化學(xué)反應(yīng)極為迅速，電子在原子核間迅速遷移，讓科學(xué)家們眼花繚亂。2013年度諾貝爾化學(xué)獎的獲得者們所做的工作，讓化學(xué)家們得以借助計算機的幫助揭示化學(xué)的神秘世界。這一進展所帶來的對詳細化學(xué)過程的了解將幫助我們改善催化劑，藥物甚至太陽能電池板方面的工藝。
現(xiàn)在，全世界的化學(xué)家們每天都在計算機上設(shè)計并進行實驗。這樣的場景之所以可能，正是得益于三名科學(xué)家：Martin Karplus, Michael Levitt 和Arieh Warshel在上世紀(jì)70年代開始所做的工作。他們仔細審視復(fù)雜化學(xué)過程中的每一個小步驟，而這些細節(jié)通常是肉眼難以察覺的。
一張圖像勝過千言萬語，但并非全部
舉例來說，若你要開展針對植物葉綠素光合作用方面的研究，你首先將需要了解葉綠素所涉及蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)，這在數(shù)據(jù)庫中便可以找到，你可以隨意查看光合作用所涉及的蛋白質(zhì)的詳細結(jié)構(gòu)，甚至查看每一個原子。這些巨大的分子機構(gòu)可能包含數(shù)以十萬計的原子，在其中存在一個很小的區(qū)域稱作反應(yīng)中心。正是在那里水分子被分解。但實際上僅有少部分的原子實際參與到了這項過程中，盡管你對這些原子和離子的位置已經(jīng)很清楚，但你卻無從知曉它們各自在反應(yīng)中的作用。這正是傳統(tǒng)化學(xué)方法無能為力的地方，它難以展示化學(xué)反應(yīng)的過程，而這種困境也正是此次獲獎科學(xué)家們所要解決的問題。
理論與實踐的相互促進
借助軟件幫助，你可以模擬一個化學(xué)過程中各種可能的反應(yīng)路徑。這樣做將讓你得以了解在反應(yīng)不同階段不同粒子所起的作用。隨后你可以開展實驗來驗證這種計算機給出的反應(yīng)路徑是否可行，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(xiàn)在化學(xué)家們在試管和計算機前所花費的時間已經(jīng)幾乎相同。
抉擇困境
在此之前，化學(xué)家們實際上已經(jīng)擁有進行計算機模擬的手段，通常主要有兩種原理，要么基于經(jīng)典物理學(xué)，要么則是基于量子物理學(xué)。經(jīng)典物理的強大之處在于其計算過程相對簡單，并且可以擁有模擬非常大型的分子結(jié)構(gòu)。但是它也擁有明顯的劣勢，那就是它無法模擬化學(xué)反應(yīng)過程。因此為了表現(xiàn)這一部分，化學(xué)家們不得不求助于量子物理學(xué)。然而在量子物理學(xué)方向需要海量的計算，也因此只能被應(yīng)用于非常有限的小分子上。而2013諾貝爾化學(xué)獎獲得者們的貢獻就在于他們將這兩種完全不同的領(lǐng)域結(jié)合了起來。
誕生過程
1970年代，正在美國哈佛大學(xué)的Martin Karplus便已經(jīng)針對基于量子物理原理的化學(xué)模擬方法開展了深入研究；而在以色列魏茨曼科學(xué)研究所，Arieh Warshel和Michael Levitt創(chuàng)建了強大的基于經(jīng)典物理原理的計算機模擬程序。他們的程序可以模擬幾乎所有類型的分子，甚至那些結(jié)構(gòu)巨大的生物分子。
1970年，在以色列完成博士研究之后來到美國的Arieh Warshel加入Karplus的實驗室。正是從這時開始，這兩組科學(xué)家開始將各自的模擬方法相互借鑒融合，共同發(fā)展更強大的模擬方法。這種方法對化學(xué)過程中不同的電子采取不同的處理方式。當(dāng)對自由電子進行處理時采用量子物理原理，而對其他電子與原子核則采取更加基于經(jīng)典物理的方案。在對視網(wǎng)膜的模擬研究過程中他們達到了預(yù)期目標(biāo)。1972年，他們公布了這項最新的方法，這是世界上首次實現(xiàn)這兩種方法的結(jié)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。
