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计算机科学对化学学科发展的影响_树人讲坛.第二辑

时间:2020-08-05 百科知识 联系我们

计算机科学对化学学科发展的影响_树人讲坛.第二辑

王艳

主持人:老师们,同学们,大家晚上好!欢迎进入每周一的树人讲坛,我是主持人吴爽。这次我们非常荣幸地请到了王艳花博士,王博士在2005年获得化学理学博士学位,同年进入浙江大学博士后流动站,主要研究方向为计算机化学,先后主持了浙江省自然科学基金浙江省博士后基金等项目。“以扎实的理论功底潜心教学,以严谨的师德风范精心育人”是王艳花老师教学工作一贯恪守的座右铭,她以学生成才为本,密切关注学科专业发展前沿,着力科学教研,在探索民办高校大学生在学习能力发展新学习方法中,走出了一条新的路子。下面我们用掌声欢迎王博士上台为我们演讲。

王博士:各位同学晚上好!首先我感谢大家在这百忙之中来听我的报告。其实呢,也谈不上是报告,我这里主要是想把近几年来一些研究的体会,跟大家分享一下,同时对化学学科发展的一些认识与大家共勉。

我今天来到这个礼堂里面,感受到压力和动力并存,首先看到同学对这个学术讲座如此热情,我非常地感动,这也是给我的压力所在。我也担心今天我所谓的报告会不会让大家失望,另外也促使我今后教学要更加努力。因为我看到了我们树人大学的学生,对现在的学习包括这个学术讲座是非常感兴趣的。所以说,我们现在应该有一些改变了,为什么呢,原来总说我们树大学生不爱学习,现在其实更要反思的是教师如何把学生的学习兴趣激发起来,应该从我们自身来找原因!

今天给大家的演讲报告的题目是“计算机技术对化学学科发展的影响”。这个影响不是对它的学术发展水平来讲的,而是讲社会上对于化学学科的一些看法。现在就从以下几个方面给大家介绍一下。

从化学发展的现状来介绍。现状主要是针对现在的社会如何对于化学这个学科的看法。我们在座的同学都经历过高考填报志愿的痛苦选择,想必你们第一志愿选择化学学科的不是很多。原因是我们很多同学甚至家长对于化学学科实际上不是很了解,这是我要给大家介绍的第一个方面,就是我们现在化学发展现状是怎么样的。

第二个方面,我要给大家介绍一下化学学科的特点,也就是从自然科学这个角度看看化学学科的特点。

第三个方面,也许大家从高中的时候认为化学只是一种实验性的科学,那么是不是化学就没有理论呢?这是我给大家要讲的第三方面,理论化学的基础。

第四个方面,计算机对于化学学科的推动作用。

这四个方面,我给大家逐一介绍。

化学发展的现状。这个现状想必大家比我更了解,几年前北大的化学系学生会对本科的调研显示:75%的同学都认为化学是一门成熟的学科,它只是简单的重复的做实验,没有什么理论可言的。那事实上是不是这样的呢?化学已经作为一个成熟的学科,尤其是咱们中国大陆的化学学科一点都不比其他国家的学科的落后,如果从几大学科接轨来说,化学学科实际上是在我们国内发展最为成熟的学科,那么为什么在国内它会出现这样一种大家都不愿去报考的情况呢?从我个人的观点来讲,我认为化学家太谦虚了,我这样说,主要有几个原因。20世纪一共有六大技术:

