细胞表面的探测器

人们常常惊叹于大脑的神奇。然而，即便是最聪慧的头脑，如果不能从外界获取任何信息，也同样无法做出有价值的思考。真正让我们头脑内的意识与外面的物质世界相联系的，是我们的感官。

眼可视、舌可尝、鼻可嗅。这是妇孺皆知的常识。还有相当多的人知道，具体实现这些功能的是视网膜上的视细胞、味蕾表面的味觉细胞，以及鼻粘膜上的嗅细胞。可如果再深入探究的话，究竟这些细胞有什么特别之处能让它们成为身体的探测器呢？

其实，这些感官细胞与身体里的其它细胞相比，最特别的地方不在于形态或基因，而在于一种分布在细胞膜上的特殊蛋白质，统称为GPCR（G蛋白耦连受体，G protein-coupled receptor）。它们就是感官细胞表面直接接受外界信号的探测器。

嗅细胞表面的GPCR与气味分子结合之后，它的形态就会发生改变，科学家称之为构象变化（conformational change）。举个不一定恰当的例子，我们的口腔空间可以有很多种不同的形状，但如果在嘴里塞上一块很大的蛋糕，口腔改变形状的余地就很小了。GPCR就是一种柔性极强的蛋白质，而与气味分子的结合恰好能在一定程度上改变并限制GPCR的形态。

【小分子与GPCR的结合】

味觉相关的GPCR工作原理与此类似。视觉相关的GPCR工作原理要稍微复杂一点。光线并不能直接让蛋白质改变形态，但可以激发某种小分子的化学变化。视觉GPCR结合了这种光敏小分子，而这种小分子的化学变化最终还是会引发GPCR的形态变化，殊途同归。

值得一提的是，这种与视觉GPCR结合的重要小分子是由维生素A稍加修饰得到的，而维生素A基本就是半个胡萝卜素。看，胡萝卜素几乎是我们能够看到光线的决定因素。当然，还有很多其它蔬菜也含有胡萝卜素，只是没有胡萝卜含量这么高罢了。

刚柔并济的GPCR

你或许会问：GPCR的形状变化就能让我们闻到气味、尝到味道、看到光线吗？的确，故事还没有讲完。

传说中，女娲以七彩石补天，才有了我们的生存空间。倘若你能缩小到细胞里面向外观望的话，你看到的细胞膜上的GPCR也会是七块补丁。绝大多数GPCR都有七根像柱子一样穿过细胞膜的螺旋状结构。因此，七次跨膜是这类GPCR的统一特征。作为一个穿膜而过的蛋白质，GPCR有位于细胞外的部分，也有位于细胞内的部分。气味分子改变的正是嗅觉GPCR胞外部分的形态。

凡事都有两面性。GPCR结合小分子的过程体现了它的柔性，而它也有刚性的一面。GPCR穿膜而过的七根螺旋柱就是相对比较结实的结构，不易发生形变。当气味小分子钻进七根螺旋柱之间的时候，这种力量会导致GPCR在细胞内的部分也发生形态变化，正所谓“牵一发而动全身”。

【GPCR穿过细胞膜的7根螺旋】

GPCR在细胞内的部分平常结合着一种叫做G蛋白的蛋白质，GPCR的名字也是由此而来。当GPCR的形态发生改变之后，就失去了与G蛋白的结合能力。由此释放出来的G蛋白又会触发细胞内一系列的生化反应。最终，这个细胞就会引发相应的神经电信号，让我们的大脑知道自己闻到了这种气味。

虽然科学家对GPCR形态改变的过程有个大概的了解，但并不知道其中的细节。直到去年夏天，在太湖之滨的古城苏州，由美国著名的冷泉港实验室主办的冷泉港亚洲会议上，GPCR研究领域的领军人物Brian Kobilka以会议报告的形式首次宣布，他的研究组获得了GPCR结合G蛋白的三维结构。人类第一次“看”到了两者是如何相互作用的。

384种气味

对于GPCR这种探测器蛋白来说，准确性是最为重要的。假如你鼻子里的某些嗅觉GPCR既能与芳香烃结合，又能与硫化物结合，那么你很可能会把一个臭屁当成是花香。

在生物学上，接受其它分子的蛋白质被称为受体，而被接受的分子则被称为配体，两者之间准确的一对一关系被称为特异性。显然，GPCR有着相当高的特异性，保证我们不会把苦的当成甜的，也不会把臭的当成香的。

由于GPCR存在这种特异性，所以我们所拥有的嗅觉GPCR的种类就决定了我们能够闻到的气味种类。就目前的研究来看，人类拥有384种有功能的嗅觉GPCR。也就是说，我们大脑从鼻子接收到的嗅觉信号不会超过384种。你会不会觉得太少？的确，我们在这一点上比其它哺乳动物同类差了太多。实验室里的小白鼠就拥有1194种嗅觉GPCR，远远超过了我们人类。

哺乳动物之所以拥有出色的嗅觉，是因为哺乳动物的祖先最早生活在爬行动物称霸的世界，只能趁着晚上冷血动物体温降低的时候出来活动。在视觉无法发挥作用的黑夜，敏锐的嗅觉更有助于捕猎或逃脱猎捕。

当然，嗅觉的好坏并不完全取决于GPCR的种类。比如鼻粘膜的浸润程度也是个关键因素。越湿的鼻粘膜越能溶解更多的气味分子，提高嗅觉GPCR与气味分子结合的机率。况且，我们对周遭世界的感受并不是探测器的原始信号那么简单，还有大量由神经系统完成的加工与整理。所以我们实际能闻到的气味数目似乎远远多于几百种。

此外，嗅觉是可以训练的，比如香水公司雇佣的职业调香师都经过长时间的专业训练，嗅觉强于普通人。嗅觉也可能随着身体状态而发生改变，比如孕妇就有着比平时更敏锐的嗅觉。这大概能带来一些进化上的优势：在行动不便的情况下，更早发现敌人也就能更早逃脱。

【健康的狗鼻子总是湿润的】

没有配体的孤儿

你一定很想知道，人类到底能闻到哪384种气味分子？遗憾的是，科学家们也无法回答这个问题。目前只有不到10%的嗅觉GPCR的配体是明确知道的。对于剩下的那90%配体未知的嗅觉GPCR，科学家给它们起了个很有爱的名字：孤儿受体（orphan receptor）。而寻找它们配体的过程则被称为“脱孤”（deorphanization）。

实际上，孤儿受体并不是嗅觉GPCR所独有的现象，因为GPCR不仅仅只是感官探测器而已。除了视觉、味觉和嗅觉GPCR以外，在我们身体中很多其它细胞的表面也存在着GPCR。不过，这些GPCR的配体不再是来自外界的分子，而是来自我们体内的分子，比如大大小小的各种激素。然而，对于相当一部分GPCR，我们并不知道它们所接受的激素是什么。

从GPCR最初被人类所认识开始，孤儿受体就如影随形地相伴左右。1986年，科学家第一次发现了GPCR蛋白。最早被发现的是视觉GPCR，以及β肾上腺素受体。后者是我们的身体能够对肾上腺素做出迅即反应的根源之一。

