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解读2013年度诺贝尔化学奖

现在,已是耄耋之年的卡普拉斯仍坚持着他的三个爱好。“现在,我们的孩子都长大了,如果没有会议或报告,我和妻子,还有我们聪明的狗Bib过着很平静的生活。”卡普拉斯说,“早上起来我会为妻子做早餐,锻炼完身体后就在家工作,想一些新的理论,写一写论文。”卡普拉斯表示,目前他在进行蛋白折叠方面的研究,追踪蛋白折叠的轨迹。“过去十多年来,蛋白折叠的机制在原理上已经基本解决了,但是从氨基酸序列预测蛋白质的结构发展仍然是热点研究领域。”

■本报记者 王晨绯

解读2013年度诺贝尔化学奖
把化学反应“搬进”计算机

兴趣使然,上世纪70年代,卡普拉斯曾“深入”法国、日本等地的多家着名餐厅,和主厨一起烹饪美食。也许是因为职业关系,他烹饪食物时似乎也会从“化学”角度看问题。

当得知超算中心地处中国“硅谷”中关村,这里云集着国内顶尖化学、物理、计算科学的研究机构时,马丁:卡普拉斯眼前一亮。

■本报记者 冯丽妃 甘晓 王静 潘希对于今天的化学家来说,计算机和试管已经变得同样重要。经过理论化学家不断创新,计算机已经能够逼真地模拟出复杂的化学分子模型,进而预测出化学实验的最终结果。10月9日,诺贝尔奖委员会将2013年度诺贝尔化学奖颁发给美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔,表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上的贡献。这距离诺贝尔奖上一次颁发给理论化学中的密度泛函理论和量子化学计算方法已时隔15年。“分而治之”描述化学反应化学反应是一个微观过程,许多化学反应的发生可能只需要几微秒。因此,传统上用实验手段描述出反应过程的每一个步骤几乎不可能实现。而此次获奖的三位科学家使计算机成为了化学反应的新“试管”。中国科学院大学化工学院教授汪志祥向《中国科学报》记者解释:“比如,生命体中的核糖从无规则的多肽链发展到稳定的蛋白质结构所耗时间在微秒级。如扫描这一过程,耗费的时间将是天文数字,这是传统研究的难点。”“早在上世纪70年代,瓦谢尔从理论上提出,可以用计算机模拟、以量子力学和分子力学结合的方式描述化学过程。而在卡普拉斯之后,这一理论得到广泛的应用。”北京师范大学化学学院教授方维海对《中国科学报》记者说,“三位科学家在理论方法和应用上的贡献能够帮助科学家从微观尺度上理解化学过程的本质。”“量子力学的描述小而精,分子力学的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程,计算将难以进行,所以,多尺度组合的方法便成了最好的选择。”方维海说,“这与中国古代‘分而治之’的哲学思想类似。”开创化学研究新局面中科院化学所研究员史强对《中国科学报》记者说:“三位科学家建立了基于量子力学、经典力学以及混合量子—经典力学的理论模型,通过计算机模拟的方法来研究蛋白质分子的运动和酶催化反应机理。”史强认为,他们的工作在发展分子动力学模拟方法,研究复杂化学体系的运动规律方面完成了开创性的工作。北京大学化学与分子工程学院高毅勤则指出,化学是一门实验性的学科,三位科学家提出的模型对化学的定量化研究以及化学理论研究和实验研究有非常重要的指导作用。同时,该模型还被应用于计算化学、生物化学、生物物理学以及物理学与应用数学,是典型的跨学科成果。因此,高毅勤向《中国科学报》记者表示:“三位获奖者的研究对化学学科的推进、化学与生物学科交叉发展都发挥了相当大的作用,具有里程碑式的意义。”国内研究前景看好方维海介绍,尽管国内该领域的研究起步较晚,但2000年以后,随着国家科研实力增强,这一领域研究已经取得长足进步。去年9月,方维海课题组便采用高精度的量子化学计算对萤火虫发光机理进行了进一步探索,提出了渐进可逆电荷转移引发荧光的新机理,首次在电子态的水平阐明了萤火虫生物发光的化学起源。2002年至2004年,高毅勤在哈佛大学做博士后期间,师从此次获奖的卡普拉斯。在高毅勤看来,国内分子模拟相关研究发展方兴未艾,也正在进行方法性创新。“我看好国内分子模拟发展前景。”他向记者表示。高毅勤课题组致力于用理论与计算方法研究生物分子的溶液构象、生物酶催化机制和化学反应中的溶剂化效应。他们成功地预言了一系列蛋白质多肽链折叠机制和其中的共溶剂效应。“计算机模拟还将被广泛应用于计算机辅助药物设计,具有节省时间和成本等优点。”汪志祥告诉记者。《中国科学报》 (2013-10-10 第1版 要闻)更多阅读2013年诺贝尔化学奖揭晓

