看不見的分子

重現化學本來面貌——從分子說起

鮑爾

菲德列（Alexander Findlay, 1874-1966）是英國化學家，他在一九一六年撰寫《化學為人效勞》一書的時候，基於當時的氛圍，他確實有必要把化學帶給這個世界的種種好處，大肆宣揚一番。但是時隔將近九十年，這會兒再來寫化學方面的書，原本以為可以不用再背負這樣的包袱，不過顯然事與願違。雖然化學技術對社會的貢獻是有目共睹的，特別是應用在醫療保健上，人的壽命因而延長了，但是菲德列的話至今聽起來依然是那麼的熟悉：

社會大眾因為對科學無知，所以一碰上凡是能擴大產業範圍、增加勞動效率的人，都投以懷疑的眼光，並採取不信任的態度。

今天的化學工業界及其擁護者，在面對大眾的輕蔑與責難時，挺身為自己辯護的口氣，大約就是這般強悍。他們忿忿不平的是，化學產品一上市，大家幾乎就把所有的好處都視為理所當然，卻把壞處長留在記憶中。不過，沒什麼好否認的，這是咎由自取！在發生「沙利竇邁」 和「波帕爾」 的慘劇之後，或是「臭氧層破了個大洞」這種天大的禍事爆發出來，化學公司和政府部門一昧規避責任的態度，已然讓他們的誠信度大打折扣了，後來的事即使有理，也說不清。

因為這些負面的教材太過深植人心，即便我們已經來到二十一世紀，還是存有一種普遍的感受：「化學的」或「合成的」都是壞的，只有「天然的」才是好的。

老掉牙的補救手法，是仔細把化學帶來的好處統統列出來。這份清單的確很長，而那些想要抹黑工業化學的人，大概也還享受著清單上的許多產品。但我相信「化學為人效勞」的說帖，已不再符合我們的需求。因為這說法只會讓人更加認定「科技產業是只顧擴張地盤的霸業」，徒增壞印象罷了。

對圈外人來說，任何文化體系只要看似霸權，就具有莫大的威脅。然而事實上，你恐怕從來不曾想像，化學家彼此在爭論哪些產品應受到管制或禁用時，攻防之激烈，可不輸給外界；你可能知道某些化學家在軍事基地內服務，卻不知道基地外頭圍堵抗議的人，不少也是化學家……。科學是一種人文活動，唯有社會大眾能夠如此看待科學，能更全面的了解事實真相，好日子才會真正來臨。這是我寫這本書的第一個目的。

我的第二個目的則是想提醒：化學不單只是被人馴服控制來替人服務的東西；化學也是「造就」我們成為男人、成為女人，「造就」大自然其他所有現象的要素。現今，已經很難甩脫掉「化學的」和「合成的」所隱含的負面意義，所幸「分子」一詞至今還沒有污名化。或許藉由了解我們體內分子的本質，可以讓我們欣賞到化學扮演的角色與貢獻，也能理解為何有些物質（不論天然或人工的）對我們有毒害，但有些卻又能治好我們的疾病。

這就是為什麼我甘冒某些化學家的不諱，也要寫下這本分子的導覽書，其中大部分重點放在生命的分子，也就是生物化學上面。我嘗試要展現的是，掌控我們身體的這些分子過程，與化學家（我傾向稱他們為分子科學家）企圖開創的分子技術，其實沒有很大的差異。的的確確，天然與人工的界線已經變模糊了：我們早已在人工技術中使用天然分子，也使用合成分子來保全我們視為「天然」的東西。

誌謝

嘗試述說這些分子的故事時，專家的建議使我受惠良多；我衷心感謝畢森（Craig Beeson）、卡爾佛特（Paul Calvert）、霍華（Joe Howard）、庫爾（Eric Kool）、莫爾（Tom Moore）和修列（Jonathan Scholey）。這本書的文章自始至終都是為牛津大學出版社「極短介紹系列」（OUP’s Very Short Introduction）所寫的。我很感謝考克斯（Shelley Cox）對這些文章有足夠的信心，願意編輯出版，賜予它們另一個嶄新獨立的生命。

二○○一年一月寫於倫敦

微物故事

牟中原　台灣大學化學系教授

如果你問一般路人：「化學是什麼？」很可能的反應是「塑膠」、「阿斯匹靈」、「DDT」這些製品。「化學」似乎代表著大量生產便宜產品而破壞環境的行業。「化學」在日常語言也就被貶為「低劣的」「不自然的」代名詞。