第一个,大家肯定是非常熟悉的,无线电、计算机、网络等技术。

第二个,基因重组、克隆以及生物芯片等生物技术,这也是当今比较热门的。

第三个,核科学、核武器、核生化、生物武器技术。

第四个,航天航空技术和导弹。

第五个,激光技术。

第六个,纳米技术。

这些我们统称为20世纪六大技术。但是大家想一下,在这六大技术里面,唯独没有提到化学学科,在这每一个技术中,如果说没有化学学科合成新材料,大家想这6大技术有没可能发展起来?但是为什么到现在这六大技术中迟迟没有提到化学,所以说,做化学的人还是太谦虚了,对不对?我们可以设想,如果没有化学技术,根本谈不上六大技术。我们再回想下,上面的六大技术,其实我们现在缺少一两个的话,我们人类照样生存,而且生存条件一点不差,为什么呢?其实这六大技术的发展同时带来了对于自然的一些破坏。但是如果我们没有合成的话,比如说这些合成氨、尿素用来生产化肥等,如果没有这些合成技术的话,那这一定范围的地球,养这么多人吃饭,没有化肥这一项,粮食一定大减产,人口一定会减少一半,如果没有合成抗生素以及新的药,现在人们很多疾病是无法治疗的,人类的寿命可能还要再缩短25年,当然这是一个预计。

在座的都知道三大合成,你看看自己身上穿的以及在你平常生活中,其实每时每刻都离不开三大合成,这些都是有机合成给大家带来的益处,但问题是,化学和化工界还是非常地谦虚,从来不提任何的抗议,我们实际上应该理直气壮地说:把六大技术作为20世纪新技术的话,首先得加上有机合成,而且应该排名第一。对不对?

反思自然科学,它的发展遵循了一定的规律,自然科学不光是化学、数理,都遵循了一定的规律。首先是提出问题,然后我们才解决问题,在解决问题的过程中伴随着新的科学家的诞生。数学界,20世纪最伟大的数学家哈尔波特,在1900年的时候提出了23个数学难题,其中,每一个难题的解决都诞生世界著名的数学家,到了2000年的时候世界数学协会又提出了7大数学难题,并且筹集了700万的美元作为悬赏,每解决一个难题奖励100万。

我们再看一下物理学,21世纪提出5个难题,第一是四个作用力场的统一问题,相对论量子力学的统一问题,第二个问题是对称性特缺问题,第三个是占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题,第四个是黑洞与类星体的问题,第五个是夸克问题。物理学提出的这几大问题将伴随着新的物理学家的诞生。生物学上,大家知道,21世纪生物学重大难题是什么,是后基因组学、蛋白质学、脑科学和生命起源,等等。这些自然科学家纷纷提出各自领域要解决的问题,可是我们化学家谦虚到没有提出任何具有针对性的问题,其实在解决这个问题的时候尤其在生物类的材料等问题里边离开化学是寸步难行的,我们再看一下化学学科的发展特点。

我们将自然科学分成三类:上、中、下,其中数学和物理学是高中或者大学的基础科学,我们称之为上游科学,而化学居中游,生命材料、环境等朝阳科学称之为下游科学。

我们知道,其实,物理和数学这两门科学相对来讲研究的对象比较单一,但是他们的知识比较深奥。我们再看一下下游科学,下游科学就类似我们生物、环境、材料,其实这类科学研究的对象非常复杂,涉及的变量非常多,那我们往往怎么办呢?对于这些下游科学,如果你在上游的物理和数学基础好的话,将这些知识运用到你所学的专业课上会起到事半功倍的作用。到现在还没有提到中游的化学,化学可以说是一个中心的科学,但是这个中心科学我们可以从两个方面来辨证地看,如果从好的方面看他,他是一个承上启下的科学,无论你研究怎样的复杂体系,想利用数学和物理这种下游的知识必经之路是化学,这是从好的方面。如果从不好的方面来说呢,其实对化学科学还有许多贬义词在里面,比如说他是所谓的伴娘科学、落日科学,以及逐渐消亡的科学,等等,这些实际上都是不客观的。

化学作为一门中心学科,与刚才谈到的八大学科具有交叉性,而且伴随这个交叉会产生许多新的学科,但是,在产生这些新的学科时,化学家又一次地谦虚了,为什么呢?很多与化学交叉产生的新学科在命名时,按理说不应该把化学这两个字抹杀掉,事实上是什么样子呢?大家看一下,比如说生物和化学的交叉没有叫生物化学而叫分子生物学。而事实上只是把化学知识运用到生物题里边而已,但是人家已经变异为分子生物学。再看生物大分子结构化学被称之为结构生物学,把化学两个字抹杀了。依次看一下,所谓的生物物理学、凝聚态物理学以及软物质物理学、原子分子物理学,其实这些科学都是和化学交叉得到的新的学科,但是都没有提到化学,所以作为化学家,应该为这些现象感到悲哀。再比如我们现在研究的最热门的人类基因组计划,这个计划说起来是很好听的,而且给我们外行感觉是很深奥的,其实他所用到的无非就是分析化学的一些知识,对这些基因组进行测试排列而已。社会上现在只知道基因组学,根本看不到化学学者们在这中间所起到的作用。

