今天，科学上的重要问题之一，是利用“活的”催化剂——酶，从空气中直接取得氮。解决这个问题，对于国民经济具有重大意义。关于从空气中固定氮的研究工作，还有另一个令人感兴趣的方面，就是鲜明地体现了现代科学探索的特征。

最近15年来，许多技术部门的专家最感兴趣的问题是仿生学。我们的化学家对这个问题当然也不能漠不关心。在生产中，适用生物进行化学反应的办法和规律，是非常诱惑人的。思 · 谢苗诺维院士提出的任务，就是要搞清“活的”催化剂——酶的结构，而且还要模仿其工作，一切活动都是从这开始的，我们现在已经担负起这一任务。

这样说来，我们的方向还是很含混的，我们的研究领域可以称之为化学仿生学。我们说它含混，是因为除了在科学上，特别是化学上的细致区分以外，同时，它还是各种学科的汇合和合成。如果从研究对象上看，那么，我们研究的是生物化学；如果从各种理论上看，我们的研究又算是量子化学；如果从解决这一任务的试验方法和手段上看，又偏重物理学，这么说，我们的方向就可以称之为化学物理学。

但如从我们所追求的目的上看，我们运用的是自然化学反应过程的原则和规律，那就仍然应该叫做化学仿生学。

任何事情的成功，应该先看所采用的方法。完全可以找到某种有助于解决问题的一般原则。

专家们只要稍微熟悉一下从事研究领域中的主要事实和方法，他们就可以根据一种有益的原则来开始着手解决这个完全新的问题。解决问题时用不着先去读权威论文，来束缚自己的思想，而应采取理论和实践并重的态度，在这里，符合实际的原则非常重要。

看起来，为了解决非常复杂的问题并取得成功，

就要选择最少的试验和用最短的时间，所以在实际进行研究时的每一阶段，都要检查一下，在解决当前的问题时你的方法、思想、态度是否符合实际，这一点非常重要。

以分子生物学为例，20年以前化学家、物理学家的真实结果是怎样发生的呢？可以看到，许多有才干的学者就是因为没有结合实际去运用自己卓越方法和高超技能，所以没有得到任何成就。他们中间有一些人，从普通分子的研究出发，想用同样的态度和标准去研究一些复杂的系统，如蛋白质、核酸和细胞膜。另有一些技术水平很高的分子物理学家，一般说来，开始从事“本行”以外的研究工作，特别是纯生物学的研究：新陈代谢、生物形态学、生理学，无论是他们，还是别的什么人，都不能取得任何成就。

用一个普通的例子就可以对符合实际的原则进行明显的解释，比如说，只根据极少的原始材料就要去侦破一个很复杂的案件。

假定，我们发现了一个尸体，在犯罪现场没有任何明显罪证，只有杀人的事实和一些间接的材料。例如，带口红痕迹的烟头，在衣服上残留一些在放大镜下才能看到的少许水泥，以及诸如此类的一些别的东西，这该怎么办呢？

可以进行挨户大搜查，可以审问全城每一个居民，然后把材料投入计算机中，让计算机做出答案。这种方法在理论上说是完全可能的，而在事实上，就不符合实际的原则。因为，这需要费去过多的时间和手段，而且，还涉及到破坏法制和法律。

也可采取另外的做法：你掌握一些城中居民的初步材料，而后，从已有的材料出发，开始进行分析，结合考虑在某些事件中某些人可能的表现，利用这大量的资料，让电子计算机提出可能性最大的几个嫌疑犯的材料。这种方法在理论上看是有可能的，可是，如与真实情况的要求比起来，仍然是不符合实际的。

事实上，如果按照侦探小说或影片的做法，应该是这样的：足智多谋的侦察员来到了犯罪现场，尽量收集罪证，然后运用自己的丰富经验和智慧，开始编制出各种假设的犯罪情节。对于可能性最大的情节，则使用多种多样的方法来进行验证。其中包括在有限范围内进行的两种侦察办法：例如，可对所有离开这个城市的人进行检查，或是对所有使用这种口红的吸烟女人进行检查。所有这些工作经常在不使用电子计算机的情况下进行。而只依靠洞察力和智慧来判断。

