分子（簡體書）

看到一張在晨曦中搖曳的珠網，你會不會覺得它過於纖弱，有可能溶解於露水的浸潤或破裂於微風的輕拂？事實上，蛛絲是目前已知的*為強韌的纖維狀材料之一。究其原因，正在於蛛絲中分子鏈獨特的組織方式。這是一本以分子為主題的書。在如此短的篇幅之內，從現實應用、原理探究到前沿的研究進展，分子的故事被娓娓道來。

一個活細胞的內部運行就像一座城市，其中佈滿分子居民，它們移動、交流、合作、競爭。在這本書中，菲力浦•鮑爾深入探究了分子結構和分子活動如何決定著物質的特性和生命的過程，顯示了我們身體內部的分子和周圍世界的分子發揮著怎樣的作用：比如，一個小小的受精卵如何生長為多細胞的音樂家莫札特，蛛絲在晨露中為何不會溶解。作者還考察了我們對分子的認識和合成如何開啟了一些激動人心的新領域，使分子機器以及體積微小但功能強大的分子電腦的開發進入日程。

菲利普•鮑爾

牛津大學化學專業理學學士，布里斯託大學物理學專業哲學博士，《自然》雜誌特約顧問編輯。英國科學與科普作家，已出版多部作品，包括《設計分子世界：化學的邊疆》（1994）、《明亮的大地：顏料發明史》（2001）、《預知社會：群體行為的內在法則》（ 2004）、《好奇心：科學為何對一切都產生興趣》（2013）、《為帝國服務：希特勒時期為物理學真諦而戰》（2014）等。

序言
萬立駿

寫好一部科普科幻作品絕非易事，寫好一本科學通識讀本也見功力！因而，我們有對《十萬個為什麼》的懷念和感恩，有對“雨果獎”和“安萬特獎”的崇拜，呼喚和期待更多的好作品問世！
今天呈現在諸君面前的《分子》由英國著名科學作家菲利普•鮑爾原著，為“牛津通識讀本”系列之一，也是科普作品中的上品。作者菲利普•鮑爾是科普作品大家，多年擔任著名學術雜誌Nature（《自然》）編輯，兼任Chemistry World（《化學世界》）、Nature Materials（《自然材料》）、BBC Future（英國廣播公司《未來》節目）等專欄作家。2005年他所著Critical Mass: How One Thing Leads to Another（中譯本為《預知社會：群體行為的內在法則》）一書獲“安萬特獎”。
眾所周知，分子是保持物質化學性質的最小微粒，由原子、分子構成的物質世界多姿多彩，活力無限！“分子”不僅是“化學”的代名詞，也是材料、生命等諸多研究領域的研究對象和諸多功能的執行單元。不同學科領域的科學家對分子的理解、認識和研究角度或許不同，正是這種多層次和多角度的理解使得人們對自然界和對生命體的認識不斷加深、不斷發現、不斷創造。本書的特點，也是精妙之處，是從不同視角介紹了化學、生命、材料等領域的分子研究特點、研究熱點和研究成果，又將分子反應、分子材料和分子體系的功能與生命現象、分子機器、分子內/間的信息傳遞和存儲、分子計算技術融會貫通，呈現給讀者一個魅力無窮、前景無限的分子世界。作者以通俗的語言、形象的比喻、生動的實例告訴讀者什麼是分子，分子有什麼用途、能做什麼，分子科學向什麼方向發展等等，寫出了一本難得的科學通識作品。
當今時代，新的分析技術不斷湧現，“看到”分子已不再是難事；各路科學家攻堅克難，分子層次的科學研究成果精彩紛呈。本書圖文並茂、內容豐富、語言優美易懂，英文版自出版以來，深受廣大讀者的歡迎和好評。此書現在中國出版恰逢其時，一定會吸引更多的青少年朋友對分子科學產生興趣，激發眾多青年才俊的科學創新創造能力，推動分子科學研究的更大發展！我願意將此書推薦給各位：開卷必有益，或許會獲益終身！

前言

亞歷山大•芬德萊在1916年寫下《化學為人服務》這部作品，那時的化學界正迫切需要向全世界宣傳化學帶來的恩惠。90多年後的今天，我們再寫化學，似乎不該再負有那樣的重擔了。但事實不然。雖然化學的技藝為社會做出了革命性的貢獻——單是醫學中的化學療法延長了人類壽命這一點就是明證，可芬德萊那時說的話至今言猶在耳：

