第11章 8 生命科學

一大筆錢 約翰·洛克菲勒碰到了麻煩。他巨大的俄亥俄萊馬油田產出的原油含有大量的硫，聞起來就像臭雞蛋。大家稱之為臭鼬汁，沒有人購買。他的煉油廠不能去除這一種臭味，因此，面對成萬桶毫無價值的原油，洛克菲勒束手無策。 一群在他印第安納工廠的化學工程師請他出資以便尋找一種去除異味的方法，洛克菲勒拒絕了，因為他不想再將錢扔到水里去。但是，有幾個工程師繼續在業餘時間鑽研這一問題，並在1913年成功地找到了一種“裂化”石油的方法。這一新工藝不但去除了惡臭，而且使汽油的產量翻了一番。目睹這一成果，洛克菲勒茅塞頓開，幾乎在一夜之間，他成了科學的堅決支持者。 這位工業大亨在晚年常常思考該如何來支配多年積聚起來的巨大財富。在他的親自過問下，他建立的數額龐大的慈善基金有很大一部分投向了科學的目標和方法。洛克菲勒是一個基督徒，然而更是一個實用主義者，他並不希望把自己的錢施捨給那些有困難的人；他希望找到問題的根源，並消滅這些根源。他希望自己的投資能夠改善人類的生活，而科學無疑是當代最有效的途徑。

20年代，在由哲學教授轉變為科學倡導者的威克立夫·羅茲的管理下，洛克菲勒慈善基金開始對純科學進行大規模的資助。羅茲最大的一筆贊助是投給加州理工學院海耳的帕洛馬山天文台的望遠鏡，而這不過是20年代洛克菲勒基金投給這所學校許多筆巨款之一。羅茲喜歡一下子投一大筆錢，而他之所以偏愛加州理工學院是因為他相信——與多數科學家的觀點相同——最好的研究成果是由少數幾個精英院校的頂尖科學家完成的，而且科學家本人比基金管理者更清楚該如何來開銷這筆錢。羅茲的方法是確定基礎研究最有價值的中心，提供一大筆附加條件極少的資金，並允許科學家自己去決定該如何處置這筆錢。需要分發的錢很多。到1932年，光是洛克菲勒慈善基金為美國科學研究提供的資金就達到本世紀初對科學的所有捐助額的六倍。科學史專家丹尼爾·凱弗里斯形容說，羅茲成了“科學界的中央銀行”，而且他最愛說的一句話“讓山巔更高些”也成了基金會非正式的座右銘。

在洛克菲勒和卡內基的慷慨資助以及私人捐款的推動下，私立科學中心，如加州理工學院、麻省理工學院、哥倫比亞大學、哈佛大學和約翰·霍普金斯大學，在20年代迅速壯大——更不用說洛克菲勒一手扶植起來的學校，如芝加哥大學以及紐約市的洛克菲勒醫學研究院。不僅新建了大批基礎設施、教學樓和實驗室，學科的力量和影響也大大提高。在第一次世界大戰期間，政府、企業和科學界三者之間結成的聯盟——表現為海耳和密立根的全國科學研究委員會——在20年代得到了進一步的鞏固，形成了一個由學術權威和社會名流組成的科學“集團”：大學教授，商人，政府官員，慈善基金管理人和有錢的理事會，以及國家科學院院長和美國科學發展協會會長。他們在學術會議上互相交流，在彼此的俱樂部中共進晚餐，向對方提出建議，彼此提供資金，互相提名擔任更重要的職務，並共同規劃了兩次世界大戰期間的科學進程。

這一體制對加州理工學院非常有利。例如，海耳、諾伊斯和密立根都是國家科學研究委員會的組織者，同時也是國家科學院中頗具影響力的人物。當卡內基基金會——該會基金資助了海耳的威爾遜天文台——在1919年尋找新的主席時，海耳和諾伊斯確保他們共同的朋友和前國家科學研究委員會主席約翰·C·麥利安能獲得提名。正如諾伊斯向海耳指出的那樣，“這樣安排的話，你。我、他三個人就可以基本上左右卡內基基金會的政策。”在麥利安當選後，諾伊斯不費吹灰之力就獲得了卡內基基金的讚助：在20年代用於各種化學研究項目的20萬美金——占到化學系一年總開銷的三分之一。其中一部分錢資助了鮑林的早期科學研究。 毫不奇怪，當時擔任《科學》雜誌編輯的詹姆斯·卡泰爾尖刻地把這種錯綜複雜的聯繫比喻成天文學中計算涉及幾個天體時的行星運動所碰到的難題。 “科學研究委員會屬於國家科學院，或者是國家科學院屬於科學研究委員會，或者兩者都是帕薩迪納的衛星，這是一個涉及三個天體的複雜問題。……卡內基公司、洛克菲勒基金會和國家科學研究委員會則是另一個涉及三個天體的問題。”

到了20年代末，從私人慈善基金那裡獲得的資助成了加州理工學院一項至關重要的收入——佔總資產的百分之二十——其中很大一部分來自洛克菲勒基金。 諾伊斯從卡內基基金獲得了很多錢來資助他的物理化學項目，現在他把目光轉向洛克菲勒基金，希望通過它來擴充有機化學系。有機化學是加州理工學院的一個弱項。諾伊斯在系裡唯一的有機化學家是特洛普時代的一個遺老，名叫霍華德·盧卡斯，諾伊斯認為他不夠傑出。在諾伊斯看來，有機化學——對碳化物這種生命分子的研究——是一塊基石，由此可以通向他心儀已久的其他領域：生物化學和醫學研究。諾伊斯相信，這將是他這個科學分支的重大進步，在這一交叉學科中，化學可以促成生物學的革命，就像在他的幫助下，物理曾經促成了化學的革命一樣。早在1922年，他就批准了一個在加州理工學院試制胰島素的項目，並在隨後的幾年中，用卡內基提供的資金擴大了這一項目；他甚至想在理工學院內創建一個以研究為導向的醫學院。