既然谈美食也离不开化学,那就让我们一起进入卡普拉斯和他的化学世界吧。

他在整个访谈中反复强调着坚持二字。“即使你的同行说‘不’的时候,只要你的直觉是对的,你就该坚信有解决的办法,并通过各种努力来实现它。”

正是在这样的家庭环境熏陶下,1947年,17岁的卡普拉斯如愿以偿地进入了哈佛大学。经过一年的学习,他放弃了做医生的初衷,最终注册了化学和物理学课程,这是当时哈佛大学独有的一个项目,学生们可以深度地接触不同背景的学科。“哈佛大学研究生毕业后,我决定去西海岸读书,但是却产生了一个困扰:是去加州大学伯克利分校继续读化学,还是到加州大学读生物学。”

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人们周围的世界由原子组成,而这些原子又构成了分子。在化学反应中,原子会改变连接位置,形成新的分子。然而由于这一过程在微观层面进行,许多反应的发生仅有几微秒,用传统实验手段描述其反应过程的每个步骤几乎不可能实现。

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专访诺贝尔化学奖得主马丁·卡普拉斯:永远别在原地踏步 云顶集团登录 3 马丁•卡普拉斯是美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、荷兰科学院外籍院士和英国伦敦皇家学会外籍院士。他于1966年开始在哈佛大学担任教授,并一直从事研究工作至今

他指出,中关村和美国波士顿地区的情况有些相似,那里云集了哈佛、麻省理工、波士顿大学等高等学府。这些机构每个月都有研讨会,有时候会邀请外面的人来,谈谈他们正在做的工作。

同时,他表示,生物学尤其是生命科学研究是非常复杂的领域,因此需要国际合作,共同创新。以人类大脑为例,现在各国脑计划、脑工程研究项目迭起,他举例说,美国有团队正在尝试通过基因工程制作出大脑透明的斑马鱼。“这样就可以利用活体斑马鱼观察大脑中究竟在发生什么,以及当大脑处于不同兴奋状态时,神经细胞如何回应。”他说。

据悉,中科院网络中心超级计算中心目前正在进行一套开源软件的开发,马丁:卡普拉斯此行与此有关。

卡普拉斯感恩于出生在一个时刻奋发上进的家庭中。在到达美国的第一个夏季,他们一家人原来舒适悠闲的生活被抛在身后,一时经济困顿。他的父母因此一边在有钱人家做帮工维持生活,一边接受再教育。“我的父亲在温特沃斯学院学习机械,母亲在西蒙斯学院学习家庭经济。”他说,后来他的父亲进了一家飞机泵工厂做质检员,并在那里一直工作了20多年直到退休;而他的母亲毕业后也在一家医院里找到了一份营养师的工作。“但她还在接受继续教育,直到65岁时拿到硕士学位。”

一名诺贝尔化学奖得主为何选择网络中心作为学术交流地之一并展开合作?

“计算机能够很快地尝试不同的事情,它们做这些时并不需要思考。”卡普拉斯举例说,“就像玩象棋,计算机可以提前预测到接下来的10~20步,使你成为很好的棋手。”在实验中也是这样,计算机可以帮你很快地处理好极其复杂的运算步骤。

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在卡普拉斯看来,解决科学问题时,直觉非常重要。这也是他从导师和另一位诺奖得主莱纳斯•鲍林那里学到的。“一些理论或是想法在无意识中突然出现或是推理获得,这就是直觉。可能到目前为止,这是人脑和电脑之间的唯一区别。”他说,人脑有数不清的回路,而电脑则没有。“你可能会说我有些保守或是落后,但我觉得这不会发生。”他补充说。

▲马丁:卡普拉斯教授作报告

卡普拉斯近日还入选了2014年度中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划。日前,他还与中科院网络中心签订了合作协议。“这是一个极好的机遇。我们可以在这里开展很多合作交流,尤其是在不同专业的年轻人之间。”卡普拉斯指出,让年轻人有机会从事原始创新工作与独立工作非常重要。

中科院网络中心超级计算中心宗旨是面向科学院乃至社会提供尽可能强的高性能计算服务和技术支持,自成立以来,合作单位遍布院内外各类科研单位及高等院校共计60余家,科学计算题目涉及数学、物理、化学、天文、地学、力学、生命科学、材料等多个学科领域。

尽管当前美国在许多科研领域已经遥遥领先,但卡普勒斯认为,现在对从事科学研究感兴趣的青年人正在减少,其中一个原因与美国对教师行业的看法有关。他说:“在美国,很多人说,‘如果你做不了其他的事,那就当老师吧’,而且教师的工资也不高,这说明对教师不够尊重。”所以现在很多美国科学家在呼吁加强STEM领域的教育。

