教育不是注满一桶水,而是点燃一把火。 ——叶芝
1941年11月,霍奇金在给丈夫的信中说:“现在是晚上10点半,我刚刚去找钱恩了。这次见面的收获很大,我真的太兴奋了……显然,青霉素到目前为止还无法被制成晶体,毕竟……钱恩看起来很热心,愿意给我一些材料,我只是很想尝试一下。”信中所说的“一些材料”是青霉素降解产物。霍奇金很快发现,这些降解产物是一些极难处理的微小结晶体,用她的话说,这些物质“浸泡在黏性液体中,吸湿性很强(从环境中吸收水分子),因此将其暴露于空气中几分钟几乎都是不可能的”。青霉素似乎含有9个碳原子、11个氢原子、4个氧原子、2个氮原子……以及一个硫原子。这些原子是如何排列成为一种可以对抗病原菌的结构呢?霍奇金的办法是用X射线照射青霉素。
健客:在医院里拍片子跟这是一回事吗?
云飞:让我们从1895年冬天说起吧。德国物理学家伦琴发现X射线后,痴如醉地投入实验,一连数日没有回家。当他的夫人生气地到实验室找他时,伦琴什么也没说,而是把妻子的手放到包着黑纸的底片上,然后将阴极射线管通上电。底片冲出来后,伦琴夫人惊叹不已,问:“这个圆环是什么?”“是我们的结婚戒指!”伦琴笑语。
1895 年12月28日,伦琴用《一种新的射线——初步报告》这个题目,向维尔茨堡物理学医学协会作了报告,阐述这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。伦琴因发现X射线,获得1901年诺贝尔物理学奖,成为首位诺贝尔物理学奖得主。如今,X射线技术应用广泛。在医学领域,配合现代数字技术,X射线诊断已经可以提供人体内部三维图像,用的是X射线的穿透特性。哈哈,就是你说的“在医院里拍片子”。例如,新冠肺炎诊断就用到了该技术。X射线还应用在材料无损探伤和太空研究。今天主要聊的是微观领域的观察,用的是X射线衍射特性。
健客:弱弱问一下,什么是衍射啊?
云飞:哈哈,把中学物理课学的还给老师了吧。波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫做波的衍射。《红楼梦》中王熙凤出场“不见其人,先闻其声”,原文是这样的:一语未了,只听后院中有人笑声,说:“我来迟了,不曾迎接远客!”黛玉纳罕道:“这些人个个皆敛声屏气,恭肃严整如此,这来者系谁,这样放诞无礼?”心下想时,只见一群媳妇丫鬟围拥着一个人从后房门进来。这个人打扮与众姑娘不同,彩绣辉煌,恍若神妃仙子:头上戴着金丝八宝攒珠髻,绾着朝阳五凤挂珠钗;项上带着赤金盘螭璎珞圈;裙边系着豆绿宫绦,双衡比目玫瑰佩;身上穿着缕金百蝶穿花大红洋缎窄褃袄,外罩五彩刻丝石青银鼠褂;下着翡翠撒花洋绉裙。一双丹凤三角眼,两弯柳叶吊梢眉,身量苗条,体格风骚,粉面含春威不露,丹唇未启笑先闻。这就是声波衍射,绕过障碍物的生动写照。
健客:但是,“不见其人”,不就是光波被障碍物阻挡了吗?光波没有衍射现象吗?
