普里莫·萊維的《猴子的扳手》是我所能想到的少數(shù)幾部包含分子圖示的小說之一（如圖4）。這個(gè)分子很復(fù)雜，看上去很嚇人。要是我想寫本關(guān)于科學(xué)的非技術(shù)性圖書，而且想給讀者提供一些教益，那我做夢(mèng)也不會(huì)在書里插這么一幅圖的。

萊維避開了這個(gè)難題，因?yàn)樗⒉幌胱屛覀兞私膺@個(gè)分子的任何事情，除了一點(diǎn)——該分子有形狀和結(jié)構(gòu)。分子里有一些六邊形，又有一些直線將六邊形連接在一起。講述者和一個(gè)名叫福索內(nèi)的負(fù)責(zé)將大梁組裝到橋上的建筑工人交談。他說：

我在學(xué)校里所學(xué)習(xí)的專業(yè)也就是現(xiàn)在用來謀生的職業(yè)，是化學(xué)。不知道你是不是了解，不過這其實(shí)跟你的工作有點(diǎn)兒像，只不過我們拆裝的是非常微小的結(jié)構(gòu)……我一直都是個(gè)裝配化學(xué)家，也就是做合成，換句話說就是把結(jié)構(gòu)排出一定的秩序。

我們?cè)谶@本書中遇到的分子的例子，可以視作微型雕像、集裝箱、足球、絲線、圓環(huán)、桿子、鉤子，它們都是由原子聚合在一起形成的。柏拉圖相信原子有“正多面體”的形狀：立方體、四面體、八面體等。這是錯(cuò)的，注但化學(xué)家倒是能夠把原子組成這些形狀的分子。

那么，萊維故事中的講述者對(duì)福索內(nèi)畫的這個(gè)分子到底有多大呢？圖中的每個(gè)C、N之類的字母各表示一個(gè)原子，這些原子確實(shí)很微小。很多人用過很多比方來說明原子的尺度，不過我不確定這樣能不能在“這種元素的不可分解的微粒真的特別特別小”以外讓你留下更具體的印象。我們也打個(gè)比方：把一個(gè)高爾夫球放大成地球那么大，那么高爾夫球里的原子就像原來的高爾夫球那么大。一千萬個(gè)碳原子一個(gè)挨一個(gè)地連起來，能連成一毫米長。

水分子之類的小分子，大小只有幾個(gè)原子大，約為十分之三納米（一納米是一毫米的一百萬分之一）。普里莫·萊維的分子則比這要大上幾倍。（無法確切地講究竟大幾倍，因?yàn)樗嫵龅闹皇欠肿拥囊粋€(gè)片段，它會(huì)沿圖中左右兩個(gè)方向不斷延伸。）

分子尺度如此之小的后果之一是，分子世界里事情發(fā)生得非常快。當(dāng)我們聽說分子每秒能轉(zhuǎn)一百億圈時(shí)，我們大概會(huì)以為它們自轉(zhuǎn)速度高得不可思議?？蓪?shí)際上分子實(shí)在太小了，即便以中等速度移動(dòng)，也能在一瞬間就飛過分子尺度的距離。如果氧氣分子要每秒轉(zhuǎn)一百億圈，那只需以每秒一米的速度運(yùn)動(dòng)就夠了。

把原子連接在一起的小棍情形如何呢？實(shí)際上它們并不占據(jù)任何空間，而只是一種輔助我們理解圖示的習(xí)慣而已。原子結(jié)合成分子時(shí)就完全擠在一起，其實(shí)相互間還會(huì)重疊，就像是兩個(gè)接觸的肥皂泡。這之所以可能，是因?yàn)樵硬⒉幌駡?jiān)硬的臺(tái)球，而更像橡皮球。它們有個(gè)堅(jiān)硬且密集的中心，稱為原子核。原子核大約比原子本身小一萬倍，但原子的質(zhì)量卻主要集中在原子核上。原子核帶正電荷，圍繞著原子核的是一團(tuán)云霧狀的電子，它是帶負(fù)電荷的小而輕的亞原子粒子。兩個(gè)原子各自的電子云可以重疊在一起，而不致撞車，于是它們共享了一部分電子：兩團(tuán)云霧融合成一團(tuán)，圍繞著兩個(gè)原子核運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，我們就稱兩個(gè)原子通過共價(jià)鍵結(jié)合。上一幅分子結(jié)構(gòu)圖中的短線就代表共價(jià)鍵，這僅僅是一種輔助表示哪兩個(gè)原子相互連接的辦法。