学者们在许多复杂的科研领域里工作时，也大致是这种情况。只有少量的原始材料，要在这样的基础上提出几种设想，在这里，科研的成功主要取决于熟练的专业知识、智慧和坚定的信心。可是许多生物学家、化学家和物理学家的不幸，就在于他们只注意科研中已经有经验的方面，而对其他方面却抱着轻视态度，例如，对于提出多种假说的方法不重视，不采用现代化的方法，因而使他们自己的才华大为减色。

思想应高于试验，应在试验之前就提出假说。这样一来，在试验时就会有一个清晰、明确规定好了的目的。

应该有一些包括各种可行方案的假说。而且还要随着对它们的检验和废弃，应再产生新的假说。这样做经常是有利的，对于任何一种假说，只要在某程度上合乎情理，就有理由研究到底。

我们的实验室是研究生物催化作用的，这在某种程度上可以说是生物化学，也可以说是分子生物学或是化学物理学。实验室的人员都是“正牌”的化学家和物理学家，他们所习惯的研究对象，通常是比生物学研究对象简单的原子或不大的分子。如以这些东西为催化辨，问题就不很复杂了。有一些似乎是研究苯分子的理论家，当然会用量子力学的观点来深刻、周密地考虑一切。可以把他们中的许多专家看作是“真正的”生物学家。

我们碰到了一个完全不同的问题，这个问题是：在大气的海洋中，氮的总重量为10¹⁵吨，可同时呢，在土壤中却感到严重的不足。这种缺氮的赤字在不断扩大，仅仅是每年的农产品，就从土壤中带走了约1亿吨氮。尽管人类做了最大的努力，现在仅能以无机化肥的形式每年供给农作物需氮量的20 ~ 30%，这些无机化肥中的氮，都以氮化物的形式存在。这就要求寻找一些简单的和廉价的在化合物中直接固氮的方法。

可是，从化学角度看做到这一点很困难，因为氮是一种高惰性元素。

可在另一方面，却存在着生物固氮作用的过程：每年有五亿吨氮被微生物轻易地固定了下来。而且还是在很温和的环境里进行的，即在普通的大气压力下、在正常的温度下、在有水的环境里固定下来的。我们过去已了解，固氮作用只能在根瘤菌中进行，而且有间接的迹象显示，其中要有金属参加：铁或是钼。或许还有别的金属元素。如果要问，为什么会猜想到这一些金属呢？因为，生物学家曾在缺少钼一类元素的环境里培养这些微生物，结果什么也培养不出来。于是，得出的一般概念是，在生物体中的化学反应，要由酶来起催化作用，因而就使我们想到；必须要有某些含钼的酶。这就是当时我们所了解的全部。

这时，就需要各种说法，需要各种幻想。

因而，我们开始幻想了，提出了许多种假说。而且开始“玩弄”这些假说，单纯进行抽象的推理判断。“在什么原则基础上可以合成氮呢？”假如，我们对于催化剂的构造一点也不了解，可是我们却在某种程度上了解化学，了解动力学，也了解为什么有一些可以进行化学反应，而另一些却不能，对于氮也就多少有点了解。知道了氮的物理和化学性质。即氮的分子由两个原子组成，而原子中又各含三对普通电子。确实，这就决定了氮分子的稳定性，以及它的原子完全不能与其它原子相化合。这就需要非常强的能量，能破坏氮分子中原子键的还原剂；才能让氮将原子释放出来，也才有可能组成我们所需要的化合物。我们决定用一些还原剂进行试验，这些还原剂一般化学家都有。我们要搞清楚，是什么样的活化能量才能使氮的原子释出。可事实证明，现有的许多还原剂都不能使氮分子起反应。