还有当今比较热门的,比如说分子芯片马达、分子导体、分子计算机等,我们把他统称为分子电子学,但是其实开创这方面研究的也是化学家,根据分子的结构,将所用的功能材料微小化而已,但还是没有提到化学。我们刚才说了化学和八大学科进行交叉,而这些八大学科都是上一世纪末到本世纪初新兴的科学,而且在这个新兴的科学里面,其实从化学界拉走很多人,我们国家在1977年以后开始发展计算机,那大家知不知道第一代计算机人员他们最早的专业是什么呢?

学生:化学家!

王博士:不是化学家,是数学家。所以说最早的搞计算机专业的人都是从数学改行来的。其实我们现在搞八大朝阳科学也都是从化学界拉过来的人。但是我们化学呢?其实往这些朝阳科学输送人才,人才流动本身是无可厚非的,我们只是希望得到社会的认可而已,让他们知道其实我们化学界的人是具有扎实基础的,去从事这八大学科的任何一类,都会作出贡献。

我们知道现在学外贸的也只是知道外贸市场的规则,但是真正具体到比如现在有许多化工的外贸,如果要一些具有化学基础的人再去学一点外贸的市场规则,那么这种综合性的人才比单独学外贸的人可能更受欢迎。还有,我知道,在浙大每年化学系的本科生就业形势非常好,原因是什么呢?包括我们刚才说的八大朝阳学科,比如说,搞材料的企业并不要搞材料的人才而要搞化学的人才,因为知道他具有扎实的化学基础,要把这种扎实的化学基础应用到复杂的体系里面去,他更得心应手,所以每年浙大化学系的就业情况是非常好的,我希望在座的生环学院的学生应该对你今后所要研究的方面充满希望才对,这是我个人的观点,我也不是很主观的,主要是从浙大了解到相关的具体的情况。

基于以上原因,其实主要还是因为很多人对化学学科的不了解。他们认为化学是没有理论的,我们国家化学理论的鼻祖唐敖庆先生,我不知道大家对这个名字是否熟悉,他是吉林大学的原校长。今年8月刚逝世,90多岁了,他说在19世纪的时候,化学有三大理论,这三大理论,无论是学文还是学理的你们在高中时都应该听说过这个科学的。

首先是经典的原子分子论,周期律、周期表,在初中的时候,应该就涉及这个问题,以及化学反应的质量作用定理,就是化学反应的时候跟这两者分子的浓度和它的碰撞概率有关系的,这是第三种。

20世纪三大理论成就分别是化学热力学、量子化学和分子反应动力学,这些可能对文科的同学来说比较深奥。这里我并不是要讲这些理论是什么,而是要给大家提醒:其实化学的理论基础也是非常扎实的。

我们再看一下,化学的理论研究,现在到底发展到了什么水平。在19世纪的时候,我们的确承认化学是一门实验的科学,它的研究方向方法主要是通过实验,但是到了20世纪下半叶的时候,随着量子化学在化学中的运用,化学已经不是纯粹的实验科学了,它的研究方法是集实验和理论为一体,其中,有一个大的飞跃,是在1998年的时候。大家都知道那年的诺贝尔奖是颁给了一个华裔的,他发明了一个叫荧光棒的,这也是在生物学上的应用,但是实际上他的这种应用还是基于化学的,所以他归为诺贝尔化学奖。而在1998年,也就是再倒退10年,诺贝尔化学奖授予给两个人KOHN和POPER,我国的陈敏波在颁奖公报里对于所获得的这个量子化学的诺贝尔奖,给了三点诠释。

