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日本化学家获诺贝尔奖的社会背景

  摘要:概述了2000—2002年间三位荣获诺贝尔奖的日本化学家的经历及其研究态度以及他们各自获奖的研究内容和意义,考察了产生这些划时代研究成果的社会背景——尤其是教育与研究环境。为了做出划时代的发现和发明,虽然需要研究者个人的“意外发现”能力,但是,要培养具有这种能力的人才,则需要发展重视个性的教育;要充分发挥这种能力,还需要在精神、时间和经济等方面具备充裕的条件。现在,日本几乎失去了在二战后的某一时期曾经具备的这种教育与研究环境,考察了失去这些环境条件的社会因素。

  关键词:日本;化学;诺贝尔奖;社会背景;理科教育;意外发现能力
  
  诺贝尔奖开始于1901年。在1999年以前的大约100年间,全世界共有460名学者获得了物理学、化学、生理学或医学奖。其中,日本学者仅有5位。但是,在自2000年以后的3年间,在全世界27位获奖者中,日本学者就占了4位。其中,有3位学者获得了诺贝尔化学奖。本文在介绍3位获奖者——白川英树、野依良治和田中耕一的从学经历及其成长环境、获奖内容及其意义的同时,试图就20世纪70年代至80年代间,日本取得如此出色研究成果的社会原因①进行考察。
  
  一、 白川英树
  
  白川英树于1936年出生在东京。他的父亲是医师,由于他父亲工作的关系,白川在中国的台湾和东北(辽阳、鞍山等)地区度过了幼年时代。1944年,白川在上小学3年级的时候,就回国并在其故乡高山市继续读书。直到高中毕业为止,他在那里度过了10年的学习生活。高山是一个被群山环抱的小城市,白川因此获得了许多亲近自然的机会。受此影响,白川打算将来从事改良植物品种的工作。另外,由于白川对组装和制作收音机感兴趣,因此,他也打算在电子学专业方面发展自己;还由于白川对开始上市的塑料这种新材料也很感兴趣,因此,他也想从事这方面的研究。可见,少年时代的白川围绕自己的发展道路抱有各种希望。最后,他考入东京工业大学,开始研究塑料问题[1]56-57。
  1961年,白川在东京工业大学毕业后直接考入研究生院深造,并于1966年学完了博士课程。当时,民营企业几乎不招聘博士肄业者,因此他们毕业后很难就业(注:日本企业非常重视职员的归属意识和忠诚心。当时,企业录用应届大学毕业生或者应届硕士毕业生,并对他们进行教育而不录用应届博士毕业生。这是因为应届博士毕业生的研究能力虽然很强,但他们很自负,很难培养他们的归属意识和忠诚心。不过,在1980年以后,民间企业也开始重视基础研究,开始录用应届博士毕业生了。)。这样,工学系的研究生一般在修完硕士课程以后,不直接进修博士课程就到民营企业去工作了。但是,白川为了能够持续地开展自己的研究工作,在修完硕士课程以后,就直接进修博士课程了(他几乎不考虑这样做会对自己将来就业可能产生不利影响)。白川把自己的这种不达到目的不罢休的性格称为“完美主义”。
  修完博士课程以后,白川在他的导师池田教授的研究室担任助教。1979年,白川辞去在东京工业大学所担任的助教职务,前往筑波大学担任副教授,并在3年以后晋升为教授。2000年3月,白川退休并获得了名誉教授的称号。同年秋天,白川因发现具有导电性的高分子而获得了诺贝尔奖。
  
