看到一张在晨曦中摇曳的珠网，你会不会觉得它过于纤弱，有可能溶解于露水的浸润或破裂于微风的轻拂？事实上，蛛丝是目前已知的*为强韧的纤维状材料之一。究其原因，正在于蛛丝中分子链独特的组织方式。这是一本以分子为主题的书。在如此短的篇幅之内，从现实应用、原理探究到前沿的研究进展，分子的故事被娓娓道来。

菲利普?鲍尔 牛津大学化学专业理学学士，布里斯托大学物理学专业哲学博士，《自然》杂志特约顾问编辑。英国科学与科普作家，已出版多部作品，包括《设计分子世界：化学的边疆》（1994）、《明亮的大地：颜料发明史》（2001）、《预知社会：群体行为的内在法则》（2004）、《好奇心：科学为何对一切都产生兴趣》（2013）、《为帝国服务：希特勒时期为物理学真谛而战》（2014）等。

一个活细胞的内部运行就像一座城市，其中布满分子居民，它们移动、交流、合作、竞争。在这本书中，菲利普?鲍尔深入探究了分子结构和分子活动如何决定着物质的特性和生命的过程，显示了我们身体内部的分子和周围世界的分子发挥着怎样的作用：比如，一个小小的受精卵如何生长为多细胞的音乐家莫扎特，蛛丝在晨露中为何不会溶解。作者还考察了我们对分子的认识和合成如何开启了一些激动人心的新领域，使分子机器以及体积微小但功能强大的分子计算机的开发进入日程。

前言　
致谢　
第一章　无形世界的工程师：制造分子　
第二章　生命的征象：生物分子　
第三章　承载压力：由分子而来的材料　
第四章　燃烧：分子与能量　
第五章　运动的精灵：分子马达　
第六章　传递信息：分子通信　
第七章　化学计算机：分子信息　
索引　
英文原文

前 言

亚历山大?芬德莱在1916年写下《化学为人服务》这部作品，那时的化学界正迫切需要向全世界宣传化学带来的恩惠。 90多年后的今天，我们再写化学，似乎不该再负有那样的重担了。但事实不然。虽然化学的技艺为社会做出了革命性的贡献——单是医学中的化学疗法延长了人类寿命这一点就是明证，可芬德莱那时说的话至今言犹在耳：

有的人仅凭一己之力扩大了产业范围，提高了大众的劳动效率，而对科学蒙昧无知的社会大众却疑虑重重，横眉冷对。

这样严峻的声音我们今天依然能够听到，就在化工界及支持者们在面对公众的非难和指责而辩解时。其中一个问题是，化学之善，一旦进入市场就被人们看作天经地义，而化学之恶，却会长久地印在人们的脑海中。同时不可否认的是，化工企业及政府面对沙利度胺和博帕尔等悲剧事件时，以及面对灾难性的臭氧空洞问题时推脱责任，极大地损害了他们为自己辩护的可信度。

于是在进入21世纪时，社会上流行着这样一种想法：“化学的”或者“合成的”是糟的，而“天然的”则是好的。对于这种想法，传统的纠正方式是罗列化学给我们带来的种种好东西。这样罗列出的清单的确很长，即便那些将化工妖魔化的人想必也在享用不少化工产品。可是我相信，我们所需要的已经不再是“化学为人服务”了。一方面来讲，这会更让公众感觉铁板一块的科学和技术共同体抱成一团促进自己的事业。而在外人看来，任何文化圈子都像是铁板一块，因而也都有潜在的威胁。事实上，化学家之间也会就该不该禁止或限制某种产品而爆发激烈的争吵，在有的化学家为军事机构工作时别的化学家则在门外抗议他们—倘若有一天，公众能够更多地了解到这些，那该多好。或许那时我们才能平和地将科学看作正常的人类活动。

