诺贝尔化学奖获得者多萝西·霍奇金
文/田禾
说起二十世纪伟大的女性科学家，大家一般会立刻想到居里夫人，这位两次获得诺贝尔奖的女性曾经鼓舞过无数有志于科学的女生。相比之下，其他杰出女科学家在公众视野中要黯淡许多。其实，她们的人生也同样激动人心。作为“GoogleDoodle中的女性科学家”系列文章的第二篇，本文介绍的是结构生物学的奠基人之一、诺贝尔化学奖得主多萝西·霍奇金（DorothyHodgkin）的故事。
一、早年教育
多萝西·霍奇金原姓克罗福特(Crowfoot)，年出生于一个侨居埃及开罗的英国中产阶级家庭，父亲是一位中东考古学家，母亲则是古代纺织品专家。克罗福特夫妇对女儿的智力教育抱有极为开明的态度，在他们的影响下，多萝西一度考虑投身考古学。
十岁时，小多萝西按照一本教科书上描述的方法制备了硫酸铜晶体，像蓝宝石一样闪亮的晶体迷住了小多萝西。克罗福特家的朋友中有一位被孩子们称为约瑟夫叔叔(A.F.Joseph)的土壤化学家，他热情地给小多萝西演示如何分析矿物，甚至送给了她一套便携式化学仪器。在中学时期，多萝西下定决心日后主修化学。
多萝西成长于一个女性科学家极为稀少的年代，女性参与科学研究要克服重重社会阻力。年，牛津大学女性高等教育协会创立了萨莫维尔女子学院，以苏格兰女数学家玛丽·萨莫维尔（MarySomerville）命名。然而四十余年中，女生只能听课，却不能获得学位。直到二十世纪二十年代，萨莫维尔学院才升格为牛津大学的正式学院。
多萝西天资聪颖而生逢其时，年进入萨莫维尔学院学习化学。四年后，她以一等荣誉的成绩从牛津毕业，继而进入剑桥大学卡文迪许实验室，追随约翰·伯尔纳(JohnBernal)从事晶体学的研究，利用X射线衍射解析生物分子的化学结构。
二、什么是生物晶体学？
在二十世纪三十年代，化学家们已经认识到：分子由原子构成，相邻的原子之间由化学键联结，分子具有三维立体结构，而结构决定分子的化学性质。这是现代化学研究的基本思想。然而分子太小了，一个典型的小分子直径还不到一纳米（一纳米等于十亿分之一米），蛋白质这种生物大分子一般也只有几纳米。如果不知道化学物的结构，人工合成这个分子显然是很困难的，进一步的大规模应用也无从谈起。
那么早期化学家是如何确定分子结构的呢？当时的元素分析技术已经相当成熟，化学家可以准确地测定化合物中各种元素的比例。化学家还可以通过化学反应，鉴定其中可能存在的化学基团。打个比方，假如一个分子是乐高积木模型，那么当时化学家容易知道的是积木的总数和单块积木的形状，最大的挑战在于通过推理和试错拼出完整的模型。但是对复杂的分子，由于基团可能的组合方式太多，这种方法就不适用了。葡萄糖分子的化学式是C6H12O6,确定葡萄糖的结构式竟然耗费了埃米尔·费雪(EmilFischer)十年的光阴。除了耗费时力之外，这种方法难以揭示分子在三维空间的结构，这是一个难以弥补的缺陷。
可想而知，化学家迫切地需要找到一种新的方法来描绘分子的立体结构。为什么光学显微镜不能胜任这项任务？因为光波的空间分辨率受到衍射极限的制约。所谓衍射，是波遇到障碍物时偏离原来直线传播路径的现象，而偏离直线传播的光无法准确成像。可见光的波长在纳米到纳米之间，比化学键的尺度高了三个数量级。当时的光学显微镜分辨率不过数百纳米，直接用光学显微镜“看”到分子结构显然是不可能的。
在科学史上，生物学和化学的重大突破经常源自物理学的发展。年，威廉·伦琴（WihelmRontgen）发现X射线。X射线与可见光一样都是电磁波，不过X射线的波长在0.01纳米至10纳米之间。年，麦克斯·劳厄（MaxLaue）发现X射线穿过晶体时会发生衍射。晶体内部的源自或分子按照一定的周期性在三维空间规律排列，形成的几何图案叫做空间点阵。X射线在穿过晶体时发生衍射，意味着空间点阵，亦即分子的尺度与X射线波长相仿。同年，布拉格父子（WilliamH.BraggWilliamL.Bragg）提出布拉格定律，指出通过衍射图案可以计算晶体的空间点阵。这些发现让化学家意识到：X射线是揭示分子三维结构的完美工具，如果令分子形成晶体，就可以利用X射线衍射确定原子之间的相对位置。
