牛津通识读本：分子 [2]
这是否意味着分子科学是坏的呢？当然不是。这只不过说明，分子科学充满了可能性：有精彩的可能，创新的可能，也有低劣的可能，噩梦的可能。有通俗而常用的事物，有奇特而少见的事物，还有人们难以理解的事物。在未来，分子科学或许能够帮助人们长出一只新的肝脏。在过去，拉斐尔、鲁本斯、雷诺阿用分子作画。而生命的本原，更是分子谱写的一曲颂歌。
合成：托马斯·品钦的《万有引力之虹》注
G型仿聚合物的起源可以追溯到杜邦进行的早期研究。塑料业有其悠久的传统和主流，碰巧流过了杜邦及其著名的、被人们称为“伟大的合成化学家”的工作人员卡罗瑟斯。他对大分子进行的有关研究贯穿了整个20年代，直接为我们带来了尼龙。这东西不仅使拜物教徒们欣喜万分，也为武装暴乱分子们提供了方便。同时，在圈子内部，还宣告了塑料业的一个核心信条：化学家们再也不受自然摆布了，他们现在可以决定分子有什么样的特性，然后着手制造这样的分子……这样，就可以合成出一种高分子量的单体，弯曲成杂环，拴牢，和更“天然”的苯环或芳环相串成链。这种分子链就是“芳族杂环高分子”。雅夫在二战前夕作为假想提出的一种分子链后来得到改进，成为G型仿聚合物。
托马斯·品钦，《万有引力之虹》（1973）
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。
图2 水（a）由分立的三原子分子组成，三个原子通过很强的化学键结合在一起。食盐（b）则是由带电荷的钠原子（离子）与氯原子（离子）组成，其中没有分立的原子团。当食盐在水中溶解时，聚集体就会一个离子一个离子地分解开来
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）。
图3 分子拟人化可以帮助我们看出它们如何相互作用。我用此图说明的就是水分子之间微弱的“拉手”作用
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。
大小和形状
普里莫·莱维的《猴子的扳手》是我所能想到的少数几部包含分子图示的小说之一（如图4）。这个分子很复杂，看上去很吓人。要是我想写本关于科学的非技术性图书，而且想给读者提供一些教益，那我做梦也不会在书里插这么一幅图的。
图4 普里莫·莱维的分子
莱维避开了这个难题，因为他并不想让我们了解这个分子的任何事情，除了一点——该分子有形状和结构。分子里有一些六边形，又有一些直线将六边形连接在一起。讲述者和一个名叫福索内的负责将大梁组装到桥上的建筑工人交谈。他说：
我在学校里所学习的专业也就是现在用来谋生的职业，是化学。不知道你是不是了解，不过这其实跟你的工作有点儿像，只不过我们拆装的是非常微小的结构……我一直都是个装配化学家，也就是做合成，换句话说就是把结构排出一定的秩序。
我们在这本书中遇到的分子的例子，可以视作微型雕像、集装箱、足球、丝线、圆环、杆子、钩子，它们都是由原子聚合在一起形成的。柏拉图相信原子有“正多面体”的形状：立方体、四面体、八面体等。这是错的，注但化学家倒是能够把原子组成这些形状的分子。
那么，莱维故事中的讲述者对福索内画的这个分子到底有多大呢？图中的每个C、N之类的字母各表示一个原子，这些原子确实很微小。很多人用过很多比方来说明原子的尺度，不过我不确定这样能不能在“这种元素的不可分解的微粒真的特别特别小”以外让你留下更具体的印象。我们也打个比方：把一个高尔夫球放大成地球那么大，那么高尔夫球里的原子就像原来的高尔夫球那么大。一千万个碳原子一个挨一个地连起来，能连成一毫米长。
水分子之类的小分子，大小只有几个原子大，约为十分之三纳米（一纳米是一毫米的一百万分之一）。普里莫·莱维的分子则比这要大上几倍。（无法确切地讲究竟大几倍，因为他画出的只是分子的一个片段，它会沿图中左右两个方向不断延伸。）
分子尺度如此之小的后果之一是，分子世界里事情发生得非常快。当