“这是一个极好的机遇。我们可以在这里开展很多合作交流,尤其是不同专业的年轻人之间。”马丁:卡普拉斯指出,让年轻人有机会从事原始创新工作以及独立的工作是很重要的,与此同时,还应该让他们定期参加会议,“一月一次甚至更多,他们应该在会上发言,谈谈他们的工作,其他与会人员来讨论,甚至是批评。”

也正是家庭的影响让卡普拉斯萌发了对科学的兴趣,他从父亲那里收到的第一个与自然科学相关的礼物是显微镜。“一开始,我觉得很沮丧,它不会发出声音,没有任何气味。但是很快我就从沼泽、路边的下水道和其他地方发现了各种微生物,因此越来越喜爱这个礼物。”他说,“这么多年来,它一直位于我的个人珍藏品之列。所以,我对自然科学的兴趣可以说是萌芽于父亲的培养和母亲的鼓励。”

马丁:卡普拉斯此次中国之行与网络中心主任廖方宇举行了亲切会谈。廖方宇为他颁发了“爱因斯坦讲席教授”证书,并签署了接收网络中心高级访问学者的《合作协议书》。

既然如此,那么以硅为基础的“电脑”能否超越以碳为基础的人脑呢?对此,卡普拉斯的答案是否定的。“一些人在谈论机器人时认为,它们可能变成科幻小说中的独立力量。”卡普拉斯说,尽管计算机的运算能力很强,而且现在人工智能也在迅速发展,但是它们没有任何意识。人的大脑中有真正的神经细胞,可以产生意识。而计算机没有这样的细胞,因此只能够模仿这种意识,而不能创造它们。

众所周知,现代化学不仅仅是实验室科学,而且还需要大量的计算机模拟。20世纪70年代,马丁:卡普拉斯和他的同行结合经典和量子物理学,设计出一种多尺度模型,将传统的化学实验搬到了网络世界。这一完美结合现实与理论的化学系统模型,为更全面地了解并预测化学反应进程奠定了基础。化学家选择使用量子物理学计算化学反应过程,即便如此,繁杂的计算过程与巨大的计算量也只能应付小分子的化学反应。多尺度复杂化学系统模型的出现无疑是化学界的革命。通过该模型,科学家实现了用电脑监控微小而瞬间的化学变化,从而能将催化等过程最优化。例如,在模拟药物如何到达体内靶蛋白的实验中,电脑可直接对与药物相互作用的靶蛋白原子执行量子理论计算,精确分析出药物发生作用的全过程。而超级计算机的问世使得马丁:卡普拉斯等人如虎添翼。

把计算机变成新“试管”

《中国科学报》 (2015-10-12 第5版 创新周刊)

以最简单食品鸡蛋为例,“蛋清和蛋黄是由不同的蛋白质组成的,让它们拥有不同的味道和口感,取决于烹饪时采用的温度。”卡普拉斯说,“中国的皮蛋也使鸡蛋的蛋白发生了不同的变化,味道我也很喜欢。”

毫无疑问,在这样一种学科交叉、交流充分的环境里,像计算化学这类对研究人员的知识结构不仅有深度还有广度要求的学科才能充分发展壮大。

“如果没有我的家人,我的人生将空无一物,即便是在科学上获得了成功。”在自传《天花板上的菠菜:理论化学家回归生物学》中,卡普拉斯如是写道。

把握交叉机遇 坚持原创思想 诺奖得主卡普拉斯与中科院网络中心合作侧记

卡普拉斯的童年时代是在奥地利维也纳一个叫作格林津的乡下度过的,那里是一个以盛产优质红酒而闻名的地方。然而,1938年,因为德国侵占奥地利,他以难民身份逃亡到美国。“这种经历对我的世界观和科学道路产生了重要影响:它让我认识到,应该停止在已经熟悉的领域原地踏步,还让我把注意力集中在不同的研究领域,提出新问题,学习新事物。”卡普拉斯说。

▲网络中心主任廖方宇与马丁:卡普拉斯教授签署《合作协议书》

经过美国理论物理学家、首批原子弹主要技术负责人罗伯特•奥本海默的推荐,他最终选择了生物学。因为奥本海默告诉他那里是“一片黑暗中的一线光亮”。正是在那里,卡普拉斯遇到了他的良师益友、两度获得诺奖的鲍林。“我的导师鲍林对我的科学研究产生了非常大的影响。”他说。

“很重要的一点是我总是尝试努力做一些新的事情。”马丁:卡普拉斯说,他从不畏惧风险。

此后,在英国牛津大学博士后出站后,他先后曾执教于伊利诺伊大学、哥伦比亚大学,最后又回到哈佛。其间他曾进行过核磁共振谱学、化学反应动力学、量子化学、分子动力学计算模拟等领域的研究,提出了有关耦合常数和二面角之间关系的卡普拉斯方程。“我到不同的大学,是因为我觉得陌生环境中的新同事可以让我在研究上保持创造性。”他如是说。而且他也把这种想法融入到了职业发展规划中,即每5年转一次学校,这样可以让他保持对工作的激情,“这样我才能去研究新事物,让我的精神和思想保持年轻”。

