2013年諾貝爾化學獎授予了三位美國科學家馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、邁克爾·萊維特（Michael Levitt）及亞利耶·瓦謝爾（Arieh Warshel），也使得“復雜化學體系的多尺度模型”這樣一個拗口陌生的詞組進入了大眾的視線。除了化學之外，它還涉及經典物理、量子物理和計算機科學，被人戲稱為“理綜獎”。
這一期專題中，南方日報邀請了中山大學物理化學研究所柯卓鋒副教授解讀這一項在分子科學領域產生巨大影響的成就。
用計算機模擬復雜化學體系
什么是“復雜化學體系的多尺度模型”？
在我們目前認知的世界里，物質主要由形形色色的分子組成，有簡單的小分子和復雜的大分子體系。如何從簡單的物理定律出發，直接推演這些分子世界的運作機制和結構功能，是科學家的夢想。
柯卓鋒介紹，如果將分子看作是球（原子）和棍（鍵）搭建起來的模型，我們可以簡單通過牛頓經典力學描述它的狀態。但是化學反應涉及電子轉移與重組。“電子具有二象性，它既可以是粒子，也可以同時是波，就像薛定諤的貓，它可以同時處于活著和死亡的狀態。”所以電子的狀態需要用量子力學來處理。
上述兩種力學方法各有優劣。經典力學計算較簡單，可以處理大型的分子結構，但是無法模擬化學反應。量子力學能夠處理電子結構和化學反應，但是需要計算分子內每一個電子和每一個原子核，計算量巨大。
在之前，科學家只能夠用量子力學去計算小分子，對于復雜的化學體系，例如生命中的大分子，海量的電子和分子軌道波函數是難以逾越的挑戰。
柯卓鋒介紹，獲得了今年的諾貝爾化學獎的“復雜化學體系的多尺度模型”是突破性進展。他們綜合量子力學和經典力學兩者之長，設計出了適用于復雜大分子體系的結合方法：對目標大分子，例如酶，用量子力學處理催化反應部分，剩下的酶結構則用簡便的經典力學處理。
該模型已應用到科學和生活方方面面
三個人通過合作逐步建立起這樣一個“復雜化學體系的多尺度模型”的過程也頗有趣味。瓦舍爾和萊維特是同學，曾共同發展了基于CFF經典力場的程序用來計算生物大分子。
1970年瓦舍爾博士畢業后來到卡普拉斯在美國的實驗室，帶來了與萊維特合作開發的計算程序。在這里，他和卡普拉斯共同開發了一種處理視網膜分子的新模型，于1972年發表，在世界上首次用量子力學和經典力學結合的方法來處理分子體系。
隨后瓦舍爾和萊維特在劍橋再度合作，將兩種力學結合模型拓展到真正的生物大分子。1976年，他們成功發表了世界上首個酶類反應的多尺度模型計算。
自此，復雜化學生物體系不再是不可逾越的大山。這種多尺度模型今天被廣泛稱作QM/MM，即量子力學/分子力學，是目前研究化學、生物復雜分子體系的前沿技術手段。
柯卓鋒說，“復雜化學體系的多尺度模型”首次提出創意并實現量子力學和經典力學結合處理分子體系，使得模擬計算復雜的大分子成為現實，大大拓寬了我們認識分子世界的視野。
實驗科學很難捕捉復雜體系中的瞬間化學變化，多尺度模型則可以通過計算機模擬解開化學反應過程的神秘面紗，可廣泛適用于分子科學相關的化學、醫藥、材料和生命科學領域。
他舉例說，人體內的各種分子轉化過程紛繁復雜，轉瞬則逝，常規的實驗很難記錄其具體過程，而多尺度模擬計算則可以揭示我們生命體內物質代謝和能量轉換的分子機制，進而激發我們的仿生創新：例如模擬光合作用，有效分解水得到氧氣和氫氣，可以優化太陽能電池，制造燃料；模擬生物固氮，我們可以利用空氣中的氮氣提高糧食的產量。而且，通過精細模擬藥物分子與靶蛋白相互作用和結合機制，可以開發新藥物；通過優化反應路徑，可以設計新穎合成方法等。
“總之，在以Karplus，Levitt和Warshel為代表的眾多計算化學、計算生物學科學家的努力下，復雜分子體系的多尺度模擬已經產生了深遠的影響，越來越多的新發現和新應用都直接或間接地從中獲益”。
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