二十世纪三十年代，多萝西在剑桥从事新兴的晶体学研究，这是一段充实而快乐的时光。她对具有生物活性的分子尤其着迷。利用X射线衍射解析分子结构包括四个步骤：1.制备高纯度的样品；2.使其形成晶体；3.得到高质量的X射线衍射图案；4.解读衍射图案，构建分子结构模型。每一步都要克服重重技术障碍。生物分子往往更难以制备、纯化和结晶，当时的X射线源也远不如今天先进。在一个没有计算机的时代，分析衍射图案涉及大量的迭代计算。在博士研究期间，多萝西和导师伯尔纳发表了胃蛋白酶的X射线衍射图案，这是科学家第一次成功得到高质量的蛋白质晶体衍射图案。
三、青霉素与胰岛素
萨莫维尔学院的院长极为赏识多萝西，在其博士毕业后，立刻将其从剑桥召回牛津。她的实验室设在牛津大学自然历史博物馆内。那是一座漂亮的哥特复兴式建筑，其设计深受19世纪评论家约翰·拉斯金(JohnRuskin)影响。年，在这座博物馆内，托马斯·赫胥黎(ThomasHuxley)曾与牛津主教塞缪尔·威尔伯福斯(SamuelWilberforce)就进化论展开激烈的辩论。在牛津围绕着多萝西逐渐形成了一个活跃的学术小团体。她的学生回忆：“（在多萝西的实验室里）人人平等，不过多萝西总是知道的更多。”
在二十世纪三四十年代，多萝西利用X射线衍射研究了多种具有生物活性的小分子，如胆固醇、维他命B12等。其中一项尤其重要的突破是青霉素的分子结构。青霉素作为人类发现的第一种抗生素，在医学史上有着划时代的意义。在二次世界大战期间，青霉素挽救了无数受伤士兵的生命。然而化学家迟迟不能确定青霉素的化学结构。争议的焦点在于：青霉素分子内部是否存在由三个碳原子和一个氮原子组成的四元环(即内酰胺)？当时不少知名化学家认为这样的四元环不能稳定存在。据传，约翰·科恩福斯(JohnCornforth)曾打*：如果青霉素真的有内酰胺环，他就放弃化学，改行种蘑菇。
谁料年，多萝西出示了内酰胺环存在的决定性证据。不过科恩福斯也没有因此离开化学，年，他因对酶催化机理的研究获得诺贝尔化学奖。接下来的研究表明内酰胺环是青霉素抑制细菌生长的关键机制，并据此合成了一系列内酰胺类抗生素，比如常见的头孢类抗生素。为了纪念多萝西这一重要贡献，年5月12日，在她岁诞辰之际，Google主页上出现了一个青霉素的三维分子模型。
年，多萝西因为“利用X射线衍射研究生物分子结构”而独自获得诺贝尔化学奖。正如她自己在颁奖晚宴上指出的，第一届诺贝尔奖得主中包括了发现X射线的伦琴和立体化学的创始人范特霍夫（Van’tHoff)，而她的工作将二者结合起来了。
多萝西在晶体学领域的漫长征程是从生物大分子蛋白质开始的。当时许多一流的科学家都被胰岛素吸引，多萝西也不例外。早在在剑桥工作期间，她已经得到了清晰的胰岛素衍射图案。然而胰岛素包含两条肽链、五十一个氨基酸残基，结构远比一般的小分子复杂，何况当时人们甚至连胰岛素的一级结构（即这51个氨基酸的排列顺序）都不清楚，因此从衍射数据反推结构几乎是不可能的任务。年，弗利德里克·桑格（FrederickSanger)测定了牛胰岛素的一级结构，并因此获得年诺贝尔化学奖。桑格的成果使人们向胰岛素三维结构迈了一大步。年，多萝西的实验室发表了胰岛素的六聚体结构及详细的原子模型。此时已是多萝西获得诺贝尔化学奖五年之后，距她第一次发表胰岛素衍射图案已有三十四年之久。
年，中国科学家首次人工合成牛胰岛素，与此同时，唐有祺领导的一组中国科学家也致力于破解胰岛素结构，并拿到了高质量的衍射数据。多萝西曾为此访问中国，和中国同行探讨数据。
年，在日本京都国际晶体学大会上，多萝西将中国科学家的成果介绍给西方科学界。在冷战的铁幕下，多萝西与唐有祺的私人友谊一度是中国和西方科学界为数不多的交流渠道。晚年的多萝西因为类风湿性关节炎难以离开轮椅，但仍然执意参加了年在北京召开的国际晶体学大会，次年于家中在亲友陪伴中离世。
四、社会活动家
多萝西早年以本名“克罗福特”发表文章，婚后十余年依然如此，年才转用丈夫的姓氏“霍奇金”。值得一提的是，“霍奇金”是一个在英国学术史上颇为显赫的姓氏。多萝西的丈夫托马斯是一位知名的非洲历史学者。托马斯的一位堂弟阿兰·霍奇金于年因电生理研究获得诺贝尔生理学及医学奖，而多萝西于次年获得诺贝尔化学奖。霍奇金家族祖上还有一位病理学家，以“霍奇金氏淋巴瘤”留名于世。