云飞:嗯,脑子动的还挺快。衍射现象有明显与不明显之分。
健客:快说说。
云飞:波在传播的过程中,当窄缝或障碍物的尺寸小于波长或与波长差不多时,可以发生明显的衍射现象。空气中,可见光的波长大约在几百纳米的范围(1米=10亿纳米),可闻声的波长大约在十几厘米到十几米的范围。因为障碍物的尺寸远大于可见光的波长,所以衍射现象不明显。
健客:噢,我想起来了,“双缝实验”,继续继续。
云飞:1912年4月,德国物理学家劳厄等人用X射线照射晶体,成功观测到衍射现象,说明X射线的波长和晶体中原子(离子)的间距具有相同的数量级,也就是说,X射线是波长极短的电磁波,可用于揭示晶体微观结构。爱因斯坦称该实验为“物理学最美的实验”。不久,劳厄的发现传到英国,引起布拉格父子的高度关注。小布拉格使用数学模型来解释X射线与晶体内原子(离子)的相互作用,并于1912年11月11日首度发表。有了正确的理论指导,布拉格父子测定了食盐和钻石等晶体的分子结构。比如,食盐的分子式是一个钠离子加上一个氯离子——NaCl,氯化钠晶体形成立体对称,晶体内每个离子周围都被六个其它的离子包围,组成一个八面体。这种结构也存在于很多化合物中,称为氯化钠型结构。劳厄因发现晶体中的X射线衍射现象,获得1914年诺贝尔物理学奖。布拉格父子因X射线晶体结构研究,获得1915年诺贝尔物理学奖。他们创造的父子同时获得诺贝尔奖的记录保持至今。那年小布拉格25岁,成为有史以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主。顺便提一下,布拉格父子和弗洛里都是阿德莱德大学的著名人物,老布拉格曾职教于此,小布拉格和弗洛里曾就读于此。扯远了,马上回来。
1945年,弗莱明、钱恩和弗洛里因发现青霉素及其对各种传染病的疗效,获得诺贝尔生理学或医学奖。同年,霍奇金等人测定了青霉素分子结构,并于1949年正式发表研究成果,进一步促进了青霉素的大规模生产。高亮度的衍射影像可能是同频率和同振幅的波,相互叠加放大形成的。同理,低亮度的衍射影像可能是相互叠加抵消形成的。分子越大,构图就越困难,好像“一团乱麻”。绘制青霉素分子结构的图像,以及计算哪些波是“放大”或者“抵消”的,据说霍奇金用了两年多的时间。1948年,她首次接触到维生素B12,并于1955年正式发表研究成果,破译其分子结构。霍奇金因解析了一些重要生化物质的分子结构,获得1964年诺贝尔化学奖,也是英国首位女性诺贝尔奖得主。除此之外,霍奇金还有一个非常重要的研究计划。早在1934年,她获得了一小块胰岛素晶体样品,但当时的X射线晶体学发展水平不足以处理胰岛素分子的复杂结构。通过不断提高X射线衍射分析技术,直到35年后的1969年,她最终攻克了胰岛素分子结构问题。在回忆自己的科学生涯时,霍奇金说:“我这一生为化学和晶体所俘获。”她始终保持对事物进行系统深入研究,找到问题最终答案的钻研精神,据说这是深受母亲的影响。导师和丈夫对霍奇金也产生了重要影响,她坦言自己科学生涯的大部分工作几乎没有一项不是从与贝尔纳一同研究晶体时开始的。
健客:贝尔纳是谁啊?
云飞:贝尔纳师承老布拉格。
健客:这就对上了,名师出高徒啊!
云飞:贝尔纳不仅是X射线晶体学家,而且知识渊博,横跨多个学科领域。与他的朋友李约瑟不同,贝尔纳更关心中国科学发展的现实问题,他非常乐观地认为“经过适当的改造,中国传统文化可以为科学事业提供非常良好的基础”。
健客:再打个岔,除了X射线,还常听说αβγ射线,搞不明白什么意思啊?