不過，第一步必須是有機化學。他需要尋找一個新人，一個具有國際聲譽的科學新星，這樣才可能以他為核心建立一支研究隊伍。他開始尋找資助來實現這一計劃。在90年代中期，諾伊斯說服洛克菲勒基金提供了一大筆贊助，包括僱傭一個新的有機化學家的費用，但是他找不到合適的人選。有機化學是歐洲，特別是德國的專長，在美國很難找到一流的學者，詹姆斯·布賴恩特·科南特是美國有機化學領域的第一人，但是1927年他在加州理工學院考察了兩個月後，接受了哈佛大學的提議。接著諾伊斯的健康開始惡化，分散了精力。 1930年，這一職位仍舊空缺，而洛克菲勒基金又給了加州理工學院一大筆贊助：20萬美金，並保證會有更多的資金用於自然科學的發展，包括為蓋茨實驗室再蓋一個新的有機化學樓。

諾伊斯把目光投向了鮑林。在鮑林將共振思想運用到苯分子結構的時候，諾伊斯就問過他能否考慮把自己的頭銜變成有機化學教授。對諾伊斯而言，益處是顯而易見的：在他的新樓裡可以有一位大家公認的天才，一位具有建立一個新系所需凝聚力的科學家。但是鮑林很快就拒絕了。鮑林喜歡思考生物學問題——諾伊斯鼓勵系裡的教師參加生物系的研討會，鮑林和遺傳學家摩爾根小組中的年輕人混得很熟，甚至還翻譯了一篇德文的遺傳學論文，並且對此發表了自己的見解——不過，鮑林主要的興趣仍然圍繞著晶體結構和化學鍵。他相信自己的量子化學的結構法是所有化學的基礎，包括有機化學和無機化學。被提升為正教授時，鮑林堅持把自己的正式頭銜從物理化學教授變成了更為通用的化學教授。變回到有機化學將是一個退步。他不希望被歸到某一類。

名稱並不重要，重要的是鮑林實際做了些什麼。諾伊斯認為鮑林在化學鍵上的工作是化學學科上最重大的進步，有機化學也不例外。只有鮑林有能力來推動一個科研項目。不管怎樣，鮑林的小組將佔據新大樓的中心位置。不過如果他的研究能夠稍稍偏向生物學課題的話，將很有好處。 鮑林是個聰明人，他能夠看準風向。 1932年2月，鮑林同時向洛克菲勒基金會和卡內基基金會提出了申請，要求在五年時間裡，每年得到一萬五千美元的經費支持“對無機物和有機物結構的系列研究，包括理論和實驗工作”。他要求資助的許多工作涉及到Ｘ射線晶體學和電子衍射的課題，但是他同時也描述了自己對有機分子日益增長的興趣——出於對苯分子結構研究的成功。 “我可望解決簡單的有機晶體和分子的波函數，”他寫道，並運用半經驗的方式來“確立一整套原子半徑和結構的原則，以便有把握地對原子排列，包括原子間的距離、任何分子的一般電子狀態和其相對於其他分子的穩定性，作出預測。這些知識對生物化學也將是至關重要的，可以進而確定蛋白質的結構，確定血紅蛋白和其他復雜的有機物的結構。”

韋弗 鮑林的提議——特別是關於蛋白質的論述——5；起了沃倫·韋弗的注意。剛好在兩個月之前，洛克菲勒基金會僱傭了韋弗來分發其對自然科學的讚助款。 作為科學家，韋弗是二流的角色，但是他結交朋友的本領是一流的。他有一個好友是馬克思·梅森，他在威斯康星大學讀書時的電氣力學教授，後來成為洛克菲勒基金會主席。另一位就是密立根。在芝加哥大學教授物理時，密立根對韋弗留下了極好的印象，以至當他去加州理工學院上任時，提出給韋弗一個教職。韋弗作為資歷較淺的教授在帕薩迪納度過了三年愉快的光陰，然後在1920年梅森又請他回威斯康星大學教書；韋弗走的時候，密立根拒絕接受他的辭呈，說他應該永遠將自己當作一個加州理工學院的教師。

但是韋弗不精於實驗室工作。他說：“我缺乏一個傑出的科研人員所需的那種奇妙的創造力火花，我從未曾有過一流的獨創的思想。”因此，就像許多在實驗台前失意的科學家那樣，他轉向教學和行政工作。他與形形色色的人建立了良好的關係，不久就扶搖直上，成了威斯康星大學數學系主任。 他安定了下來，似乎將在威斯康星度過漫長的歲月。突然，1932年初，梅森打電話給他，這次是到洛克菲勒基金會紐約辦公室。梅森解釋說，威克立夫·羅茲走了，他的慷慨的資助方式也結束了；大蕭條使情況發生了改變，現在洛克菲勒基金會的那些理事們希望在捐出大筆金錢之前先清楚地了解一下這筆錢的具體用途。現在的趨勢是，將數額較小的讚助分撥給由某一位科學家領導的具體的研究項目。理事們希望看到成果。當然這意味著基金管理人更嚴格地對項目進行監督，並能夠眼光準確地從眾多參與角逐的科學家之中挑出勝利者來。梅森相信韋弗的判斷力。他對韋弗解釋說，這就是他希望韋弗掌管自然科學部的原因。

