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27項諾貝爾獎不可或缺的配方

來源: 時間:2019-07-30

上世紀,有27項諾貝爾獎被授給直接使用X射線結晶學所獲得的發現。對於約克郡出生的布拉格父子的實驗產生的重大科學影響,奧地利化學家麥克斯·佩魯茨的評價最切中肯綮:“27項諾貝爾獎不可或缺的配方”。

為什麼水在100攝氏度沸騰而甲烷在零下161攝氏度就能沸騰?為什麼鮮紅如血而碧草青青?為什麼鑽石堅如磐石而蠟卻很柔軟?為什麼同樣遭受錘擊,冰川會漂流而鐵會變硬?肌肉如何收縮?陽光如何使萬物繁茂生長?生物體如何能進化成更複雜的形式等等,所有這些問題的答案都來自於結構分析。

1953年,英國物理化學家與晶體學家羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林使用X射線結晶學,拍攝了DNA晶體衍射圖片“照片51號”,這幅圖片以及關於此物質的相關數據,是詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克塈J解出DNA的雙螺旋結構的關鍵線索,這幅照片亦被稱為“有史以來最重要的圖片”。

DNA可能是被X射線所確定的所有結構中,最重要也最為人所熟知的,但它只是被X射線確定的數千個結構之一:從餐桌上的食鹽到藥品;從各種材料到複雜的大蛋白,對這些結構的了解也促進了我們對生命本身進化的理解。

實驗所用晶體越來越小

儘管如此,化學家們對X射線結晶學的感情非常複雜,可謂愛恨交織,因為這一技術並非萬能,其仍然有一個重大的局限,那就是,這一方法要用到特定品質和大小的晶體。品質好的鹽晶體易得,但蛋白質這樣複雜分子的晶體則難求,正因如此,很多科學家們的主要工作就是研究如何製造出特定蛋白的高質量晶體。

從某種程度上來說,解決晶體問題也成為推動X射線結晶學不斷前進的動力。一種解決辦法是使用功能更加強大的X射線,就像熊熊燃燒的火炬比蠟燭更明亮一樣,X射線光束的能量越多,得到高質量衍射圖案所需要的晶體也就越小。

100年前,布拉格父子使用的X射線源是類似于燈泡的一塊小小的玻璃管,它產生的X射線的強度只夠揭示鹽晶體的結構;而現代的光源則來自於名為同步加速器的大型粒子加速器,比如英國著名的第三代同步輻射光源“鑽石光源”等。這些大型設備可能長達數百米,產生光束的強度為太陽光的數萬倍。使用這些不可思議的光束,科學家們能從越來越小的晶體中將其結構提取出來,或許,最終不再需要晶體。

(轉自廣東省輻射防護協會)

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