分子/牛津通识读本

看到一张在晨曦中摇曳的珠网，你会不会觉得它过于纤弱，有可能溶解于露水的浸润或破裂于微风的轻拂？事实上，蛛丝是目前已知的很为强韧的纤维状材料之一。究其原因，正在于蛛丝中分子链独特的组织方式。这是一本以分子为主题的书。在如此短的篇幅之内，从现实应用、原理探究到前沿的研究进展，分子的故事被娓娓道来。

一个活细胞的内部运行就像一座城市，其中布满分子居民，它们移动、交流、合作、竞争。在《分子》这本书中，菲利普·鲍尔深入探究了分子结构和分子活动如何决定着物质的特性和生命的过程，显示了我们身体内部的分子和周围世界的分子发挥着怎样的作用：比如，一个小小的受精卵如何生长为多细胞的音乐家莫扎特，蛛丝在晨露中为何不会溶解。作者还考察了我们对分子的认识和合成如何开启了一些激动人心的新领域，使分子机器以及体积微小但功能强大的分子计算机的开发进入日程。

？鲍尔 牛津大学化学专业理学学士，布里斯托大学物理学专业哲学博士，《自然》杂志特约顾问编辑。英国科学与科普作家，已出版多部作品，包括《设计分子世界：化学的边疆》（1994）、《明亮的大地：颜料发明史》（2001）、《预知社会：群体行为的内在法则》（2004）、《好奇心：科学为何对一切都产生兴趣》（2013）、《为帝国服务：希特勒时期为物理学真谛而战》（2014）等。

前言
致谢
第一章 无形世界的工程师：制造分子
第二章 生命的征象：生物分子
第三章 承载压力：由分子而来的材料
第四章 燃烧：分子与能量
第五章 运动的精灵：分子马达
第六章 传递信息：分子通信
第七章 化学计算机：分子信息
索引
英文原文

