化學反應是如何“歷歷在目”的
“過去，化學家們利用塑料球和小棍來建造分子的模型，而現(xiàn)在，建模則是由計算機完成。”瑞典皇家科學院給出的新聞通稿中這樣寫道。
馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒這三位科學家因在20世紀70年代開發(fā)出“多尺度復雜化學系統(tǒng)模型”而摘得了今年諾貝爾獎化學獎桂冠。因為這項研究，科學家得以用計算機揭開神秘的化學反應的面紗，通過計算機程序模擬，讓復雜化學過程中肉眼不可見的每一個細微步驟都“歷歷在目”。
化學反應像閃電般快速發(fā)生，在數(shù)百萬分之一秒間，電子已經(jīng)完成從一個原子核向另一個原子核的遷移，科學家的肉眼無法觀察。“在這種情況下，要想借助實驗方法去描繪化學過程中的每一個小步驟幾乎已經(jīng)是不可能的任務。”北京大學化學與分子工程學院教授高毅勤說。
而此前，經(jīng)典物理學與量子力學分屬于互相對立的世界?？茖W家們在電腦上模擬時，他們擁有的軟件要么是基于經(jīng)典物理的，要么則是基于量子物理學的。前者的優(yōu)勢在于計算簡便，但只能用于大分子，無法模擬化學反應；后者則只能用于小分子并且計算量龐大。
2013年諾貝爾化學獎在這兩個世界之間打開了一扇門，并帶來了活躍的合作前景。諾貝爾獎評審團說，三位科學家的開創(chuàng)性在于，他們讓經(jīng)典物理學與迥然不同的量子物理學在化學研究中“并肩作戰(zhàn)”。
上海交通大學化學化工學院教授孫淮舉例說，一個蛋白質(zhì)分子里有成百上千個原子，但化學反應往往發(fā)生在其中的一個小區(qū)間。量子物理學能夠精確描述如酶催化等小區(qū)間的化學反應，但小區(qū)間不是孤立的，整個環(huán)境也需要納入研究考量。今年獲獎的三位科學家，將量子物理學和分子力學計算相結(jié)合，用量子化學計算小區(qū)間的化學反應，用分子力學處理環(huán)境的影響，彌補了分子力學無法模擬反應過程及量子化學無法完成海量計算的缺陷。
多尺度復雜化學系統(tǒng)模型的出現(xiàn)無疑翻開了化學史的“新篇章”，讓傳統(tǒng)的化學實驗走上了信息化的快車道。如今，反映真實情況的計算機模型已經(jīng)成為現(xiàn)在化學界大多數(shù)新進展的關鍵；化學家在計算機上所進行的實驗幾乎與在實驗室里做的一樣多，從計算機上獲得的理論結(jié)果被現(xiàn)實中的實驗證實，之后又產(chǎn)生了新的線索，引導我們?nèi)ヌ剿髟邮澜绻ぷ鞯脑怼?/p>
“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過程，從生物分子到工業(yè)化學過程等。”孫淮說。人們發(fā)現(xiàn)，借助三位科學家的研究工作，自然界的許多疑問被解答了。例如，綠葉如何進行光合作用？催化劑如何加快化學反應？藥物如何在人體中發(fā)生作用？科學家們可以以此優(yōu)化藥物設計，制造出更高效的太陽能電池，還可以通過研究催化水分子的分解來開發(fā)更多清潔能源等等。
孫淮介紹，目前中國科學家也在相關領域積極參與研究，但對多尺度模型的建立研究還在初始階段。他認為，計算化學必將在生物科學、材料科學、化學化工等領域帶來新的突破。
細胞是如何組織“貨物”運輸?shù)?/strong>
人體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)是如何運送到身體的每一個角落的？這是一個司空見慣卻又很難回答的問題。慶幸的是，2013年諾貝爾生理或醫(yī)學獎獲得者：詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·祖德霍夫給了我們答案，他們共同揭開了細胞內(nèi)部囊泡運輸調(diào)控機制的神秘面紗，展示了一個基本的細胞生理過程的種種細節(jié)。
中科院動物所研究員李培峰解釋說，細胞猶如繁忙而巨大的港口，負責傳輸營養(yǎng)分子的交通工具——囊泡，好比是港口的“穿梭巴士”，“乘客”搭乘巴士在細胞內(nèi)外往來。在這一過程中，細胞會產(chǎn)生出各種不同的分子，如膜蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、各種酶和細胞因子等，它們必須被傳遞至細胞內(nèi)不同的位置上，或需要被精確地在正確的時間轉(zhuǎn)運至細胞外部。