鲍林

(1901-1994)量子化学和结构生物学的先驱者之一。

莱纳斯·卡尔·鲍林(英语:Linus Carl Pauling;1901年2月28日—1994年8月19日)是美国化学家,量子化学和结构生物学的先驱者之一。

获诺贝尔奖

1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖。1963年因反对核弹在地面测试的行动获得1962年度的诺贝尔和平奖。

由于在1962年的决选过程中,挪威诺贝尔委员会认为当年的提名者均不符合阿尔弗雷德·诺贝尔遗嘱中所概述的标准。根据诺贝尔基金会的章程,在这种情况下,可以将诺贝尔奖保留到第二年,然后再应用该章程。 因此,一年后的1963年,莱纳斯·鲍林获得1962年诺贝尔和平奖,成为获得不同诺贝尔奖项的两人之一(另一人为玛丽·居里);也是唯一的一位每次都是独立地获得诺贝尔奖的获奖人。

学术贡献

其后他主要的行动为支持维他命C在医学的功用。

鲍林被认为是20世纪对化学科学影响最大的人之一,他所撰写的《化学键的本质》被认为是化学史上最重要的著作之一。

他以量子力学入手分析化学问题,结论却以直观、浅白的概念重新阐述,即便未受量子力学训练的化学家亦可利用准确的直观图像研究化学问题,影响至为深远,比如他所提出的许多概念:电负度、共振论、价键理论、杂化轨道、蛋白质二级结构等概念和理论,如今已成为化学领域最基础和最广泛使用的观念。

生平

鲍林于1901年2月28日在美国俄勒冈州波特兰市一个贫苦家庭出生,鲍林的父亲是一位药剂师,母亲则患有严重的抑郁症。幼年的鲍林对父亲的工作非常感兴趣,常观察父亲配制药物,直到鲍林的父亲于1910年病故,人们认为这一时期父亲潜移默化的影响奠定勒鲍林日后走上化学科学研究道路的基础。

鲍林的大学毕业照

1914年鲍林进入波特兰的华盛顿高中,高中的求学过程对鲍林影响深远,受到好友的启发,鲍林开始对化学产生浓厚的兴趣。1917年家境贫寒的鲍林进入俄勒冈农学院(今俄勒冈州立大学)攻读化学工程专业,1922年他获得学士学位。大学毕业后鲍林申请了加州理工学院的研究生,洽逢美国物理化学学者诺伊斯(Arthur Noyes)刚刚从麻省理工学院来到加州理工学院,鲍林加入了诺伊斯的研究团队,从事X-射线衍射法晶体结构的研究。在加州理工学院,鲍林接触到了热力学、统计力学、动力学、量子力学等物理化学和物理学的基础理论。1925年鲍林以最优等成绩获得物理化学和数学物理博士学位,毕业后的鲍林前往欧洲留学,当时的欧洲是量子理论发展的中心,鲍林在那里接触到了当时物理学界和物理化学界的顶尖人物。1927年,鲍林返回美国,哈佛大学和加州理工学院争相聘请他担任教职,哈佛大学甚至同意依照鲍林的意思建立一个量子化学系,而在那个时代,量子化学还是世人闻所未闻的概念。但是鲍林最终选择了加州理工学院,他在加州理工开设的第一门课程是“波动力学及其在化学上的应用”后来他将这门课的讲义整理成文,于1935年出版了《量子力学导论——及其在化学中的应用》这是历史上第一本以化学家为读者的量子力学教科书。鲍林在加州理工学院一直工作到1963年,其间获得了1954年诺贝尔化学奖。1963年-1967年鲍林供职于加州圣巴巴拉民主学院研究中心1967年-1969年任职于加州大学圣迭戈分校化学系,1969年-1973年任职于斯坦福大学,1973年之后,任职于以他名字命名的鲍林科学和医学研究所直到1994年逝世。

学术贡献

杂化轨道理论

鲍林自1930年代开始致力于化学键的研究,1931年2月发表价键理论,此后陆续发表相关论文,1939年出版了在化学史上有划时代意义的《化学键的本质》一书。这部书彻底改变了人们对化学键的认识,将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的层次,在该书出版后不到30年内,共被引用超过16000次,至今仍有许多高水平学术论文引用该书观点。由于鲍林在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献,他赢得了1954年诺贝尔化学奖。

鲍林对化学键本质的研究,引申出了广泛使用的杂化轨道概念。杂化轨道理论认为,在形成化学键的过程中,原子轨道本身会重新组合,形成杂化轨道,以获得最佳的成键效果。根据杂化轨道理论,饱和碳原子的四个价层电子轨道,即一个2s轨道和三个2p轨道可线性组合为四个完全对等的sp3杂化轨道,量子力学计算显示这四个杂化轨道在空间上形成正四面体,从而成功的解释了碳的正四面体结构。

