诺贝尔自然科学奖１０６年回眸

光合作用是农业的基础，为地球上的一切生灵提供食物来源。诺贝尔化学奖当然关注了植物光合作用机理的揭示 ：美国人卡尔文40年代末用碳-14和纸色谱法探明植物光合作用的化学步骤，荣获了1961年诺贝尔化学奖。

量子力学被引入化学领域后诞生了量子化学，它应用量子力学的基本原理和方法来研究和解决化学问题，加强了化学在解决实际问题时的理论性和预见性。诺贝尔化学奖百年中共对这个新学科6次、8人颁奖，授奖都在20世纪下半叶，20世纪90年代3次授奖，占授奖总数的一半。这恰说明——

量子化学：一个前程无量的崭新学科

美国人鲍林将量子力学理论引进化学研究，应用于探求分子结构，20世纪30年代卓有成效地利用X射线衍射探明了化学键的性质，并发现蛋白质具有类螺旋楼梯样结构。鉴于在探查复杂分子结构方面做出了贡献，获1954年诺贝尔化学奖。鲍林对蛋白质具类螺旋楼梯样结构的发现，提醒了生命科学家破译DNA双螺旋结构。

美国人马利肯1927年用量子力学理论来阐明分子中电子运动的复杂规律，提出了分子轨道理论，指出在分子形成时，原子本来的电子组态转变为总的分子构型，为发展量子化学奠定了基础；1952年进一步扩充这个理论，发展为不同原子结合成分子时电子轨道行为的量子力学理论。这位量子化学的先驱获得1966年诺贝尔化学奖。

美国人霍夫曼1965年与导师伍德沃德（1965年诺贝尔化学奖获得者）共同提出分子轨道对称守恒原理：主要应该利用能级相关图中分子轨道的对称性来分析化学反应进行的可能性。霍夫曼于1981年获诺贝尔化学奖，伍德沃德1979年逝世，遗憾地未能再次获奖。运用这一原理，不但使过去无法解释的化学反应得以破解，而且化学家无须进行复杂的计算，只要考虑反应物和产物的对称性质就能判断反应能否发生。这个理论对生命过程的深入研究和新医药的合成具有实际的指导作用。

日本人福井谦一1965年提出前线轨道理论：化学反应的进行除了取决于反应分子的几何构型外，还与反应物中最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道的对称性质和能量密切相关。福井的发现成为了解和探索分子化学反应能力的理论工具，1981年获诺贝尔化学奖，

1992年诺贝尔化学奖授予美国人马库斯。80年代他建立了解释电子转移反应的“马库斯学说”，由此学说及其推出的公式能够预测化学药品生产过程和反应速度。

1998年诺贝尔化学奖授予美国人科恩和波普尔。1965年他们开始了量子化学计算方法的研究，20世纪70年代提出密度函数理论。他们发展了量子化学计算方法并加上电脑的运算能力，能对复杂分子的性质和化学反应过程作深入的理论探讨和微观上的解释。运用密度函数理论通过计算机可绘制出氨基酸电子密度图像。大气层最上部的氟立昂分子被紫外线分解所产生的自由氯原子与臭氧分子发生反应，将臭氧分子破坏，这一过程可以运用量子化学计算方法进行研究。

1999年诺贝尔化学奖授予美籍埃及人泽维尔。他在20世纪80年代末创立了毫微微秒化学，可准确无误地观察到化学反应的微观机制，即分子翻越障碍的过程。这种技术已用于研究物质的表面特性，制造新型催化剂，或被用于高分子材料开发及探索生命奥秘。

20世纪是化学科学和与化学相关的化学工业、燃料工业、制药工业及冶金工业、生物工程工业大发展的时代。这个时代是由一大批化学家辛勤与智慧造就而成的。诺贝尔化学奖慧眼识英雄，5次颁奖给其中的6位佼佼者，从而创造出20世纪——

化学领域的六大技术发明

德国人拜耳1860～1886年用人工合成的方法合成了靛蓝、靛红等多种染料，并发现其分子结构。他还提出碳化合物的应变理论，对氢化芳族化合物进行了系统研究。这个研究成果荣获了1905年诺贝尔化学奖，成为染料工业的理论基础，从而创建了现代染料工业。

德国人哈伯为解决世界范围氮肥短缺问题，提出空气中的氮和水中的氢在高温高压和催化剂作用下能够发生化学的反应合成为氨，并于1904～1913年发明了合成氨生产技术，从而开创了合成氨工业。这位合成氨工业的奠基者荣获了1912年诺贝尔化学奖。

德国人博施1908～1913年改进了高压合成氨的催化方法，实现了合成氨的工业化生产，并在发展高压化学方面取得重要成就。这位现代合成氨工业之父荣获了1931年诺贝尔化学奖。

