走近诺贝尔奖（六）在电脑中模拟化学反应

杨先碧

现在，电脑不仅能模拟出自然界已有的许多事物，而且还可以模拟出一些尚未出现的事物。比如，不少科幻影片中未来世界的场景都是电脑模拟出来的，因为在现实中找不到那样的场景。同样，用现有的各种技术手段都难以观察到的复杂化学反应中的快速变化过程，而用电脑模拟这样的过程，就能够揭开物质变化的神秘路径。这一研究领域被称为计算化学。马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和亚利耶·瓦谢尔这三位美国科学家，因在计算化学领域做出了突出贡献而获得了2013年诺贝尔化学奖。

把电脑引入化学研究中

我们知道，在物质发生化学反应时，分子中的化学键会断裂，原子、原子团或离子会重新组合成新的物质。如何才能直观地描述化学反应的微观过程呢？

自从20世纪初量子物理学建立以来，化学家就试图利用量子物理学的方法来深入了解化学反应的微观过程。然而，在电脑发明之前，这种尝试异常艰难，因为化学反应，尤其像光合作用那样的生物化学反应，是一个十分复杂的过程。许多化学变化是瞬间发生的。在不到1毫秒（千分之一秒）的时间里，电子从一个原子核跳向另一个原子核，传统的实验化学方法根本无法记录这些化学反应的每一个过程。

面对瞬间发生的化学反应，以及复杂的电子快速运动，依靠过去用塑料球和小木棒来创建分子模型的办法已经无法实现描绘化学反应全过程的美好愿望。即使化学家选择使用量子物理学来计算化学反应过程，但繁杂的计算过程与巨大的计算量也只能应付小分子的化学反应。为此，卡普拉斯、莱维特、瓦谢尔等人提出了利用电脑来建立多尺度复杂化学系统模型。多尺度复杂化学系统模型的出现无疑是化学界的革命。通过该模型，科学家实现了用电脑监控化学变化中的每一个细节，从而能最优化地控制化学反应的过程。

20世纪六七十年代，虽然多数普通老百姓还不知道电脑为何物，但是电脑已经成为一些科学家的好帮手。在化学研究中，引入电脑让化学家对复杂化学反应的描述变得可行。卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔就是这些化学家中的杰出代表，他们是利用新的技术手段进行科学研究的先行者。瓦谢尔在获奖后接受采访时说：“简单地说，我们的研究就是借助电脑分析蛋白质的结构，最终了解蛋白质的化学反应机制。”

用电脑程序模拟化学反应

20世纪70年代初，美国化学家卡普拉斯便已经针对基于量子理论的化学模拟方法开展了深入研究，开发出一套用量子物理方法模拟化学反应的电脑程序，为复杂的化学反应设计了多尺度模型。

卡普拉斯的研究从视网膜开始。眼睛里视网膜的分子中存在一些自由电子，当光照射到视网膜上时，这些自由电子就能够获得能量，改变分子的结构，这也是人类形成视觉的初级阶段。卡普拉斯成功建立了视网膜的电脑模型，他从更简单的类似的分子结构起步，开发了一套电脑程序。

而在千里之外的以色列魏茨曼研究院，正在攻读博士学位的瓦谢尔和攻读硕士学位的莱维特也在进行合作研究。这个研究院拥有一台功能强大的计算机，被称为“格勒姆（Golem）”，那是取自犹太传说中的一位有生命的泥人的名字。在“格勒姆”的帮助下，瓦谢尔和莱维特开发出一个突破性的计算机程序，此程序能够模拟各种分子，包括多种生物大分子。

拿到博士学位后，瓦谢尔从以色列到美国做博士后研究，加入了卡普拉斯的哈佛团队，同时将自己的经典理论程序也带了过来。从那时开始，卡普拉斯与瓦谢尔开始合作开发一套新的程序，用于对化学反应中不同的电子进行分门别类的计算。

完成博士后研究之后，瓦谢尔找到在英国剑桥大学已经完成博士学位的莱维特继续合作，开始将量子力学和经典力学相结合的方法应用于模拟酶的化学反应。经过不懈的努力，他们在1976年成功实现了有关的算法，首次报道了酶反应的计算模型。他们的程序是革命性的。因为他们可以用这套程序来处理各种分子，分子的大小已不再是电脑模拟化学反应的瓶颈问题。

