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諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主馬丁·卡普拉斯的化學(xué)世界

“我喜歡三件事情：化學(xué)、攝影和烹飪。”日前在北京大學(xué)化學(xué)院一間會(huì)談室里，85歲的馬丁·卡普拉斯在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

馬丁·卡普拉斯是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)藝術(shù)科學(xué)院院士、荷蘭科學(xué)院外籍院士和英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)外籍院士。他于1966年開(kāi)始在哈佛大學(xué)擔(dān)任教授，并一直從事研究工作至今。

卡普拉斯和邁克爾·萊維特、亞利耶·瓦謝爾一起獲得當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們的獲獎(jiǎng)原因是把“化學(xué)反應(yīng)搬進(jìn)網(wǎng)絡(luò)空間”。

興趣使然，上世紀(jì)70年代，卡普拉斯曾“深入”法國(guó)、日本等地的多家著名餐廳，和主廚一起烹飪美食。也許是因?yàn)槁殬I(yè)關(guān)系，他烹飪食物時(shí)似乎也會(huì)從“化學(xué)”角度看問(wèn)題。

以最簡(jiǎn)單食品雞蛋為例，“蛋清和蛋黃是由不同的蛋白質(zhì)組成的，讓它們擁有不同的味道和口感，取決于烹飪時(shí)采用的溫度。”卡普拉斯說(shuō)，“中國(guó)的皮蛋也使雞蛋的蛋白發(fā)生了不同的變化，味道我也很喜歡。”

【理論化學(xué)家回歸生物學(xué)】

“如果沒(méi)有我的家人，我的人生將空無(wú)一物，即便是在科學(xué)上獲得了成功。”在自傳《天花板上的菠菜：理論化學(xué)家回歸生物學(xué)》中，卡普拉斯如是寫(xiě)道。

卡普拉斯的童年時(shí)代是在奧地利維也納一個(gè)叫作格林津的鄉(xiāng)下度過(guò)的，那里是一個(gè)以盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紅酒而聞名的地方。然而，1938年，因?yàn)榈聡?guó)侵占奧地利，他以難民身份逃亡到美國(guó)。“這種經(jīng)歷對(duì)我的世界觀(guān)和科學(xué)道路產(chǎn)生了重要影響：它讓我認(rèn)識(shí)到，應(yīng)該停止在已經(jīng)熟悉的領(lǐng)域原地踏步，還讓我把注意力集中在不同的研究領(lǐng)域，提出新問(wèn)題，學(xué)習(xí)新事物。”卡普拉斯說(shuō)。

卡普拉斯感恩于出生在一個(gè)時(shí)刻奮發(fā)上進(jìn)的家庭中。在到達(dá)美國(guó)的第一個(gè)夏季，他們一家人原來(lái)舒適悠閑的生活被拋在身后，一時(shí)經(jīng)濟(jì)困頓。他的父母因此一邊在有錢(qián)人家做幫工維持生活，一邊接受再教育。“我的父親在溫特沃斯學(xué)院學(xué)習(xí)機(jī)械，母親在西蒙斯學(xué)院學(xué)習(xí)家庭經(jīng)濟(jì)。”他說(shuō)，后來(lái)他的父親進(jìn)了一家飛機(jī)泵工廠(chǎng)做質(zhì)檢員，并在那里一直工作了20多年直到退休;而他的母親畢業(yè)后也在一家醫(yī)院里找到了一份營(yíng)養(yǎng)師的工作。“但她還在接受繼續(xù)教育，直到65歲時(shí)拿到碩士學(xué)位。”

也正是家庭的影響讓卡普拉斯萌發(fā)了對(duì)科學(xué)的興趣，他從父親那里收到的第一個(gè)與自然科學(xué)相關(guān)的禮物是顯微鏡。“一開(kāi)始，我覺(jué)得很沮喪，它不會(huì)發(fā)出聲音，沒(méi)有任何氣味。但是很快我就從沼澤、路邊的下水道和其他地方發(fā)現(xiàn)了各種微生物，因此越來(lái)越喜愛(ài)這個(gè)禮物。”他說(shuō)，“這么多年來(lái)，它一直位于我的個(gè)人珍藏品之列。所以，我對(duì)自然科學(xué)的興趣可以說(shuō)是萌芽于父親的培養(yǎng)和母親的鼓勵(lì)。”