韋弗吃驚得說不出一句話。這一工作的前景讓他感到目眩和神往。在38歲時，這位脾氣好，長著一張聰明面孔的實驗失敗者和中層學術經理人被請來執掌世界上最重要的科學贊助機構。他將擁有開闢新的研究領域的權力，成全或毀滅一個人的學術生涯，分配數百萬美元的經費，甚至改變科學歷史的進程。 他迫不及待地接受了這份工作。 韋弗本人的獨創思想可能很少，但是他善於發現別人的思想。他特別熱衷於一種新的生物學。儘管他本人沒有受過這方面的教育，但是他相信那裡正孕育著一場科學革命，將誕生一種能夠大大改善人類生活的新方法。和諾伊斯一樣，他相信更為“成功”的自然科學——數學、物理和化學——其方法如果能應用到生物學上，將促成這一學科的一場革命。他把這稱為“物理科學對生物科學的友好入侵”。 在談及自己30年代早期的思想時，他甚至不用“生物學”這個詞，先是稱之為“生命的過程”，然後在1936年發明了一個恰當的名稱：分子生物學。他對洛克菲勒基金的理事們說，這將改變我們對生命世界的看法。舊生物學關注的是整個有機體，而分子生物學關注的是單個細胞中的未知世界、新陳代謝的過程與單個蛋白質的結構。定量的測量將支持定性的觀察。運用從化學和物理學中得到的普遍的自然規律，生物學將從野外走進實驗室。在此，新一代科學家將運用令人匪夷所思的強大的實驗設備，如Ｘ射線晶體學儀器、超高速離心器和日益強大的顯微鏡，來發現生命的本源。 韋弗並不是唯一抱有這種熱情的人。 20年代末，H·G·威爾斯和胡里安·赫胥黎出版了一本暢銷書《生命科學》，通俗地概述了這一領域的科學，代表了一小批抱有同樣觀點的英國和美國科學家的思潮。不久，他們寫道，“以超越我們想像能力的理論和實踐知識武裝起來的生物科學”，將可能“最終左右人類的發展”。科學家將“直接對遺傳物質動手術，使未來的優生學成為可能的現實”。那時，人類將改良任何一個物種，包括人自身，就像改良小麥和玉米的品種一樣。 韋弗將這一思想又向前推進了一步。他對洛克菲勒基金的理事們說，基於實驗室的對生物學和心理學的研究工作，將揭示導致暴力、鬱悶、失常和性問題的分子結構，從而幫助“人們使自己的行為理性化”。他說，從現在開始，洛克菲勒基金應致力於使用最有力的新興科學技能來揭開人類身體和大腦的神秘面紗。理事們大多是保守派，他們被能發現社會動蕩的根本因素這一思想打動了。他們全權委託韋弗執行他的這一名為“人的科學”的計劃。從那以後，洛克菲勒基金不再贊助那些與生命科學沒有直接聯繫的數學、物理和化學。 韋弗深知，新計劃的成功取決於找到那些能夠把各自的技能應用到新領域中去的化學家和物理學家。鮑林在化學上的能力是有目共睹的，近來又開始對生物化學問題發生了興趣，是一個合適的人選。作為洛克菲勒基金自然科學部主任，韋弗上任後的第一批事情之一就是撥給鮑林兩年各兩萬美金——足夠鮑林支付五個博士後和一個專職助手的薪水，還有些餘錢可以用來購買儀器、試管、晶體、膠卷、變壓器和其他一些必需的專門設備。這甚至超過了鮑林因大蕭條而損失的研究經費，同時也標誌著兩人長期互利合作關係的開始。 就加州理工學院而言，洛克菲勒基金有所側重的資助方案有利也有弊。新的安排意味著天文學、地質學和數學、物理、化學領域多數的研究項目——與生物學和心理學無關的學科，將失去獲得資金的機會。照韋弗的說法，一分錢也拿不到。甚至密立根也不能說服基金會來贊助他的宇宙射線的研究。但是，摩爾根的遺傳學研究將獲得洛克菲勒的慷慨資助，鮑林的研究同樣如此。 在加入洛克菲勒基金會不久，韋弗就訪問了加州理工學院，並留下了良好的印象。諾伊斯精心安排他參觀了蓋茨實驗樓，並向他介紹有機化學發展的長期規劃——他聰明地稱其為生物有機化學——和自己的人才儲備，特別提到了鮑林。那天晚上，韋弗在日記中寫道：“諾伊斯對我說，即使整個化學係就剩下鮑林一個人，它仍將是世界上最重要的化學系之一。他希望我不要將這句話認為是普通的加利福尼亞式的恭維。” 韋弗一見到鮑林，就開始相信諾伊斯的話可能是正確的。在加州理工學院其他的化學實驗室裡，只有一兩個研究生一聲不響地在完成教授指派的任務，而鮑林在天體物理學大樓裡的實驗室則充滿了生機。屋子裡有九個博士後與五個研究生，濟濟一堂，彼此熱烈地進行著討論。在這裡，各種思想自由公開地交流，有點像路易斯的伯克利實驗室。原始思想被潦草地塗在黑板上，引起激烈的爭論和笑聲。