談?wù)摲肿訒r(shí)，有一點(diǎn)思想至關(guān)重要，可它又不免使問題復(fù)雜化。這就是：并沒有畫出分子的“最佳”方式。有人可能會(huì)說：不要管結(jié)構(gòu)圖了，為什么不直接畫出它們“真實(shí)”的樣子呢？但這辦不到，因?yàn)槲覀儫o法像給貓或樹照相那樣去給分子照相。這不是技術(shù)水平局限的問題，不是因?yàn)槲覀內(nèi)币慌_(tái)能分辨如此微小物體的顯微鏡或照相機(jī)，而是因?yàn)椤翱础钡臋C(jī)制本身就不允許我們“看”一個(gè)分子（或一個(gè)原子）“本來的面目”。

原因是我們只能夠看到可見光，可見光是波狀的輻射，它的波長（相鄰兩個(gè)波峰間的距離）范圍是從700納米左右的紅色光到400納米左右的紫色光。換句話說，一厘米內(nèi)包含有約14萬個(gè)紅光的波形。這樣的波長是分子大小的好幾百倍。大致說來，光不可能聚焦到一個(gè)小于其波長的點(diǎn)上，也就是說那么小的物體是無法被可見光分辨的。注因此，基于可見光的顯微鏡是不可能給出水分子的清晰圖像的。

我懷疑這可能是人們認(rèn)為分子難以理解的原因之一，也是為什么像前面那樣的結(jié)構(gòu)圖能讓科學(xué)圖書嚇跑讀者的原因。這種東西不僅小得看不見，而且小得都不可以“看”了，還要具體地談?wù)撍M不荒唐？看不見的東西就有種迷幻的氣質(zhì)，好像只是杜撰而已。

不過分子可不是杜撰，我們不僅能夠證明它們存在，還能證明它們有確切的形狀和大小。圖5給出了一些分子的“肖像”，是通過一種非光學(xué)顯微鏡所成的像。每幅圖邊上我都附上了分子結(jié)構(gòu)圖。早在這種顯微鏡發(fā)明之前，人們就已經(jīng)知道這些分子是這樣的結(jié)構(gòu)了，但從沒有人能夠直接看到它們。這些圖像挺模糊的，單從這些圖像入手，你沒法猜出分子的準(zhǔn)確形狀。但顯微鏡下顯示的形狀與我們所預(yù)期的完全一致，非常令人信服。

在照片拍攝以前，我們又是怎么知道這些分子的形狀的呢？從實(shí)驗(yàn)中能夠得到一些確鑿的證據(jù)。盡管分子實(shí)在太小，無法被可見光分辨，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^波長與分子大小相當(dāng)?shù)妮椛鋪怼翱吹健彼鼈?。波長約十分之一納米的輻射屬于X光，通過讓X光在晶體表面反射，就有可能推斷出構(gòu)成它們的原子處在什么位置上。也就是說，如果物質(zhì)可以制成結(jié)晶態(tài)，使分子有規(guī)律地堆積在一起，那么使用這種名為“X射線晶體學(xué)”的技術(shù)手段就可以揭示分子的結(jié)構(gòu)。

原則上我們可以用X光看見單個(gè)的分子，只要像光學(xué)顯微鏡匯聚可見光那樣將X光匯聚起來就可以了。但實(shí)踐中要聚焦X光十分困難，現(xiàn)在仍無法做到，不過科學(xué)家們幾乎快要實(shí)現(xiàn)它了。同時(shí)，我們還可以使用電子顯微鏡，即將一束電子打到樣品上反射，并進(jìn)行匯聚，得到圖像。電子也可以表現(xiàn)得像波一樣。利用電子波，蛋白質(zhì)或者DNA（脫氧核糖核酸）等大分子的圖像我們也能構(gòu)建出來。這些圖像的細(xì)節(jié)不夠充分，不足以顯示出單個(gè)的原子，但能讓我們對(duì)分子整體的形狀留下印象。

另一種推斷分子形狀的方法則是理論的方法：我們是有可能計(jì)算出它們的。這就要涉及弗蘭·奧布賴恩講“分子理論”提到的“代數(shù)”，不過在此沒必要細(xì)講。只需要了解，量子力學(xué)注的定律能夠使我們預(yù)測原子間如何成鍵，及原子相互位置如何。原子是不能隨心所欲地結(jié)合的。比如，各種元素的原子都傾向于形成固定數(shù)量的化學(xué)鍵，這個(gè)數(shù)就稱為它的化合價(jià)。碳原子喜歡成四個(gè)鍵，氫原子喜歡成一個(gè)鍵，氧原子則成兩個(gè)鍵。