多萝西的职业发展是否曾因为性别歧视受到阻碍？作为第三个获得诺贝尔科学奖的女性（此前仅有玛丽·居里和她的女儿伊莲娜·居里），在她大部分职业生涯期间，科学界仍然被男性牢牢地把持着，卓越的女性科学家的在大众眼中颇为异类。她在牛津任教后，升职的速度相对于她的成就出人意料地慢。英国《每日邮报》报道多萝西获得诺贝尔奖的消息时使用了这样的标题：“牛津主妇获得诺贝尔奖”，《每日电讯报》的标题则是“英国妇女获得诺奖：三个孩子的母亲将获得镑奖金”。后来多萝西时常用“牛津主妇”来打趣自己。
幸运的是，多萝西生活在一个远比时代超前的小圈子里，自身的才华和来自亲友、导师和同事的支持令她大放异彩：37岁时被选为皇家科学会会员，46岁时被授予皇家奖章，54岁时获得诺贝尔奖。
一战后左翼思想在牛津剑桥知识分子圈中如雨后春笋般蓬勃生长。多萝西在剑桥卡文迪许实验室的导师伯尔纳是知名的英国共产*人。伯尔纳生于一个爱尔兰天主教家庭，在剑桥读书期间受左翼思潮的影响下加入英国共产*，后来追随布拉格学习X射线衍射技术。他才华横溢，极具个性，指导过的学生中第一个得到诺贝尔奖不是多萝西，而是研究血红蛋白的马克思·佩鲁茨（MaxPerutz）。晶体学研究之外，伯尔纳著述甚丰。他构想了未来太空移民之用的伯尔纳圈（Bernalsphere)。年，伯尔纳发表《科学的社会功能》一书，指出科学研究不仅是个人兴趣，还关系到公众福祉，因此国家应当有组织有计划地支持科学研究。这正是二战后世界各国的通行*策。在匈牙利事件之前伯尔纳一直是苏联的公开支持者，即使这种*治立场影响到自己的职业发展也在所不惜。在伯尔纳和整个左翼思潮的影响下，多萝西成为了社会主义运动的信徒，五十年代一度因*治立场被美国拒绝入境。
多萝西生于埃及，在苏丹度过童年。她的丈夫托马斯作为牛津大学的非洲历史学家，毅然投身于非洲反殖民运动,并曾担任恩克鲁玛的顾问。因此多萝西每年都会在非洲居住一段时间。实际上，当瑞典皇家科学院打电话通知她获得诺贝尔奖时，她恰好身在新近独立的加纳。随后在斯德哥尔摩的一次公开演讲中，多萝西回忆起加纳当地的学生为庆祝她的诺贝尔奖举办了一次盛大的宴会，其中有非洲传统的宫廷舞蹈，有埃维人的猎舞，也有象征劳作和幸福的现代舞蹈。她站在非洲的星空下发表感谢致辞时，心想历史上从来没有用这种方式来庆祝诺贝尔奖的。她接着补充道：“不过我想我错了。我发现在斯德哥尔摩，人们同样载歌载舞庆祝诺贝尔奖。你们让此时此地变成了人人都向往的地方。”
年，多萝西当选国际反核运动（PugwashMovement)的主席。这是一个由罗素、爱因斯坦等人创立、致力于国际核裁*和环境保护的跨国科学家组织。多萝西始终相信科学共同体不应沦为国际*治对立的工具，对促进冷战两大阵营之间、及发达国家与第三世界之间的科学交流可谓不遗余力。在一个科学研究越来越体制化、规模化的时代，这种对个体之间情谊和忠诚的信仰，和超越了国家利益和意识形态的普世情怀尤为珍贵。
伯尔纳和多萝西对社会主义的信仰也导致他们作出一些并不明智的举动。伯尔纳一度支持李森科的“人民科学”。多萝西曾为罗马尼亚第一夫人埃莲娜·齐奥塞斯库（ElenaCeausescu）的“学术著作”撰写前言。齐奥塞斯库倒台之后，人们发现他的妻子连大学都没有念过，其博士论文完全由人代笔，所谓的“科学研究成果”只是*治宣传的把戏而已。但应该指出，三十年代的欧洲知识分子经历过一战带来的幻灭感，触目惊心的阶级差异，和史无前例的经济危机，面对一个不公不义的体制，倒向社会主义和国际主义是一个动荡的时代中极其自然的抉择。
多萝西曾指导过众多的后辈科学家。其中有一位玛格丽特·罗伯茨小姐，和多萝西一样就读于萨莫维尔学院学习化学，但后来放弃研究，以撒切尔夫人之名驰骋英国*坛。多萝西毕生支持左翼社会主义运动，而撒切尔夫人是坚定的右翼新自由主义信徒。*治观点的分歧显然并未减少撒切尔夫人对老师的尊敬。多年后，撒切尔夫人成为英国历史上第一位女性首相后，特意在唐宁街十号官邸内摆放了多萝西·霍奇金的画像。
参考文献