此后于1987年被发现的第三种GPCR就是一种孤儿受体。不过仅仅过了一年，科学家们就找到了它的配体——5-羟色胺。如果你喜欢读心理学的科普文章，应该对这个奇怪的名字不陌生。在我们的神经系统中，5-羟色胺扮演着重要的角色。

随着上个世纪末人类进入了基因组时代，通过基因分析发现了大批的GPCR，却无法知道它们的配体，也就诞生了更多的孤儿受体。这其中就包括我们鼻子里的那三百多种嗅觉孤儿受体。

艰难脱孤路

相较之下，脱孤之路却是漫漫无期。从5-羟色胺之后，下一种成功脱孤的GPCR等待了七年之久。为了纪念脱孤的不易，这种新发现的配体干脆直接被命名为孤儿素。

为什么脱孤之路如此艰难呢？主要还是因为我们身体中的化学物质太多太复杂了。除了多肽、核酸、蛋白这些生物大分子，还存在着各种各样的有机或无机小分子。如果要找到与某种蛋白质相互结合的另一种蛋白质，科学家还有些办法，比如免疫共沉淀或者酵母双杂交。但如果要找到与某种蛋白质相互结合的小分子，科学家就真没有什么太好的办法了。更何况，我们甚至还不知道人体内所存在的全部小分子的种类。

对于嗅觉GPCR来说，事情变得更麻烦了。体内GPCR的配体至少还是身体内的物质，总算有个范围。嗅觉GPCR的配体则来自大自然，寻找起来更是无从下手。如果说寻找体内GPCR的配体就像是在游泳池里捞针，那么寻找嗅觉GPCR的配体则是真正的大海里捞针了。

不过，给孤儿受体脱孤也并不是死路一条。虽然没有一条捷径，但总还是有笨办法，那就是大面积排查。如此一来，就需要投入更多的人力、物力、财力，不是科研机构所能够负担的了。

好在，制药公司适时地加入了这场躲猫猫的游戏。随着1996年以后各大制药公司财大气粗的投入，孤儿受体脱孤的研究也正式进入了工业化的轨道，大大提高了速度。到目前为止，除了感官GPCR以外，我们体内的400余种非感官GPCR中，已经有多一半找到了相应的配体。

G联盟

制药公司为什么会对GPCR如此感兴趣呢？那是因为，在我们所吃的西药当中，相当一部分是给GPCR“吃”的。

对细胞稍有了解的人都知道，细胞膜是一道非常奇妙的屏障。一般的化合物很难穿透过去，包括各种药物在内。所以，很多的药物其实是结合于细胞表面的蛋白上来发挥作用。这些与药物结合的蛋白质被称为药物靶点，简称药靶。

GPCR是药靶之中最为重要的一大类。有些药物结合GPCR之后，细胞就得到了一个虚假信号，误以为GPCR结合到了相应的配体。我们称这种药物为激动剂。还有一些药物能够与GPCR紧紧结合在一起，阻挡真正的配体与GPCR结合，被称为拮抗剂。

【阻断β肾上腺素受体的心血管药物比索洛尔】

根据2006年的一项统计，市场上销售的超过两万种药物中，45%是作用于某种GPCR上。在华尔街评选出来的最具商业价值的20种药物当中，有12种是与GPCR结合的。比如前面提到过的β肾上腺素受体，能够阻断它结合肾上腺素的拮抗剂药物有四五种，年销售额总计高达200亿美元。

GPCR在制药公司眼中的重要性，由此可见一斑。每一家制药公司都希望能找到下一个可以大赚特赚的超级药物，GPCR无疑是最值得重视的药靶，而GPCR中的孤儿受体又无疑是GPCR中的处女地。谁能够率先为某种孤儿受体脱孤，谁就有更大的机会开发出以之为基础的新药。

中国在电子时代没能在世界上占据先机，那么生物时代呢？至少在GPCR相关的医药研发中，我们已经行动起来了。去年，国家专注于基础科技发展的“973”计划新确立了两个与GPCR相关的项目。其中之一的主要目标就是为GPCR中的孤儿受体脱孤。

受这个两个项目的带动，更多的资本和制药企业也投入进来，与研究机构共同组成了中国自己的GPCR研究及产业化体系——“国家级GPCR新药创制联盟”，简称“G联盟”。就在几天前，在太湖之滨的另一座美丽城市无锡，G联盟召开了启动会议，正式宣告成立。或许，让我们的身体里不再有孤儿受体的日子已经不远了。

你觉得照片里这些五光十色，形态各异的晶体都是什么东西凝聚而成的？碳、水、氯化钠、硫酸铵？或者绕嘴点的，比如二甲砷酸钠、酒石酸钾钠？又或者更大一点的，蔗糖、乳糖、葡萄糖？

如果你想到这些答案并不奇怪。谈到晶体，人们的印象中大多还是中学化学课本的内容：似乎晶体只能是离子、原子、小分子堆积而成的。然而，照片里展示的这些晶体都是如假包换的蛋白质晶体。构成它们的蛋白质分子是葡萄糖分子的几百甚至上千倍！

这位看官说了：为啥要用叹号哩？那是因为，要让蛋白质堆积成晶体，着实是件不易的事情。

家家厨房里都有盐、有糖、有味精，已婚童鞋的手饰盒里应该还有钻石。这些都是晶体，而且是肉眼可见的晶体。可是，蛋白质晶体的大小几乎不会超过0.1毫米，也就是人眼分辨率的极限。在眼神最好的人看来，最大的蛋白质晶体也就是一个堪堪可见的小点。大多数蛋白质晶体其实只有0.01毫米甚至0.001毫米大小，需要借助显微镜来观察。

为什么蛋白质晶体长不大呢？就是因为蛋白质本身太“大”了！我们知道，粗略来说，氧的原子量是16，氢是1，所以水（H₂O）的分子量是18。大一点的，葡萄糖（C₆H₁₂O₆）的分子量是180。而蛋白质是由成百上千的碳、氮、氧、氢、硫所构成的，分子量要以“千”计，通常在10千到100千左右。假如说葡萄糖是一粒沙子，那么蛋白质就是河滩上的鹅卵石！

假如把沙子堆在一起，它们可以堆积得很紧密，几乎没有空隙，彼此有着丰富的接触面。相反，把鹅卵石堆在一起，它们中间肯定会有不少空隙，接触面也很少。要知道，维系晶体稳定的力量正是在这些接触面上的相互作用力。所以小分子更容易彼此堆积在一起，形成稳固的晶体，而要让蛋白质大分子凝聚在一起形成晶体就很难了。

既然这么难，为什么还要想尽办法让蛋白质形成晶体呢？当然不会只是为了拍摄这些美丽的照片。实际上，让蛋白质结晶是探索蛋白质三维结构的第一步。如果说蛋白质是块鹅卵石，那么科学家所关注的不仅仅是这块石头的外形，更希望知道它的内在结构，也就是构成蛋白质的每一个原子在蛋白质中所处的空间位置。

为啥不用显微镜看呢？答案很简单：因为看不见。我们说蛋白质是“一个”分子。这意味着，蛋白质中的原子之间以共价键彼此相连，原子之间的最小距离略大于0.1纳米。而可见光的波长均在几百纳米左右，比整个蛋白质分子还大。通俗地说，可见光的波动可以绕过蛋白质分子，不受影响。所以用可见光是看不见蛋白质分子的，无论你的显微镜有多牛。