最困难的事情是打破第一对原子键，因为打破了第一对后才使以后的反应顺利些，关于这一点，已被化学家的传统经验所证实。但是，如果打破习惯的顺序，即在化学反应过程中，不是击破一对原子键后再击破另一对，而是一下子就同时击破两对呢？

在几个小时的“脑子活动”中，我们从化学观点出发，放弃了缓慢合成氮的方案，于是，突然产生了上面的想法。

我们认为，而且事实也证明，这种做法从能量消耗上看也是合算的。为了使这种反应得以进行，应同时输给氮分子几个电子——一个不起作用。

可能，在自然界中的反应也是这样：

我们赶快设法搞清这种固氮作用——原来，是—种在根瘤菌中含有的固氮酶在起作用。经化学分析证明，在这种蛋白物质的分子中有32个铁原子，至少还有2个钼原子。当我们知道固氮酶的成分中含有铁原子以后，马上就产生了个新问题：为什么需要铁原子？它们是怎样排列的？我们产生了一种想法，就是原子集中成二串，称为原子串积，而形成强大的电（子）容器。如只剩下一个原子，则从这个原子中可以取出一个电子，可是取出第二个电子就困难多了，那么，取第三个就更困难了，而当形成原子串积时，则可从许多原子中一下子取出许多电子。

我们每次都能制成这种固氮酶的模型。1967年制成的酶中有铁原子、钼原子以及有疑问的符号。等到1968年时，已提出多电子结构假说。我们把两个钼原子放在酶的活跃中心。原子串积假说就这样被提了出来，我们设想，由铁原子和硫原子形成一些滤孔。后来，研究成功可对复杂的高分子结构进行分析的特殊方法，为此，我们获得了国家奖。

现在，对于固氮反应的原理我们已经清楚了。但是，为了完成制造工业化固氮系统的任务，这个系统主要是得到肼、氨，或是其他有机含氮化合物，则还需要详细的结构知识和生产过程的机械知识。我们应从猜测和图表中走出来；转向严密的物理化学方面。因此，我们的任务是搞清楚，固氮酶活跃中心的分子式是什么样的，围绕着铁和钼的又是些什么原子，所有这些原子在空间上是怎样排列的，化学反应各阶段的顺序是什么，在固氮问题上我们要做的工作就是这些。

有时，要在说明同一种现象的许多假说中选择—个，这是一种必然的过程，不能看作是对时间、精力和物资的浪费。只有经过具体试验和理论计算，才能选定一种最接近真理的方案。如果不在科学上开展讨论和争辩，就不可能达到这个目的。

尼古拉 · 尼古拉耶维奇研究了放电现象，发展了关于反应过程串联结构的概念。按照这种概念，在反应系统内出现了带能量的电子，足可以从分子中把其余电子击出去，被击出的电子，又可以把另外的分子中的电子击出去，这样，就出现了雪崩式（连锁式）反应，也有些像滚雪球式反应。

在化学中，也发现了一些在性质上令人莫名其妙的现象。从表面看，好像和雪崩的过程一样。在这里，特别提到了磷的燃烧，这种反应是我们早就熟悉的。

化学家们熟知，化学试剂的浓度越大，反应得就越快。这是化学动 · 力学的主要法则之—（质量作用法则）。

可是看来，磷的燃烧反应和这个法则正相反。开始，随着氧的浓度不断增加，但还没有达到一定程度时，磷并不燃烧，后来，等到浓度达到一定程度，磷就突然而又猛烈地烧起来。可是，氧的浓度继续不断地增加时，燃烧着的磷又会突然熄灭。

尼古拉指出，这两种现象，不论是放电，还是磷的燃烧，从抽象的原则上看是相似的，都发生了雪崩式反应，都有某些活泼分子，其中的每一个分子，随着反应过程的发展，都能促使产生另一些……。这就形成了关于磷燃烧时链式反应的概念。但如我们用经验主义的态度去对待，看成是唯一正确的形式，那我们就不会得出前面所说的那种理论，也就不会广泛有效地用于实践了。

