大小和形状

普里莫·莱维的《猴子的扳手》是我所能想到的少数几部包含分子图示的小说之一（如图4）。这个分子很复杂，看上去很吓人。要是我想写本关于科学的非技术性图书，而且想给读者提供一些教益，那我做梦也不会在书里插这么一幅图的。

莱维避开了这个难题，因为他并不想让我们了解这个分子的任何事情，除了一点——该分子有形状和结构。分子里有一些六边形，又有一些直线将六边形连接在一起。讲述者和一个名叫福索内的负责将大梁组装到桥上的建筑工人交谈。他说：

我在学校里所学习的专业也就是现在用来谋生的职业，是化学。不知道你是不是了解，不过这其实跟你的工作有点儿像，只不过我们拆装的是非常微小的结构……我一直都是个装配化学家，也就是做合成，换句话说就是把结构排出一定的秩序。

我们在这本书中遇到的分子的例子，可以视作微型雕像、集装箱、足球、丝线、圆环、杆子、钩子，它们都是由原子聚合在一起形成的。柏拉图相信原子有“正多面体”的形状：立方体、四面体、八面体等。这是错的，注但化学家倒是能够把原子组成这些形状的分子。

那么，莱维故事中的讲述者对福索内画的这个分子到底有多大呢？图中的每个C、N之类的字母各表示一个原子，这些原子确实很微小。很多人用过很多比方来说明原子的尺度，不过我不确定这样能不能在“这种元素的不可分解的微粒真的特别特别小”以外让你留下更具体的印象。我们也打个比方：把一个高尔夫球放大成地球那么大，那么高尔夫球里的原子就像原来的高尔夫球那么大。一千万个碳原子一个挨一个地连起来，能连成一毫米长。

水分子之类的小分子，大小只有几个原子大，约为十分之三纳米（一纳米是一毫米的一百万分之一）。普里莫·莱维的分子则比这要大上几倍。（无法确切地讲究竟大几倍，因为他画出的只是分子的一个片段，它会沿图中左右两个方向不断延伸。）

分子尺度如此之小的后果之一是，分子世界里事情发生得非常快。当我们听说分子每秒能转一百亿圈时，我们大概会以为它们自转速度高得不可思议。可实际上分子实在太小了，即便以中等速度移动，也能在一瞬间就飞过分子尺度的距离。如果氧气分子要每秒转一百亿圈，那只需以每秒一米的速度运动就够了。

把原子连接在一起的小棍情形如何呢？实际上它们并不占据任何空间，而只是一种辅助我们理解图示的习惯而已。原子结合成分子时就完全挤在一起，其实相互间还会重叠，就像是两个接触的肥皂泡。这之所以可能，是因为原子并不像坚硬的台球，而更像橡皮球。它们有个坚硬且密集的中心，称为原子核。原子核大约比原子本身小一万倍，但原子的质量却主要集中在原子核上。原子核带正电荷，围绕着原子核的是一团云雾状的电子，它是带负电荷的小而轻的亚原子粒子。两个原子各自的电子云可以重叠在一起，而不致撞车，于是它们共享了一部分电子：两团云雾融合成一团，围绕着两个原子核运动。当这种情况发生时，我们就称两个原子通过共价键结合。上一幅分子结构图中的短线就代表共价键，这仅仅是一种辅助表示哪两个原子相互连接的办法。

谈论分子时，有一点思想至关重要，可它又不免使问题复杂化。这就是：并没有画出分子的“最佳”方式。有人可能会说：不要管结构图了，为什么不直接画出它们“真实”的样子呢？但这办不到，因为我们无法像给猫或树照相那样去给分子照相。这不是技术水平局限的问题，不是因为我们缺一台能分辨如此微小物体的显微镜或照相机，而是因为“看”的机制本身就不允许我们“看”一个分子（或一个原子）“本来的面目”。

原因是我们只能够看到可见光，可见光是波状的辐射，它的波长（相邻两个波峰间的距离）范围是从700纳米左右的红色光到400纳米左右的紫色光。换句话说，一厘米内包含有约14万个红光的波形。这样的波长是分子大小的好几百倍。大致说来，光不可能聚焦到一个小于其波长的点上，也就是说那么小的物体是无法被可见光分辨的。注因此，基于可见光的显微镜是不可能给出水分子的清晰图像的。

我怀疑这可能是人们认为分子难以理解的原因之一，也是为什么像前面那样的结构图能让科学图书吓跑读者的原因。这种东西不仅小得看不见，而且小得都不可以“看”了，还要具体地谈论它岂不荒唐？看不见的东西就有种迷幻的气质，好像只是杜撰而已。

不过分子可不是杜撰，我们不仅能够证明它们存在，还能证明它们有确切的形状和大小。图5给出了一些分子的“肖像”，是通过一种非光学显微镜所成的像。每幅图边上我都附上了分子结构图。早在这种显微镜发明之前，人们就已经知道这些分子是这样的结构了，但从没有人能够直接看到它们。这些图像挺模糊的，单从这些图像入手，你没法猜出分子的准确形状。但显微镜下显示的形状与我们所预期的完全一致，非常令人信服。