這本書《看不見的分子》是一個化學家的申辯，也許更應該說是雄辯。作者鮑爾的出發點是從物質、生命體最小的單元-分子下手，逐步地帶著我們去了解生命體。

分子是近代化學的基石，但事實上這還是近一個世紀的成就。在一百年以前，還有些科學家因為看不到它而不相信它的存在。人類在短短地一百年，可以說完全地掌握它、了解它。因為有了量子力學，分子的性質及結構幾乎可以說原則上都了解了。另外一方面，在今天，合成化學家，幾乎可以在實驗室中合成出任何寫得下來合理式子的化合物。二十世紀的化學家成就不能說不輝煌。

然而，我們要關心的是「下一步呢？」是不是化學已經太成熟了，沒得玩了？成了夕陽事業？

如果從橫的面向看，外行人也許會認為這個分子，和那個分子還不是差不多，反正都是化學鍵組起來的。上天發給了化學家一○九種牌（元素），他們就樂此不疲地玩下去，排出好多種新分子。做合成時就像你想像堆積木的那樣，一步一步把原子或分子片段接起來；首先把兩塊接起來，再加第三塊，如此類推。但別人看多了不覺煩？

還好，分子實在太小了，從分子的尺寸到我們日常物件，身體的尺寸中間差了一億倍，底下的空間還大得很呢（或者說上頭的空間還大得很呢）。這個戰略縱深，從有史以來科學家還沒好好發掘過、利用過呢！今天的科學家就是要面臨這挑戰。

當然，從分子到大塊材料，有一種「一步到位」法，就是非常整齊地排列堆疊同樣分子一直到每個方向都一億次，這就是晶體，物理學家、化學家已研究很多了。事實上，我們常用Ｘ光給晶體拍照，以便了解其中分子的結構，這方法好用得很，ＤＮＡ、蛋白質的立體構造，就是這樣發現的。

仍然，你我仍然覺得這「一步到位」法未免太浪費大好風光。這好像工人拿了一百萬個磚頭，結果到頭只蓋了個立方實體，長、寬、高都是一百塊磚，全然沒蓋出個房子或教堂，這又好比小學生抄生字重複十大張都是一個字，還沒一個句子，更別說段落、文章。

你看看，生命體就完全不是這樣弄的，尺寸增大時都有更複雜的組織。從分子到細胞到組織到器官，都是風景。

如果，我們想從下往上了解，我們就不能只停留在純單一種分子。我們必須開始了解不同分子間的交互作用，它們如何相使力、交談、交換。這就是本書要談的主題。作者以為分子的故事中，最精彩的情節就發生在生命體中。他以細胞為整個背景，作為製造分子的化學家是微物工程師。本書討論許多生命分子、分子材質、分子馬達、分子之能量轉換、分子之間的通訊一直到化學計算機。這些分子擔任的功能可多了，包括檢查關卡、安全機制、備份計畫、和嚴謹的紀錄。沒有任何人造的機制，能像細胞一樣細緻、有組織。想要了解這非常複雜的體系，化學家是可以忙很久的。

「因此化學的重點轉變了，不著墨於單一分子的特性，而著重於幾群不同分子在一起時的行為，像是：打造或切斷關係、互相修飾趨向、發出訊號。化學漸漸變成了研究「過程」的科學。」

這本書所採取的觀點是；化學的方向正在轉變中，她不止談分子本身，而是研究分子間溝通的化學。無論在無機的或生命的化學世界都是如此。這種化學是真正的新科學，在很多方面都與製造大宗物質的傳統化學相當不同。因此，我們必須檢視往上的尺寸裡分子間的作用。這就是奈米科學世界。在奈米科學的發展，化學家做出很重要的貢獻絕非偶然。最近，像是關於燃料電池、分子化學感應器、單層膜分子奈米操控技術和分子機器，都對奈米科技作出傑出的貢獻。這些領域總歸屬於超分子化學的範疇。

我們所應重視之奈米系統，不只是尺度已至一百奈米以下的大小，在其光學性質、電學性質、磁學性質、型態、或是其他化學反應性（如催化）還需展現新的性質，具有可操控之特性。真正有長遠影響力的奈米科學是有關在奈米尺度、超分子層次的操控能力。這些能力生物體內早已達到。我們應該以大自然為師，未來一個極具發展潛力的方向將是結合奈米科技的操控能力與生物科技的複雜體系。這些未來都有待年輕一輩的科學家做出更大的貢獻。

作者鮑爾曾擔任全世界最重要的科學刊物「自然」編輯多年。這刊物是頂尖科學家擠破頭要打進的園地。因此，鮑爾養成很高的科學品味，他所要傳遞的也的確是最具遠見的科學前景。讀者讀完後可以深思。