教育不是注滿一桶水,而是點燃一把火。 ——葉芝
1941年11月,霍奇金在給丈夫的信中説:“現在是晚上10點半,我剛剛去找錢恩了。這次見面的收穫很大,我真的太興奮了……顯然,盤尼西林到目前為止還無法被製成晶體,畢竟……錢恩看起來很熱心,願意給我一些材料,我只是很想嘗試一下。”信中所説的“一些材料”是盤尼西林降解産物。霍奇金很快發現,這些降解産物是一些極難處理的微小結晶體,用她的話説,這些物質“浸泡在黏性液體中,吸濕性很強(從環境中吸收水分子),因此將其暴露于空氣中幾分鐘幾乎都是不可能的”。盤尼西林似乎含有9個碳原子、11個氫原子、4個氧原子、2個氮原子……以及一個硫原子。這些原子是如何排列成為一種可以對抗病原菌的結構呢?霍奇金的辦法是用X射線照射盤尼西林。
健客:在醫院裏拍片子跟這是一回事嗎?
雲飛:讓我們從1895年冬天説起吧。德國物理學家倫琴發現X射線後,癡如醉地投入實驗,一連數日沒有回家。當他的夫人生氣地到實驗室找他時,倫琴什麼也沒説,而是把妻子的手放到包著黑紙的底片上,然後將陰極射線管通上電。底片衝出來後,倫琴夫人驚嘆不已,問:“這個圓環是什麼?”“是我們的結婚戒指!”倫琴笑語。
1895 年12月28日,倫琴用《一種新的射線——初步報告》這個題目,向維爾茨堡物理學醫學協會作了報告,闡述這種射線具有直線傳播、穿透力強、不隨磁場偏轉等性質。倫琴因發現X射線,獲得1901年諾貝爾物理學獎,成為首位諾貝爾物理學獎得主。如今,X射線技術應用廣泛。在醫學領域,配合現代數字技術,X射線診斷已經可以提供人體內部三維圖像,用的是X射線的穿透特性。哈哈,就是你説的“在醫院裏拍片子”。例如,新冠肺炎診斷就用到了該技術。X射線還應用在材料無損探傷和太空研究。今天主要聊的是微觀領域的觀察,用的是X射線衍射特性。
健客:弱弱問一下,什麼是衍射啊?
雲飛:哈哈,把中學物理課學的還給老師了吧。波可以繞過障礙物繼續傳播,這種現象叫做波的衍射。《紅樓夢》中王熙鳳出場“不見其人,先聞其聲”,原文是這樣的:一語未了,只聽後院中有人笑聲,説:“我來遲了,不曾迎接遠客!”黛玉納罕道:“這些人個個皆斂聲屏氣,恭肅嚴整如此,這來者係誰,這樣放誕無禮?”心下想時,只見一群媳婦丫鬟圍擁著一個人從後房門進來。這個人打扮與眾姑娘不同,彩繡輝煌,恍若神妃仙子:頭上戴著金絲八寶攢珠髻,綰著朝陽五鳳挂珠釵;項上帶著赤金盤螭瓔珞圈;裙邊係著豆綠宮絳,雙衡比目玫瑰佩;身上穿著縷金百蝶穿花大紅洋緞窄褃襖,外罩五彩刻絲石青銀鼠褂;下著翡翠撒花洋縐裙。一雙丹鳳三角眼,兩彎柳葉吊梢眉,身量苗條,體格風騷,粉面含春威不露,丹唇未啟笑先聞。這就是聲波衍射,繞過障礙物的生動寫照。
健客:但是,“不見其人”,不就是光波被障礙物阻擋了嗎?光波沒有衍射現象嗎?
