物學家要找的新藥有效成分。當然，最終這個藥物能否成為藥店中的“明星”，就得看它的藥性究竟有多好了。

美國醫(yī)藥界的專家稱，目前研發(fā)一種新藥通常需要12～16年的時間，平均費用高達7000萬美元。其他國家新藥研究所需要的時間和費用也差不多。計算化學家表示，隨著電腦在藥物研發(fā)中的廣泛應用，以及用于藥物研發(fā)的超級計算機不斷升級，未來新藥的品種將越來越多，研發(fā)周期也會越來越短，藥價自然也可以不斷降下來，人們的生命健康可得到更多的保障。