“他们最重要的是面对自己,需要有原创的思想,需要在别人说这不是个好想法的时候确信自己的想法。”当《中国科学报》记者问及他对年轻人的寄语时,马丁:卡普拉斯如是说。

现在,美国、欧洲已经启动了脑研究,中国也在酝酿,这说明所有国家都意识到这个问题的迫切性。未来脑研究项目收集的数据会越来越多,将汇成人们今天所说的大数据集。“多亏有了这些大脑计划,未来我们将有希望治疗诸如阿尔茨海默氏症等疾病,比如医生可以准确指出是哪里发生了错误,从而治愈或是减缓这些疾病的发展进程。”卡普拉斯说。

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4008com云顶集团,“我喜欢三件事情:化学、摄影和烹饪。”在北京大学化学院一间会谈室里,85岁的马丁•卡普拉斯在接受采访时说。

“除此之外,我们也会有教育培训,大概三个小时,前一个半个小时用来介绍学科背景,最后一个部分学生来说他们自己的工作。”马丁:卡普拉斯坦言这项工作非常有意义,不同机构、不同研究背景的研究人员,在经过一番背景学习之后很快就能够在不同学科中“登堂入室”——他们不仅知道结果,还熟悉了工作是如何展开的。

2013年,卡普拉斯和迈克尔•莱维特、亚利耶•瓦谢尔一起获得当年的诺贝尔化学奖。他们的获奖原因是把“化学反应搬进网络空间”。

马丁:卡普拉斯来访当日,还在网络中心作了一场精彩的学术报告。整个报告厅里座无虚席,云集着中科院物理所、理论物理所,清华大学,北京大学等周边院所高校的研究人员,而其中大部分都是年轻的面孔。

为了准确预测化学反应可能在哪个位点出现,就需要利用基于量子力学的高级运算。而该分子的其他部分则可以利用复杂度稍低的经典力学运算方式。卡普拉斯等人正是因为在上世纪70年代成功研发了把量子力学和经典力学相结合,并用计算机模拟化学反应的过程,使计算机成为化学反应的新“试管”。

此次马丁:卡普拉斯的来访,对网络中心在科研信息化方面更好地服务于中科院科研工作有很大的启发,也在一定程度上提升了科研信息化工作的影响力。

近日,受中国科学院“爱因斯坦讲席教授计划”支持,2013年诺贝尔化学奖得主、哈佛大学马丁:卡普拉斯教授应邀到中国科学院计算机网络信息中心进行学术交流,并接受了《中国科学报》记者的专访。

马丁:卡普拉斯是美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、荷兰科学院外籍院士和英国伦敦皇家学会外籍院士。他于1966年开始在哈佛大学担任教授,并一直从事研究工作至今。他的主要研究是在核磁共振谱学、化学动态学、量子化学和生物大分子的分子动力学计算模拟方面,提出了有关耦合常数和二面角之间关系的卡普拉斯方程。2013年,因在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”中的杰出贡献,他与迈克尔:莱维特及亚利耶:瓦谢尔共同获得了2013年诺贝尔化学奖。他入选了2014年度中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划。

对于自己在学术上的巨大成就,马丁:卡普拉斯认为这来自于自己希望做一些“不同的事情”的动力。

网络中心的“元”超级计算机一期系统

云顶集团登录,他分享了自己年轻时的经历。当年进行分子动力学模拟计算时,他提出了一个大胆的设想。“我的同事认为四到五个原子都很难精确地模拟,而我要模拟含有500个原子的蛋白质运动,那简直是不可能完成的任务。可是我坚信这项工作是有用的,所以花了很多时间来验证我的想法,最后成功了。”马丁:卡普拉斯语速缓慢、语气坚定地说。

“这是一个极好的机遇。我们可以在这里开展很多合作交流,尤其是不同专业的年轻人之间。”马丁:卡普拉斯指出,让年轻人有机会从事原始创新工作以及独立的工作是很重要的,与此同时,还应该让他们定期参加会议,“一月一次甚至更多,他们应该在会上发言,谈谈他们的工作,其他与会人员来讨论,甚至是批评”。

在上世纪70年代,用笨拙计算机来做小分子量子化学计算已经很不容易的时候,他就已开始计算蛋白质大分子了。他甚至把量子化学和分子动力学结合起来计算大分子,而不管当时计算机只能模拟几个皮秒的运动。虽然开展费时又大计算量的工作有很大的风险,要经过几个月甚至几年的反复计算才会有结果,而且结果如果不符合实验就等于白做了,但他仍然坚持了下来。

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