韋弗覺得這裡有點像具有歐洲風格的理論化學中心——學院內的學院，而鮑林掌管著一切。在結束對加州理工學院的訪問之後，韋弗對鮑林的評價是“具有一流的思考能力，驚人的分析能力，並擁有與實驗科學保持緊密和卓有成效的聯繫的天才。……哈佛大學、麻省理工學院、密歇根大學競相高薪禮聘，他幾乎被公認為是世界理論化學的領袖。” 唯一的缺陷是鮑林不研究生命科學——至少尚沒有開始。在訪問中，韋弗宣揚他的分子生物學方法，強調洛克菲勒基金對生物分子結構的興趣要大大高於對硫化物的興趣。他倆在鮑林的辦公室進行了一次長談，他慫恿鮑林運用其結構化學的思想來揭開生命之謎。 但是這一信息似乎並沒有在鮑林身上產生效果。幾個月後，當韋弗在1933年10月第二次來加州理工學院訪問時，鮑林最初兩年的經費快要用完了。在1932年至1933年有鮑林名字的二十多篇論文中，只有苯的那篇和另外兩三篇有關小的碳基分子的文章是關於有機化學的，分子生物學的論文幾乎一篇也沒有。所有其他的論文都是關於鮑林感興趣的無機晶體或是一般的量子理論問題。鮑林知道韋弗另有所圖，所以特地為自己的讚助人準備了一份六頁紙的報告，向他解釋自己是如何開銷洛克菲勒基金的，以及自己未來的打算。他說，自己當前的科研重點是解決有機分子的結構，然後還投其所好地特意向韋弗提到，將來他將研究葉綠素和血紅蛋白。這些暗示和承諾還不能令韋弗滿意。他喜歡鮑林，認為他前途似錦，但是他得讓基金會理事們接受鮑林的觀點。他坦率地告訴鮑林說，普通有機化學的結構工作不可能得到金錢；只有那些直接與生物學相關的工作才可能得到資助。 鮑林洗耳恭聽。當他在1933年正式申請延長三年的讚助時，他在報告中以顯著的位置提到了生物分子。韋弗認為他應該獲得贊助，但是由於鮑林幾乎沒有什麼與生物學有關的研究成果，韋弗發現很難讓理事會下決心。最後，他把鮑林比作路易·巴斯德，後者在19世紀50年代對化學結構的抽象興趣最終導致了生物學和醫學的重大發現。即使這樣，理事會也只批准將贊助延長一年。韋弗心平氣和地向鮑林通報了這一消息，告訴他經濟狀況使長期的資助變得“不明智”，並重申了洛克菲勒基金會的期望：“如果你的研究工作能夠直接涉及葉綠素、血紅蛋白和其他具有生物學重要意義的物質，那麼你的申請將得到優先的考慮。” 生物學是有趣的，但是鮑林並沒有打算圍繞它來豐富自己的學術生涯。他的有機化學基礎有限，而且這輩子他沒有上過一堂生物課。他自信有能力解決幾乎任何問題，但是轉向生物學將使自己脫離成功的領域，進入一個具有不同預期值的陌生地方，並由另一群科學家來對他的成功作出判斷。這將冒很大的風險。另外，他覺得只要再有一點時間和金錢，他很快就能發現決定硫化礦物結構的一般規律。 1934年初，他要求美國潘若士基金地質學會資助他的這項研究。 他被拒絕了，這令鮑林感到意外，覺得這是對自己的研究計劃和人格的雙重打擊。他突然意識到洛克菲勒基金的重要性。鮑林用洛克菲勒基金會的讚助擴建了自己的實驗室，而且用這筆錢招募的助手、博士後和研究生促使他養成了一種新的工作風格。首先由他提出新的思想或需要解決的問題，叫學生進行實驗，然後幫助他們分析結果並合寫論文。這一方式使他走出了實驗室，專心於書房，進行他最擅長的理論思維；這擴大了他的研究領域，使他能夠對自己感興趣的課題同時進行思考。他在1934年發表的論文都是合作的，一般的合作者的工資或是使用的實驗設備都是洛克菲勒基金提供的。大蕭條還遠沒有結束，也不可能從其他渠道獲得大筆資金。 鮑林追逐著金錢。他寫道：“顯然，除非我對與生物學有關的化學發生興趣，我很難繼續得到洛克菲勒基金的資助。”他放棄了一部分礦物學的研究工作，把重點轉向生物分子。他後來無奈地說：“上述這段經歷說明，贊助機構可以影響科學的進程。” 血液 鮑林在有機化學和生物分子研究方面起步也許是晚了一些，但是一旦開始，他就以他一貫的精力和想像力全力以赴地投入了工作。在理論方面，他和自己的學生韋蘭德將他們的共振思想運用到了重要的有機物質結構上，如有機酸中的羧基和不含芳烴的原子團。勞倫斯·布羅克威的電子衍射儀已經開始運轉，一系列關於有機小分子結構的論文開始出現，其中一篇描述的是血紅蛋白的一個亞層結構。 血紅蛋白是實驗室研究的理想對象，這有以下幾個原因。首先最重要的，它是肌體中最重要的一類分子。毛髮、角質和羽毛，皮膚、肌肉和腱，都是蛋白質，神經和血液的最主要的部分也同樣是蛋白質。人們還無法解釋的能夠催化某些反應的酶是蛋白質；抗體和染色體——攜帶遺傳密碼且由蛋白質和核酸糾結而成的物質——的大部分也是蛋白質。蛋白質參與每一種反應，而且是肌體任何一個器官的重要組成部分。