现在，用电脑模拟化学反应已经成为一个分支学科，名为“计算化学”。在20多年前，计算化学仍是一门只面向具有高度量子物理学与数值分析素养的人从事的研究，而且由于其庞大的计算量，绝大部分的计算工作需依靠昂贵的大型电脑主机或高阶工作站来进行。这种情况在20世纪90年代中期开始有了重大的改变。由于电脑的处理器以及外围设备（如高速内存及硬盘）的大幅进步，电脑的运算速度大大增加，使得电脑逐渐开始成为从事量子化学计算的一种经济而高效的工具。

计算化学改善生活

每年的诺贝尔科学奖大多数都会让人觉得十分深奥而遥远，不少人心中或许都有一个共同的疑问：这些成果是不是只是科学家的自娱自乐呢？这些成果对我们的日常生活究竟有多大帮助呢？其实，不少研究成果都在直接或间接地改善我们的生活。获得2013年诺贝尔化学奖的相关成果更是可以很直接地改善我们的生活。诺贝尔化学奖评选委员会在发表的声明中说：对化学家来说，电脑是同试管一样重要的工具，电脑对真实生命的模拟已为化学领域大部分研究成果的取得立下了“汗马功劳”。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。

首先，计算化学可以帮助我们更好地理解复杂化学反应的机制。无论是高分子材料的研究，还是对生物体内一些生化反应原理的研究，都可以给我们带来实惠。比如，研究高分子材料的合成过程，可以更好地了解反应过程，可以对反应过程中的那些原子基团进行控制，从而可以生产出性能多样的“功能性材料”。又比如，研究健康细胞转化为癌细胞的过程，可以知晓是哪些生物大分子产生了什么样的变异，以及这些变异所涉及的分子区域，可以开发出针对性较强的治疗方法。

其次，计算化学可以为合成新物质提供线索和指明方向。在电脑应用到化学研究之前，化学家合成所需新物质的方法是不断尝试，利用不同的物质来多次的交叉尝试，最终找到合适的原料。这样的研究方法费时费力，且浪费原材料和实验室资源。有了电脑之后，化学家就可以先用电脑进行模拟实验，排除那些明显不可能的反应路径，找到几条最有可能的路径，这样就大大缩短了合成新物质所需要的时间，减少了人力物力的消耗。在电脑的帮助下，越来越多的人造化合物出现在我们的日常生活中。

另外，计算化学还能带来一些新技术。比如，卡普拉斯基于分子的量子化学性质建立了卡普拉斯方程式，然后科学家利用这个方程式开发出核磁共振技术。利用这种技术制造的核磁共振扫描仪不仅是一种重要的化学物质分析仪器，而且还可以帮助我们发现包括恶性肿瘤在内的多种病变。莱维特在一篇论文中提及他的梦想：在分子的层面上模拟出一个完整的活生生的人体。如果他的这个梦想能够实现，人体生理功能的分子机制在电脑中就可以一一展现出来。

用电脑开发新药

在计算化学领域，与人们日常生活密切相关的就是新药的开发。从某种意义上来说，药物学家就像是“选秀”娱乐节目的评委。他们首先根据化合物的元素组成、结构等属性，从数千万种天然和人造化合物中“海选”出1万多个可能有用的分子进入第一轮评比。接着，他们把这些化合物的相关资料输入到电脑中，让电脑把那些不易成功提取或合成的成本过高的化合物淘汰掉。

在第二轮“比赛”中，再把那些并不太适合作为药物（比如毒副作用较强）的化合物淘汰掉。这样一轮轮地筛选下来，最终有几十种化合物进入“决赛”。药物学家再次登场充当评委，采用实验的方法对这些化合物进行“考评”。最终的“总冠军”就是药物学家要找的新药有效成分。当然，最终这个药物能否成为药店中的“明星”，就得看它的药性究竟有多好了。

美国医药界的专家称，目前研发一种新药通常需要12～16年的时间，平均费用高达7000万美元。其他国家新药研究所需要的时间和费用也差不多。计算化学家表示，随着电脑在药物研发中的广泛应用，以及用于药物研发的超级计算机不断升级，未来新药的品种将越来越多，研发周期也会越来越短，药价自然也可以不断降下来，人们的生命健康可得到更多的保障。