电负性

鲍林在研究化学键键能的过程中发现,对于同核双原子分子,化学键的键能会随着原子序数的变化而发生变化,为了半定量或定性描述各种化学键的键能以及其变化趋势,鲍林于1932年首先提出了用以描述原子核对电子吸引能力的电负性概念,并且提出了定量衡量原子电负性的计算公式。电负性这一概念简单、直观、物理意义明确并且不失准确性,至今仍获得广泛应用,并可定性描述氢键。如今电负性是描述元素化学性质的重要指标之一

共振理论

鲍林为了求解复杂分子体系化学键的薛定谔方程,使用了变分法(英语:Variational method (quantum mechanics))。在原子核位置不变的前提下,提出分子体系所有可能的化学键结构,写出每个结构所对应的波函数,将体系真实的波函数表示为所有可能结构波函数的线性组合,经过变分法处理后,得到体系总能量最低的波函数形式。为了便于以化学结构式表达,图像地解释这种计算结果的物理意义,鲍林提出共振理论,体系的化学键结构表示为若干种不同结构,电子是在不同化学键结构之间共振的。但这并不表示实际分子结构在不同时间下有不同结构,实际上只有一种经共振杂化的低能稳态轨道。举苯分子结构为例,六个碳之电子为p轨道,经过共振杂化,即为一环状轨道。这解释了,为何单键和双键键长不同,在实验上测量苯环六个键长却都相同。

生物大分子结构和功能

1930年代中期,随着加州理工学院加强其在生物学领域的发展,鲍林得以接触一批生物学大师,期间鲍林对他原本没有兴趣的生物大分子结构研究产生了兴趣。鲍林在生物大分子领域最初的工作是对血红蛋白结构的确定,并且通过实验首先证实,在得氧和失氧状态下,血红蛋白的结构是不同的,为了进一步精确测定蛋白质结构,鲍林首先想到他早期从事的X-射线衍射晶体结构测试的方法,他将这种方法引入到蛋白质结构测定中来,并且推导了经衍射图谱计算蛋白质中重原子坐标的公式。至今通过蛋白质结晶,进行X-射线衍射实验仍然是测定蛋白质三级结构的主要方法,人类已知结构的蛋白质大部分是经由这种方法测定获得的。

结合血红蛋白的晶体衍射图谱,鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的,这就是最早的α螺旋结构模型,有科学史学者认为沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构模型就是受到了鲍林的影响,而鲍林之所以没有提出双螺旋,是因为他在1950年代受到美国麦卡锡主义的影响,错过了一次在英国举行的学术会议,没有能够看到一副重要的DNA晶体衍射图谱。

1951年鲍林结合他在血红蛋白进行的实验研究,以及对肽链和肽平面化学结构的理论研究,提出了α螺旋和β折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理论成为当代生物化学基本理论之一,影响深远。

此外,鲍林还提出了酶催化反应的机理、抗原与抗体结构互补性原理以及DNA复制过程中的互补性原理,这些理论在20世纪的生物化学和医学领域都扮演了非常重要的角色。

鲍林曾经提出一个磷酸在内侧,含氮碱基在外侧的“DNA三螺旋结构模型”,但是很快的就被指出错误。

社会理念与政治经历

鲍林自第二次世界大战前一直不关心政治,但战争的后果及他妻子的和平主义价值观对他日后有了重大影响,而使他成为和平的行动主义者。1946年,他加入由爱因斯坦领导的希望提醒公众发展核武器的祸害的组织——原子能科学家紧急委员会。

因为参议员约瑟夫·麦卡锡公开倡导反共主义,1950年代美国弥漫着强烈的反共气息,政治圈的各层级积极找寻并惩罚被怀疑倾向共产主义者。由于鲍林对于反核及反战的主张,自然成为当时立法者的质疑对象。1950年鲍林被参议院教育调查委员会(Senate Investigating Committee on Education)要求去作证,鲍林虽然出席但是拒绝配合任何调查,因为他认为此举已经对他的人权造成迫害。鲍林在多次场合表明自己不是共产党员,也不认同共产理念。

当时鲍林已是美国政府的问题人物,所以即便当时最有声望的伦敦皇家学会(Royal Society of London)邀请鲍林出席一项关于蛋白质模型结构的研讨会,时间订为1952年4月28日,也因政治打压无法取得护照而作罢。一般相信鲍林因为没有出席这个会议而错失目睹一项关键性的证据,而让詹姆斯·沃森及同僚佛朗西斯·克里克抢得先机,早一步提出正确的DNA分子结构。另一看法为他本人过度的自信,对当时的竞争对手缺乏关注,消耗过多精力于政治事务上才是错失DNA发现机会的主要原因。X晶体衍射照片实际上影响极有限。

医学主张

鲍林提倡使用高剂量的维生素C治疗感冒。

“这还要从1970年前后说起,鲍林在获得了诺贝尔化学奖以及和平奖之后,并没有停下自己的脚步,而是开始探索医学领域。根据自己多年的研究,鲍林在1970年推出了自己的新作《维生素C与普通感冒》。”

传记

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