早些时候，在化学中应用了量子力学，在更早一些时候，出现了统计物理学。这两门科学——量子化学和统计物理学就可以在原则上解释上述的一切。

化学中的实用系统，特别是在分子生物学或生物物理学方面，甚至量子力学叙述的原则，几乎都是抽象概念。实际上，到现在也写不出蛋白质和酶的化学反应式，更不必说来解决这些问题和从中得出具体的数据了。因此，这里有一个成组配套思维原则。

在许多酶的结构中，原子串积占很重要的地位。原子串积是许多金属原子的凝聚团。这些原子团在合成复杂的生物组织中如同催化剂一样起重大的作用。在大量的生物化学反应中，完全可以把原子串积团看作是某种独立单位。暂时先不必去注意其结构，不必去详细研究其中元素的反应过程和化合过程。

尼古拉曾说，提出问题比解决问题还要难些。现在我们正认真研究光合作用问题。

H₂O是最普通的分子，在化学范围内，要把氢原子从这个分子中分离出来，所需的能量大得惊人：需要把水加热到几千度，才能使水分子分解为氢原子和氧原子。这就使我们得出一个结论，使用任何普通的氧化剂都不可能做到这一点。而在自然界中呢？这种反应过程完全可在温和的条件下进行！这就是说，需要一种进行温和反应的手段，这就是我们要寻找的原子串积团，以便可以一下子夺下许多电子来。

有一些迹象说明，水的分解首先要有一个或几个锰原子参加，如果试着把它所含的锰取出，则光合作用就要停止。而当再放入二价锰时，反应过程就又重新开始。但是，在整个反应过程中，是哪一组锰原子对水能够起化合作用，对我们说来，有关这方面的知识还不够。我们必须了解，在原子串积中有多少锰原子，它们处于什么状态，具体如何排列，互相之间有多大距离。

现在，已经获得有效的假说，根据这种假说，在进行光合作用时，要发生电子从酶的活跃中心转向被氧化分子的所谓隧道式迁移现象，隧道式迁移现象就是电子的转移不像在典型的反应过程中那样，要进行互相之间碰撞，而是能够渗过去，或者就像人们常说的，能够在一定距离内钻过去。

这就是“多种思想储备”（多种假说并存）的方法取得成效的范例，也是多种抽象知识能够实现对接的例证。

隧道式结构是核子物理中早已熟悉的结构。后来，主要是伏 · 依 · 果里丹斯基又在化学反应中提出了“隧道式”的思想。

60年代初期，在美国学者戴 · 伏尔特和钦斯的，科学著作中，提出了光合作用也有类似反应过程的看法。

这些思想只是短时期地、平静地在向前发展，可是在近期以来，对这个问题的兴趣猛烈地增长了。

从我们的试验结果看，尤其是按照上述路子进行的试验来看，好像只有配合着隧道式结构，当酶的活跃中心按一定距离散开以后，由光能转化为化学能的反应过程才得以进行。

目前，关于光合作用隧道式结构的研究工作，正在莫斯科大学鲁宾教授的实验室以及其他一些研究所的实验室中进行。我们已和鲁宾教授的实验室联合了起来，因而取得了重要的成果。在解决这一问题中我们做出的贡献，就是使用了已试验成功的在酶的活跃中心上划距的新方法，而且正是这种新方法帮助我们破译了（揭开了）固氮酶的秘密，并搞清了固氮酶的新性质——原子串积性。

对于内部活动（生物分子的呼吸作用）的研究也取得了显著的成果。已经查明，在光合作用的初期阶段，只有这些分子能够进行“呼吸”时，进行为合作用的效率才最高。

这是我们现在研究，的问题，也是我们应该解决的任务，这些任务十分复杂而又紧迫。一般说来，像这样复杂的问题，单纯使用一种方法是不可能解决的。这就需要互相配合、合作，因而，在一个实验室内、在一个研究所内，甚至在一国范围内都是个很不容易解决的问题。

[Знαнue-cuлα，1979年第7期]