一、量子化学已经发展成为广大化学家所使用的一种工具,将化学带入一个新的理论时代。在这个新时代里,实验和理论能够协力探讨分子体系的性质,化学不再是一个纯粹的实验科学了。

二、当接近20世纪90年代的时候,我们已经看到了化学理论和计算的研究有了很大进展,化学正在进行一场革命性的变化。这革命性的变化意思就是从原来的纯实验科学过渡到实验和理论兼得的,即一起来解决的一种实际问题的科学。

三、这项突破被广泛公认为近一二十年来化学学科最重要的成果之一,1998年时,量子化学获得诺贝尔奖,而量子化学的发展推动了化学理论的进展。国际上包括咱们国家的一些重点大学,量子化学已经由二级学科上升到一级学科,跟我们四大化学相平行。

我们看一下理论化学的基础是什么?化学是主要研究分子的构造、变换以及它的性质的科学。理论化学,它的研究对象还是与化学相关的一些过程,它所用的理论基础是数学和物理的定律,比如说牛顿定律、分子力学、量子力学定律,研究的手段是借助于计算机来实现的,通过分子建模,然后计算。其实,现在很多同学都参加了大学生的建模比赛,建模研究的对象,是一个实际的问题。如果是一个实际的化学问题,我们同样也可以利用数学的方法建模来计算,这样,我们把理论化学的研究手段或者说现在已经演变的,我们称之为计算机化学,它主要通过计算的手段来解决化学问题,而不只是通过实践来解决化学问题,所以我们说,利用计算机技术对化学的研究已经从实验到理论进行了变革。在新时代,计算机化学这一门学科的兴起,在化学的研究领域方面解决了很多迫切解决的问题。另外一点,由于计算机的普及与这二者的结合,相当于造成了天时、地利,使得原来一些可望而不可即的计算过程和非常复杂的无法实现的问题得以实现。

计算机化学所用到的科目有数学、计算机、物理学、药物学以及材料科学等,这些学科进行交叉渗透产生新的生长点,所以它实际是一个使用技术的基础,并深受当今计算机技术和网络通信技术飞速发展的影响,随着计算水平正不断地更新演变,可以想象计算机化学在化学中的地位。这也能帮助化学家在研究实际问题或化工产品时开辟新的捷径,并为讨论化学物质的奥秘,以及发现新知识打开大门。

其实计算机化学所研究的方面非常之多,计算机对化学的推动作用,举一例,推动作用就是以分子间相互作用力为基础,利用计算机基础在新药开发中进行分子模拟。

化学的研究对象从化学学科开始建立初到现在研究进展分为分子结构、亚分子结构、分子阶段、超分子阶段。所谓的超分子阶段就是研究由若干个分子组成的分子群的特点,这些性质特点,完全取决于分子间的相互作用。超分子化学也称为分子间的作用力,它与人类生物化学现象密切相关。到现在为止化学界在这方面达到了基本共识,注重分子间作用力,将会开辟全新化学领域,给化学带来了新的发展机遇。

分子间的相互作用力。石墨与金刚石都由碳组成,但因为碳之间的相互作用力不同造成价格差异很大。近年发现了足球锡,俄罗斯套娃这些新产品的生成并非是我们合成了新的分子,而是在分子的基础上通过改变分子间的作用力从而得到新产品。请看这就是足球锡,C60与足球的结构一样。这是由中科院院士厦门大学领衔的团队得到的C50,他的研究在美国一个权威的自然杂志上发布。

相继的还有纳米材料,各种纳米管的开发,这些纳米材料已经运用到航天技术上,它都是通过改善分子间这种力的相互作用。我们再看几个例子,这是我们在生物大分子里通过计算机的模拟技术把这些东西拍摄下来,我们可以看出来,这种在生物体里边大分子之间的结构,构象之间的变化,其实也是由于分子间产生的弱点相互作用力产生的,即我们所谓的超分子结构。这个蛋白质大的分子我们可以把它分为一级、二级结构,一级结构的话,只知道蛋白质是按照什么样的形式排列的,氨基酸的组成但真正的放在体内的它是盘旋在一起的,这种到底是盘旋的什么样的结构呢?也是由于他们之间的弱点相互作用力引起的。