有一种电磁波的波长可以达到0.1纳米，那就是X射线。不过，研究蛋白质这块鹅卵石的内部结构可不像机场安检研究你的箱子那么简单，因为我们找不到一种技术手段可以在0.1纳米这样小的尺度上接收蛋白质在X射线照射下的像。

要解决这个问题，就要用到科学家们千辛万苦得到的蛋白质晶体了。

在晶体中，蛋白质分子规则排列，因而在X射线的照射下会发生衍射，形成一行行一列列的衍射点。这些衍射点是宏观尺度上可见的，可以用探测器测量。有趣的是，衍射其实就是把空间上连续的电子云打散到频域上的过程，数学上是个傅立叶变换。所以，把测量到的衍射点通过反傅立叶变换就能求得晶体空间中的电子云分布，再结合蛋白质已知的化学构成，就能确定每个原子的空间位置了。

研究蛋白质的空间结构不仅满足了科学家们不断深入探究事物本质的好奇心，更让人们对生物问题的认识从分子层次进一步深入到了原子层次。科学家最早研究生命是以种群和个体为单位，后来是器官和组织。虎克用他的显微镜把极限推进到了细胞层次，以及亚细胞层次的细胞器。分子生物学和生物化学的发展让我们认识到生命是以蛋白质、核酸等生物大分子为基础的。而以空间结构为依据，科学家们已经在讨论蛋白质中的某一个原子所发挥的生物学功能了。

其实，晶体加上X射线不是研究蛋白质空间结构的唯一手段。同样常见的还有核磁共振方法，而生物学家的新宠则是冷冻透射电子显微镜。然而这些方法或有一定的限制，或者还不成熟。于是，让蛋白质凝聚成晶体仍是研究其结构的首善之选。

拓展阅读

　　如果你曾经在冬天去过纽约，那你看罢这个题目一定正在心中暗忖：纽约的日出很有名吗？我怎么不知道？不过你也用不着太遗憾，因为那值得一看的日出并不常见。眼下的12月5日早晨就是一个机会。如果你有幸在当天的早上7点左右来到曼哈顿东区，那你将会惊奇地发现：你身后长长的影子正好与街心的双黄线平行。也就是说，在这一天，太阳是正对着曼哈顿东西向的街道升起的。

说到日出日落与人类造物的关系，很多人首先会想到的就是位于英格兰威尔特郡的巨石阵。当地夏至这天的日出正对着横贯这座古老遗迹的主通道。类似的遗迹也出现在了世界的其它地方。比如位于南美洲玻利维亚的太阳门，由一个已经消失的古老印加文明建造。在秋分这一天，初升的太阳正对着太阳门的中线，该门因此而得名。

除非发明时间机器，否则这些古文明遗迹的确切建造原因很可能会成为不解之迷。科学家们已经能够确定的是，这些建筑有着天文或历法方面的功用。我们知道，夏至是北半球一年之中日照时间最长的一天，太阳直射北回归线；而秋分和春分同是昼夜几乎等长的一天，太阳直射赤道。虽然古人未必已经有了地球环绕太阳运行的天文知识，但这并不妨碍他们去记录时间的长短，从而发现一年中日夜变化的规律，并以建筑的形式永久记录这些规律。

那么，纽约的日出奇观是否有什么天文或历法的意义呢？为了找到这个问题的答案，还是让我们先来看看曼哈顿的街道布局吧。

曼哈顿岛是纽约市的五个大区之一，同时也是狭义上的“纽约”所指。地道的纽约客认为只有居住在曼哈顿岛上的人才可以自称纽约客。这就如同早年间地道的北京人认为只有居住在四九城内的人才可以自称北京人。

曼哈顿的街道布局有两种风格。华尔街所在的下城区就像欧洲的小镇一样，街道走向略显凌乱，时常跳出来的斜街令初来乍到者很难掌握方向。这也难怪，因为这里是纽约最早的城镇所在地，秉承了早期移民对欧洲故乡的温暖回忆。曼哈顿自中城以上则呈现出几近严格的棋盘状街道布局。东西走向称为街（Street），从南向北编号，从第1街直至第220街。南北走向谓之大道（Avenue），自东向西编号，从第一大道直至第十二大道，其中还夹杂了少数未以数码命名的大道，如麦迪逊大道等。令女士们向往的购物天堂“第五大道”，其实指的只是第五大道位于39街至59街之间的区段及其左近地区。

早在欧洲移民涉足曼哈顿岛之前，这里像美国东北部的其它地区一样，为郁郁葱葱的树林所覆盖，夹杂着的一些灌木草场。早期移民出于通航和军事等方面的考虑，把城镇建在了岛南端的河流入海口处。随着经济的发展，为了应对城市不断扩张的压力，特别是为了方便土地的出售，纽约州议会于1811年采纳了一个三人委员会提出的规划提案，将曼哈顿岛尚未开发的地区按棋盘式的格局进行了划分。在这份规划中，纵横的街道彼此垂直。其中一个方向沿岛的走向与岛西岸基本平行，平常大家称之为“南北向”，而与之垂直的方向就被称为“东西向”。所以，曼哈顿岛上的东西向街道与实际的东西向，或者说纬度方向，其实还有着28.9度的夹角，偏向于东南—西北方向。

由于种种原因，这份规划并未被忠实执行。如果与今天的曼哈顿地图比较，最为明显的区别就是在第五大道至第八大道之间，第59街至第110街之间所保留下来的矩形区域未作开发，从而成为了今天的“纽约之肺”——中央公园。此外，还有一条斜贯全岛南北的“宽街”（Broadway）也破坏了棋盘式的街道布局。纽约最古老的1号线地铁就是几乎沿着这条街的地下贯穿全岛的。或许，你可能更熟悉它另一个响当当的译名——百老汇。通常所说的纽约歌舞剧集中的“百老汇”就是指这条大街位于42街至50街之间的区段，及其以西的一部分地区。

1811年的规划方案（左）和今天的曼哈顿地图（右）

　　抛开这些差异之处不谈，曼哈顿的街道布局整体给人的感觉是非常规整的。只要对街道的命名原则稍加研究，即便你刚刚才来到曼哈顿，也很难迷路了——只要你不去下城区的话。因此，有人称曼哈顿的街道布局是对棋盘式街道布局最为著名也最为成功的应用。一个显而易见的推理是：在这种布局中，从任意地点前往另一任意地点都只需转弯一至两次。开车的朋友都知道，转弯是城市交通中限制车流速度的主因之一。当然，实际的情况远比理想情况复杂，实际所需的转弯次数也肯定远在一次之上。但不难想见，棋盘布局仍旧要比其它布局更具交通上的优势。实际上，整个曼哈顿岛上除了几座过河桥梁的引桥和环岛的一条高速公路之外，再无其它任何现代立交桥系统。然而，当北京的大型货运车辆被禁止进入五环的时候，纽约的集装箱货柜车却在高峰时间穿行在曼哈顿更为狭窄的街巷间为餐馆商店送货，实在不能不令人啧啧称奇。