德国人贝吉乌斯1912年发明了化学高压法：在高压环境下用氢处理煤和重油以生产汽油。他还发明了用木材裂解成酒精和糖的方法。这些成果为燃料工业和酿造工业提供了科学方法，从而同享了1931年诺贝尔化学奖。

1928年，德国人狄尔斯与阿尔德合作发明了著名的双烯合成法，这是现代有机化学中最重要最简便的合成方法之一，在工业上也有十分重要的应用价值，橡胶工业的发展就是建立在双烯合成法的基础上，并促使聚乙烯、聚氯乙烯的工业生产得到迅速发展。他们于1950获诺贝尔化学奖。双烯合法从此用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及燃料、药物、杀虫剂、润滑油等的研究与生产之中。

美国人利比40年代发明了碳-14纪年测定法，于1960年获诺贝尔化学奖。这种方法通过测定考古标本碳-14的含量，来推算出考古标本所属于的年代。这已成为一种在考古研究中广泛应用的技术手段。

环境化学是因环境污染问题而兴起的一门综合性科学，包括大气污染化学、水污染化学、土壤污染化学，其任务是从化学的角度来探讨由于人类活动而引起的环境质量变化规律以及保护和改善环境的措施。诺贝尔化学奖对这门新兴的绿色学科及时地给予肯定和支持，于1995上对她首次颁奖。

荷蘭人克鲁岑和美国人莫利纳、罗兰率先研究并解释了大气中臭氧层形成、分解的过程及机制后指出 ：臭氧层对某些化合物极为敏感，空调器和冰箱使用的氟立昂、喷气式飞机和汽车尾气中所含的氮氧化物，都会导致臭氧层空洞扩大。臭氧层空洞扩大会危害人类和地球上的所有生物的健康和生存，呼吁必须设法治理。

“人类在接近21世纪时面临着各种难题，例如，全球性环境问题的增长，现有天然资源的枯竭，征服不治之症的需要，由于高科技社会带来的紧张，人口增长，社会老龄化等等。如果能克服这些共同的问题，将能支持人的生存，使和平与繁荣的人类社会和环境维持直至21世纪之后很长时间。”这是1987年4月1日联合国“伦敦智囊会议”对人类未来社会发出的警告。

人类如何对付这6大难题？世界上的科学家普遍认为，生物工程将在解决这些问题中扮演主角，而基因工程作为生物工程的首要技术，其意义和前景尤为远大。

21世纪的诺贝尔化学奖和医学奖一样，将特别关爱生命科学领域的每一项重大成就。

生物化学是研究生命的物质基础和阐明生命过程中化学变化规律的一门科学。科学家借助先进的检测手段，深入到活体的深层结构，探明构成有机体的蛋白质（包括酶）以及带有遗传信息的核酸的组成、结构以及它们在生命过程中的代谢作用。现在，科学家们已可以从分子的水平上研究和解释生命现象，并用于制造新的生命了。诺贝尔化学奖对这项与人类至关重要的学科8次对30人授奖——雄居各化学学科之榜首。

德国人毕希纳1897年发现了发酵的本质，引起发酵的物质是酶，从而把酵母细胞的生命活力与酶的化学作用联系起来，建立了酶化学，获1907年诺贝尔化学奖。

英国人哈登1914年成功地分离出发酵磷酸酯，并确定了磷酸在发酵中的作用；瑞典人奥伊勒·歇尔平1920年研制成辅酶，活性比酵母高出数百倍。他们的成果获1929年诺贝尔化学奖。

芬兰人魏尔塔南发明了饮料贮藏保鲜法：向新贮存的青饲料中加入稀盐酸和稀硫酸。这个成果获1945年诺贝尔化学奖。

美国人萨姆纳1926年首次分离提纯了酶，1937年将过氧化氢酶结晶，又将多种酶纯化。美国人诺斯罗普1929年分离和提纯了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等。萨姆纳和诺斯罗普证明了——

酶是一种具有催化作用的蛋白质

这个对酶本质的揭示，发展了酶化学，从而赢得了1946年诺贝尔化学奖。自此开创了对酶的深入研究，并创建了酶工业体系。

英国人托德首先发现并核苷酸单体：1949年合成了三磷酸腺苷（ATP）和黄素腺嘌呤双核苷酸（FAD），1954年合成了三磷酸鸟苷（GTP），这位生物化学先驱探明了核苷酸辅酶的结构，并证实这种物质具有遗传特性，因而获1957年诺贝尔化学奖。他的研究为揭开生命起源之谜开辟了道路。