比如说在SARS病毒里边,其实当时所谓的SARS病毒,它就是人类身体里或者跟猪体内一样有关冠状病毒,主要是由于冠状病毒它的空间结构发生了变异,并不是说它发生某些化学变化,就是由于它的分子结构发生了变异造成了这种病毒,产生了百年不遇的大流行。(www.guayunfan.com)

在这里,我们再列举一个例子。大家知道,材料科学可能是现在比较热门的,那材料科学用的是什么?大家看一下,这个图片里边,其实只是两种分子,他们彼此之间也有这种超分子作用力,我们通过改变这个分子结构,从而改变分子之间力的大小。在我们合成材料时,就可以针对你所需要的材料,是什么的强度让我们选择什么样的单体去合成,我们有的时候也将把分子间这种超分子力称之为建筑上的水泥,水泥可以将不同的砖粘在一起,产生各种结构,现在这种超分子结构也能达到这种作用,可以用不同的分子通过这种弱的作用力,把它粘在一起,产生新的晶体材料。

关于这种超分子作用力,它是在1987年的时候让研究它的三位学者分别获得了诺贝尔奖,从此之后超分子化学在这一方面的研究更进一步地发展了。

我们看一下,怎么用超分子结构来开发新药,怎样将计算机模拟技术应用到新药开发上来?一共分成四步,也叫做四要素。

一、在开发药物之前,明确将开发的药要针对其种病的靶标分子是什么?靶标分子比如说SARS病毒,到底是哪一种分子的变异造成这种病毒的流行,所以我们首先要知道它的靶标是什么。另外一个,我们光知道酶还不够,因为这种酶的分子非常之大,关键还要看一下,这种大分子里面哪几个原子位点发生变异,这是我们要研究的第一步,是生物靶标的选择,也是要合成的新药,它的作用就是要瞄准靶标,不让它进行复制了,靶标首先要先给它固定了。

二、检测这个模型的确定性,要确定这种模型,要检测靶标的正确性,这个当然需要大量的实验去做。

三、要针对已选的靶标,看一下具有什么样的小分子能跟靶标通过弱的作用力把它制约住,要找先导化合物。

四、找出先导化合物,并不是说这个药是先导化合物了。直接进行接触的时候先导化合物到体内后,它要有专一性,专一的选择,它只针对靶标具有相应作用,不影响体内其他酶的生物作用。

现在,靶标其实也发现到关键一步,到现在为止我们已经找到483个靶标,这个数字还在逐渐增加,随着我们检测技术的提高,靶标点能增加到一千多个。

另外一个发展,就是在筛选靶标的时候,技术逐渐更新。首先,我们知道,原来靶标筛选的时候是从整个动物体以及器官组织水平,现在已经发展到细胞或者是分子水平。我们看一下传统的药物设计,其实传统的药物设计相当于不停地往里面砸钱,投资非常高,而且周期非常长,你要合成一个新的药物,从生物学发现靶标到先导化合物,再到对先导化合物进行装饰等,这个周期非常长。投资高、周期长,势必造成这种药物开发风险大。

例如说,你在这个周期内90%的工作已经完成了,突然别的团队比你领先一步得到了这种药物,那你前面90%的工作就都白做了,前功尽弃了。所以说,周期长也会造成风险增高,但是一旦比别人更早一步的话那就意味着高利益。所以说药物研发竞争非常激烈,这也就是为什么现在的商人在投资的时候往往喜欢投资在药物的开发上。我们知道现在老百姓喊着药物治疗价格高,但是不能只看合成这个药所需要的成本是多少,这个成本要包括投资的费用,任何一种新药,都是把开发过程的成本加进去的。另外,我还要建议大家,其实对于每一种新药都有自己的专利,有它的保护期限,在这一个周期里,其他的厂家就不能生产这种药物,但是我们可以对这些药物进行简单的修饰。比如说,苯环对某一种靶标具有抑制作用,一家企业已经合成了这种药物,但是我如果在苯环上加一个甲基,它可能对这种病毒照样具有抑制作用,你原来的苯是作为一项专利,但是甲苯没有被专利保护。其实很多人可以打擦边球,相当于在专利保护边缘上还可以产生所谓的新药。