雲飛:嗯,腦子動的還挺快。衍射現象有明顯與不明顯之分。
健客:快説説。
雲飛:波在傳播的過程中,當窄縫或障礙物的尺寸小于波長或與波長差不多時,可以發生明顯的衍射現象。空氣中,可見光的波長大約在幾百奈米的範圍(1米=10億奈米),可聞聲的波長大約在十幾釐米到十幾米的範圍。因為障礙物的尺寸遠大於可見光的波長,所以衍射現象不明顯。
健客:噢,我想起來了,“雙縫實驗”,繼續繼續。
雲飛:1912年4月,德國物理學家勞厄等人用X射線照射晶體,成功觀測到衍射現象,説明X射線的波長和晶體中原子(離子)的間距具有相同的數量級,也就是説,X射線是波長極短的電磁波,可用於揭示晶體微觀結構。愛因斯坦稱該實驗為“物理學最美的實驗”。不久,勞厄的發現傳到英國,引起布拉格父子的高度關注。小布拉格使用數學模型來解釋X射線與晶體內原子(離子)的相互作用,並於1912年11月11日首度發表。有了正確的理論指導,布拉格父子測定了食鹽和鑽石等晶體的分子結構。比如,食鹽的分子式是一個鈉離子加上一個氯離子——NaCl,氯化鈉晶體形成立體對稱,晶體內每個離子周圍都被六個其他的離子包圍,組成一個八面體。這種結構也存在於很多化合物中,稱為氯化鈉型結構。勞厄因發現晶體中的X射線衍射現象,獲得1914年諾貝爾物理學獎。布拉格父子因X射線晶體結構研究,獲得1915年諾貝爾物理學獎。他們創造的父子同時獲得諾貝爾獎的記錄保持至今。那年小布拉格25歲,成為有史以來最年輕的諾貝爾物理學獎得主。順便提一下,布拉格父子和弗洛裏都是阿德萊德大學的著名人物,老布拉格曾職教於此,小布拉格和弗洛裏曾就讀於此。扯遠了,馬上回來。
1945年,弗萊明、錢恩和弗洛裏因發現盤尼西林及其對各種傳染病的療效,獲得諾貝爾生理學或醫學獎。同年,霍奇金等人測定了盤尼西林分子結構,並於1949年正式發表研究成果,進一步促進了盤尼西林的大規模生産。高亮度的衍射影像可能是同頻率和同振幅的波,相互疊加放大形成的。同理,低亮度的衍射影像可能是相互疊加抵消形成的。分子越大,構圖就越困難,好像“一團亂麻”。繪製盤尼西林分子結構的圖像,以及計算哪些波是“放大”或者“抵消”的,據説霍奇金用了兩年多的時間。1948年,她首次接觸到維生素B12,並於1955年正式發表研究成果,破譯其分子結構。霍奇金因解析了一些重要生化物質的分子結構,獲得1964年諾貝爾化學獎,也是英國首位女性諾貝爾獎得主。除此之外,霍奇金還有一個非常重要的研究計劃。早在1934年,她獲得了一小塊胰島素晶體樣品,但當時的X射線晶體學發展水準不足以處理胰島素分子的複雜結構。通過不斷提高X射線衍射分析技術,直到35年後的1969年,她最終攻克了胰島素分子結構問題。在回憶自己的科學生涯時,霍奇金説:“我這一生為化學和晶體所俘獲。”她始終保持對事物進行系統深入研究,找到問題最終答案的鑽研精神,據説這是深受母親的影響。導師和丈夫對霍奇金也産生了重要影響,她坦言自己科學生涯的大部分工作幾乎沒有一項不是從與貝爾納一同研究晶體時開始的。
健客:貝爾納是誰啊?
雲飛:貝爾納師承老布拉格。
健客:這就對上了,名師出高徒啊!
雲飛:貝爾納不僅是X射線晶體學家,而且知識淵博,橫跨多個學科領域。與他的朋友李約瑟不同,貝爾納更關心中國科學發展的現實問題,他非常樂觀地認為“經過適當的改造,中國傳統文化可以為科學事業提供非常良好的基礎”。
健客:再打個岔,除了X射線,還常聽説αβγ射線,搞不明白什麼意思啊?