有的人僅憑一己之力擴大了產業範圍，提高了大眾的勞動效率，而對科學蒙昧無知的社會大眾卻疑慮重重，橫眉冷對。

這樣嚴峻的聲音我們今天依然能夠聽到，就在化工界及支持者們在面對公眾的非難和指責而辯解時。其中一個問題是，化學之善，一旦進入市場就被人們看作天經地義，而化學之惡，卻會長久地印在人們的腦海中。同時不可否認的是，化工企業及政府面對沙利度胺和博帕爾等悲劇事件時，以及面對災難性的臭氧空洞問題時推脫責任，極大地損害了他們為自己辯護的可信度。

於是在進入21世紀時，社會上流行著這樣一種想法：“化學的”或者“合成的”是糟的，而“天然的”則是好的。對於這種想法，傳統的糾正方式是羅列化學給我們帶來的種種好東西。這樣羅列出的清單的確很長，即便那些將化工妖魔化的人想必也在享用不少化工產品。可是我相信，我們所需要的已經不再是“化學為人服務”了。一方面來講，這會更讓公眾感覺鐵板一塊的科學和技術共同體抱成一團促進自己的事業。而在外人看來，任何文化圈子都像是鐵板一塊，因而也都有潛在的威脅。事實上，化學家之間也會就該不該禁止或限制某種產品而爆發激烈的爭吵，在有的化學家為軍事機構工作時別的化學家則在門外抗議他們—倘若有一天，公眾能夠更多地了解到這些，那該多好。或許那時我們才能平和地將科學看作正常的人類活動。

然而，從另一方面來講，其實化學也並不單純是被人類馴服、召喚來服務的奴僕。化學造就我們人類，化學創造了自然界的一切。“化學”和“合成”給人們的負面印像一時還很難消除，但“分子”暫時還沒有沾染到這樣的色彩。通過理解我們自身在分子層面的本質，也許我們才能開始欣賞化學所提供的一切，並且去領悟為何有些物質（既包括天然的也包括人工的）毒害我們而有些物質治愈我們。

正因為如此，我要冒著被一些化學家反對之虞撰寫這樣一本書，名義上是關於分子的簡介，卻很大程度上只著重於生命的分子，即生物化學。我努力想說明，那些控制著我們人體的分子層面的過程，其實與化學家—我更願意稱為“分子科學家”—想要創造的區別不大。實際上兩者的界限正變得越來越模糊：我們已經在技術領域使用天然的分子，同時又在用合成的分子來保存那些我們看作“天然”的東西。

在講述這些分子故事的時候，很多專家的建議讓我受益良多，這其中包括克格格•比森、保羅•卡爾弗特、喬•霍華德、埃里克•庫爾、湯姆•摩爾和喬納森•斯科里。我在此向他們表示誠摯的感謝。

本書自始至終都是牛津大學出版社通識讀本系列的一員。我非常感謝謝利•考克斯對它充滿信心，給它一個機會開啟自己的生命之旅。

菲利普•鮑爾

2001年1月於倫敦

第一章無形世界的工程師：製造分子

何為分子？

那麼，一切事物都是由分子組成的嗎？並不盡然。一切事物都是由原子組成的（暫不考慮某些奇怪的太空環境），而原子並非總是結合成分子。（我也說不清弗蘭• 奧布賴恩把“分子”改寫成“原子”是因為他懂得還是不懂這其中的區別。）大多數原子本身是非常活躍的，它們天生就喜歡和別的原子結合在一起。分子就是若干原子緊密聚集在一起，分子裡可以含數量多達好幾百萬的原子。

不過進一步來看，還有些細微的區別要加以說明。弗蘭• 奧布賴恩作品裡的福特雷警官提到了石頭“分子”和鐵“分子”。但嚴格說來，其實並沒有這種東西—至少日常的石塊或者鐵塊裡是沒有這種分子的。所謂“分子”，我們一般指的是若干數得清數目的原子所聚成的分立的一團。比如在一個水分子裡就有三個原子：兩個氫原子和一個氧原子。一杯水里有數以萬億計的原子，但如果給這液體拍些瞬時快照（假設能看清微觀細節），我們就能看到，在每個瞬間，所有原子都是三個三個聚成一團的，就像是一大群人擠在一起，可每家三個人都一直手拉手（如圖2a）。

而鐵的原子卻並不聚成分立的分子。它們如有序的砲彈般堆積，像行列整齊的隊伍。我們無法從這一大堆原子中辨認出某個小團，因為每個原子都與周圍的原子間距相等。由氯原子和鈉原子所組成的氯化鈉晶體（即食鹽，如圖2b）同樣如此。當鐵熔化時，原子之間就會你推我搡，像混亂的人群。而當冰溶化時，氫原子和氧原子依然三個一團地手拉著手，整個晶體卻分崩離析了。我們講，冰是分子晶體—原子以分子的形式聚合在一起，而鐵和岩鹽則不是。