然而，从另一方面来讲，其实化学也并不单纯是被人类驯服、召唤来服务的奴仆。化学造就我们人类，化学创造了自然界的一切。“化学”和“合成”给人们的负面印象一时还很难消除，但“分子”暂时还没有沾染到这样的色彩。通过理解我们自身在分子层面的本质，也许我们才能开始欣赏化学所提供的一切，并且去领悟为何有些物质（既包括天然的也包括人工的）毒害我们而有些物质治愈我们。

正因为如此，我要冒着被一些化学家反对之虞撰写这样一本书，名义上是关于分子的简介，却很大程度上只着重于生命的分子，即生物化学。我努力想说明，那些控制着我们人体的分子层面的过程，其实与化学家—我更愿意称为“分子科学家”—想要创造的区别不大。实际上两者的界限正变得越来越模糊：我们已经在技术领域使用天然的分子，同时又在用合成的分子来保存那些我们看作“天然”的东西。

在讲述这些分子故事的时候，很多专家的建议让我受益良多，这其中包括克格格?比森、保罗?卡尔弗特、乔?霍华德、埃里克?库尔、汤姆?摩尔和乔纳森?斯科里。我在此向他们表示诚挚的感谢。

本书自始至终都是牛津大学出版社通识读本系列的一员。我非常感谢谢利?考克斯对它充满信心，给它一个机会开启自己的生命之旅。

菲利普?鲍尔

2001年1月于伦敦

第一章　无形世界的工程师：制造分子

何为分子？

那么，一切事物都是由分子组成的吗？并不尽然。一切事物都是由原子组成的（暂不考虑某些奇怪的太空环境），而原子并非总是结合成分子。（我也说不清弗兰? 奥布赖恩把“分子”改写成“原子”是因为他懂得还是不懂这其中的区别。）大多数原子本身是非常活跃的，它们天生就喜欢和别的原子结合在一起。分子就是若干原子紧密聚集在一起，分子里可以含数量多达好几百万的原子。

不过进一步来看，还有些细微的区别要加以说明。弗兰? 奥布赖恩作品里的福特雷警官提到了石头“分子”和铁“分子”。但严格说来，其实并没有这种东西—至少日常的石块或者铁块里是没有这种分子的。所谓“分子”，我们一般指的是若干数得清数目的原子所聚成的分立的一团。比如在一个水分子里就有三个原子：两个氢原子和一个氧原子。一杯水里有数以万亿计的原子，但如果给这液体拍些瞬时快照（假设能看清微观细节），我们就能看到，在每个瞬间，所有原子都是三个三个聚成一团的，就像是一大群人挤在一起，可每家三个人都一直手拉手（如图2a）。

而铁的原子却并不聚成分立的分子。它们如有序的炮弹般堆积，像行列整齐的队伍。我们无法从这一大堆原子中辨认出某个小团，因为每个原子都与周围的原子间距相等。由氯原子和钠原子所组成的氯化钠晶体（即食盐，如图2b）同样如此。当铁熔化时，原子之间就会你推我搡，像混乱的人群。而当冰溶化时，氢原子和氧原子依然三个一团地手拉着手，整个晶体却分崩离析了。我们讲，冰是分子晶体—原子以分子的形式聚合在一起，而铁和岩盐则不是。

有的单质以分子的形式存在，有的不是。作为一条粗略的经验法则，铁之类的金属都不是分子，而非金属则是分子。比如，固体形式的氮就由双原子的分子组成。磷原子会四个结成一团，而硫原子则会八个结成一个环状分子。我们无法只看上物质一眼就知道它的基本单元究竟是原子还是原子聚成的分子，这似乎难以接受，但没办法就是没办法。（还好科学家要找到答案并不太难。）

因此，“分子”其实是个比较灵活而松散的概念，本质上是个尺度的问题。那么，我们为什么要多此一举考虑分子，而不是直接谈论一般化的“物质”呢？我给出的理由是这样的：分子是具备化学意义的最小单元。在亚微观的世界里发生的故事要通过分子，而不是原子来讲述。分子是单词，而原子只不过是字母。尽管有些时候一个字母就是一个单词，但大多数单词都是若干字母按特定次序组成的分立团体。我们常常发现，比较长的单词能够传达更细致、更微妙的含义。在分子中，各个组成部分的次序也至关重要，就像“save”和“vase”含义不同一样。