大家知道,任何一种新药,比如说人家的苯,它对于你研究的这种靶标具有抑制作用,但它是经过大量的长周期的运作得到的,而你一旦加上甲基之后,不要只看它对于病毒的靶标具有抑制作用,它并不能保证对体内其他的生物大分子没有副作用。如果你生病了,在买药的时候不要去追求所谓的新药、特效药,其实那些药很多都处于临床实验阶段,它不光价格贵,吃到肚子里以后的毒副作用很多都是没有得到验证的,所以我还是建议大家用传统的药物更保险一些。

我们看一下用计算机辅助设计开发一种药物。我们会把传统的药物设计——这种风险高、投资大的设计进一步改善。你想,如果一个药物设计所涉及的学科非常之多,涉及基因组的生物信息学、数学统计学、药物化学、有机药物化学、分子药理学、一般药理学,还有计算机科学、计算机化学等学科,其实我们设计一个新的药物,原理非常简单。我们把这个称之为锁钥原理,外面这一圈就是大的生物体的某一种酶,引起某一种病毒的酶,我们称之为受体,他中间插入的,像是钥匙一样,他是底物,就相当于我们提供的药物分子。药物分子和变异的受体如果彼此之间像钥匙一样,每一个环节都吻合起来的话,加入的钥匙就相当于抑制了受体进一步复制。那么它们是怎样进行非常严密的吻合的呢?其实这种弱的相互作用力的种类非常的多。这里我不给大家做详细地说明了。

这是我们通过计算机模拟得到的一个基因。这个大的环,黄色丝状的就是生物体的一个大分子,那里还有很多小分子,就是我们所谓的药物分子。这种药物分子和丝带状的大分子进行结合,就使得黄色丝带状分子无法自我复制了。这个图片比较清晰,艾滋病毒的一个药物分子,可以看到中间的药物小分子和大的生物病毒间相互结合在一起,切断了它的复制。

我们举这个例子,是中科院上海研究所所做的工作,他们的工作就是在研究SARS病毒。他们所用的计算机模拟软件称之为INSERT 2。SARA病毒这个大分子生物体里面有一个3CL。3CL在人的冠状病毒,包括在猪的病毒里面都有,后来发现SARS的病毒原理主要是由于3CL这个蛋白质发生了变异。发生变异后我们不知道这个病毒变异之前是怎么样的,要通过一些软件来研究,相当于看着孙子画他爷爷一样,这个方法叫做同源建模。通过这个软件让3CL认祖归宗,找到了它的祖宗。我们跟它祖宗对比就会发现它在某几个原子上发生了变异,这几个原子就可以作为我们靶标分子里的活性分子,下一步就是要把发生变异的分子,想办法用药物分子抑制住。

经过这些分析后为我们合成和开发新的SARS病毒提供了很多详细信息。这就是上海药物研究所研究出来的,用计算机模拟得到的。这个黄色的是病毒,其中红色的部分是发生的活性位点,就是真正发生变异的地方。我们就想办法在这个变异的地方放化合物与它进行结合,相当于有锁了,接下来就是怎么找到钥匙能把它吻合在一起。

把这个靶标锁定之后,下一步还是利用计算机技术在这个大病毒的活性位点把它放在计算机里面,我们找到一个数据库可以把我们所有的当今已经发现的人的化合物分子都已经涵盖在里面了。然后我们用一个非常高的、64个CPU的计算机对这个活性位点在数据库里面筛选,找出里面能和这种活性位点相匹配的小分子,最终我们发现了上百个可能具有匹配功能的分子,筛选时找到了这个钥匙。锁已经有了,再找钥匙。其中经过进一步研究,我们找到了19个这种小的化合物,我们把它们称之为先导化合物。那么这个先导化合物找到后再怎么办呢?