正是在這樣的家庭環(huán)境熏陶下，1947年，17歲的卡普拉斯如愿以?xún)數(shù)剡M(jìn)入了哈佛大學(xué)。經(jīng)過(guò)一年的學(xué)習(xí)，他放棄了做醫(yī)生的初衷，最終注冊(cè)了化學(xué)和物理學(xué)課程，這是當(dāng)時(shí)哈佛大學(xué)獨(dú)有的一個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生們可以深度地接觸不同背景的學(xué)科。“哈佛大學(xué)研究生畢業(yè)后，我決定去西海岸讀書(shū)，但是卻產(chǎn)生了一個(gè)困擾：是去加州大學(xué)伯克利分校繼續(xù)讀化學(xué)，還是到加州大學(xué)讀生物學(xué)。”

經(jīng)過(guò)美國(guó)理論物理學(xué)家、首批原子彈主要技術(shù)負(fù)責(zé)人羅伯特·奧本海默的推薦，他最終選擇了生物學(xué)。因?yàn)閵W本海默告訴他那里是“一片黑暗中的一線(xiàn)光亮”。正是在那里，卡普拉斯遇到了他的良師益友、兩度獲得諾獎(jiǎng)的鮑林。“我的導(dǎo)師鮑林對(duì)我的科學(xué)研究產(chǎn)生了非常大的影響。”他說(shuō)。

此后，在英國(guó)牛津大學(xué)博士后出站后，他先后曾執(zhí)教于伊利諾伊大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)，最后又回到哈佛。其間他曾進(jìn)行過(guò)核磁共振譜學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬等領(lǐng)域的研究，提出了有關(guān)耦合常數(shù)和二面角之間關(guān)系的卡普拉斯方程。“我到不同的大學(xué)，是因?yàn)槲矣X(jué)得陌生環(huán)境中的新同事可以讓我在研究上保持創(chuàng)造性。”他如是說(shuō)。而且他也把這種想法融入到了職業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，即每5年轉(zhuǎn)一次學(xué)校，這樣可以讓他保持對(duì)工作的激情，“這樣我才能去研究新事物，讓我的精神和思想保持年輕”。

【把計(jì)算機(jī)變成新“試管”】

人們周?chē)�的世界由原子組成，而這些原子又構(gòu)成了分子。在化學(xué)反應(yīng)中，原子會(huì)改變連接位置，形成新的分子。然而由于這一過(guò)程在微觀(guān)層面進(jìn)行，許多反應(yīng)的發(fā)生僅有幾微秒，用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段描述其反應(yīng)過(guò)程的每個(gè)步驟幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)可能在哪個(gè)位點(diǎn)出現(xiàn)，就需要利用基于量子力學(xué)的高級(jí)運(yùn)算。而該分子的其他部分則可以利用復(fù)雜度稍低的經(jīng)典力學(xué)運(yùn)算方式�？ㄆ绽�斯等人正是因?yàn)樵谏鲜兰o(jì)70年代成功研發(fā)了把量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)相結(jié)合，并用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，使計(jì)算機(jī)成為化學(xué)反應(yīng)的新“試管”。

“計(jì)算機(jī)能夠很快地嘗試不同的事情，它們做這些時(shí)并不需要思考。”卡普拉斯舉例說(shuō)，“就像玩象棋，計(jì)算機(jī)可以提前預(yù)測(cè)到接下來(lái)的10~20步，使你成為很好的棋手。”在實(shí)驗(yàn)中也是這樣，計(jì)算機(jī)可以幫你很快地處理好極其復(fù)雜的運(yùn)算步驟。

既然如此，那么以硅為基礎(chǔ)的“電腦”能否超越以碳為基礎(chǔ)的人腦呢?對(duì)此，卡普拉斯的答案是否定的。“一些人在談?wù)摍C(jī)器人時(shí)認(rèn)為，它們可能變成科幻小說(shuō)中的獨(dú)立力量。”卡普拉斯說(shuō)，盡管計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力很強(qiáng)，而且現(xiàn)在人工智能也在迅速發(fā)展，但是它們沒(méi)有任何意識(shí)。人的大腦中有真正的神經(jīng)細(xì)胞，可以產(chǎn)生意識(shí)。而計(jì)算機(jī)沒(méi)有這樣的細(xì)胞，因此只能夠模仿這種意識(shí)，而不能創(chuàng)造它們。