分子所讲述出来的最奇妙的故事发生在生命有机体中。但很遗憾，这样的故事往往很难懂：很多单词很长、很陌生，我们对语法的掌握也很粗浅。化学家总在不断地创造出新的分子单词来扩展语言，其中有些新词还是非常巧妙的。一旦具备了某些新词，我们就能讲好以前一直不能讲的故事。还有的时候，一个新词能让我们用简单的方式来表达以前绕来绕去才能讲清的事情。

我们用语言来对分子的世界打了个比方，这个比方相当贴切。如今我们经常听到“基因的语言”，我希望让你知道，这只是分子所编码的语言中的一种。语言甚至还不只是个比喻。分子正和语言一样是切实包含着“信息”的，这一点我将在第七章中讲到。

不仅如此，语言比方的好处还在于，利用这种信息的范式来描绘分子科学具有独特的价值，它是一种会话式、应答式的描述，而不是以前那种被奉为圭臬的机械式描述。细胞生物学家越来越多地提到蛋白质分子间相互“交谈”。关注物质科学的物理学家则会讲到“合作”行为与“集体”行为。这并不是为了使科学显得更友好而刻意造出的模糊朦胧、罗曼蒂克的概念（不过若确实有这种效果也无伤大雅）。人们这样讲，正是因为他们越来越多地注意到，分子行为具有美妙的复杂性，且一般是群体性的行为，很少是单纯的线性。

考虑到这些理由，我需要在分子科学中扩大比喻的使用范围。即便是在专家之间相互交谈的层面上，我们也无法丢掉比喻。科学中很多领域都是如此，而化学尤甚。分子常常会被毫不留情地拟人化，这样做无可厚非，毕竟分子是很陌生的事物，我们需要找些办法让它们变得不那么陌生。我曾经写了本关于水的书，出版商明智地坚持让我不要引入H2O分子的球棍模型，否则就是在刁难读者，让他们把书束之高阁。可是，如果不介绍水的分子结构，我就无法解释水的奇异特点，所以我就把这些分子变成了一些小妖怪（如图3）。

我希望这样做不会有什么害处。但我最近出席一场关于分子复制的公众讲座的经历提醒了我其中的危险之处。当时听众提的第一个问题是：“这些分子有意识吗？”鉴于演讲所介绍的是一种合成分子系统在模仿（非常粗糙地）某些生命有机体的特征，我觉得提出这个问题是可以理解的。我坚信答案是“没有”。尽管意识的概念很难把握，但基于任何对意识的切实有意义的定义，这些分子都不能算具有意识。可是，一旦我们将分子拟人化，不论结果是好是坏，我们都把意识的联系强加上去了。很多人厌恶“自私的基因”这种概念，因为它把道德判断强加其上。（理查德? 道金斯称之为“诗意的科学”，我也能明白他的意思。然而，严谨的机理虽能表现成诗歌，却会被比喻的感情色彩所污染。）分子间“合作”与“交流”的想法并不能成为自然哲学的基础。不过也说不好，在分子科学中，未来或许会有某种简单、规则、有序的世界观，于是我们这些人看起来可能正像是从地心说出发解释天体运动的古代天文学家那样，强行将观察现象塞入错误的理论框架中。

本书的特点，也是精妙之处，是从不同视角介绍了化学、生命、材料等领域的分子研究特点、研究热点和研究成果，又将分子反应、分子材料和分子体系的功能与生命现象、分子机器、分子内/间的信息传递和存储、分子计算技术融会贯通，呈现给读者一个魅力无穷、前景无限的分子世界。

——中国科学院院士、中国科学技术大学前校长 万立骏