分子結(jié)構(gòu)的量子理論確實(shí)是一種“非常紛繁復(fù)雜的理論”，即使用最好的計(jì)算機(jī)也只能近似地求解方程。但現(xiàn)在，我們對(duì)中等大小分子結(jié)構(gòu)的求解已經(jīng)能夠達(dá)到相當(dāng)?shù)目尚哦取Ｓ?jì)算預(yù)測結(jié)果與X射線晶體學(xué)測定的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，常常高度吻合。不過要預(yù)測生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的諸多大分子的形狀，我們還沒有可靠的辦法。這種情況下，X射線晶體學(xué)也很困難，原因有二：一是因?yàn)檫@些分子晶體散射出來的X射線圖樣很難解讀，二是因?yàn)楹芏鄷r(shí)候這種分子無法形成晶體。所以細(xì)胞中充滿了我們不知道其形狀的分子。

分子的形狀正是它如何行為的關(guān)鍵因素，所以我們要理解生命分子如何工作就遇到了很大的障礙。把一位設(shè)計(jì)師的格言倒過來講就是——“功能服從于形式”。

總之，分子科學(xué)是一種高度可視化的科學(xué)?；瘜W(xué)家花了兩百多年發(fā)展出一套描述這些分子的圖形化語言，結(jié)果他們現(xiàn)在必須講多種語言。描繪分子有多種方法，不同方法各有其側(cè)重點(diǎn)，著重表現(xiàn)描述者想強(qiáng)調(diào)的方面。英國化學(xué)家約翰·道耳頓從1800年開始把分子畫成原子的集合，而用圓圈符號(hào)表示原子，每個(gè)圓圈有陰影或標(biāo)記，用來區(qū)分不同的元素。一旦知道了對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種表示法就很清楚了（如圖6）。

這方法不錯(cuò)，不過對(duì)印刷工來講可不輕松，他們得專門補(bǔ)充上這些符號(hào)。一種更簡潔的辦法是用一到兩個(gè)字母符號(hào)來表示不同元素：C表示碳（carbon），O表示氧（oxygen），Ca表示鈣（calcium），F(xiàn)e表示鐵（iron）。（甚至到19世紀(jì)時(shí)，化學(xué)家仍然將這種金屬記作拉丁文的ferrum。同樣的原因，金和銀分別稱作aurum和argentum，于是用Au和Ag表示。Ir不表示鐵元素而表示銥元素。不過至少創(chuàng)制之時(shí)人們是希望這套體系不言自明的。）

于是，一氧化碳就可以簡記為CO。相同元素的多個(gè)原子可以用下標(biāo)表示，于是氫氣分子就是H2。

但這套方案并沒有給各個(gè)分子以獨(dú)一無二的表示。甲醚和乙醇是不同物質(zhì)，性質(zhì)不同，但它們的化學(xué)式都表示為C2H6O。我們又回到了之前的那個(gè)詞匯學(xué)問題：一個(gè)詞語的意義不僅由它包含什么字母決定，也由字母的排列順序決定。

所以我們還需要某種新形式，它能夠表示出原子間如何相互連接。這時(shí)候字母間的短線就來了，它表示化學(xué)鍵。C2H6O的兩個(gè)版本——稱為兩種同分異構(gòu)體（組成原子相同，排列順序不同）——可以表示成如下的樣子：

更加復(fù)雜的情況是，分子不是紙面一般的二維形式，而是會(huì)占用整個(gè)三維的空間。

表示第三個(gè)維度有幾種不同方法，有了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的出現(xiàn)，我們的方法更顯精巧了。圖7所示是對(duì)中等大小分子的一種立體表示法：將兩只眼的圖像重疊，就可以看到3D形狀。

化學(xué)家設(shè)想出來的辦法遠(yuǎn)不止這些。有時(shí)我們還需要“空間填充模型”來表示分子占據(jù)了多大的空間（如圖8a）。有時(shí)則大體的模式圖最為有用，這時(shí)就不用表示出不必要的細(xì)節(jié)（如圖8b）。

圖8　（a）空間填充法表示分子，可以顯示出分子怎樣占據(jù)空間。該分子是DNA聚合酶分子，能夠制造新的DNA分子。陰影用來區(qū)分不同種類的原子。（b）若對(duì)原子尺度下的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不完備，抑或只是想避免太多細(xì)節(jié)，有時(shí)就需要大致的模式圖。這里畫出的是核糖體復(fù)合物，能夠制造新的蛋白質(zhì)