人們認為，生命的秘密可以在蛋白質中找到。 在30年代早期，沒有人知道蛋白質的特性，甚至不知道蛋白質看上去是怎麼樣的。然而，蛋白質是推動生命過程的引擎；那些冷冰冰的化學物質正是在這些分子層次上變成了活動的、會呼吸的有機體。發現韋弗所稱的“巨大的蛋白質問題”的秘密將是生命科學計劃的最重要的一項內容。 然而，如果從實際出發，研究蛋白質是一場惡夢。早期的資料顯示，它們是巨大的分子，有時候包括幾十萬個原子——比鮑林解決過的任何分子結構都要復雜得多。它們很難提純，而且很易變質。只要用酸或鹼稍稍進行加熱或者處理，就足以改變一個蛋白質的自然形狀並使它喪失活性——就是人們所說的“變性”。如同打蛋的經驗顯示，稍稍用一把叉子攪拌一個蛋清，有時就足以使它變性。 血紅蛋白至少還不至於這樣脆弱。從牛或羊的血液裡可以容易地得到大量純淨的血紅蛋白。它更大的優勢是會結晶，這意味著它具有一種規則的、重複的結構。一種物質只要能夠結晶，那麼至少就有可能通過Ｘ射線衍射來分析它的結構。 血紅蛋白還可以被分解開來，一段一段地進行研究。它是一種與別的非蛋白質結合的蛋白質，在此是與一種稱為卟啉的環狀分子結合在一起。卟啉又與一個鐵原子結合在一起，鐵原子又與氧結合在一起，這樣，血紅蛋白就能把氧帶到全身各處。當鮑林在1929年訪問哈佛時，科南特就向他介紹了一些自己有關卟啉的研究工作，引起了鮑林的興趣。卟啉之所以引起人們的興趣，首先是由於它奇特的形狀——由許多小環組成的一個大環——然而更重要的是，它存在於大自然的每一個角落，在植物的葉綠素中和氧結合，在許多動物的血紅蛋白中也是它與氧結合。卟啉似乎在分子層次上代表了具有生命普遍意義的分子生物學思想：哪裡有生命，哪裡就有卟啉，它在不同的有機體中扮演了相似的角色。 卟啉由四個串成環的吡咯組成。吡咯是一個由單鍵或雙鍵交替鍵合的原子環，稱為“蛋白質與非蛋白質結合”的結構。鮑林在化學鍵本質的一篇論文中曾經對這一結構的化學性質作過討論。要研究血紅蛋白，吡咯是一個自然的起點。從這裡開始，鮑林可以逐級研究更為複雜的結構：四個吡咯結合在一起組成一個卟啉環；一個卟啉環加上一個鐵原子組成一個血色素；每個血色素和一個球狀蛋白質組成一個血紅蛋白單位；四個血紅蛋白組成一個血紅蛋白分子。最終的構造大得令人難以想像：一個包含上萬個原子的球體。鮑林很快作出結論，這一構造十分複雜，無法直接用Ｘ射線晶體學進行研究，儘管一些受洛克菲勒基金資助的樂觀的英國研究人員正打算這樣去做。也許他可以把血紅蛋白分子分解成其組成部分，弄清楚每一個亞層結構，然後把它們再裝配起來。 鮑林開始閱讀能夠找到的所有關於血紅蛋白的資料，包括一篇深入探討分子是如何與氧結合的論文。這裡有一個謎。研究人員發現，氧與血紅蛋白中的四個血色素結合時，它們似乎並非各自為政。結合了第一個氧原子，剩下的三個氧原子就更容易結合，而失去了第一個氧原子，剩下的三個氧原子就更容易失去。血色素之間似乎進行著某種形式的交流。這可以用來解釋血紅蛋白是如何在肺中搭載氧，又是如何在身體的其他部分卸載氧的，然而分子間的交流難以用化學理論來解釋。 不過，在經過幾個星期的思索之後，鮑林想出了一種高明的辦法。他設計了一個能夠描述前人收集的關於氧原子結合數據的公式，然後對四個血色素之間的各種空間關係進行了數學分析，最後得出了一種符合結合曲線的方向。他說，四個血色素最有可能的方向是在一個平面正方形的四個角上。後來證明他的觀點是錯誤的，但是當他在1935年首次提出這一觀點時，引起了血色素研究者中絕大多數醫學研究人員和生物化學家的熱烈討論。在這一領域中，他們從未看見過這樣的研究方法。顯然，一個具有新思路的新天才出現了。 鮑林發表了自己的觀點，向韋弗表明他對待新的研究計劃是認真嚴肅的。但是，他在血紅蛋白分子其他研究上的進展並不順利。他試圖將新的Ｘ射線技巧運用到卟啉上去，但很快就發現這種方法十分複雜，難以在短期內見效。鮑林放棄了努力，告訴韋弗他不是那種能花兩年時間來對一種化合物進行詳盡的晶體分析的化學家。解決血紅蛋白結構的問題最終耗費了20年時間，無數次研磨，無數次Ｘ射線照射，並將最終為別人贏得諾貝爾獎。 鮑林一年的洛克菲勒基金就要到期了，所以他再次申請經費進行更基礎的研究工作。對於非生物學的研究工作，韋弗難以保證任何洛克菲勒基金的資助，但是他有一個好主意。他建議鮑林利用潛在的洛克菲勒基金的資助作跳板，爭取讓密立根拿出五千美元左右來進行基礎性研究。自己學校的支持加上鮑林近來在血紅蛋白研究上的進展可能會說服洛克菲勒基金會的理事們把贊助延長到三年。