雲飛:α射線,又稱α粒子流。α粒子是高速運動的帶正電的氦原子核。由於α粒子是帶正電的重粒子,品質大,電荷多,電離本領大,但穿透能力差。在α、β、γ三種射線中,α射線的穿透能力最差,在空氣中的射程只有1~2釐米,通常用一張紙就可以擋住α粒子。但α射線的電離能力卻是三種射線中最大的,穿過空氣時可以使空氣變為導體。
許多放射性核素能自發發射α射線,如鈾、鐳和钚。
防護來自外部的α射線是比較容易的,或者説,α射線只要不進入體內,對人體是不會有大的影響的。但如果α放射性物質經吸入、食入或由傷口等途徑進入到人體,由於其釋出的具有強的電離能力,會對鄰近的組織産生較大照射,影響甚至大於其他射線。
β射線是高速運動的電子流,帶負電荷,品質很小,貫穿本領比α粒子強,電離能力比α粒子弱。β射線在空氣中的射程,因其能量不同而有較大差異,一般為幾米。通常用一般的金屬板或有一定厚度的有機玻璃板就可以較好地阻擋β射線對人的照射。
許多放射性核素能自發發射β射線,如氚、碳-14和鍶-90。
β射線具有一定的穿透本領和電離能力,容易被人體表面組織所吸收,引起組織表層的損傷。由體內β放射性物質釋出的β射線也可能對健康産生一定的影響。從保護人的健康考慮,既要注意防止外部β射線的直接照射,防止高能β粒子可能引起的皮膚燒傷,也要防止吸入被β放射性物質污染的空氣或食入污染的食物,並避免皮膚(特別是傷口)被污染。
γ射線是波長比X射線還短的高能電磁波。它不帶電,不隨磁場偏轉,不具有直接電離的能力,但可以通過和物質的相互作用,間接引起電離效應。γ射線具有很強的穿透能力。不同放射性核素發射的γ射線,能量可以有很大差異,因而γ射線在空氣中的射程也是不同的,通常為幾百米。要想有效阻擋γ射線,一般需要採用厚的混凝土墻或重金屬板塊,如鐵、鉛。
許多放射性核素能自發發射γ射線,如在核技術應用中經常使用的鈷-60、銥-192等。
γ射線穿透力強,要特別注意防止外部γ射線的照射。
中國首例核輻射案受害者就是銥-192發射的γ射線所致。1996年1月5日,19歲的工人宋學文,如果能重來的話,他絕對不會撿起地上那條看起來普普通通的“鑰匙鏈”。因為這個無心之舉,讓他失去了雙腿,左手前臂,右手僅剩下一根完整的中指。體重從109斤,掉到了50多斤。2019年4月23日,宋學文在吉林離世。扯遠了,馬上回來。
霍奇金的畫像現收藏于英國國家肖像館,由英國女畫家及雕塑家哈姆布林完成于1985年,那年霍奇金75歲。按照畫家的説法:“她是我們時代最重要和最真誠的人物之一,我希望通過畫面傳達她的氣質,在我看來她幾乎就是一個製造魔法的古代煉金士。”畫中的霍奇金正在一個超大的寫字檯前忙碌著,臺上擺滿了論文、圖表和一個胰島素結構模型,身後的書架上裝滿了書籍和檔案,她的頭髮誇張地飄散開來,身前的四隻手同時幹著不同的事情:一手握筆書寫,一手拿放大鏡,一手舉著圖片,一手指向鋪在臺面上的數據表。活脫脫一個女魔法師的形象!這幅畫當然不是寫實的描繪,而是帶著幾分公眾對科學家不修邊幅、不食人間煙火的成見,作了極大的誇張。其實霍奇金是一位美麗端莊的女性,在科學事業之外有自己的愛情、友情、家庭與社會擔當。霍奇金的丈夫托馬斯·霍奇金是歷史學家,曾撰寫過有關非洲政治和歷史的書籍,並在牛津大學貝利奧爾學院任教。霍奇金是一位非常獨立的女性,但從未因自己事業上的成功而看輕丈夫。1959年,貝爾納與霍奇金夫婦一起訪問了中國,參加了中華人民共和國建國10週年國慶典禮。霍奇金榮獲諾貝爾化學獎後,伊麗莎白二世要授予她“功績勳章”,該勳章現世成員限額只有25位,這麼高的榮譽,換別人搶都搶不到,然而霍奇金卻堅持要等丈夫回復後再做決定。輾轉拖延,常年在國外工作的丈夫終於有了回復:同意妻子接受這份榮譽。1965年,霍奇金成為繼南丁格爾之後第二位獲此殊榮的女性。
