复杂化学体系的多尺度模型
——2013年诺贝尔化学奖简介

张婷林 康立 赵悦 马宏佳

复杂化学体系的多尺度模型
——2013年诺贝尔化学奖简介

张婷林 康立 赵悦 马宏佳*

（南京师范大学教师教育学院江苏南京210097）

介绍了2013年诺贝尔化学奖的获奖者、获奖成果及对教育的启示。

化学；诺贝尔奖；多尺度模型

北京时间2013年10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院诺贝尔颁奖委员宣布今年的诺贝尔化学奖授予马丁·卡普拉斯(MartinKarplus)，迈克尔·莱维特(MichaelLevitt)和亚利耶·瓦谢尔(AriehWarshel)，以奖励他们在“发展复杂化学体系多尺度模型”方面所做的贡献。这三位科学家长期致力于开发计算机程序来研究化学反应，他们创造性地让经典物理学与量子物理学在化学研究中“并肩作战”，为用计算机程序模拟和预测化学过程奠定了强有力的基础。

马丁·卡普拉斯迈克尔·莱维特亚利耶·瓦谢尔

一、获奖者简介

马丁·卡普拉斯（MartinKarplus），1930年出生于维也纳，拥有美国和奥地利双重国籍，是一位在奥地利出生的美国理论化学家，犹太裔。卡普拉斯1950年取得哈佛大学的文学学士学位，1953年获加州理工学院的博士学位，现为美国哈佛大学化学教授。他是著名化学家鲍林的学生。主要研究方向是生物大分子的分子动力学模拟，他提出的“卡普拉斯方程”后来被应用于核磁共振技术之中。他兴趣广泛，爱好摄影、写作，举办过多次个人摄影展。

迈克尔·莱维特（MichaelLevitt），1947年出生于南非比勒陀利亚，拥有美国和英国双重国籍，生物物理学家，美国斯坦福大学结构生物学教授。1971年于英国剑桥大学冈维尔与凯斯学院获得博士学位。莱维特曾到北大做过访问和报告，是北大定量生物学中心的兼职教授，该中心主任汤超对莱维特的印象是莱维特时时刻刻都在工作，“他现在还是自己编程，相比之下，有很多科学家都让学生来做编程，而莱维特总是自己做，比较有特色。”此外，汤超还认为莱维特“总是给人耳目一新的感觉，总是去做新的东西”，是个非常有创造性的人。

亚利耶·瓦谢尔（AriehWarshel），1940年出生于以色列，拥有美国和以色列双重国籍。瓦谢尔曾参加过两次中东战争。1969年在以色列魏兹曼科学院获得博士学位，随后，他在哈佛大学做博士后工作，1972年至1976年，他回到魏兹曼研究院研究分子生物学，在英国剑桥的实验室工作，2008年成为英国皇家化学学会资深会员，2009年当选美国国家科学院院士，目前为美国南加州大学杰出教授。

二、获奖成果介绍

1.复杂化学体系的多尺度模型

为了帮助人们理解物质的性质和变化，化学家们常常会利用塑料短杆和小球来表示分子结构。今天，借助计算机软件的帮助，化学家们使用电脑来展示各种分子模型，甚至可以模拟化学变化过程。

那么，谁设计了这些软件？设计的依据又是什么？

上世纪70年代以前，科学家们在电脑上模拟分子所使用的软件，要么是基于经典物理学的，要么是基于量子物理学的。经典物理的强大之处在于其计算过程相对简单，可以模拟非常大型的分子及其精细结构。但是经典物理也有明显的劣势，它只能计算静态，无法模拟化学反应过程，因为在反应过程中，分子是充满能量而处于激活态的。为了表现这一部分，化学家们不得不求助于量子物理学。在量子物理学中，电子具有波粒二象性，它既可以是粒子，也可以同时是波，因此它可以如实描述化学反应过程，但却需要计算机处理分子内部的每一个电子和每一个原子核，靠它只能算有限的小分子，甚至无法考虑溶剂的影响。

今年的三位诺贝尔化学奖得主成功地将这两种方法进行分工，如图1所示：反应中心的自由电子用量子计算，外围的原子用经典物理，更外面的溶液就当成均一的电介质，不模拟。因此，采用经典物理和量子物理两种不同标准来研究化学反应的过程，这就是多尺度。这三位科学家不仅提出了“多尺度模型”，而且依据其编制出了相应的计算机程序。

2.复杂化学体系的多尺度模型的由来与发展

多尺度模型是如何发展和形成的呢？

图1

多尺度模型的最初一步是在20世纪70年代，由马丁·卡普拉斯和亚利耶·瓦谢尔在美国哈佛大学的实验室中迈出的。

卡普拉斯一直致力于量子物理方法的研究工作。他带领的研究组开发的计算机程序可以利用量子物理原理来模拟化学反应过程。他还提出了“Karplus方程”，该方程的原理后来被应用到了核磁共振技术中，这是一项化学家们所熟知的，基于分子的量子特性而发展起来的方法。

1970年，瓦谢尔来到卡普拉斯在美国的实验室并带来了他的计算机程序。瓦谢尔曾在以色列的魏茨曼科学研究院进行博士阶段的研究工作，在超级计算机“Golem”（Golem，犹太人民间传说中的无生命的巨人，注入魔力后可行动，但无思考能力）的帮助下，瓦谢尔和迈克尔·莱维特发展了一套革命性的计算机程序，其基于经典物理理论，可以实现对所有分子的模拟。瓦谢尔和卡普拉斯在哈佛开始合作后，就致力于开发一种新型程序，其可以对不同的电子采用不同的处理方法。在大部分分子结构中，每个电子都围绕一个原子核运行，但在有些分子中，部分电子可以在几个原子核之间自由运行。视网膜分子结构中就存在这种自由电子，当光线抵达视网膜，其中的自由电子充满能量，从而造成分子结构变形，这是构成人类视觉的最初步骤。卡普拉斯长久以来对视网膜就有浓厚兴趣，因为这是一种分子的量子化学过程，并会造成生物学效应。最后，卡普拉斯和瓦谢尔成功地建立了简化版的视网膜结构模型。