当然，也有不少人对曼哈顿的棋盘式街道布局不屑一顾。虽然西方古都的街道布局大多不甚整齐，又或者像巴黎和罗马那样呈放射状，但棋盘式的布局在其它古文明中早已经屡屡出现了。我国现存最早的记录工匠技术规范的典籍，成书于春秋末期的《考工记》中就有过明确的记录：“匠人营国。方九里，旁三门。国中九经九纬，经涂九轨。”这里的“国”，即是都城的意思。直到今天，在我国曾经作为古都的城市，比如西安和北京，仍能感受到横平竖直的街道布局所带来的便利。所以北京人帮别人指路的时候总喜欢讲东南西北，而外地人则会礼貌地请他改说向左向右。

不过，与曼哈顿相比，北京的棋盘布局就显得没那么规整了。熟悉北京的人都知道，虽然主要街道构成了相互垂直的网格，但小胡同则以东西向居多，甚少南北走向的。所以总体来看，北京的街道布局更像是一扇扇百页窗。而且，除了十里长街，北京的街道也很少会一通到底。与此相反，曼哈顿的街道大都笔直地延伸出去。天气好的时候，在岛南部就能沿着南北向的任何一条大道一直看到十多公里之外岛北部的高地。此外，在曼哈顿中城区，林立的高楼大厦还能给狭窄街道上的行人一种强烈的压迫感，使得头顶的“一线天”更加深了这种“笔直”的感受。

在曼哈顿的这种城市环境下，阳光洒满整条街道几乎是不可能的。于是，在特殊的日子里，阳光沿着街道横贯全岛也就成为了一种“奇景”，对纽约客来说实在是难得一见。事实上，在一年之中，除12月5日以外，1月8日的日出也与东西向街道平行。上述两天在时间上的中点恰好就是冬至日。而在5月28日和7月12日，落日的余辉将贯穿曼哈顿东西向的街道。这两个日子的中点则恰好是夏至日。也许当你再计划去纽约旅游的时候，可以选择这四天或其前后的日期，去亲身体验一下这并不神秘，但却十分壮观的景象。如果你没机会前往纽约，也可以看看《CSI: NY》这一季刚刚播出的第9集，追踪连环杀人犯的关键线索恰恰就是12月5日沿东西向街道升起的太阳。

为什么这一现象每年会有两次出现在日出时，两次出现在日落时，并与冬至夏至有某种神秘的联系呢？其实这其中的原理很简单。我们知道，对于一个固定的地区，太阳升起的方位角在一年中不断发生着变化。就纽约所在的北半球而言，太阳升起的方向仅在春分秋分两天位于正东方，而在夏至日最偏北，在冬至日最偏南，并于一年中在这两个方向之间往复循环一周。那么对于任何一条街道，只要它的方向位于当地夏至冬至的日出方向角之间，那么一年中就一定会有两次让太阳正对着街道升起的机会。显然，日落的情况与之类似，只是呈镜像关系而已。

到此我们已经清楚了，曼哈顿岛上与东西向街道平行的日出日落现象，并没有任何天文或历法上的特殊意义，而是一个普遍现象。只不过由于曼哈顿近乎绝对的棋盘式街道布局和林立的高楼而显得格外少见，格外壮美。虽然如此，这一现象还是被尼尔•泰森（Neil Tyson）冠以了“Manhattanhenge”的名称。这位供职于美国自然历史博物馆的天体物理学家于2002年提出了这个主张，借用了英国巨石阵“Stonehenge”的词根。不过，目前国内对此并未译作“曼哈顿石阵”，而是通常译作“曼哈顿悬日”。

想象一下，如果有一天人类文明离开了曼哈顿岛，而岛上高耸的楼宇仍得以保存，那么当另一个文明再度光临这里的时候，面对这座钢筋混凝土的丛林，以及每年四度横贯全岛的阳光，他们会不会也将这里命名为“曼哈顿巨石阵”呢？

经过很多人的劳动与努力，《Why Evolution is True》（Jerry A. Coyne, 2009）的中译本《为什么要相信达尔文》目前已经上市了，总算赶上了达尔文年的末班车。应本书的编辑之一，松鼠odette的建议，我把译后记贴在这里，算是做个宣传，让更多的人有机会了解这本书。此次翻译工作是在十三和桔子的大力帮助之下促成的，在此一并谢过！在这本书中，应审读的龙漫远教授的建议，evolution均译为“演化论”，所以译后记中也没有使用传统的“进化论”一词。具体的原因可以参见本书发布会上龙老师的解释。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

书终于译完了，感慨良多，不免想要写下来与读者们分享。动笔之前，我决定去厨房给自己冲一杯咖啡。恰巧房东正在厨房打咖啡豆，于是热情地邀我品尝他手工冲制的咖啡。

我的房东菲利普•纽维尔（Philip Newell）先生是位基督教牧师，一个彬彬有礼而又不失风趣幽默的耄耋老人。他并不是一位普通的牧师。纽维尔先生拥有哈佛大学的神学博士学位，退休前的最后一份工作是在纽约的哥伦比亚大学任神学教授。更令人惊讶的是，在若干本记述20世纪中叶美国历史的书籍中，你都可以找到他的名字。然而，作为白人的他被历史记住的原因，却是其毕生为黑人人权运动所倾注的心血。

在纽维尔先生年轻的时候，二战已近尾声，但黑人在美国仍旧受到明显的歧视。然而今天，无论是穿行在时代广场的人流中，还是坐在曼哈顿地下四通八达的地铁上，你几乎没有机会看到任何带有种族主义色彩的言谈举止。特别是美国的年轻一代，在观念上已经几乎没有肤色差异的概念了。这样巨大的变化源于马丁•路德•金等黑人人权运动家在20世纪60年代的不懈努力——他们付出的甚至是生命的代价。在这之中，当时在华盛顿的一个教区担任神职的纽维尔先生也贡献了自己的一份力量，甚至还曾为此遭受牢狱之灾。

可能是上了年纪的关系，纽维尔先生在很多方面还保持着古旧的生活习惯。他一直坚持在炉子上烧水冲咖啡，而不喜欢咖啡机冷凝水冲出来的咖啡味道。在厨房等着水开的时候，他随口问我演化论的书翻译得如何了。当得知全书已经译完的时候，他很开心地向我表示祝贺，并且告诉我：他正为下周要主持的一个宗教仪式准备讲稿，受我译书一事的启发，准备以演化论为当天向教众宣讲的主题。最后，房东真诚地对我说：“演化论当然是正确的，那是上天赐予我们的礼物！”

听完房东的话，我口中苦涩的咖啡突然变得如同蜜糖一般，整个人都淹没在了巨大的幸福感之中。要知道，作为一名坚定相信演化论的生物学研究人员，在翻译这本书的日子里，我仿佛与原作者杰里•科因博士一起经历了一场大辩论，顶着美国社会原教旨主义的巨大压力，让事实告诉人们为什么演化论是正确的。可是，写书是一个人的独白，是一场没有对手席的辩论。当它终于告一段落时，己方的观点能够得到别人的承认，特别还是出自一位牧师之口，我压抑了很多天的情绪在一瞬间释放了出来。

我想，阅读这本书的时候，每一位读者多多少少也会与我一样，产生出为保卫演化论而与科因博士并肩作战的感受。然而掩卷沉思，大家或许也会与我一样产生一个疑问：在人们普遍相信演化论的中国，我们是否需要翻译一本写演化论的书呢？其实，在动手翻译这本书之前，我心中就已经产生了这个疑问。但在翻译的过程中，这个疑问却渐渐有了明晰的答案——今天的我们的确需要这样一本关于演化论的书。具体来说，或许可以归纳出五方面的原因。