鮑林聽取了韋弗的建議，並添加了自己的一個威脅：如果密立根不答應的話，他就會接受另一所大學的提議。他得到了每年的五千美元。鮑林發電報告訴韋弗這個好消息；韋弗很快回信說，理事會已投票批准將他每年一萬美金的資助再延長三年。 在三年時間裡，韋弗和鮑林從贊助者和受讚助者發展成了同謀和朋友。 資金來源穩定之後，鮑林就可以自由地嘗試用別的方法來研究血紅蛋白，並滿足一下自己在別的領域的興趣。 1935年，他和自己以前的一位學生，現在的博士後布萊特·威爾遜在經過三年的努力之後，將鮑林波動力學的備課筆記編成了一本教材：《量子力學入門及在化學上的應用》。儘管在出版後頭幾年的銷量並不是非常可觀的——量子力學還沒有被化學家們接受為必修課程——這本書將具有深遠的影響。在30年時間裡，這本教材一版再版，使一代又一代的學生了解了新物理學的重要性。 同樣在1935年，鮑林在突發的靈感驅動下發表了一篇關於“不規則排列”問題的論文——這一關於水分子的理論解釋了冰在絕對零度時的餘摘問題。這是一項純理論的研究，可以追溯到他跟隨托爾曼學習的日子。 30年後，先進的計算機對這些公式進行了徹底的驗算，證明鮑林的理論是正確的。如今這一稱為“質子不規則排列”的理論，按照這一領域的一位學生的說法，“是美國對現代水的晶體學的最大貢獻。” 然而這些研究只是一些岔道：血紅蛋白才是目的地。 鮑林開始發現，生物學幾乎和化學同樣有趣。在1935年夏天的大部分時間裡，鮑林在加州理工學院位於科羅那得馬的海洋生物研究所裡，從帽貝中提取血藍素，一種與血紅蛋白有親緣關係的物質，並和阿爾伯特·泰勒，一位加州理工學院的青年生物學教授成了朋友。泰勒正試圖找出海膽自體不育的機制。這一研究工作進一步激發了鮑林的興趣，為什么生命能夠識別自己和別人，為什麼分子與自身和別人的反應不同。也許這裡存在著某種化學聯繫。鮑林一直在尋找新的思想，把這個問題也歸人了大腦。 鮑林回到帕薩迪納後，想出了研究血紅蛋白的新方法——考察其在磁場中的運動。鮑林的推理過程為，當氧和血紅蛋白中的鐵原子結合時，也許是以一種共價的形式——反應將是特定和相當強烈的——這意味著至少它的一個孤電子將成對，而且其順磁性——具有一個或更多的孤電子的分子的一種特性——將下降。如果他能夠測出順磁性的變化，他就有可能回答氧是如何與血紅蛋白結合的問題。 為了進行其他的研究工作，他先前從海耳的私人實驗室裡借過一大塊水冷式磁鐵。 1935年秋天，他請查爾斯·科耶爾，一位剛出爐的，精力旺盛、幹勁十足的加州理工學院博士來進行這項工作。他們設計的實驗相當簡單：一個裝有牛血的小玻璃試管被懸掛在磁鐵的兩極中，一頭用一根線栓在一個敏感的天平上。當磁鐵的電源被接通後，順磁性物質將被吸引至一個方向；天平能夠測出磁性變化的程度。 在測試了含氧血、缺氧血以及各種控製手段後，他們發現鮑林的預測是正確的：結合的氧失去的孤電子參與了與鐵原子結成的共價鍵。這就邁出了重要的～步，證明氧並非如一些研究者認為的那樣，不分青紅皂白地吸附在鐵原子上。但是鮑林和科耶爾也發現了血紅蛋白分子一些令人驚異的行為。他們的實驗顯示，血紅蛋白中的鐵原子在和氧結合的時候，也發生了根本性的變化，它與卟啉的化學鍵從離子鍵變成了共價鍵。鮑林寫道：“在增加了氧原子後，血紅蛋白分子結構會發生如此極端的變化，令人又驚又喜。如此緊密聯繫在一起的物質的化學鍵類型會如此不同，這種現象至今為止只在血紅蛋白衍生物中發現過。” 鮑林和科耶爾在1936年發表的這篇論文進一步提高了鮑林的知名度。他們想出了一種巧妙的辦法來解決一個古老的問題，並表明物理化學家在生物化學領域同樣能夠作出有價值的工作。他逐漸被原先專業領域外的科學家所知曉。他進入了一個新的領域，並很快開始征服它。 毛髮和獸角 到現在為止，鮑林的工作都是圍繞分子的血紅素進行的，然而與此同時，鮑林努力思考著分子的其他部分——珠蛋白部分，即蛋白質部分。蛋白質化學還是一個龐大而又支離破碎的領域，鮑林用他慣常的方式開始自學，一面廣泛地閱讀科學文獻，一面尋找著合適的切入點，以便用自己擅長的化學知識來提供深刻的見解。他發現蛋白質是由稱為氨基酸的材料構成的。氨基酸的種類相對較少，20種左右，但都具有關鍵的相同點：每一個氨基酸都具有由三個原子組成的骨架，碳—碳—氮。碳的一頭是羧基的一部分，氮的一頭是氨基的一部分。各種氨基酸唯一的區別在於與中間碳原子相連的支鏈。偉大的德國有機化學家埃米爾·費歇爾在20世紀就證明，氨基酸可以通過頭尾相連，即把羧基和氨基相連而構成較長的鏈，費歇爾把這一共價鍵稱為肽鍵。他將構成的較長的分子稱為多肽。