  1. 发现的过程
  白川跟随池田教授研究的课题是“聚乙炔的合成机理”。聚乙炔是由几万个用于照明和焊接的电石气分子结合而成的高分子,它虽然在碳原子排列上和聚乙烯相同,但是,聚乙烯中的每个碳原子分别和两个氢原子结合,相反,聚乙炔中的每个碳原子只和一个氢原子结合,因此,每个碳原子就多余一个电子。由于存在这样的电子,因此,就使得聚乙炔在一定程度上能够导电。就是说,聚乙烯属于绝缘体,而聚乙炔则属于半导体。
  要弄清聚乙炔的合成机理,就要知道它的化学结构。为此,需要把它调制成薄膜,对其进行诸如测定红外线吸收光谱等方面的数据分析,从分析的结果中推测出它的化学结构。当时,白川在实验室里制造这种高分子材料的方法是:一边搅拌催化溶液,一边向其中吹入电石气;被吹入的电石气在接触到催化溶液时就会发生化学反应,变成黑色粉末状的聚乙炔并沉淀下来。但是,由于产生出的聚乙炔粉末不溶于任何溶液,因此,采用一般方法不能把它调制成薄膜(注:一般来说,要调制高分子薄膜,就需要把该高分子配制成溶液,把它涂抹在玻璃板上,并对它进行干燥,制成高分子膜。因此,从当时的常识来看,如果找不到适当的溶剂,那么,高分子就不能变成膜。)。因此,白川不得已只能研究处于粉末状态下的聚乙炔的化学结构(注:分析粉末的原初状态,以此推定其化学结构,这虽然是可能的,但其实验操作不仅繁杂,而且也很难获得正确的结果。)。然而,一个偶然的机会使他发现了从电石气直接调制成聚乙炔薄膜的方法。
  这个机会是:某位外国留学生依照白川的指导合成的聚乙炔总不是黑色粉末状,而是一种“像黑色破手巾那样的物质”。这种结果自然表明实验失败了。一般来说,在这种情况下,指导老师只要指导学生修改实验方法或程序就可以了。但白川没有这样做。他推测到,造成这种实验结果的原因在于:这位留学生错误地把催化溶液的浓度调制得很高,因此使得合成反应速度加快,膜一旦形成,它就会因受到搅拌而遭到破坏并下垂,最后呈现出“破手巾”状态[2]。受此启发,白川获得了简便制造聚乙炔膜的方法。这种方法是:在做实验以前,在容器的内壁涂上高浓度的催化溶液,然后,再向容器里吹入电石气。这时,由于催化溶液没有受到搅拌,因此,在容器内壁上合成的膜也不会遭到破坏。用这种方法合成出来的聚乙炔膜呈现金属光泽,其外观虽然与铝箔相似,但它不是导电体(注:金属有自由电子,所以它是导电体,自由电子反射光,所以它能够发出光泽。聚乙炔虽然不是导体,但它有π电子,π电子不能完全自由地运动,所以只有当轨道变宽时,它才能够运动,因此,它遇到光就会发生反射,发出光泽。),而是半导体。
  白川利用上述方法所调制成的薄膜,弄清了聚乙炔的化学结构,并于1971年发表了关于聚乙炔合成机理的论文。到了1974年,白川又发表了题为“聚乙炔膜的制法”的论文。后者是使他荣获诺贝尔奖的一篇重要论文。但是,这篇论文在被发表以后几乎没有引起反响。
  白川在完成上述实验以后就中止了关于聚乙炔的实验研究。但是,他以和美国Pennsylvania大学的MacDiamid教授的会见为契机,再次开展了这方面的研究。MacDiamid教授此前从事无机高分子的导电性研究(注:是指他与该大学的物理学教授Heeger之间的合作研究。聚乙炔导电性的研究是由他们和白川等3人进行的。2000年的诺贝尔化学奖也是他们3人共同获得的。),但当他来东京工业大学访问的时候,偶然看到白川制造的聚乙炔膜,并为之惊叹,决定邀请他来自己所在的大学进行合作研究。其间,白川在与MacDiamid教授的共同研究过程中,取得了如下发现:如果在聚乙炔中加入微量的溴,那么,聚乙炔的导电性能就会增加几千万倍,由半导体变成了导体。另外,如果在其中加入碘,那么,其导电效果更显著。在开展合作研究以前,白川在东京工业大学进行聚乙炔方面的实验研究中就观察到,如果在聚乙炔中加入氯,那么,它的电子状态就会发生显著变化(注:白川在向聚乙炔中加入氯并观察其反应的时候,就从其吸收红外线光谱的变化推测,氯可使聚乙炔的电子状态发生显著变化。电子的状态发生变化会引起其导电性发生变化。白川虽然也注意到了这种现象,但是,当时,由于他专心研究自己原来的课题——“聚乙炔的合成机理”,因此,他没有再深入观察和研究这个问题。倘若当时白川有充裕的精力和时间,那么,他也许会发现具有导电性的高分子。)。在聚乙炔中添加溴和碘的想法,是受当时观察结果的启发产生出来的。另外,一般认为,聚乙炔导电性的增加是由下面的结构引起的:添加的溴、碘原子具有较强的电子亲合性,它们能够与聚乙炔中的电子结合,夺走了电子,从而在电子所处的位置上出现了空穴,为了填补空穴,电子就依次产生了移动,最终增强了聚乙炔的导电性。
  与以往发表“聚乙炔膜的制法”论文时的情况不同,当白川等人把他们发现聚乙炔具有导电性的研究成果公开发表以后,立即在全世界引起了很大反响。许多研究专家都争先恐后地参与该领域的研究,并陆续发现了新的具有导电性的高分子。与此同时,这些具有导电性的高分子的多种用途也被开发出来了。在理论层面,关于高分子导电机理的研究也获得了很大进展。
  