云飞:α射线,又称α粒子流。α粒子是高速运动的带正电的氦原子核。由于α粒子是带正电的重粒子,质量大,电荷多,电离本领大,但穿透能力差。在α、β、γ三种射线中,α射线的穿透能力最差,在空气中的射程只有1~2厘米,通常用一张纸就可以挡住α粒子。但α射线的电离能力却是三种射线中最大的,穿过空气时可以使空气变为导体。
许多放射性核素能自发发射α射线,如铀、镭和钚。
防护来自外部的α射线是比较容易的,或者说,α射线只要不进入体内,对人体是不会有大的影响的。但如果α放射性物质经吸入、食入或由伤口等途径进入到人体,由于其释出的具有强的电离能力,会对邻近的组织产生较大照射,影响甚至大于其它射线。
β射线是高速运动的电子流,带负电荷,质量很小,贯穿本领比α粒子强,电离能力比α粒子弱。β射线在空气中的射程,因其能量不同而有较大差异,一般为几米。通常用一般的金属板或有一定厚度的有机玻璃板就可以较好地阻挡β射线对人的照射。
许多放射性核素能自发发射β射线,如氚、碳-14和锶-90。
β射线具有一定的穿透本领和电离能力,容易被人体表面组织所吸收,引起组织表层的损伤。由体内β放射性物质释出的β射线也可能对健康产生一定的影响。从保护人的健康考虑,既要注意防止外部β射线的直接照射,防止高能β粒子可能引起的皮肤烧伤,也要防止吸入被β放射性物质污染的空气或食入污染的食物,并避免皮肤(特别是伤口)被污染。
γ射线是波长比X射线还短的高能电磁波。它不带电,不随磁场偏转,不具有直接电离的能力,但可以通过和物质的相互作用,间接引起电离效应。γ射线具有很强的穿透能力。不同放射性核素发射的γ射线,能量可以有很大差异,因而γ射线在空气中的射程也是不同的,通常为几百米。要想有效阻挡γ射线,一般需要采用厚的混凝土墙或重金属板块,如铁、铅。
许多放射性核素能自发发射γ射线,如在核技术应用中经常使用的钴-60、铱-192等。
γ射线穿透力强,要特别注意防止外部γ射线的照射。
中国首例核辐射案受害者就是铱-192发射的γ射线所致。1996年1月5日,19岁的工人宋学文,如果能重来的话,他绝对不会捡起地上那条看起来普普通通的“钥匙链”。因为这个无心之举,让他失去了双腿,左手前臂,右手仅剩下一根完整的中指。体重从109斤,掉到了50多斤。2019年4月23日,宋学文在吉林离世。扯远了,马上回来。
霍奇金的画像现收藏于英国国家肖像馆,由英国女画家及雕塑家哈姆布林完成于1985年,那年霍奇金75岁。按照画家的说法:“她是我们时代最重要和最真诚的人物之一,我希望通过画面传达她的气质,在我看来她几乎就是一个制造魔法的古代炼金士。”画中的霍奇金正在一个超大的写字台前忙碌着,台上摆满了论文、图表和一个胰岛素结构模型,身后的书架上装满了书籍和档案,她的头发夸张地飘散开来,身前的四只手同时干着不同的事情:一手握笔书写,一手拿放大镜,一手举着图片,一手指向铺在台面上的数据表。活脱脱一个女魔法师的形象!这幅画当然不是写实的描绘,而是带着几分公众对科学家不修边幅、不食人间烟火的成见,作了极大的夸张。其实霍奇金是一位美丽端庄的女性,在科学事业之外有自己的爱情、友情、家庭与社会担当。霍奇金的丈夫托马斯·霍奇金是历史学家,曾撰写过有关非洲政治和历史的书籍,并在牛津大学贝利奥尔学院任教。霍奇金是一位非常独立的女性,但从未因自己事业上的成功而看轻丈夫。1959年,贝尔纳与霍奇金夫妇一起访问了中国,参加了中华人民共和国建国10周年国庆典礼。霍奇金荣获诺贝尔化学奖后,伊丽莎白二世要授予她“功绩勋章”,该勋章现世成员限额只有25位,这么高的荣誉,换别人抢都抢不到,然而霍奇金却坚持要等丈夫回复后再做决定。辗转拖延,常年在国外工作的丈夫终于有了回复:同意妻子接受这份荣誉。1965年,霍奇金成为继南丁格尔之后第二位获此殊荣的女性。