有的單質以分子的形式存在，有的不是。作為一條粗略的經驗法則，鐵之類的金屬都不是分子，而非金屬則是分子。比如，固體形式的氮就由雙原子的分子組成。磷原子會四個結成一團，而硫原子則會八個結成一個環狀分子。我們無法只看上物質一眼就知道它的基本單元究竟是原子還是原子聚成的分子，這似乎難以接受，但沒辦法就是沒辦法。（還好科學家要找到答案並不太難。）

因此，“分子”其實是個比較靈活而鬆散的概念，本質上是個尺度的問題。那麼，我們為什麼要多此一舉考慮分子，而不是直接談論一般化的“物質”呢？我給出的理由是這樣的：分子是具備化學意義的最小單元。在亞微觀的世界裡發生的故事要通過分子，而不是原子來講述。分子是單詞，而原子只不過是字母。儘管有些時候一個字母就是一個單詞，但大多數單詞都是若干字母按特定次序組成的分立團體。我們常常發現，比較長的單詞能夠傳達更細緻、更微妙的含義。在分子中，各個組成部分的次序也至關重要，就像“save”和“vase”含義不同一樣。

分子所講述出來的最奇妙的故事發生在生命有機體中。但很遺憾，這樣的故事往往很難懂：很多單詞很長、很陌生，我們對語法的掌握也很粗淺。化學家總在不斷地創造出新的分子單詞來擴展語言，其中有些新詞還是非常巧妙的。一旦具備了某些新詞，我們就能講好以前一直不能講的故事。還有的時候，一個新詞能讓我們用簡單的方式來表達以前繞來繞去才能講清的事情。

我們用語言來對分子的世界打了個比方，這個比方相當貼切。如今我們經常聽到“基因的語言”，我希望讓你知道，這只是分子所編碼的語言中的一種。語言甚至還不只是個比喻。分子正和語言一樣是切實包含著“信息”的，這一點我將在第七章中講到。

不僅如此，語言比方的好處還在於，利用這種信息的範式來描繪分子科學具有獨特的價值，它是一種會話式、應答式的描述，而不是以前那種被奉為圭臬的機械式描述。細胞生物學家越來越多地提到蛋白質分子間相互“交談”。關注物質科學的物理學家則會講到“合作”行為與“集體”行為。這並不是為了使科學顯得更友好而刻意造出的模糊朦朧、羅曼蒂克的概念（不過若確實有這種效果也無傷大雅）。人們這樣講，正是因為他們越來越多地註意到，分子行為具有美妙的複雜性，且一般是群體性的行為，很少是單純的線性。

考慮到這些理由，我需要在分子科學中擴大比喻的使用範圍。即便是在專家之間相互交談的層面上，我們也無法丟掉比喻。科學中很多領域都是如此，而化學尤甚。分子常常會被毫不留情地擬人化，這樣做無可厚非，畢竟分子是很陌生的事物，我們需要找些辦法讓它們變得不那麼陌生。我曾經寫了本關於水的書，出版商明智地堅持讓我不要引入H2O分子的球棍模型，否則就是在刁難讀者，讓他們把書束之高閣。可是，如果不介紹水的分子結構，我就無法解釋水的奇異特點，所以我就把這些分子變成了一些小妖怪（如圖3）。

我希望這樣做不會有什麼害處。但我最近出席一場關於分子復制的公眾講座的經歷提醒了我其中的危險之處。當時聽眾提的第一個問題是：“這些分子有意識嗎？”鑑於演講所介紹的是一種合成分子系統在模仿（非常粗糙地）某些生命有機體的特徵，我覺得提出這個問題是可以理解的。我堅信答案是“沒有”。儘管意識的概念很難把握，但基於任何對意識的切實有意義的定義，這些分子都不能算具有意識。可是，一旦我們將分子擬人化，不論結果是好是壞，我們都把意識的聯繫強加上去了。很多人厭惡“自私的基因”這種概念，因為它把道德判斷強加其上。（理查德• 道金斯稱之為“詩意的科學”，我也能明白他的意思。然而，嚴謹的機理雖能表現成詩歌，卻會被比喻的感情色彩所污染。）分子間“合作”與“交流”的想法並不能成為自然哲學的基礎。不過也說不好，在分子科學中，未來或許會有某種簡單、規則、有序的世界觀，於是我們這些人看起來可能正像是從地心說出發解釋天體運動的古代天文學家那樣，強行將觀察現象塞入錯誤的理論框架中。