第一点,我们要对这个先导化合物作为钥匙的专一性进行以下判别,它对于病毒分子有吻合作用的同时对于另一种没有病毒的分子也有吻合作用,这样它就不专一,药物也就没有意义了。

第二点,优化化合物。就是说,这种小化合物,我们当时只是在计算机里面具有吻合作用,但是真正钥匙怎么进入锁,它不是在人体里面一插就可以的。服药也好,静脉注射也好,怎么让它到达活性位点的位置。

第三,如果上述两个问题已经解决,还要在动物体里面进行实验。

讲到这里,我们怎么把这些从计算机里得出的东西得以实现,如何实现先找靶目标,在分子数据库里面进行筛选,筛选以后的化合物分子怎么与大分子进行匹配?当然要借助计算机。其中在计算机方面用到最多的是化学信息学。

化学信息学主要的发展过程是什么?首先是化学文献和数据,它的积累速度非常快,每天有许多新的化学物质生成,伴随着这些新的化合物合成,我们对这种化合物的物理化学性质进行测试,迅速获得相关数据。对于这些数据,我们要进行归纳总结,相对来讲要滞后一些,那对于自然科学的发展规律来讲,其实通过大量的数据积累,在这基础上你要是善于发现规律,那这样就标志着一个新的发现。所以我们经常要求大学生要创新,其实在创新的同时更要善于总结创新成果,你可能也会有新的发现。

我们举几个例子来看看善于总结规律带来的好处。在17世纪的时候,天文学已经积累了几百个天体运动的数据,开普勒对这些数据进行分析,提出了天体运动的三大规律。他的工作又为牛顿经典力学的发现奠定了基础。19世纪60年代,化学界已经积累了数十种元素及相对应的化合物,门捷列夫通过对这些元素按一定规律进行排序,找出很多周期性变化的规律,这样就诞生了元素周期表。元素周期表的发现为今后在发现新的元素以及建立其他的原子模型指明了方向。

再看,上一个世纪30年代,积累了100多万种的化合物数据,大家在高中学过的化学键、共价键理论其实就是在总结这些已有数据的基础上归纳总结出来的。截止到现在,美国《化学文摘》所摘录的分子化合物物质的数量已经达到了上千万种。但是如今,世界上的化学家似乎对于利用这些数据库,总结这些数据的速度还是比较缓慢的。面对这些浩如烟海的数据,光靠人来处理是不行的,只有通过计算机来处理,而计算机科学与化学的学科交叉也是在此时应运而生的。

现在来总结一下,其实化学信息学就是利用计算机科学以及信息技术、数学理论等方法,与化学理论相结合,最后辅助化学家开展一些新的化学交叉的研究。如果我们对化学信息的加工在十多年之前是一些采集加工贮存的一些过程,那么,现在随着计算机技术的发展,包括人类对于编程技术的发展,它会更加强调什么呢?我们如何通过化学信息来发现新的知识呢?怎样通过计算机数据库来找这些有规律的东西呢?其中,我们现在用到的很多是虚拟实验。所谓虚拟实验是说已经发现和没有发现的化合物,只要是能设想结构的化合物都会出现在数据中,你用到什么,它就提供什么。对现在来讲,我们化学家相当于裁缝,你需要什么样的分子,它就能帮你合成。能够预测分子的结构及具有这种结构的分子有什么样的化学、物理属性,这些就是当今化学借助计算机所能达到的水平。

化学信息学在整个化学研究领域里总共可以分为三类:第一类是结构的确定,第二类是分子设计,第三类是分子合成设计。

化学信息学正是针对这三大领域,然后通过计算机模拟的方法来实现的。

第一类,首先建立各种各样的数据库。现在的数据库有很多,比如说有蛋白质数据库、核酸数据库,还有毒性化合物的数据库等。这些是计算机人员通过科学的方法分类得出的,而且更加方便我们搜索这些数据的相关信息。