  2. 发现的条件
  白川的发现与以下因素有关:①他跟随池田教授从事“聚乙炔合成机理”的研究;②他从自己学生的失败实验中获得启发,发现了聚乙炔膜的制法;③他与MacDiamid教授相会,并被邀请开展合作研究;④他从已往的氯添加实验中获得启发,产生了添加微量碘的设想。其中,①和③是外因,②和④是内因。②是他在其研究生的失败实验中所观察到的现象;④是他在观察实验结果时获得的启发,并通过大胆设想独创出来的。
  上述“从被他人忽视的现象中获得启示,就会有出色发现的能力”被称为“意外发现能力”(serendipity)[3]83-85。即使在往往被认为是纯理论的自然科学领域,为了能够完成划时代的发现、发明,这种能力也是不可缺少的。牛顿看见苹果下落就发现了引力的故事就是典型的例子。但是,不管研究者具有多么出色的“意外发现”的能力,都需要在精神、时间和经济方面有充裕的研究环境。如果有精神上的充裕,就可能从被他人忽略过的现象中产生出色的设想。然而,要把这种设想通过实验完成具体的发明与发现,也需要时间和经费。
  白川具有的这种“意外发现”的能力和“完美主义”品格固然值得称赞,但是,促使其成为可能的上述研究环境也是不能忽视的。由于青年时期的白川坚持不达到自己满意不发表论文的标准,因此,他很少发表论文。在研究生院学习期间,白川只发表了一篇论文;在当助教以后的8年间,他也只发表了四篇论文(注:白川在当助教时发表的第四篇论文的题目是“聚乙炔膜的制法”,该文成为他获得诺贝尔奖的理由之一。就是说,白川在当助教时期发表论文的数量虽然少,但是,他已经抓住了从事“发现导电高分子”这种划时代发现的机遇。白川在年轻时期发表论文的数量虽然很少,但是,到他63岁在筑波大学退休为止,他已经发表了大约250篇论文。对于这个领域的科学家来说,250篇论文虽然不是特别多,但也绝不是少数。)。近年来,在日本的自然科学领域特别是在化学领域里,试图以发表论文数量评价研究者能力的倾向越来越显著了。假如是现在,即使池田教授如何努力推荐,只发表一篇论文的白川能否被聘为助教是很值得怀疑的;即使他能够担任助教,倘若是现在,由于受到需要多发表文章这种客观的压力,因此,他也很难一贯坚持“完美主义”的研究态度。
  当时,日本的大学能够平等地给全体教师拨付一定的研究经费,并允许教师自主地使用。因此,教师不仅能够使用这些经费按照计划进行科学研究,而且,当他们突然产生最初预定中所没有的设想的时候,也能够自由地使用这些经费进行研究。白川在发现聚乙炔膜制法的时候,这些研究经费发挥了重要作用[1]128-129。可见,这些研究经费虽然可能被无效地使用,但它能够为研究者发挥其“意外发现”的能力提供保障。然而,近年来,这种“平均主义”的分配经费的方式,正在被另一种“竞争主义”的分配方式(即优先把研究经费拨付给在一定时间内有望取得研究成果者)所替代。总之,从发挥研究者“意外发现”能力方面看,近年来,日本的大学正在失去往日充裕的研究环境。
  另外,白川与MacDiamid教授间的合作研究也成为他完成这一科学发现的直接原因。这种现象虽然很少见,但是,在与具有不同经验和思维方式的外国研究者以及不同于自己专业的其他专业领域的研究者之间的交流过程中,能够产生不同寻常的设想,并能够有效地进行研究,这经常被认为是一种经验。然而,不能忽视的是,研究者在交流中学习到什么,这要求他具备良好的素质、充裕的精神和积极的态度。现在的交流机会虽然比当时增加了,但是,如果交流者没有充裕的精神,那么,就不能够有效地利用机会。
  