第一个显而易见的原因在于，这是一本有趣的书。阅读可能是为了获取知识和信息，但也可能单单只是为了娱乐。如果鱼与熊掌可以兼得，又何乐而不为呢？

人为什么会起鸡皮疙瘩？三十只杀人蜂为什么能在一两个小时内把一个蜜蜂巢变成三万只蜜蜂的坟场？作为哺乳动物，鲸鱼与哪一种陆地上的哺乳动物亲缘关系最近？为什么有一种恐龙的学名会叫做中文的“寐龙”？在寄生虫控制之下的动物真的会像科幻电影里那样做出恐怖的诡异行为吗？为什么看起来极其细微的差别就能令植物被划分成不同的物种，而外观体形迥异的各类宠物犬在生物学家看来却是一个物种？

所有这些问题，你都可以在这本书中找到答案。而这些还只是这本书所描述的趣事之中很小的一部分。了解了这些有趣的事，下次再去动物园或自然博物馆的时候，你的观感会大不相同：无论是动物还是化石，都不再只是一个个枯燥的名字，而蕴含着一个个传承了千万年的故事。某些故事甚至堪称耸人听闻，不失为朋友间闲聊时的上佳谈资。

第二个原因要从时间角度去看：虽然今天的演化论本身与当年达尔文所提出的演化论并无太大区别，但演化论研究所使用的方法与手段已经大大不同了，而我们手中所掌握的演化论证据也已经大大超出了前人的所知。

科学最大的乐趣在于其中所蕴涵的规律性。无论是哪一个科学的领域，科学家们都是致力于寻找现象之下的本质，试图找到规律，再用规律来探寻更多的未知。伽利略说大小金属球会同时落地，人们就在比萨斜塔下看到了同时落地的大小金属球；门捷列夫说锌之后还有类铝，人们就在锌矿中提炼出了性质类似铝的镓；爱因斯坦说光线会弯曲，人们就在日全食中观察到了太阳透镜；而演化论亦是如此。虽然达尔文写作《物种起源》已是整整150年前的事了，但即使生物学已经发展到了今天的分子水平，仍只是不断地验证了演化论的正确性。

如果要评选近二三十年发展最迅猛的科学领域，很多人可能会给信息技术投一票。可是，我要把自己的这一票投给生物学：随着人类对生命的认识逐渐深入到分子层次，今天的生物学与达尔文的时代早已经不能同日而语了。只不过，这些发展不像信息技术一样体现为大众触手可及的产品，因而不被一般人所知罢了。真正令人吃惊的是，即使在生物学蓬勃发展的今天，演化论仍是生物学整体的主轴所在。生物学的很多研究方向都不能回避演化的问题，甚至要在某些方面依赖于演化论这一基础。

以我自己所从事的结构生物学为例。它所关注的是蛋白质等生物大分子的三维精细原子坐标结构，看似与演化论隔了十万八千里。但事实上，两者有着千丝万缕的联系。我近期刚刚发表的一篇学术论文在原子层次探讨了一种酶的单分子工作模式与双分子工作模式的区别，核心观点就是从单分子到双分子所带来的演化优势。而事实上，恰恰是在低等动物体内的这种酶采取了单分子模式，而高等动物体内的这种酶采取了双分子模式。类似的在演化角度探讨蛋白质结构的情况也是很常见的。

自从严复先生翻译《天演论》至今，演化论思想进入中国已经百年有余。然而，可能正是因为我们对于演化论的普遍接受，正是因为演化论在中国没有与之竞争的理论，才令我们的演化论教学变得异常简化，引用了一些陈旧的、不完整的、甚至是有所谬误的例子。岂不知，在当今生物学发展的大背景下，演化论不仅找到了基因这个遗传物质基础，更在核酸和蛋白质等诸多分子生物学领域找到了无数的坚实证据。与此同时，在现代技术的支持下，古生物学也焕发了第二春，以前所未有的坚定姿态成为演化论的有力后盾。而本书恰恰包含了不少这方面的新鲜例证，甚至涉及了去年才刚刚发表的学术论文。

第三个原因要从哲学的角度来探讨——演化论是一种科学，但它更是一种哲学。

归纳来说，自然科学探究的问题无非是两类：“是什么”与“为什么”。而后者又总是以前者来解释的。比如一个简单的问题：为什么天上的云彩会下雨？科学的回答是：云是气态水液化而成的小水珠，当小水珠越变越大，无法被空气托住时，就会落下来形成雨滴。这个回答其实就是“是什么”，它描述的是下雨的客观过程，没有主观意志的存在。如果说云彩下雨是观音柳枝洒下的玉露，或是龙王鼻痒打的喷嚏，那就违背了自然科学本身唯物的客观性。

演化论不同于其它科学之处在于，它所追究的几乎全是“为什么”的问题：为什么恐龙会灭绝？为什么鲸鱼要从陆地上返回水中生活？为什么人不再长尾巴了？除了为什么，还是为什么。而在面对这些问题时，运用“是什么”来作答变得极其困难和复杂。为什么长颈鹿有那么长的脖子？最简单的回答是：因为它想要吃到高处的树叶。最不负责任的回答是：上帝赐予了它长长的脖子。

然而，达尔文创立的演化论正是要告诉我们：与其它严肃客观的自然科学一样，演化论面临的“为什么”同样可以用“是什么”来回答，同样是没有主观意志的客观必然。我们在承认演化论的同时，却很少有人站在这样的立场上去认识演化论。而这本书通篇都在试图帮助读者以客观的视角来认识演化，甚至在最后一章中直言不讳地指出：演化论之所以令不少美国人恐惧，正是因为它所蕴含的自然主义的唯物思想。

第四个原因在于，我们自以为了解演化论，其实却不尽然。正如作者在全书第一章开篇所引用的雅克•莫诺的话所说：“演化论有个奇怪的特点——每个人都觉得自己了解演化论。”一般人以为这是针对演化论的反对者而言的，但其实对于演化论的支持者而言，情况往往也是这样。不了解演化论就意味着其对演化论的相信是盲目的。从某种意义上来讲，盲目地相信演化论与盲目地相信神创论并无太大区别。

科学不同于宗教。对于宗教，信仰可以只是简单的相信，甚至在某种意义上最好只是简单的相信。但科学并不需要盲目的信仰者。科学的真理建立在坚实的观察证据、实验证据，以及以此为基础的严密的逻辑推理之上。而我们中的大多数人只是简单的相信演化论，却并不了解演化论的科学内涵与哲学内涵。当这种盲目肤浅的“相信”面对质疑的时候，就不免会有动摇之虞，会被充满激情、混淆视听的谎言所蒙蔽。从这个意义上讲，我们也的确需要这样一本认真讨论演化论的书。

由此也就引出了最后一个原因：智设论正在中国悄然生根。然而正如本书中不断指出的，智设论只是披了科学外衣的宗教信仰。我国作为一个天主教和基督教没有广泛基础的国家，本来并不存在智设论发展的温床，更不要说神创论了。但恰恰由于人们普遍相信演化论，才使这一领域处于一种不设防的状态之下。