1972年，他们公布了一套计算机程序，当其处理自由电子时会采用量子物理算法，而当处理其他电子和原子核时则采用更加简单的经典物理方法，这是世界上首次实现这两种方法的结合。但这种方法是有局限性的，它要求分子必须是镜面对称的。

瓦谢尔与莱维特的合作为多尺度模型的发展作出了进一步贡献。莱维特与在瓦谢尔曾一起在以色列的魏茨曼科学研究院基于经典物理的计算机程序。他在剑桥大学读博士期间，主要研究生物分子学，如DNA、RNA和蛋白质等。瓦谢尔与莱维特的志向很远大。他们希望开发出一款程序，可用来研究酶类。在学生时代，瓦谢尔就曾关注过酶类的功能。也正是酶类之间的相互合作让生命成为可能，它们几乎控制着生命体内的所有化学反应。如果想了解生命，就需要了解酶类。为模拟酶类反应，瓦谢尔与莱维特需要使经典和量子物理学更顺畅地协作，后来，瓦谢尔与莱维特在剑桥会合，继续研究。1976年，他们实现了自己的目标，发表了全球首个酶类反应计算机模型。自此，在模拟化学反应时，规模已不再是问题。

3.复杂化学体系的多尺度模型的意义与应用

现在，全世界每天都有化学家在计算机上设计并进行实验，这都得益于三位科学家在上个世纪70年代所做的研究，他们为用计算机程序来了解和预测化学过程奠定了强有力的基础。

借助软件的帮助，化学家可以模拟一个化学过程中各种可能的反应路径，以了解在反应不同阶段不同原子所起的作用。当找到了那些似乎可行的反应路径之后，就可以开展实验来验证这种计算机给出的反应路径是否确实是正确的，从而反过来修正模型，提升其进行模拟时的精确度。如此相互促进，让现在化学家们在试管和计算机前所花费的时间已经几乎相同。

三位科学家的研究理论和方法适用于化学的每个领域，可以用来探索各种各样的化学过程，通过模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果。科学家们可以研究植物光合作用而用于太阳能电池的设计，研究汽车里的燃烧过程而优化燃料等。不仅如此，获奖者莱维特还希望能够从分子层面模拟一整个生物体，成为真正意义上的“数字生命”。

三、启发与思考

1.团队合作与学科交叉导致创新

今年的诺贝尔化学奖由三位化学家共享，体现出科研当中非常重要的合作意识和学科交叉。每个人的智慧和创造是有限的，但将智慧集合起来则有可能产生加倍叠加的作用。因为，在合作的过程中，每个人可以相互学习，在交流的过程中擦出灵感的火花，从而激发出新的想法。不同学科和不同理论会有不同的优势和缺陷，自然界是复杂的，探索自然也需要人们综合运用不同学科的不同理论。而学科交叉，本身就是一种创新，更为发展新的理论和技术提供了可能。今年诺贝尔化学奖为人们提供了经典物理学和量子物理学交叉应用导致“复杂化学体系多尺度模型”诞生的成功范例。

2.传统学科要进入信息时代

化学是以实验为基础的自然科学，在计算机大量运用的信息时代，化学实验还要不要？试管烧杯还要不要？既然能用计算机模拟出化学变化的过程，计算机是否能够取代试管烧杯，将化学实验“搬到”电脑里？答案应该是否定的。借助软件的帮助，化学家可以模拟一个化学过程中各种可能的反应路径，以了解在反应不同阶段不同原子所起的作用。但仍然需要用真正的实验来验证这种计算机给出的反应路径是否正确，从而反过来修正模型。只有基于前期实验的事实和理论，才能够成功建立化学反应的过程模型，并且还需要后期实验的验证，才能使计算机模拟出的实验结果有说服力。同时，人们也应该看到，计算机的工作大大提高了人们对化学变化认识的深度和广度。计算机模拟和实验验证相互促进，让现在化学家们在试管和计算机前所花费的时间已经几乎相同，二者缺一不可。这也正是传统学科进入信息时代的必然。

3.广泛兴趣和创新欲望导致成功

今年的三位化学诺贝尔化学奖得主都是非常有故事的科学家。卡普拉斯中学的时候，父母给哥哥买了一套化学实验器材，他也想要，但为了安全，父母给他买了一个显微镜，他一直保存至今。年轻卡普拉斯迷恋观鸟，曾对电影产生浓厚兴趣，去过卓别林的工作室，见到了卓别林本人，后来他迷上摄影，在他的个人网页上有许多精美的摄影作品。66岁的莱维特现在还在自己编写计算机程序，他总做新的东西，是个非常有创造性的人。

由此我们可以看出，教育和环境的熏陶对一个人成长的重要影响。孩子小时候在自己感兴趣的方面进行尝试、探索和发现，有助于培养做事的能力和毅力，有助于思维的发展。科学家也同时是艺术家，因为科学也需要有想象力、有创造力、创新能力，更需要有动手实践、将梦想转变为成现实的能力。

［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

*通讯联系人：mahongjia@njnu.edu.cn