在照片拍摄以前，我们又是怎么知道这些分子的形状的呢？从实验中能够得到一些确凿的证据。尽管分子实在太小，无法被可见光分辨，我们仍然可以通过波长与分子大小相当的辐射来“看到”它们。波长约十分之一纳米的辐射属于X光，通过让X光在晶体表面反射，就有可能推断出构成它们的原子处在什么位置上。也就是说，如果物质可以制成结晶态，使分子有规律地堆积在一起，那么使用这种名为“X射线晶体学”的技术手段就可以揭示分子的结构。

原则上我们可以用X光看见单个的分子，只要像光学显微镜汇聚可见光那样将X光汇聚起来就可以了。但实践中要聚焦X光十分困难，现在仍无法做到，不过科学家们几乎快要实现它了。同时，我们还可以使用电子显微镜，即将一束电子打到样品上反射，并进行汇聚，得到图像。电子也可以表现得像波一样。利用电子波，蛋白质或者DNA（脱氧核糖核酸）等大分子的图像我们也能构建出来。这些图像的细节不够充分，不足以显示出单个的原子，但能让我们对分子整体的形状留下印象。

另一种推断分子形状的方法则是理论的方法：我们是有可能计算出它们的。这就要涉及弗兰·奥布赖恩讲“分子理论”提到的“代数”，不过在此没必要细讲。只需要了解，量子力学注的定律能够使我们预测原子间如何成键，及原子相互位置如何。原子是不能随心所欲地结合的。比如，各种元素的原子都倾向于形成固定数量的化学键，这个数就称为它的化合价。碳原子喜欢成四个键，氢原子喜欢成一个键，氧原子则成两个键。

分子结构的量子理论确实是一种“非常纷繁复杂的理论”，即使用最好的计算机也只能近似地求解方程。但现在，我们对中等大小分子结构的求解已经能够达到相当的可信度。计算预测结果与X射线晶体学测定的分子结构进行比较，常常高度吻合。不过要预测生物细胞中发现的诸多大分子的形状，我们还没有可靠的办法。这种情况下，X射线晶体学也很困难，原因有二：一是因为这些分子晶体散射出来的X射线图样很难解读，二是因为很多时候这种分子无法形成晶体。所以细胞中充满了我们不知道其形状的分子。

分子的形状正是它如何行为的关键因素，所以我们要理解生命分子如何工作就遇到了很大的障碍。把一位设计师的格言倒过来讲就是——“功能服从于形式”。

总之，分子科学是一种高度可视化的科学。化学家花了两百多年发展出一套描述这些分子的图形化语言，结果他们现在必须讲多种语言。描绘分子有多种方法，不同方法各有其侧重点，着重表现描述者想强调的方面。英国化学家约翰·道耳顿从1800年开始把分子画成原子的集合，而用圆圈符号表示原子，每个圆圈有阴影或标记，用来区分不同的元素。一旦知道了对应关系，这种表示法就很清楚了（如图6）。

这方法不错，不过对印刷工来讲可不轻松，他们得专门补充上这些符号。一种更简洁的办法是用一到两个字母符号来表示不同元素：C表示碳（carbon），O表示氧（oxygen），Ca表示钙（calcium），Fe表示铁（iron）。（甚至到19世纪时，化学家仍然将这种金属记作拉丁文的ferrum。同样的原因，金和银分别称作aurum和argentum，于是用Au和Ag表示。Ir不表示铁元素而表示铱元素。不过至少创制之时人们是希望这套体系不言自明的。）

于是，一氧化碳就可以简记为CO。相同元素的多个原子可以用下标表示，于是氢气分子就是H2。

但这套方案并没有给各个分子以独一无二的表示。甲醚和乙醇是不同物质，性质不同，但它们的化学式都表示为C2H6O。我们又回到了之前的那个词汇学问题：一个词语的意义不仅由它包含什么字母决定，也由字母的排列顺序决定。

所以我们还需要某种新形式，它能够表示出原子间如何相互连接。这时候字母间的短线就来了，它表示化学键。C2H6O的两个版本——称为两种同分异构体（组成原子相同，排列顺序不同）——可以表示成如下的样子：

更加复杂的情况是，分子不是纸面一般的二维形式，而是会占用整个三维的空间。

表示第三个维度有几种不同方法，有了计算机图形学的出现，我们的方法更显精巧了。图7所示是对中等大小分子的一种立体表示法：将两只眼的图像重叠，就可以看到3D形状。

化学家设想出来的办法远不止这些。有时我们还需要“空间填充模型”来表示分子占据了多大的空间（如图8a）。有时则大体的模式图最为有用，这时就不用表示出不必要的细节（如图8b）。

图8　（a）空间填充法表示分子，可以显示出分子怎样占据空间。该分子是DNA聚合酶分子，能够制造新的DNA分子。阴影用来区分不同种类的原子。（b）若对原子尺度下的结构认识不完备，抑或只是想避免太多细节，有时就需要大致的模式图。这里画出的是核糖体复合物，能够制造新的蛋白质