一些在美国从事智设论宣传的华人出于各种不同的目的——既有单纯传教的也有借机出名的，回国扯起了智设论的大旗。特别是近年来，随着对外开放程度的加深，在我们这个宗教信仰自由的国家，笃信上帝的人逐渐增多，这也从客观上为智设论和神创论的发展提供了机会。

在这样的背景下，近几年国内未见有演化论的书籍出版，反而有反对演化论的书籍受到追捧，也就没什么可奇怪的了。逆向思维，挑战权威的学术精神固然不错，但面对正在抬头的智设论，一本内容有趣可读、例证丰富新鲜、思想深刻精辟的演化论书籍的确是我们所需要的。

说了这么多，我都是站在一名演化论支持者的立场上。对于尚在怀疑之中的人来说，我的表态似乎有失公允，不足取信。但其实即便站在演化论反对者的立场上，这本书仍有可读之处。

任何一种科学的争论，乃至一场普通的辩论，胜出的前提不是自说自话，而是认真了解对方的立场，并做出有针对性的回应。真理不是不辩自明的，而是越辩越明的。相信一个理论不是要回避相反的意见，反而是要认真了解反对的意见，再给予有力的反驳。要证明“演化论是错的”，首先就要认真地了解演化论的真正内涵。科学是不断进步的，没有人可以保证本书中的每一句话都是完全正确的，但科学的道理是可以自己辨清的。事实上，正是在与演化论反对者的不断辩论之中，演化论才得以日益完善，变得越来越完整，越来越严谨。

今天，人类文明已经远离了愚昧的中世纪，每一个科学门类在自己的领域内都成为了描述世界的不二之选——除了生物学。这门研究生命的科学还蕴涵着很多的未知以及不确定，并因此备受争议。演化论所面临的挑战不过是生物学所面临争议的集中体现罢了。可以说，正是这种争议的局面让生物学的研究仍处在中世纪末的科学蒙昧时期：科学因为自身体系的不完善而遭人诟病，不得不与迷信进行不懈的斗争。

斗争的过程或许是艰辛的，但前途当是光明的。这正如我的房东纽维尔先生年轻时为黑人人权所做的斗争一样。在那个时代，让美国的黑人平等地拥有与白人一样的权利，甚至有一天成为统治这个国家的总统，那简直就是天方夜潭。然而，奥巴马入主白宫的事实已经永载史册。演化论，乃至生物学，所面临的困境恐怕还不至于此。

记得奥巴马赢得大选的那个夜晚，我陪房东一起守在电视机前等结果。当宣布奥巴马获胜的时候，年逾八十的纽维尔先生振臂高呼，兴奋异常。他激动地对我说：“祝贺奥巴马！祝贺每一个美国人！这是奥巴马的胜利，也是每一个美国人的胜利！”而我对他说：“我也要祝贺你，因为这也是你的胜利！”同样的，在某种意义上，每一个从事生物学研究的人或许都应该感到庆幸，因为生物学还有太多的不解之迷，生物学的牛顿、开普勒、或者门捷列夫也许就将诞生在我们之中。

然而，我们之中的有些人是悲观的，他们看到了细胞、蛋白质、基因的千差万别，因而认为生物学永远不会像物理学或化学那样能够总结出统一的规律。可是，试想达尔文生活的时代，他眼中的飞禽走兽、花鸟鱼虫更是千姿百态，但他却最终把生命现象统一到一起，为我们贡献了不朽的演化论。这一理论远远超越了他的时代，以至于在英语世界，“达尔文学说”始终就是演化论的同义词。随着我们对生命的认识愈加深入，像物理学和化学一样可量化的生物学规律必然会诞生在可预见的未来。我们所缺乏的只是更丰富的数据和更深刻的思想。

作为美国最大的非赢利性医学和生物学研究经费的提供者，我所供职的霍华德•休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）在每个季度都会发行一本内部刊物寄到员工家中。这一期的封面上就是查尔斯•达尔文沉思的面庞。封面文章的标题是《我们仍旧在向达尔文学习》。这或许就是对于演化论重要性和必要性的最佳注解。

房东冲制的咖啡已在我手中失去了热度，感慨也该就此打住了。冷静下来想想，演化论的涵盖范围太过宽广，涉及了众多的科学领域，难免有不少并非是我所熟知的。对于本书中所涉及的专业知识，如有翻译不当之处，欢迎广大读者批评指正，共同提高！

2009年9月

于纽约曼哈顿

　　（上回书说到，应用X射线的科学家与高能物理学家为了抢夺第一代同步辐射的使用时间，那掐得是pia pia的……于是，终于催生出专门用于产生X射线的第二代同步辐射。可没想到，“人心不足蛇吞象”，贪心的科学家们对于X射线的强度又不满足了……）

波动的共鸣

　　一种新技术的出现让物理学家们看到了进一步提高X射线光强的希望，这就是波荡器。

　　我们都在电视上见过高山滑雪者在雪坡上留下的波状轨迹，又称为S形转弯。滑雪者通过转弯动作推雪获得阻力，减缓下滑的速度。被推开的雪沿着雪坡向下滚落，与滑雪者的前进方向一致。

　　而在波荡器中，正发生着类似的事情。波荡器由一组正反交替的磁极组成，它们能使电子团通过时交替左转右转，往复数十次，形成波状前进轨迹。在每一个转弯处，都会有前向的同步辐射X射线产生。这些前向X射线叠加在一起，大大加强了X射线的强度。同时，这些X射线之间发生了干涉等光学现象。通过适当调整，可以进一步提高X射线的光强。

　　应用了波荡器的同步辐射即为第三代同步辐射光源。目前世界上主要的同步辐射光源都属于这一类。从亮度上讲，最强的同步辐射光源是位于日本兵库县的SPring8，紧随其后的是位于美国阿贡国家实验室的高级光子源（Advanced Photon Source，APS），再其次是位于法国小城Grenoble的欧洲同步辐射设施（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）。我国于去年（2008）建成的上海光源是世界上第13台第三代同步辐射X射线光源。

　　为了获得更强的X射线，储能环中电子的能量级别不断攀升，环形轨道也越来越大。北京正负电子对撞机的轨道直径约76米，略大于一个足球场的宽度；而日本SPring8的直径则是457米，比四个足球场的长度还要长一些。此外，外围沿切线展开的工作线站、配套实验室、机房等辅助设施都要占用很大的空间。这使得第三代同步辐射成为十分巨大的环形建筑。为了方便工作人员，第三代同步辐射的建筑内往往设有公用自行车作为代步工具，其巨大程度由此可见一斑。在1:200000的卫星照片上我们可能很难发现中国国家大剧院那硕大无朋的银亮蛋壳，却可以轻易地找到一个第三代同步辐射的完美圆环。

位于张江的上海光源是我国目前最强大的X射线源

　　今年（2009），在美国的斯坦福大学，世界上的第一台第四代X射线光源——直线加速相干光源（LCLS），即将投入试运行，它所产生的X射线被称为自由电子激光。与前三代明显的不同的是，它不再采用源自电子同步加速器的环形轨道，而是采用了长达三公里的直线结构，整体上是一个直线加速器连接一个密集的超长波荡器。通过调整电子的速度以及交替磁场的间距等参数，电子团每一次转向所发出的X射线将具有相同的相位，从而产生共振，也就形成了一束X射线的激光。