到了30年代，儘管並不是每一個人都認為所有蛋白質都包含多肽鏈，但至少有一部分蛋白質是包含多肽鏈的。 鮑林覺得費歇爾的理論很合理，他開始用這個理論去認識蛋白質，將其視作由肽鍵聯結的氨基酸所構成的長鏈。但是如何用這一長鏈的構造來解釋蛋白質的多樣性，如何解釋蛋白質在肌體中令人眼花繚亂的功能呢？所有蛋白質都是由多肽鏈的不同排列構成的呢，還是存在著別的基本結構？ 和以前一樣，結構仍然是鮑林研究的重點。他相信，蛋白質的構造方式決定了它的活性。然而要發現它們的構造卻幾乎不可能。直接用電子衍射或Ｘ射線晶體衍射難以解決蛋白質複雜的構造問題。例如，瑞典科學家西奧多·斯韋德貝里剛剛證明，血紅蛋白是一個龐然大物，包含數十萬個原子。其他的蛋白質也差不多大小。 不過，仍然有一些實驗室試圖通過Ｘ射線來獲得對蛋白質結構的初步認識。最著名的兩個實驗室都在英國。在利茲，威廉·阿斯特伯里正在調查羊毛和其他纖維蛋白質，如毛髮、角質、羽毛和肌肉纖維的分子結構。他的研究成果——出乎許多科學家的意外——清楚地顯示出這些蛋白質具有一種規則的重複結構，一種晶體結構。 阿斯特伯里認為，他能夠解釋羊毛為什麼可以被拉長而不會斷裂，為什麼又能縮回到原來的長度。羊毛同獸角、指甲和人的頭髮一樣，統稱為角蛋白。到了30年代初，阿斯特伯里也確信，角蛋白是由環狀的多肽鏈組成的長鏈。他將其稱為“分子毛線”。他的Ｘ射線照片顯示，當羊毛被拉長時，分子發生了變化。儘管照片很模糊，他難以確定單個原子的位置，但是仍然可以從中推斷出，角蛋白被拉伸時——他稱其為乙型——多肽環被拉長了，而未被拉伸時的形態，或甲型的多肽環則是折疊在一起的。他的測量還表明，折疊發生在兩個方向上，而不是三個方向上——就像在桌面上將甲型中的多肽環折疊成鋸齒形狀。進一步的研究顯示，肌肉纖維具有同樣的基本形狀。 這是一項重大的進步，對蛋白質的特性作出了分子上的解釋。 阿斯特伯里認為，也許這些分子的折疊同樣能夠用來解釋肌肉和染色體的收縮。他開始將角蛋白視為“所有蛋白質的祖父”，這一基本結構也許可以解釋所有其他蛋白質的運動。 但是，他有些高興得太早了。 Ｘ射線衍射還不足以用來解決羊毛角蛋白中多肽鏈的結構，因為每一根鏈中包含上萬個原子。無法精確地了解角蛋白的構造，而且將其固定的力量仍然是一個不解之謎。尚無法證明角蛋白是由多肽鏈組成的——阿斯特伯里的研究工作只是表明有這種可能性。 鮑林對阿斯特伯里的工作進行了仔細的研究。 阿斯特伯里關注的是角蛋白這類纖維蛋白質，而另一組英國科學家關注的是球蛋白的分子結構。這類蛋白質在體液中會溶解，如血紅蛋白、抗體和酶。這裡主要的問題是獲取良好的晶體。球蛋白並非不能結晶——比如科學家們長期以來就知道，血紅蛋白在乾燥後會結晶——但是在進行Ｘ射線衍射時，它們只能形成一片模糊的圖像。這使一些蛋白質化學家推測，球蛋白沒有內部結構，只不過是氨基酸隨意的聚合，而肌體真正的活性組織——非蛋白質分子，如維生素和荷爾蒙——是自由定位的。 直到1934年，劍橋大學晶體學家約翰·伯納爾證明了另一種理論。伯納爾發現，球蛋白就像水母：需要藉助液體環境來保持原來的結構，失水後，結構就會遭到破壞。伯納爾將其懸浮在液體中進行Ｘ射線衍射，得到了一些實用的圖形。到了30年代末期，以他為中心的一個小組致力於揭開球蛋白結構之謎。他和同事們——其中包括多蘿西·霍奇金和在維也納受過培訓的青年化學家馬克思·佩魯茨——對一些球蛋白進行了提純、結晶和Ｘ射線衍射分析：胰島素、血紅蛋白和糜蛋白酶。這是在極端艱苦的環境中取得的巨大成就。在佩魯茨的記憶中，劍橋實驗室是“在一幢破舊灰色大樓底層的幾間燈光昏暗的髒屋子”，但是怕納爾成功地將其變成了“神話中的城堡”。他們發現，他們研究的所有球蛋白都具有規則的結構，而且無一例外地異常複雜——當鮑林看見在劍橋實驗室中拍攝的照片時，他的第一個反應是，如果直接用Ｘ射線分析這類蛋白質結構是可行的話，那也至少要花費幾十年的時間。阿斯特伯里和伯納爾的研究工作引起了越來越多的人的注意，其中也包括韋弗。他在30年代中期開始資助他們的工作。在洛克菲勒基金的支持下，三個中心開始圍繞蛋白質精確的結構展開聯合科研活動。前兩個中心分別由阿斯特伯里和伯納爾領導。兩人都是物理學家，都認為只有通過不厭其煩的、直接的Ｘ射線衍射分析才能揭開整個蛋白質的結構之謎。第三個中心在帕薩迪納，由鮑林領導。他尋求以理論的形式，在對結構化學的深刻認識基礎上尋找一條捷徑。在1935年，三個中心的不同之處在於，英國科學家從其Ｘ射線工作中得到了許多實際數據，而鮑林還沒有發表過一篇關於蛋白質結構的論文。 