霍奇金桃李满天下。中国科学家对胰岛素的研究,得到霍奇金的关心和帮助。中国开始研究胰岛素的几位科学家都先后在牛津大学霍奇金的实验室工作过,受过她的指导。1993年,梁栋材和王志珍共同撰文《Hodgkin教授与中国的胰岛素晶体学研究》。1966年3月,中国成功合成结晶牛胰岛素,在那个“必须把马克思、恩格斯、毛泽东语录写在科学论文的篇首作为‘指导文献’”的年代,霍奇金不遗余力地将中国科学家的研究成果介绍给世界科学界,把中国晶体学送入了国际大家庭的怀抱,文章字里行间流露出那个年代中国科学家们特有的真挚深情。1966年,梁栋材曾于牛津大学在霍奇金指导下进行蛋白质晶体学研究;1977年,王志珍负责霍奇金访华的陪同工作。1980年,梁栋材当选为中国科学院学部委员(院士);2001年,王志珍当选为中国科学院院士。老布拉格培养了贝尔纳,贝尔纳培养了霍奇金,霍奇金培养了梁栋材……
健客:中国有句古话叫“授人以鱼不如授人以渔”。
云飞:爱尔兰诗人、1923年诺贝尔文学奖得主叶芝进一步跳出物化层面,直指教育的精神。当中式教育,大多还停留在灌满一桶水,填鸭式教学;西方已经致力于点燃学生心中的一把火。无论在中国还是西方,每个家长都希望孩子幸福,而幸福不仅仅是功成名就。从培养孩子的兴趣和习惯出发,让孩子认真探索自己喜欢的事情吧!
1994年7月29日,霍奇金永远地离开了她的学生。2014年5月12日,Google更改首页的标志,纪念霍奇金诞辰104周年。标志中的两个“o”改为霍奇金所绘的青霉素分子结构。2014年8月20日,英国广播公司播出了广播剧《她俩之间的化学作用》,“她俩”指的是霍奇金和撒切尔。广播剧开场,原来在家里帮助父亲照料杂货店的怯生生的玛格丽特·罗伯茨(即后来的撒切尔夫人)来到了牛津大学萨默维尔学院的化学实验室。从此开始,比玛格丽特大15岁的霍奇金向这个原本保守的卫理公会教徒的心灵里灌输了一些大都会的、女权主义的观念。她指导玛格丽特研究抗生素分子结构,在此过程中,敦促玛格丽特摒弃原来“非黑即白”的思维方式,而要比较细致地全面考虑问题。后来,玛格丽特成为英国历史上首位女性首相,也是首位拥有科学教育背景的首相。如果说这一幕反映的“化学作用”基本是和谐的,那么40年后,两人之间的“化学作用”则是刀兵相见。那时正是冷战最激烈的时候,霍奇金担任“帕格沃什科学与和平会议”主席,而撒切尔是英国首相。霍奇金竭力呼吁英国政府裁减核武器,她俩的政治立场针锋相对。霍奇金曾因为推进东西方阵营之间的相互理解而被前苏联授予“列宁和平奖”,加之丈夫是英国共产党党员,因此她被美国政府列入禁止入境的黑名单。正如贝尔纳和20世纪30-40年代的许多科学家一样,她认为只有社会主义制度才能着眼长远地资助科学事业。撒切尔认为国家对经济不应过分干预,不受限制的市场经济带来最大效率,并实施一系列公共事业的私有化、去监管化、减税、取消汇率管制、打击工会力量、削减福利开支等措施。该剧的作者亚当希望通过文艺作品探讨科学、政治与道德之间的相互作用。该剧的评论者之一,英国作家杰莎,她的祖母是霍奇金的表亲。杰莎认为剧中霍奇金和撒切尔之间保持良好的友谊关系,这与事实不符。撒切尔在伦敦唐宁街10号首相官邸确实保留着一张霍奇金的照片,但霍奇金一直公开批评撒切尔,她虽然到撒切尔的官方别墅契克斯阁拜访过多次,但都是出于政治活动的需要,而非友谊。杰莎认可该剧的成功之处:科学是政治生活和道德生活不可分割的一部分。
科学也是现代战争不可分割的一部分。浴火的中国急切地需要青霉素。
欲知后事如何,且听下回分解。