　　自由电子激光将成为人类有史以来创造的最神奇的X射线，不但强度超乎想像，而且具有优良的光学特性。如果斯坦福的这台第四代X射线光源能够顺利投入使用，那么它将为结构生物学等应用X射线的研究领域带来颠覆性的革命。

　　然而，自由电子激光终究仍只是纸上谈兵。能否最终实现，全世界的相关领域研究人员都在盯着斯坦福大学的直线加速相干光源。即使真的能实现，如何对自由电子激光所产生的实验数据进行处理分析？如何避免强X射线带来的新困扰？解决这些问题都还有很长的路要走。那么在这些技术成熟之前，如何满足科学研究对X射线日益扩大的需求缺口呢？

　　就在我经常拜访的布鲁克海文国家实验室园区里，在离NSLS不太远的地方有几间不怎么起眼的白色平房，门口写着“NSLS-II办公室”。这里正在筹建新的美国国家同步辐射光源。从技术本质上讲，它仍是第三代同步辐射，只不过其波荡器采用了全新的设计和加工工艺，从而可以达到更强的X射线叠加效果。于是，在电子团的能量级别方面可以有所减小，轨道也可以相应减小。因此称之为中能第三代同步辐射光源，为与之区别，ESRF，APS，SPring8等也称为高能第三代同步辐射。我国的上海光源也属中能第三代同步辐射光源，目前英国和法国等其它国家也在筹建中的同步辐射亦属此类。全世界在建中的第三代同步辐射总计约有12台。

　　我国著名高能物理学家，也是我国同步辐射光源项目的推动者，中科院院士冼鼎昌研究员曾经在一次学术报告中开玩笑地说：“新世纪到世界各地旅游去看什么？不是看名胜古迹，而是看同步辐射！”有人甚至做过预计，明年（2010），每天同一时刻在全球的同步辐射中应用X射线进行研究工作的科学家与工程师将超过一万人。他们在同步辐射的具体工作情况是怎样的呢？

永远的追寻

　　在本文开始所介绍的同步辐射之旅虽然称不上惬意，但也还算有趣。可是，这只是准备阶段，真正的工作还没有开始。

　　由于同步辐射不同于其它实验设施，具有长期不间断运行的特点（注入的时间很短，相对可以忽略），所以一般研究者会申请连续24小时，或者48小时，甚至72小时的工作时间，这样也可以减少交通、住宿等方面的开支。

　　所有去过同步辐射工作的人，大概没有谁会很享受这个过程。即使有两到三人共同工作，也很难保证有足够的休息时间。为了尽可能充分利用时间，大家往往都在线站上解决吃饭问题。这也就是为什么我要提前买好三份外卖的原因。

　　此外，由于同步辐射产生的X射线很强，足以危害人体健康，所以线站的终端设备放在一间隔离舱内，并对进出该舱有着严格而繁冗的安全操作规定。不恰当的操作不但会影响自己的实验，甚至会导致整个同步辐射“跳闸”停止运行，以保护实验操作者的生命安全。此外，雷雨等自然因素也有可能导致同步辐射自动“跳闸”。这些都给每次同步辐射之旅带来了很多的不确定因素。我在国内时，曾两次远赴法国的欧洲同步辐射设施工作，却都因为设备故障无功而返，白白在食宿行等方面浪费了研究经费。

　　即便如此，国内的结构生物学研究者以前也没有别的选择。如果想要使用同步辐射的可调波长强X射线，就必须到国外去。美国、英国、法国、韩国、日本的同步辐射都留下了中国结构生物学研究者的足迹。虽然前两次去法国都以失败告终，但为了课题研究，我还是第三次前往法国的欧洲同步辐射设施，才终于拿到了可以使用的实验数据。

青山碧水之间的欧洲同步辐射设施属于第三代同步辐射

　　虽说法国是个浪漫的国度，但这样的同步辐射之旅却没有普通人想像中的惬意。为了减少不必要的开销，在当地停留的时间不会比在同步辐射申请的工作时间长太多。从北京出发，经过十多个小时的飞行之后，在巴黎转一次机，再在里昂换乘长途巴士，一般会在午夜之后到达欧洲同步辐射设施；保存好样品，睡不了几个小时就到了早晨，便要开始连续一两天的奋战了，中间只能断断续续地睡上几个小时；实验结束后，拷贝数据，稍事休息又要飞回国了。通常来说，在当地旅游的时间肯定是没有了，甚至连调时差的必要都没有了。我常对那些羡慕我能出国做实验的同学说：这样去一次法国和去一次上海没什么区别，甚至还要更累。

　　而现在，上海光源的建成投入使用，真的把“去法国”变成了“去上海”。同步辐射之旅至少不必再受时差和长途飞行的折磨，这必将大大方便国内应用X射线的各领域研究人员。这个位于浦东张江高科技园区的同步辐射对于上海市区的研究者来说，比从纽约市区到布鲁克海文国家实验室的距离还要近，必将极大地带动上海地区的结构生物学等X射线应用相关专业的发展。

　　我想，有机会回国去上海的话，我一定会实践冼鼎昌先生的预言：去看看那里的同步辐射。因为，作为一个结构生物学研究者，我注定会永远追寻那隐形的光线。同样的，人类对于更强大的人造X射线源的追寻也永远不会停止。

（完）

　　早上7点，闹钟响了。痛苦挣扎一番之后，我才终于强迫自己离开了温暖的被窝。洗漱，换衣服，收拾东西，离开了位于曼哈顿上西区的公寓，坐地铁去95街的Hertz租赁点取我预订好的SUV，把车开到168街的哥大医学中心取实验样品和工具，出来转上I-95高速路，汇入了去往长岛方向的车流之中。

　　一个多小时之后，已经远离了纽约市区，转下高速路不久就到了布鲁克海文国家实验室。实验室园区的安检在9·11之后明显加强了很多，不但需要专门的证件，还要提前预约进出的日期。园区里的建筑形状各异，最高的楼不过三四层，而更多的则是平房，散布在树林、灌木和草坪之中。树荫下有安静歇憩的小鹿，草地上有四处觅食的火鸡和野鸭。它们间或还会大摇大摆地横穿马路，把过往的车辆视若无物。

　　我此行的目的地是园区内一幢占地面积很大，却很低矮的白色建筑——美国国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source，NSLS）。刷卡进门，来到早已预约好的X4线站。时间离12点还早，排在我前面时间段的人还在线站上工作。于是我先去办公服务楼拿了客房钥匙，到住宿楼把个人用品安置好，再开车去附近小镇上的中餐馆吃了顿午饭，临走还买了三份外卖带着——那将是我今天的晚餐和宵夜，以及明天的午餐。

　　回到X4线站已经是中午12点半了。排在我前面的人正在计算机上把测得的实验数据拷贝到自己的移动硬盘里，同时上传到自己实验室的服务器上。传输几十上百GB的数据需要不少时间，一时半会儿完不了，好在他已经收拾好了自己的实验用品，给我腾出了工作空间。线站管理员则已经把线站的参数调整到了我预订的数值，并做好了优化。

