諾獎(jiǎng)致敬大數(shù)據(jù)

綠葉如何光合作用？

化學(xué)家說(shuō)：植物在可見(jiàn)光照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣。

為什么吃藥能治病？

化學(xué)家說(shuō)：因?yàn)橛行У乃幬锓肿釉隗w內(nèi)，會(huì)主動(dòng)鎖定目標(biāo)，消滅病毒。

……

化學(xué)家如何看得見(jiàn)微觀世界的現(xiàn)象？原因是他們采用了一種“在復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)中發(fā)展了多尺度模型”的觀測(cè)方法。

北京時(shí)間10月9日17時(shí)45分，2013年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒。他們的獲獎(jiǎng)原因，正是你所看到的上述科學(xué)成果。

通俗點(diǎn)說(shuō)，它就是通過(guò)計(jì)算機(jī)篩選大量數(shù)據(jù)，從而模擬肉眼所看不到的變化是如何發(fā)生的。在告別“小棍棍”實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)代科學(xué)通過(guò)建模計(jì)算，無(wú)中生有，系統(tǒng)生長(zhǎng)。毫無(wú)疑問(wèn)，這是頒給大數(shù)據(jù)時(shí)代的化學(xué)獎(jiǎng)。

　　虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)

在諾獎(jiǎng)官網(wǎng)上，寫著三位科學(xué)家的獲獎(jiǎng)原因：“在復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)中發(fā)展了多尺度模型。”

這是化學(xué)領(lǐng)域一個(gè)質(zhì)的飛躍。在過(guò)去，科學(xué)家常用塑料球和小棍棍進(jìn)行分子建模。“一旦真實(shí)體系再為微觀，理論化學(xué)則束手無(wú)策。”中國(guó)科技大學(xué)化學(xué)物理系教授江俊說(shuō)。

不妨做個(gè)聯(lián)想?；瘜W(xué)反應(yīng)以光速發(fā)生著。在百萬(wàn)分之一秒之內(nèi)，電子從一個(gè)原子核跳到另一個(gè)。一旦涉及到一個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)，試管根本沒(méi)辦法研究這么短的時(shí)間里都發(fā)生了什么。在這一時(shí)期，理論化學(xué)也經(jīng)歷了最艱難的困境。

上世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)“登場(chǎng)”了。馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒想到了模擬，通過(guò)經(jīng)典物理和量子物理兩種思路。

不過(guò)，它們看起來(lái)似乎水火不容。經(jīng)典物理的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，并且可以被應(yīng)用于很大的分子，但它無(wú)法提供模擬化學(xué)反應(yīng)的方法；量子物理可以通過(guò)計(jì)算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)，但卻只能應(yīng)用于小分子。

接下來(lái)，他們?nèi)艘龅氖莾?yōu)化—將兩個(gè)物理體系的精華結(jié)合在一起，并提取出在經(jīng)典物理和量子物理領(lǐng)域都適用的研究方法。例如，要模擬對(duì)藥物在體內(nèi)如何與靶蛋白進(jìn)行耦合，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)靶蛋白中能與指定藥物相互作用的原子進(jìn)行量子理論的計(jì)算。大蛋白的其余部分則利用相對(duì)沒(méi)那么費(fèi)力的經(jīng)典物理方法進(jìn)行模擬。

“整個(gè)分工是這樣完成的：最最關(guān)鍵的反應(yīng)核心，尤其是反應(yīng)的自由電子，就用量子物理方法；然后，外圍的原子反應(yīng)，通過(guò)經(jīng)典物理分析；最外層的溶液，全部當(dāng)成是均一的電介質(zhì)。”江俊說(shuō)。

“他們?nèi)说慕９ぷ?，開創(chuàng)了一個(gè)新的方向。”江俊認(rèn)為， 反映真實(shí)情況的計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)成為了現(xiàn)在化學(xué)界大多數(shù)新進(jìn)展的關(guān)鍵。時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)家的作用已經(jīng)和試管一樣重要。因?yàn)橛?jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的模擬能夠非常逼真，化學(xué)家們已經(jīng)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

　　進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代

“用計(jì)算機(jī)取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的嘗試，這是頒給大數(shù)據(jù)時(shí)代的化學(xué)獎(jiǎng)。”浙江大學(xué)化學(xué)系計(jì)算化學(xué)教授王琦認(rèn)為。

以觀測(cè)光合作用的發(fā)生為例。在巨大的蛋白質(zhì)分子可能包含數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的原子，在其中存在一個(gè)很小的區(qū)域，稱作反應(yīng)中心。正是在這里水分子被分解。而實(shí)際上，僅有少部分的原子參與到這個(gè)反應(yīng)過(guò)程。

我們可以想象到的是：當(dāng)陽(yáng)光照射到綠葉上，這些蛋白質(zhì)就會(huì)充斥能量，其整個(gè)原子結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生改變?；瘜W(xué)家們則通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了頭腦中的這幅景象。