氫鍵 鮑林很快意識到，要對這些奇怪的巨大蛋白質分子作實驗，一定需要藉助外界的幫助。 洛克菲勒醫學研究所的一個研究小組正好具備鮑林缺乏的這種專長。兩位洛克菲勒科學家，阿爾弗雷德·莫斯基和莫蒂默·安森最近所作的實驗表明，在某些情況下變性可以被逆轉；例如，血紅蛋白在受熱後會改變形狀並喪失攜氧的能力，然而如果被小心地冷卻，至少一部分分子會恢復原來的形狀和特性。結構和功能的這一聯繫令鮑林眼睛一亮，但是洛克菲勒小組的實驗技能更讓他心動。鮑林在1935年春天到紐約拜訪了莫斯基，兩人一見如故。鮑林直截了當地請莫斯基到加州理工學院工作幾年，令莫斯基又喜又驚。他結結巴巴地說，這是一個不壞的主意，但是過於突然，所長西蒙·弗萊克斯納不會答應的。鮑林說，他覺得所長可能會同意。他找到了所長辦公室，說服秘書立即安排他和所長會面。他不僅要求弗萊克斯納同意放莫斯基，還要求洛克菲勒醫學研究所支付一切費用。弗萊克斯納是洛克菲勒基金理事會成員，從韋弗那裡對鮑林早有耳聞。他對這位青年科學家的坦率感到好笑，同時對他將化學技巧運用到生物學上感到十分有趣，最終答應了鮑林的要求。 莫斯基在夏天剛開始的時候來到了帕薩迪納，馬上開始對蛋清、肌肉和其他蛋白質的變性過程做了一系列的實驗。鮑林讓莫斯基負責實驗室工作，同時彼此探討變性的化學含義——弄清楚這一過程對蛋白質的結構造成了哪些實際的影響。莫斯基和安森收集的實驗數據表明，變性過程可以分為兩個層次，這讓鮑林產生了濃厚的興趣。第一個層次由相對較弱的熱量和酸引起，往往是可逆的。而第二個層次，由較高的溫度，較強烈的化學環境或是與破壞蛋白質的酶發生的反應所引起，通常是不可逆轉的。根據這些數據，鮑林很快地用化學鍵理論作出了自己的解釋。兩個層次的變性意味著有兩種類型的化學鍵，第一類涉及到相對較弱的化學鍵，很容易被打破或重建；第二類涉及到較強的化學鍵，難以打破，也難以重建。鮑林對打破第二類較強的化學鍵所需的能量進行了測定，數據表明這一類化學鍵為共價鍵；這反過來也驗證了蛋白質是由氨基酸與共價的肽鍵結合而成的長鏈的觀點。第二層的變性基本上將蛋白質撕裂成了碎片。 鮑林對較弱的化學鍵的研究更富有成果。他很快意識到，打破第一類化學鍵所需要的能量符合他所知的稱為氫鍵的奇怪的化學鍵類型。在1935年的時候，鮑林是全美為數不多的理解並認識到氫鍵重要性的科學家之一。這一理論認為，氫在某種情形下，可以不形成一般的共價鍵或離子鍵，為兩個原子所共有，在兩者之間形成一座橋樑。鮑林認識到這一理論可以運用到他的化學鍵構想中：一方面，氫原子要靠近一個電負性很強的原子——比如說氧原子，或是氟原子——氫原子的孤電子被吸向這一原子，電荷集中在兩個原子之間的區域中，在這一邊形成一個小的負電荷。結果，在氫的另一邊電子出現的機會較少，形成了一個小的正電荷，這樣就與附近帶負電的原子或分子形成了靜電鍵——氫鍵。鮑林早在1928年就撰文討論過氫鍵的概念，在1934年自己的共振理論中也融入了這一理論，並在1935年關於冰的摘值的論文中集中運用了這一理論。 現在莫斯基的變性實驗使鮑林進一步確信，氫鍵是蛋白質結構中一個重要的成分。 1935年秋天，他們兩人根據鮑林的思路初步提出了一種新理論。他們寫道：“我們對一個自然的蛋白質分子（表現出一定的特性）的認識如下。分子包含一個多肽鏈，在整個分子中連續不斷（或者在某些情形下，包含兩條或更多的多肽鏈）；這一多肽鏈被折疊為由氫鍵鍵合的唯一的結構。……”換句話說，所有蛋白質都包含氨基酸環，以及可能以阿斯特伯里認為的原始蛋白質角蛋白形式存在的多肽鏈。強肽鍵使整個鏈成為一個整體，但是各部分之間較弱的氫鍵折疊之後使整個鏈成為其最終的形狀。這最終的形狀對蛋白質的功能是至關重要的；分子除非保持這一形狀，不然難以完成其功能。稍微受熱之後，氫鍵斷裂，整個鏈條伸長，並像針線盒中鬆散的紗線那樣糾結在一起。然而，只要整個鏈還是一個整體，在合適的條件下，氫鍵能夠重建，蛋白質也能恢復原先的形狀和活性。較強的處理將使鏈本身斷裂，打破肽鍵，並不可逆轉地使蛋白質變性。 1936年7月，這篇名為“論自然、變性和凝結的蛋白質結構”的論文發表在《國家科學院學報》上，很快就被公認為是本領域中一項重要的進展。鮑林對化學鍵的認識一舉對蛋白質變性和蛋白質活性的紛繁複雜的觀察數據提出了一個統一的解釋。韋弗大喜過望：儘管鮑林的思想最終被接受尚要假以時日，但是他向解決韋弗的“巨大的蛋白質問題”邁進了一大步。 然而，當論文在1936年6月1日到達《國家科學院學報》編輯部後的兩天，鮑林的生活經歷了一場巨變，原因與蛋白質沒有絲毫的聯繫。