  二、 野依良治
  
  野依于1938年出生在兵库县。他在国立神户大学附属小学、私立灘中学(包括3年初中和3年高中)接受了教育(这两类学校都是当时的精英学校,也就是说,与白川和田中不同,野依受到了当时最好的教育)。他虽然不厌学,但在小学时代,他整天在野地里玩耍;在初高中时代,他热衷于柔道;即使在大学时代,在最后一个学年,直到开始从事毕业研究为止,相对学习而言,他更爱打棒球和麻将。野依的父亲当时是民营化工企业的技术专家,并担任企业研究所所长。野依在小学即将毕业之前,就在跟随父亲参加的讲演会上,听到了“尼龙可由煤、水和空气制造而成”这句话,并受到了较大影响,决心将来沿着化学的道路发展自己。
  高中毕业后,野依立即考入京都大学工学部,学习工业化学专业,并在大学毕业后,考入研究生院继续学习深造。在研究生院修完课程以后,他打算去民营企业工作。但是,在他修完硕士课程的时候,他的指导老师野崎先生晋升为教授并聘请他为助教。与白川不同的是,野依的研究领域很广泛,发表的文章也很多:在学习硕士课程的两年间,他发表了3篇论文;在担任助教的五年间,他发表了30篇论文。
  野依频繁地参加各种研究活动,他的才能很快就引起了同行的关注。1968年,野依晋升为名古屋大学副教授。不久,他就去美国Harvard大学留学。一年的留学经验特别是他听过Osborn副教授的无机化学课程,这对于他以后的研究起到了很大作用[4]107-108。回国工作了三年以后,他就晋升为教授。这样快的职称晋升速度在日本是一个特例。
  野依以其从事的“不对称合成反应的研究”荣获了诺贝尔奖。在此之前,他先后获得了日本化学会奖、日本学士院奖、文化勋章、美国化学会Cope奖等许多项大奖。这一点也与在荣获诺贝尔奖之前只获得过高分子学会奖的白川形成了对比。
  
  1. 镜像异构体与不对称合成
  在有机化合物中,我们把组成分子的要素虽然完全相同但其结构不同的两种化合物称为“异构体”。其中,我们又把组成分子的要素的位置呈左右分布的两种化合物称为“镜像异构体”(注:组成分子的要素的位置排列与其实体形成了镜与像的关系,所以称之为“镜像异构体”。),并把其中的一方称为“D型”,把另一方称为“L型”。这两种物质的化学性质虽然相同,但是,它们的生理作用却不同。例如,在谷氨酸中,L型谷氨酸有很好的味道,在日本,它被称为“味素”并受到消费者们的喜爱;D型谷氨酸却完全没有味道。在酞胺哌啶酮中,D型酞胺哌啶酮是一种高效催眠剂;而L型酞胺哌啶酮却具有一种可怕的催畸性,当妊娠妇女服用它的时候,它就会使胎儿的手脚变成畸形。
  在一般情况下,如果通过化学途径合成镜像异构体,就会以50比50的比例同时产生D型和L型两种化合物,很难只合成其中的一种化合物(我们把这种合成反应过程称为“不对称合成”)。在合成酞胺哌啶酮的时候,由于人们不知道L型酞胺哌啶酮具有催畸性,因此,人们把合成出来的两种酞胺哌啶酮的混合物作为睡眠药拿到市场上去销售。结果,服用它的大多数妊娠妇女生出了畸形儿。如果人们掌握了这种不对称合成反应技术,那么,就应该不会发生上述悲惨的事件。
  然而,在自然界中,几乎所有的镜像异构体却不是成对存在的。例如,在谷氨酸中,只存在L型谷氨酸而不存在D型谷氨酸;在葡萄糖中,只存在D型葡萄糖。其原因是,在生物体内,存在着“酶”这种催化剂——即所说的一种“铸模”,各个物质都按照这种“铸模”的要求被合成出来。例如,就谷氨酸而言,在生物体内,只存在着L型的铸模。这样,当在生物体内合成谷氨酸分子的时候,构成这种分子的各个要素,就会在与L型的铸模相符合的位置上形成谷氨酸分子。其结果,必然只生成L型谷氨酸分子,而不会生成D型谷氨酸分子。
  这样,生物体借助于酶的帮助,常常只发生不对称合成反应。因此,如果我们能够创造出具有与酶相同机能的铸模,那么,不管是在实验室还是在工厂,就能够进行不对称合成反应了。之所以授予野依诺贝尔化学奖(2001年),就是因为他研制出了具有这种机能的铸模——即用于不对称合成反应的催化剂。
  
  2. 研究方法及其背景
  野依最初从事的是“不对称Carbene反应研究”,其研究成果以论文的形式于1966年发表了。这项研究虽然不是以不对称合成本身为目的的研究[4]104-106,[5]7-8,但是,野依在这项研究中发现,某种镜象异构体的D型和L型是以45比55的比率生成出来的。就是说,尽管不完全但它们确实发生了不对称合成反应。但是,野依在当时并没有立即开展这项研究。他在从美国留学回国以后,于1974年再次开展了这方面的研究。这项研究主要是由高谷秀正副教授在野依指导下完成的。他们在经过6年反复进行试错实验以后,最后成功地合成出了纯度大约为100%的L型薄荷醇(薄荷香气的组成成分)。这种合成技术在日本国内被工业化,其产品也被出口到海外。

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