    章  无形世界的工程师：制造分子 何为分子？ 那么，一切事物都是由分子组成的吗？并不尽然。一切事物都是由原子组成的（暂不考虑某些奇怪的太空环境），而原子并非总是结合成分子。（我也说不清弗兰· 奥布赖恩把“分子”改写成“原子”是因为他懂得还是不懂这其中的区别。）大多数原子本身是很好活跃的，它们天生就喜欢和别的原子结合在一起。分子就是若干原子紧密聚集在一起，分子里可以含数量多达好几百万的原子。 不过进一步来看，还有些细微的区别要加以说明。弗兰· 奥布赖恩作品里的福特雷警官提到了石头“分子”和铁“分子”。但严格说来，其实并没有这种东西—至少日常的石块或者铁块里是没有这种分子的。所谓“分子”，我们一般指的是若干数得清数目的原子所聚成的分立的一团。比如在一个水分子里就有三个原子：两个氢原子和一个氧原子。一杯水里有数以万亿计的原子，但如果给这液体拍些瞬时快照（假设能看清微观细节），我们就能看到，在每个瞬间，所有原子都是三个三个聚成一团的，就像是一大群人挤在一起，可每家三个人都一直手拉手（如图2a）。 而铁的原子却并不聚成分立的分子。它们如有序的炮弹般堆积，像行列整齐的队伍。我们无法从这一大堆原子中辨认出某个小团，因为每个原子都与周围的原子间距相等。由氯原子和钠原子所组成的氯化钠晶体（即食盐，如图2b）同样如此。当铁熔化时，原子之间就会你推我搡，像混乱的人群。而当冰溶化时，氢原子和氧原子依然三个一团地手拉着手，整个晶体却分崩离析了。我们讲，冰是分子晶体—原子以分子的形式聚合在一起，而铁和岩盐则不是。 有的单质以分子的形式存在，有的不是。作为一条粗略的经验法则，铁之类的金属都不是分子，而非金属则是分子。比如，固体形式的氮就由双原子的分子组成。磷原子会四个结成一团，而硫原子则会八个结成一个环状分子。我们无法只看上物质一眼就知道它的基本单元究竟是原子还是原子聚成的分子，这似乎难以接受，但没办法就是没办法。（还好科学家要找到答案并不太难。） 因此，“分子”其实是个比较灵活而松散的概念，本质上是个尺度的问题。那么，我们为什么要多此一举考虑分子，而不是直接谈论一般化的“物质”呢？我给出的理由是这样的：分子是具备化学意义的很小单元。在亚微观的世界里发生的故事要通过分子，而不是原子来讲述。分子是单词，而原子只不过是字母。尽管有些时候一个字母就是一个单词，但大多数单词都是若干字母按特定次序组成的分立团体。我们常常发现，比较长的单词能够传达更细致、更微妙的含义。在分子中，各个组成部分的次序也至关重要，就像“save”和“vase”含义不同一样。 分子所讲述出来的很奇妙的故事发生在生命有机体中。但很遗憾，这样的故事往往很难懂：很多单词很长、很陌生，我们对语法的掌握也很粗浅。化学家总在不断地创造出新的分子单词来扩展语言，其中有些新词还是很好巧妙的。一旦具备了某些新词，我们就能讲好以前一直不能讲的故事。还有的时候，一个新词能让我们用简单的方式来表达以前绕来绕去才能讲清的事情。 我们用语言来对分子的世界打了个比方，这个比方相当贴切。如今我们经常听到“基因的语言”，我希望让你知道，这只是分子所编码的语言中的一种。语言甚至还不只是个比喻。分子正和语言一样是切实包含着“信息”的，这一点我将在第七章中讲到。 不仅如此，语言比方的好处还在于，利用这种信息的范式来描绘分子科学具有独特的价值，它是一种会话式、应答式的描述，而不是以前那种被奉为圭臬的机械式描述。细胞生物学家越来越多地提到蛋白质分子间相互“交谈”。关注物质科学的物理学家则会讲到“合作”行为与“集体”行为。这并不是为了使科学显得更友好而刻意造出的模糊朦胧、罗曼蒂克的概念（不过若确实有这种效果也无伤大雅）。人们这样讲，正是因为他们越来越多地注意到，分子行为具有美妙的复杂性，且一般是群体性的行为，很少是单纯的线性。 考虑到这些理由，我需要在分子科学中扩大比喻的使用范围。即便是在专家之间相互交谈的层面上，我们也无法丢掉比喻。科学中很多领域都是如此，而化学尤甚。分子常常会被毫不留情地拟人化，这样做无可厚非，毕竟分子是很陌生的事物，我们需要找些办法让它们变得不那么陌生。我曾经写了本关于水的书，出版商明智地坚持让我不要引入H2O分子的球棍模型，否则就是在刁难读者，让他们把书束之高阁。可是，如果不介绍水的分子结构，我就无法解释水的奇异特点，所以我就把这些分子变成了一些小妖怪（如图3）。 我希望这样做不会有什么害处。但我很近出席一场关于分子复制的公众讲座的经历提醒了我其中的危险之处。当时听众提的个问题是：“这些分子有意识吗？”鉴于演讲所介绍的是一种合成分子系统在模仿（很好粗糙地）某些生命有机体的特征，我觉得提出这个问题是可以理解的。我坚信答案是“没有”。尽管意识的概念很难把握，但基于任何对意识的切实有意义的定义，这些分子都不能算具有意识。可是，一旦我们将分子拟人化，不论结果是好是坏，我们都把意识的联系强加上去了。很多人厌恶“自私的基因”这种概念，因为它把道德判断强加其上。（理查德· 道金斯称之为“诗意的科学”，我也能明白他的意思。然而，严谨的机理虽能表现成诗歌，却会被比喻的感情色彩所污染。）分子间“合作”与“交流”的想法并不能成为自然哲学的基础。不过也说不好，在分子科学中，未来或许会有某种简单、规则、有序的世界观，于是我们这些人看起来可能正像是从地心说出发解释天体运动的古代天文学家那样，强行将观察现象塞入错误的理论框架中。