霍奇金桃李滿天下。中國科學家對胰島素的研究,得到霍奇金的關心和幫助。中國開始研究胰島素的幾位科學家都先後在牛津大學霍奇金的實驗室工作過,受過她的指導。1993年,梁棟材和王志珍共同撰文《Hodgkin教授與中國的胰島素晶體學研究》。1966年3月,中國成功合成結晶牛胰島素,在那個“必須把馬克思、恩格斯、毛澤東語錄寫在科學論文的篇首作為‘指導文獻’”的年代,霍奇金不遺餘力地將中國科學家的研究成果介紹給世界科學界,把中國晶體學送入了國際大家庭的懷抱,文章字裏行間流露出那個年代中國科學家們特有的真摯深情。1966年,梁棟材曾于牛津大學在霍奇金指導下進行蛋白質晶體學研究;1977年,王志珍負責霍奇金訪華的陪同工作。1980年,梁棟材當選為中國科學院學部委員(院士);2001年,王志珍當選為中國科學院院士。老布拉格培養了貝爾納,貝爾納培養了霍奇金,霍奇金培養了梁棟材……
健客:中國有句古話叫“授人以魚不如授人以漁”。
雲飛:愛爾蘭詩人、1923年諾貝爾文學獎得主葉芝進一步跳出物化層面,直指教育的精神。當中式教育,大多還停留在灌滿一桶水,填鴨式教學;西方已經致力於點燃學生心中的一把火。無論在中國還是西方,每個家長都希望孩子幸福,而幸福不僅僅是功成名就。從培養孩子的興趣和習慣出發,讓孩子認真探索自己喜歡的事情吧!
1994年7月29日,霍奇金永遠地離開了她的學生。2014年5月12日,Google更改首頁的標誌,紀念霍奇金誕辰104週年。標誌中的兩個“o”改為霍奇金所繪的盤尼西林分子結構。2014年8月20日,英國廣播公司播出了廣播劇《她倆之間的化學作用》,“她倆”指的是霍奇金和撒切爾。廣播劇開場,原來在家裏幫助父親照料雜貨店的怯生生的瑪格麗特·羅伯茨(即後來的撒切爾夫人)來到了牛津大學薩默維爾學院的化學實驗室。從此開始,比瑪格麗特大15歲的霍奇金向這個原本保守的衛理公會教徒的心靈裏灌輸了一些大都會的、女權主義的觀念。她指導瑪格麗特研究抗生素分子結構,在此過程中,敦促瑪格麗特摒棄原來“非黑即白”的思維方式,而要比較細緻地全面考慮問題。後來,瑪格麗特成為英國歷史上首位女性首相,也是首位擁有科學教育背景的首相。如果説這一幕反映的“化學作用”基本是和諧的,那麼40年後,兩人之間的“化學作用”則是刀兵相見。那時正是冷戰最激烈的時候,霍奇金擔任“帕格沃什科學與和平會議”主席,而撒切爾是英國首相。霍奇金竭力呼籲英國政府裁減核武器,她倆的政治立場針鋒相對。霍奇金曾因為推進東西方陣營之間的相互理解而被前蘇聯授予“列寧和平獎”,加之丈夫是英國共産黨黨員,因此她被美國政府列入禁止入境的黑名單。正如貝爾納和20世紀30-40年代的許多科學家一樣,她認為只有社會主義制度才能著眼長遠地資助科學事業。撒切爾認為國家對經濟不應過分干預,不受限制的市場經濟帶來最大效率,並實施一系列公共事業的私有化、去監管化、減稅、取消匯率管制、打擊工會力量、削減福利開支等措施。該劇的作者亞當希望通過文藝作品探討科學、政治與道德之間的相互作用。該劇的評論者之一,英國作家傑莎,她的祖母是霍奇金的表親。傑莎認為劇中霍奇金和撒切爾之間保持良好的友誼關係,這與事實不符。撒切爾在倫敦唐寧街10號首相官邸確實保留著一張霍奇金的照片,但霍奇金一直公開批評撒切爾,她雖然到撒切爾的官方別墅契克斯閣拜訪過多次,但都是出於政治活動的需要,而非友誼。傑莎認可該劇的成功之處:科學是政治生活和道德生活不可分割的一部分。
科學也是現代戰爭不可分割的一部分。浴火的中國急切地需要盤尼西林。
欲知後事如何,且聽下回分解。