隨后兩年時間，他們繼續(xù)嘗試改進這項模擬方法，這次選中的目標(biāo)是酶。酶是生命體不可缺少的機制，酶之間的相互作用讓生命成為可能，酶操控著生命體內(nèi)的幾乎全部化學(xué)反應(yīng)。要想理解生命就必須理解酶。
在對酶的研究中，研究組進一步完善了他們的模擬方法。到1976年，研究組終于實現(xiàn)了目標(biāo)，發(fā)表了第一份酶反應(yīng)的計算機模型。這項成果是革命性的，因其終于實現(xiàn)了對所有分子的適用性。
計算生命化學(xué)的通用程序
經(jīng)過在哈佛大學(xué)為期兩年的深造，瓦謝爾與萊維特重新會合。而萊維特已在劍橋大學(xué)完成博士培訓(xùn)，主要研究生物分子學(xué)，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等。他使用了經(jīng)典的計算機程序來更好地了解生物分子究竟是什么樣子的。但其局限性不可否認，只能研究靜止?fàn)顟B(tài)下的分子。
瓦謝爾與萊維特的志向很遠大。他們希望開發(fā)出一款程序，可用來研究酶類，以及主導(dǎo)和簡化鮮活有機體化學(xué)過程的蛋白質(zhì)。在學(xué)生時代，瓦謝爾就曾關(guān)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(nèi)的所有化學(xué)反應(yīng)。如果想了解生命，就需要了解酶類。
為模擬酶類反應(yīng)，瓦謝爾與萊維特需要使經(jīng)典和量子物理學(xué)更順暢地協(xié)作，這可能需要幾年的時間來解決各種問題。于是，他們在魏茨曼科學(xué)研究所(Weizmann insitute)著手研究。但幾年后萊維特完成博士后培訓(xùn)后，他回到了劍橋。后來，瓦謝爾與萊維特在劍橋會合。1976年，他們實現(xiàn)了自己的目標(biāo)，發(fā)表了全球首個酶類反應(yīng)計算機模型。自此，在模擬化學(xué)反應(yīng)時，規(guī)模已不再是問題。
專注于核心原子
當(dāng)前化學(xué)家在模擬化學(xué)過程時，他們會應(yīng)用到所需的一切裝備。他們會對直接影響化學(xué)過程的每一個電子和原子核進行破費周折的量子物理計算。這樣，他們才可能獲得最佳的實驗結(jié)果。而分子的其他部分則使用經(jīng)典的方程式進行模擬。
為了不浪費計算資源，萊維特和瓦謝爾已經(jīng)對工作量進行了進一步削減。計算機無需再對每一個單一的原子進行計算，尤其是那些無關(guān)緊要的部分。他們已經(jīng)證明，在計算過程中，完全可以將幾個原子進行合并處理。
模擬的深遠意義需由未來決定
當(dāng)前科學(xué)家們可以通過計算機進行試驗，這有利于我們更深入地了解整個化學(xué)過程。卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾所發(fā)明的多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來研究各種各樣的化學(xué)過程，從生命分子到工業(yè)化學(xué)過程等。科學(xué)家們還可以以此優(yōu)化太陽能電池、機動車的燃料，甚至要藥品等。
其研究進展還不僅如此，萊維特還曾在一份刊物中談到其夢想：在分子層面上模擬鮮活有機體，這是一個頗具吸引力的想法。今年的諾貝爾化學(xué)獎得主所開發(fā)的計算機模型已經(jīng)足夠強大，但究竟能在多大程度上豐富我們的知識還需時間來決定。
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本文標(biāo)題：詳解2013諾貝爾化學(xué)獎：將實驗帶入信息時代
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