澳大利亚裔英国人康福恩20世纪40年代揭示有机物复杂的立体化学异构现象：酶能取代有机反应物分子链或环上的氢原子，从而加快催化有机化合物的反应速度。20世纪60年代证明酶是一种催化效能很高的生物催化剂，某一种酶只能对某一类化学反应起催化作用，即酶催化具有专一性，于1957年获诺贝尔化学奖。他为发展立体化学和阐明生物体内许多复杂的化学变化做出了重要的贡献。酶是生命的催化剂，它是由数千个原子组成的非常复杂的化学物质。

能量代谢是人类生存和一切生命活动的基础，糖代谢和生物氧化则是能量代谢的核心。诺贝尔化学奖和医学奖携手在20世纪把这个重大生命科学课题探明。医学奖曾6次授予这个重要的研究课题：揭示正铁血红素在生物氧化呼吸链中起到呼吸酶（催化）作用，为研究能量代谢奠定了基石（1931年，德国人瓦勃），揭开在人体内氢与氧化合的真谛及呼吸链中的几个重要环节，从而释明生物氧化的核心内容（1937年，匈牙利人桑特－焦尔季）；已糖磷酸激酶（也称科里酯）催化剂作用的发现，阐明了糖原－葡萄糖代谢的关键环节（1947年，美国人科里夫妇）；发现垂体前叶激素通过控制胰岛素生成影响糖代谢（1947年，阿根廷人何塞）；查清糖的有氧氧化是生物体取得能量的主要方式：ATP（三磷酸腺苷）在能量交换中起着核心作用（1953年，英国人李普曼和克雷勃斯）；通过对一系列氧化酶本质的发现，认识到能量代谢的本质（1955年，瑞典人泰奥雷尔）；提纯并鉴定蛋白激酶－AMP依赖性激酶I，证明蛋白激酶催化蛋白质磷酸化学反应过程，是细胞内广泛存在的基本能量代谢调节机制（1992年，美国人克雷布斯和费希尔）。

生物氧化是细胞内由一系列氧化还原酶催化的氧化反应的总称，是生物机体获得能量的主要方式。

与医学奖相呼应，化学奖2次褒奖了能量代谢领域的成就者。1978年的化学奖颁发给阐明呼吸链电子传递与ATP合成之间的关系的英国人切尔。他20世纪60年代确认线粒体为细胞内控制能量的细胞器，含有若干种不同的酶，在化合物之间转换氢离子，从而产生能量，将ADP（二磷酸腺苷）转变为ATP。1997年，诺贝尔化学奖授予探明“能量货币ATP不贬值”真谛的3位生物化学家——美国人博耶、英国人沃克和丹麦人斯科。

ATP是世间所有生命体的能量载体。在细胞中，ATP分子在形成之后1分钟就被消耗掉了。ATP的转换率之高十分惊人：处于休息状态的人，24小时就消耗相当于自身重量一半的ATP；在激烈运动时，1天能转化多达自身重量20倍的ATP。只有ATP不断地由ADP再生时，运动、主动转运、信号放大和生物合成等活动才能发生。光能营养生物——植物，靠捕获光中的自由能以形成ATP；而化能营养生物——动物，则靠燃料分子的氧化以形成ATP，因为有了ATP的存在，才有了生物体内的能量转换，一切生灵才得以生存繁衍。有鉴于此，生物学家形象地将ATP誉为“能量货币”。随着科学家的不断探索，ATP的隐秘逐一揭开。

生命是大自然造就的精灵之物。神奇的ATP造就成─—

“能量货币”不贬值

ATP的学名为腺嘌呤核苷三磷酸，通称三磷酸腺苷，简称腺三磷，是由一个腺嘌呤、一个核糖和一个三磷酸单位组成的核苷酸。ATP直接提供生物体进行各种生理活动所需的能量。

1941年，美国人李普曼确认ATP在生物体系能量交换中起着核心作用，并因此荣获1953年的诺贝尔医学奖。他指出，ATP在生物体系中是自由能的主要供体和直接供体，而不是自由能的贮藏形式。显而易见，如果能量从太阳或化学键等处得到，又以肌肉收缩、形成一个化学键或传送一个分子等方式利用，那么能量的产生和利用过程之间必定有着某种偶联方式——由放能反应得来的能量先以某种形式暂时贮藏，然后再用于驱动某些吸能反应。放能反应和吸能反应相偶联的目的，在于利用前者的能量来推动后者，从而避免能量以热的形式全部丢掉。为了达到这个目的，大自然“恩赐”给生命体通用的能量货币——ATP。

ATP之所以能充当能量货币，一个关键在于它的高能量磷酸键。那么，这种特性是怎样确保ATP“不贬值” 的呢？20世纪50年代，博耶率先回答了这个问题，他提出了“构象偶联”模型 ：细胞膜内大分子的组成有两种不同的三维构象，其中一种代表高能形式，另一种代表低能形式。电子传递的结果使低能形式。电子传递的结果使低能构象变成高能构象，而构象单元中的酶所催化的可逆过程驱动ADP的磷酸化。博耶依据细胞膜内大分子物质是通过形态变化来确保生物体对能量货币的使用这一事实，才提出上述理论模型的。