“這是一個(gè)非常龐大的數(shù)據(jù)篩選工程。”王琦說(shuō)。以模擬一個(gè)蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡為例，如果我們的觀察時(shí)間控制在一個(gè)微秒以內(nèi)，那么這中間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大概是以G，甚至T為單位。要知道，1G的容量按常見(jiàn)的800萬(wàn)像素照片來(lái)說(shuō)，格式為jpg，就能達(dá)到500~600張照片。

看到這里，你或許會(huì)問(wèn)：為一個(gè)小小的反應(yīng)，處理這么多復(fù)雜的數(shù)據(jù)量值得嗎？當(dāng)然值，僅僅是發(fā)生在植物綠葉之中的神奇化學(xué)反應(yīng)，就讓我們的大氣中充滿氧氣，而這是地球上的生命體賴以生存的基礎(chǔ)。往更深處想：如果你能模擬光合機(jī)制，那么就將制造出更加高效的太陽(yáng)能電池板；當(dāng)水分子分解產(chǎn)生氧氣，也就產(chǎn)生了可以被用作能源的氫氣。如果你成功了，你就能幫助地球?qū)箿厥倚?yīng)。

　　構(gòu)建“數(shù)字生命”

“大數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)的齊頭并進(jìn)發(fā)展，將有利于我們更深入地了解萬(wàn)物的整個(gè)化學(xué)過(guò)程。”王琦認(rèn)為，卡普拉斯、萊維特和瓦謝勒所發(fā)明的多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來(lái)研究各種各樣的化學(xué)過(guò)程，從生命分子到工業(yè)化學(xué)過(guò)程等?？茖W(xué)家們機(jī)動(dòng)車的燃料，藥品設(shè)計(jì)甚至疾病篩查等。

其研究進(jìn)展還不僅如此，邁克爾·萊維特曾在一份刊物中談到其夢(mèng)想：在分子層面上模擬鮮活有機(jī)體，構(gòu)建“數(shù)字生命”，這是一個(gè)頗具吸引力的想法。巧合的是，在去年此時(shí)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)對(duì)未來(lái)不遠(yuǎn)處的量子計(jì)算機(jī)情有獨(dú)鐘；而在這一年，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算踩著科技的“風(fēng)火輪”呼嘯而來(lái)。試問(wèn)，萊維特的夢(mèng)想還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

檔案

1895：1895年11月27日，阿爾弗雷德·諾貝爾簽署了最后遺囑，將大部分遺產(chǎn)用以成立一系列獎(jiǎng)項(xiàng)，即諾貝爾獎(jiǎng)。正如諾貝爾遺囑中所說(shuō)，化學(xué)獎(jiǎng)授予“作出最重要的化學(xué)發(fā)現(xiàn)或突破的人”。

162：1901年至2012年期間，共有163人次、162人獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國(guó)生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格一人得了兩次化學(xué)獎(jiǎng)，分別是1958年及1980年。

57：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的平均年齡是57歲。讓·弗雷德里克是最年輕的化學(xué)獎(jiǎng)得主，1935年與妻子同捧獎(jiǎng)杯，時(shí)年35歲。約翰·貝內(nèi)特·芬恩為最長(zhǎng)的化學(xué)獎(jiǎng)得主，2002年得獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)85歲高齡。

4：162位化學(xué)獎(jiǎng)得主中，只有4位女性，包括居里夫人（她還獲得過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

（以上數(shù)據(jù)截至2012年底）

　　花絮

2013諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得獎(jiǎng)人之一，德國(guó)科學(xué)家托馬斯·祖德霍夫是中國(guó)科大的“女婿”。他的夫人陳路是中國(guó)科大89級(jí)校友，而她本人也在生命科學(xué)領(lǐng)域取得了杰出成就。

微評(píng)

@窗敲雨：簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用計(jì)算機(jī)建立模型，用來(lái)模擬和預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)吧，相當(dāng)于是進(jìn)行一種虛擬的試驗(yàn)。[!--empirenews.page--]

@Alchemia：計(jì)算化學(xué)啊，可以說(shuō)是“實(shí)驗(yàn)室中的碼農(nóng)”。

@小桐童：難怪高考考理綜，這是為諾獎(jiǎng)做準(zhǔn)備??！

@AUPer：贊理綜獎(jiǎng)，不是單一科學(xué)發(fā)現(xiàn)才可以稱得上諾貝爾獎(jiǎng)的，基礎(chǔ)研究理論更可以啟發(fā)更多的科學(xué)研究成果。

@遠(yuǎn)山長(zhǎng)-曉山青：頒獎(jiǎng)詞寫得很詩(shī)意，化學(xué)家的浪漫情懷。

@飄風(fēng)自南970：這獎(jiǎng)?lì)C得越來(lái)越小眾了，離群眾路線越來(lái)越遠(yuǎn)了。