第二类,已有的数据库,通过归纳、推理等将这些数据库的信息由量变成质,其实就相当于变成知识,我们再进行管理,使得这些知识得到更大化的利用。

第三类,我们利用化学信息学可以应用已有的化学量子理论对一些相关的化学问题展开深入的研究。前两类的方法是用大量的化学信息分析处理,它的核心主要是在于化学结构的分析比较,而第三类的方法则更加注重于化学个体的相关性,精确分析它的方法及应用等。

目前,化学信息学将化学与计算机交叉的这种学科已经、并将继续在制药、材料领域得到广泛的应用及发展。

总结一下,从刚才的化学学科来看,最早的时候,化学只有实验而没有采用任何理论;只能通过实验,没有计算。现在光有实验,通过实验计算,看他这个计算结果和实验是否吻合,那我们就不怀疑演变成先实验再计算的方法。就相当于裁缝师的作用,先说要什么样的材料,可以通过什么样的分子结构,需要材料的特点。所以说计算机和化学的结合已经孕育出了一个新的、更加数字化的学科方向。

最后总结一下今天的报告,所谓的计算机科学对化学的发展,计算机化学恰好融合了计算机技术、数字技术以及与化学相关的最新的研究领域。然后,通过某些传统的概念进行重新评估,更新以及采用纯理论化没有一点点实验。开发一系列综合性的数据化工具。这样通过一些未知的化合物,可以首先来推测它具有的一些性质。然后,通过对分子结构进行一系列化的规律研究后,找到这种性质与结构之间的相互联系,叫构效关系。有了结构,才有了预期的性质,然后再通过结构修饰或分子设计等一系列方法来预测分子的结构。所以说我们将理论化学、数据库、合成技术通过信息学把它们融合在一起,最终对我们预测反映已经合成,于是来预测某些化合物的工艺起到了非常重要的作用。

这样,新世纪的化学称之为数字化的化学。这种化学如果有计算机技术的加盟,对于化学具有扎实化学知识的同学来讲,今后化学学科的发展是非常具有挑战性的。所以在座的生环学院的学生今后应该更多地来关注化学学科的发展。好了我们今天就讲到这里。谢谢!

主持人:接下来是互动交流时间。刚才王老师给我们讲了化学发展的现状,及化学学科的特点。那么同学们有什么问题问王老师吗?

学生一:王老师,我想问我们化学专业的学生在就业上有什么问题吗?

王艳花:我从自己的观点来谈谈吧!不知大家是否知道,如今最热门专业的排行榜上就有生物、材料等学科。作为我们搞科研的人,就会希望自己的子女学一门技术。相对来说经济发达的国家,比如美国,学什么最热?哲学,政治学。因为对于他们来说,生存不是问题的情况下就希望通过改变人们的思想,来改造社会。但在发展中国家,我希望在座的各位多学一些自然科学技术来改造我们国家。在座的08级新生非常多,在我们生环学院,每年由于大家对化学不够了解,认为有环境污染等,就不太愿意学化学,但其实生环学院的学生就业率在树人大学是非常高的,尤其是分析专业的学生,很多同学在毕业之前就被签走了。这是我个人的看法。

学生二:计算机怎样保证化学研究的正确性?

王艳花:你提的这个问题非常好!比如说用一个甲烷分子,我们把他输入电脑,就可以计算出你所关心的关于甲烷的性质。这种计算采用的是分子力学,在计算这些方法的时候,以电子作为最小的单元。这里没有掺杂任何的模拟,或者是半经验的方法,完全是理论的,所以我们把这种计算有时候叫做从头算,就是从电子算起,对这种算法不要有任何怀疑,它具有扎实的物理、数学方法作为基础。

学生三:你说对化学不了解,那你当年为什么选择化学呢?

王艳花:我是1984年上的大学,可能在座的应该都还没出生。和当时的社会形式有关,当时特别崇拜那些化学工程师,穿着白大褂,在实验室里工作。对这门学科也不是很了解,只是心中的一种信仰。

主持人:谢谢同学,也谢谢王老师的讲座!今天我们的树人讲坛就全部结束了!

王艳花:谢谢同学!