在卡普拉斯看來(lái)，解決科學(xué)問(wèn)題時(shí)，直覺(jué)非常重要。這也是他從導(dǎo)師和另一位諾獎(jiǎng)得主萊納斯·鮑林(量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的先驅(qū)者之一)那里學(xué)到的。“一些理論或是想法在無(wú)意識(shí)中突然出現(xiàn)或是推理獲得，這就是直覺(jué)。可能到目前為止，這是人腦和電腦之間的唯一區(qū)別。”他說(shuō)，人腦有數(shù)不清的回路，而電腦則沒(méi)有。“你可能會(huì)說(shuō)我有些保守或是落后，但我覺(jué)得這不會(huì)發(fā)生。”他補(bǔ)充說(shuō)。

【加強(qiáng)科學(xué)教育】

現(xiàn)在，已是耄耋之年的卡普拉斯仍堅(jiān)持著他的三個(gè)愛(ài)好。“現(xiàn)在，我們的孩子都長(zhǎng)大了，如果沒(méi)有會(huì)議或報(bào)告，我和妻子，還有我們聰明的狗Bib過(guò)著很平靜的生活。”卡普拉斯說(shuō)，“早上起來(lái)我會(huì)為妻子做早餐，鍛煉完身體后就在家工作，想一些新的理論，寫(xiě)一寫(xiě)論文。”卡普拉斯表示，目前他在進(jìn)行蛋白折疊方面的研究，追蹤蛋白折疊的軌跡。“過(guò)去十多年來(lái)，蛋白折疊的機(jī)制在原理上已經(jīng)基本解決了，但是從氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)展仍然是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。”

盡管當(dāng)前美國(guó)在許多科研領(lǐng)域已經(jīng)遙遙領(lǐng)先，但卡普勒斯認(rèn)為，現(xiàn)在對(duì)從事科學(xué)研究感興趣的青年人正在減少，其中一個(gè)原因與美國(guó)對(duì)教師行業(yè)的看法有關(guān)。他說(shuō)：“在美國(guó)，很多人說(shuō)，‘如果你做不了其他的事，那就當(dāng)老師吧’，而且教師的工資也不高，這說(shuō)明對(duì)教師不夠尊重。”所以現(xiàn)在很多美國(guó)科學(xué)家在呼吁加強(qiáng)STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué))領(lǐng)域的教育。

同時(shí)，他表示，生物學(xué)尤其是生命科學(xué)研究是非常復(fù)雜的領(lǐng)域，因此需要國(guó)際合作，共同創(chuàng)新。以人類(lèi)大腦為例，現(xiàn)在各國(guó)腦計(jì)劃、腦工程研究項(xiàng)目迭起，他舉例說(shuō)，美國(guó)有團(tuán)隊(duì)正在嘗試通過(guò)基因工程制作出大腦透明的斑馬魚(yú)。“這樣就可以利用活體斑馬魚(yú)觀(guān)察大腦中究竟在發(fā)生什么，以及當(dāng)大腦處于不同興奮狀態(tài)時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞如何回應(yīng)。”他說(shuō)。

現(xiàn)在，美國(guó)、歐洲已經(jīng)啟動(dòng)了腦研究，中國(guó)也在醞釀，這說(shuō)明所有國(guó)家都意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的迫切性。未來(lái)腦研究項(xiàng)目收集的數(shù)據(jù)會(huì)越來(lái)越多，將匯成人們今天所說(shuō)的大數(shù)據(jù)集。“多虧有了這些大腦計(jì)劃，未來(lái)我們將有希望治療諸如阿爾茨海默氏癥等疾病，比如醫(yī)生可以準(zhǔn)確指出是哪里發(fā)生了錯(cuò)誤，從而治愈或是減緩這些疾病的發(fā)展進(jìn)程。”卡普拉斯說(shuō)。

卡普拉斯近日還入選了度中國(guó)科學(xué)院“愛(ài)因斯坦講席教授”計(jì)劃。日前，他還與中科院網(wǎng)絡(luò)中心簽訂了合作協(xié)議。“這是一個(gè)極好的機(jī)遇。我們可以在這里開(kāi)展很多合作交流，尤其是在不同專(zhuān)業(yè)的年輕人之間。”卡普拉斯指出，讓年輕人有機(jī)會(huì)從事原始創(chuàng)新工作與獨(dú)立工作非常重要。