ATP是高能分子，因为其三磷酸单位中含有两个磷酸酐键。当ATP水解为ADP和正磷酸（Pi）时，有大量的自由能释放出来，用于推动生命活动。而ATP则由ADP和Pi形成，这是在动物体内燃料分子被氧化时，或在植物体内光被捕获时发生的过程。这个ATP-ADP循环，是生物体系中能量交换的基本方式。ATP-ADP系统是作为一个高磷酸基因的供体和受体而整体发挥作用的。行使这个功能的关键是要求这个中间物处在高能化合物（ATP从中接受一个磷酸基）和低能化合物（ATP向其提供一个磷酸基）之间的位置上。细胞中产生ATP的场所是线粒体，高能磷酸键因水解而释放的能量被机体进行其他反应所利用。当3个磷酸根一个个有序地连接到腺嘌呤核苷上时，增加的能量就蕴含在这有序的结构中了。当发生水解时，磷酸根一个个断裂并释放能量，变到低能位，系统有序度变小，无序度增大。ATP能充当能量货币的另一个关键，在于线粒体内膜的呼吸链复合体即电子传递链酶系统的存在。已发现线粒体内膜含有4种脂蛋白复合体，各自完成传递链的部分功能。这4种电子传递酶系统，也是能量货币不贬值的保障因素。

20世纪80年代初，沃克发现了ATP合成酶，从而找到了第5种线粒体内膜指蛋白复合体V，与其他4种复合体在结构上不相同。每种复合体都是内膜的结构成分，其有蛋白质的共性，与磷脂形成膜结构，并都有一套独特的载体，承担电子传递过程的部分酶促反应。沃克深入研究发现，ATP合成酶的分子量约为50万道尔顿。当这种复合体处于离状态时，便能够水解ATP；反之，处于正常位置时，起相反作用， 能够合成ATP。

生命活力一刻都离不开细胞与周围环境之间進行的物质交换，这就是细胞膜最主要的生理功能。细胞膜对物质的通透具有选择性，维持了膜内外渗透压的平衡，从而保障着细胞及有机体最基本的生命活动的正常进行。

1957年，斯科发现离子传输酶恰好起着“离子泵”的作用：在有Na+、K+、Mg2+存在时，就能将ATP水解，并借用由产生的能量，使Na+和K+沿逆浓度梯度的方向进行穿膜运输。离子传输酶广泛存在于自然界的各种生物细胞中。只要有Na+和K+主动运输的地方就能测到这种酶的活力。酶的活动和泵的活动是成正比的，如果改变Na+和K+的浓度，对酶的活力和离子传送速度有平行的影响。因此，离子传输酶实际上就是细胞膜上的一种ATP合成酶，起着离子泵的作用。在细胞膜内，作为离子泵的ATP合成酶有很多种，各具有专一运输某种离子的能力。不同的ATP合成酶运输不同的离子，分别称为某物质的泵。如同时运输Na+和K+的，叫钠钾泵或钠泵；运输Ca2+的，叫钙泵。斯科利用红细胞血影测定证实，每水解1个ATP分子释放出的能量，可供泵出3个Na+、泵入2个K+。这种ATP合成酶蛋白质分子构象变化极为快速，每秒钟可做约1000次变化，即1秒钟内1个ATP合成酶分子可以进行约1000次Na+、K+的主动运输——大自然造化的精灵结构，成为“能量货币不贬值”的根本原因。斯科还进行了科学估计：细胞内约有1/3的ATP用来供钠泵活动，以维持细胞内外的离子梯度。这种生化机制有极其重要的生理意义：产生膜电位、调节细胞渗透压、驱动吸收营养物质以及传导神经和肌肉细胞的冲动。

在德国人内尔和萨克曼因1981年用自创的膜片钳技术发现了细胞膜中的离子道及其功能，荣获1991年医学奖之后，2003年化学奖又颁发给离子道结构和功能的两名探明者。美国人麦金农80年代来利用X射线衍射像重组技术获得了世界第一张细胞离子道的高清晰度照片；1998年又勾画出钾离子道的框架结构，通道由蛋白质骨架上的选择膜可让K+在膜内O2的帮助下连续通过，对比K+小的Na+则被排斥在外。美国人阿格雷80年代中期发现了水通道蛋白质及其这种位于细胞膜中狭窄的选择膜的过滤功能；2000年又公布了水通道蛋白的立体照片，显示这种蛋白分子的特殊结构只允许水分子通过。

（未完待续）