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布拉格開創X射線繞射的春天

文 / 邱韻如(任教長庚大學 通識中心物理科)

2012年12 月,澳洲阿得雷德大學(The University of Adelaide)舉辦一場晶體學的研討會,主題是紀念布拉格父子X射線繞射研究一百週年。

這對諾貝爾獎級的父子是澳洲南部人,爸爸亨利布拉格(Henry Bragg,1862~1942)畢業於劍橋大學三一學院,曾在卡文迪西實驗室學習物理,23歲時就當上了阿得雷德大學物理系的教授。兒子勞倫斯布拉格(Lawrence Bragg, 1890~1971)於1905年進入阿得雷德大學,三年後取得學士學位。1909年,這對父子前往英國,爸爸在里茲大學(University of Leeds)工作,兒子則進入爸爸的母校劍橋大學三一學院,之後進入卡文迪西實驗室,在爸爸的指導老師J.J.湯木生(J. J. Thomson, 1856~1940)的指導下從事科學研究。

神奇X光照出晶體結構

1895年底,倫琴(Roentgen, 1845~1923)發現轟動世界的X射線,隔年,老布拉格已用自製的X射線管幫不慎摔傷的6 歲小布拉格照骨頭。X射線雖然在發現後立刻被用於醫療,也吸引許多物理學家作了大量的實驗及理論研究,但直到1912年,其物理性質還不明朗。

1912年,勞厄(Maxvon Laue, 1879~1960)利用晶體,證實了X射線是一種電磁波並測出其波長。這個研究引起了長期關注X射線的布拉格父子的高度注意。在勞厄這篇論文發表的四個月後,1912年11月11日,小布拉格發表了一篇以〈晶體對短波長電磁波的繞射〉為題的論文。在這對父子的努力下, 1913年底,用X 射線分析晶體結構已逐漸成為一門嶄新的分析技術。

1914年諾貝爾物理獎由勞厄獲得,1915年則頒給了布拉格父子,當時小布拉格才25 歲,時至今日他還是史上最年輕的諾貝爾獎得主。

   
布拉格父子因X射線對晶體結構的分析研究,而獲得1915年的諾貝爾物理
學獎。(左)父:亨利布拉格(右)子:勞倫斯布拉格。

布拉格兩度接替拉塞福職位

1919年秋天,小布拉格前往曼徹斯特大學接替拉塞福(Rutherford, 1871~1937)出任物理系主任。在1919~1937年期間,拉塞福在劍橋大學主持卡文迪西實驗室,小布拉格在曼徹斯特大學建立X射線晶體學實驗室,並開創以傅立葉級數來分析各種矽酸鹽礦物晶體結構的方法,許多科學家都到那兒學習與進行X射線繞射技術探測晶體,曼徹斯特大學成為名聞世界的X 射線晶體結構分析研究中心。

1938年,小布拉格回到卡文迪西實驗室,接替拉塞福遺留下的職務。在他連續三屆擔任主任領導卡文迪西實驗室的15年間,以X射線繞射為探測工具,開創了生物大分子如蛋白質與DNA 的結構研究。

繞射對象從礦物轉向生物分子

布拉格父子創建的X射線繞射研究晶體結構的方法,引領科學家進入微觀世界,在繞射過各種矽酸鹽等礦物之後, 1930年代,有一些好奇的科學家將X射線轉向探測生命物質的結構。

化學鍵研究的先驅鮑林(Pauling,1901~1994, 1954年諾貝爾化學獎得主)於1930年代中期,在加州理工大學接觸到一批生物學大師,開始對生物大分子結構研究產生了興趣。他以攻讀博士學位期間所學習的X射線繞射晶體結構的方法,測定血紅蛋白的結構,後來又進一步研究蛋白質結構;1950年,他提出蛋白質是α螺旋結構,為DNA的雙螺旋結構探究,奠定了基礎。

英國物理學家白納耳(Bernal, 1901~1971),早在1920年代就跟隨老布拉格一起從事X 射線繞射研究,他們曾多次試圖用X 射線拍攝蛋白質結構,卻屢屢失敗。1934年,白納耳小組終於成功拍攝到一張蛋白質的X 繞射圖,小布拉格稱其為蛋白質分子研究的先驅。英國晶體學家和分子生物學家佩魯茲(Perutz, 1914~2002),23歲即進入卡文迪西實驗室學習X 射線分析技術,並跟隨白納耳進行血紅蛋白晶體的X 射線繞射實驗。小布拉格接掌卡文迪西實驗室後,對佩魯茲的繞射實驗,驚嘆不已,因為過去他們分析的分子頂多只有幾十個原子,而佩魯茲所研究的卻是動輒數萬個原子的複雜結構,小布拉格大膽堅信可以用X 射線來研究蛋白質大分子,在他們鍥而不捨研究分析了25年後,終於解開了複雜的蛋白質結構。

薛丁格對分子生物學的影響

量子力學大師薛丁格(Schrödinger, 1887~1961),對X射線繞射研究對象從無生命的礦物晶體轉向生命物質,起了推波助瀾的作用,深深影響了生物學的發展。1943年薛丁格在都柏林的三一學院進行一系列的通俗科學演講,隔年集結成《生命是什麼?》一書出版,這本書讓許多物理及化學家紛紛轉而研究生物學,許多重量級的分子生物學家,包括發現DNA結構的華生(Watson, 1928~)、克里克(Crick, 1916~2004)和威爾金斯(Wilkins, 1916~2004)都曾表示他們深受這本書的啟發及影響。

諾貝爾獎搖籃—卡文迪西實驗室

1950年代初,DNA的研究在卡文迪西實驗室轟動上演,四位男女主角華生、克里克、威爾金斯及富蘭克林(Rosalind Franklin, 1920~1958)均是或曾是卡文迪西實驗室的成員。1953年,DNA結構之謎解開,佩魯茲也發現了解決蛋白質分子結構分析的關鍵。1962年,華生、克里克、威爾金斯因DNA結構而獲諾貝爾生物醫學獎,佩魯茲和肯德魯(Kendrew, 1917~1997)因蛋白質的研究獲諾貝爾化學獎,雖然這兩項均非物理獎,但幕後推手都是在卡文迪西實驗室領導X光繞射和分子生物學研究的小布拉格。

造就了近三十位諾貝爾獎大師的卡文迪西實驗室,被稱為諾貝爾獎搖籃,不僅是世界各地物理學家嚮往的聖地,更因這些分子生物學的研究,使20 世紀生物學產生重大變革,小布拉格所扮演的角色功不可沒。

原刊載於 科學月刊 第四十四卷第一期

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