　　万事具备，开工！

　　上面这些文字不是小说，更不是科幻，而是我一年当中某些日子的真实工作写照。如此大费周张，只是为了能够连续24小时应用同步辐射光源进行结构生物学的相关研究。之所以要来同步辐射光源，是因为它能提供高亮度的X射线，俗称X光。当然，所谓“高亮度”指的是X射线的强度很高，而非通常意义上的“亮”。毕竟，X射线的波长只有0.01纳米至10纳米，远远低于人眼的极限——380纳米。可以说，它是一种隐形的光线。

偶然的诞生

　　如果时光倒退回一个多世纪以前的1895年，人类的词典中还没有X射线这个词汇。在这一年，腐朽的满清政府输掉了甲午战争。而在地球的另一边，德国维尔茨堡大学物理系的系主任威廉·康拉德·伦琴教授在对一种称为克鲁克斯管的阴极射线（也就是电子流）管进行研究时，偶然发现了一种穿透力极强的未知射线，并将之命名为X射线。

　　在接下来的实验中，为了避免任何可能影响到自己学术声誉的错误结果，伦琴始终使用X射线这一代号，秘密地研究其各种性质。在研究X射线的穿透力时，伦琴请自己的夫人将手放在感光底片和能够产生X射线的阴极射线管之间，照出了世界上第一张X射线透射照片。伦琴夫人的指骨以及婚戒在照片上清晰可辨。

　　次年1月，当这一研究成果发表在学术期刊上之后，新闻界习惯性地以发现者的名字将之命名为伦琴射线，以突显这一发现的伟大。然而，伦琴本人在其后的论文中始终坚持使用最初的称谓——X射线。于是，X，一个象征着未知的字母，就永远成为了这种隐形光线的正式名称。而伦琴发现X射线的克鲁克斯管则成为了后来X射线管的雏形，沿用至今。

　　由于波长短，能量高，X射线与物质原子发生作用的几率小，因而具有很强的穿透性。很多人对于X射线的第一印象可能都是超人那双可以看穿一切——除了铅板——的眼睛。在现实生活中，体检拍的胸透、看病照的CT、机场和重要场所用的安检仪、工业用的探伤仪，这些都依赖于X射线的穿透力。此外在科研领域，X射线也是一种非常重要的实验手段，广泛应用于物理、化学、生物、材料等不同的科研领域，包括我在美国国家同步辐射光源所从事的结构生物学研究。

　　然而，X射线管产生的X射线光强只能满足于一般的医疗和工业应用，却不能满足科学家对于强X射线的需求。1913年出现了真空X射线管，因为避免了阳极氧化、空气吸收等问题，从而得以提高X射线的强度。上世纪六十年代发明了旋转阳极技术，辅之以强大的冷却系统，可以获得相当强的X射线。这也是目前在实验室内可以获得的最强X射线。

　　除了强度受限，X射线管还有一个特点：产生的X射线波长固定。我们知道，光具有波粒二象性，其电磁波的波长与其光子的能量是相对应的。X射线管的工作原理决定了其产生的光子能量以某几个确定的值为主，因而最强的X射线只出现在某几个确定的波长上。具体的波长由金属的种类所决定。目前比较常见的阳极金属是铜，其产生的X射线特征波长有两个，通常采用的是其中能量较强的一个，波长为0.15418纳米。

　　确定的波长对于某些实验而言是大大的好事，对于另一些实验而言则是大大的不妙。如何能获得波长可调且强度更强的X射线？这个问题摆在了物理学家们的面前。

同步的合唱

　　俗话说：“有意栽花花不开，无心插柳柳成荫。”科学上的事情往往也是如此，最关键的发明或发现往往并非有意为之。

　　在上世纪四十年代，随着对物质结构探索的需求，人们开始建造一些大型的粒子加速实验设施，电子同步加速器是其中相当重要的一种。在电子同步加速器中，一团团电子被电场加速到接近光速的速度，再通过强大的磁场来控制其方向，使之沿着环形真空轨道“跑圈”。如果让一团电子与一团正电子沿相反的方向跑圈，它们将以极高的相对速度迎头对撞，这就是正负电子对撞机中所发生的事情。

　　1946年，通用电气公司下属实验室在其电子同步加速器的运行中，发现了沿圆周切线方向射出的X射线辐射，并因此将之命名为同步辐射。这一辐射的产生是由于电子以接近光速的速度运行时，体现了明显的相对论效应所造成的。由于X射线是沿切线方向射出的，所以一系列的X射线相关设备也是沿着环形轨道的切线方向展开的，被称为线站。从顶上看，同步辐射设施与小朋友所画的太阳到颇有几分相像。

　　同步辐射产生的X射线光谱连续、准直性好、功率大、亮度高，是理想的用于科学研究的X射线源，满足了其它研究领域对强大X射线源的要求。特别是光谱连续这一点，令科学家们如获至宝。如果说他们以前所拥有的只是某几种“颜色”的X射线，那么现在他们拥有的就是“白光”——由所有“颜色”共同组成的X射线。于是，高能物理学家和其它领域的科学家们开始共用电子同步加速器，各取所需。这就是第一代同步辐射光源，世界上目前仍有约17台在运行中。

　　我国的北京正负电子对撞机最初设计时并未考虑同步辐射方面的应用。但随着高能物理学的迅猛发展，北京正负电子对撞机现有的能量水平已经无法再满足高能物理前沿研究的需要。2004年，它圆满完成了其作为高能物理研究设施的历史使命，经过一系列改造，转而成为同步辐射X射线光源，为国内众多需要使用强X射线的研究人员提供服务。

北京正负电子对撞机改造为同步辐射后的X射线线站

　　同步辐射产生的X射线来自于环形轨道中高速运动的电子团，两者紧密相关。然而不幸的是，高能物理实验对于电子团运行参数的要求往往与产生X射线的要求相去甚远。简单地说：用X射线时不能做高能物理实验，做高能物理实验时不能用X射线。这令高能物理学实验与需要使用X射线的实验之间产生了无法解决的矛盾。由于第一代同步辐射建设时大都是以高能物理研究为目标的，因此很难满足日益扩大的对同步辐射X射线的需求。

　　最终，这两种应用还是分道扬镳了。专门用于产生X射线，却不进行任何高能物理实验的同步辐射光源出现了，即为第二代同步辐射光源。包括前面提到的美国国家同步辐射光源在内，世界上共有约23台第二代同步辐射光源仍在运行中。

　　由于不进行任何高能物理实验，环形轨道中电子团的唯一使命就是为产生X射线储备能量。于是，第二代同步辐射的环形轨道不再称为电子同步加速器，而是改称储能环。在运行过程中，环形轨道中的电子会不断损耗，其产生的X射线也会越来越弱，所以同步辐射需要每隔一段时间重新注入电子团进行补充。

　　一般的同步辐射每天要在固定时间注入两至三次。注入期间没有X射线，所有线站上的工作都不得不暂停下来。这正是我们每次在同步辐射工作时得以喘口气的时间：或者开车出去买杯咖啡，或者趴在桌上打个盹，难得的清闲。除去每次注入的半个小时，同步辐射始终处于运行状态，每年只有集中的几周时间停止运行，用于维护和升级。

　　虽然有了“一心一意”提供X射线的第二代同步辐射，可是“贪心不足”的科学家们仍旧不满足于已经得到的X射线强度。如何能获得更强大的人造X射线源呢？新的问题又摆在了物理学家们面前。

（未完待续）