王艷花

主持人：老師們，同學們，大家晚上好！歡迎進入每周一的樹人講壇，我是主持人吳爽。這次我們非常榮幸地請到了王艷花博士，王博士在2005年獲得化學理學博士學位，同年進入浙江大學博士后流動站，主要研究方向為計算機化學，先后主持了浙江省自然科學基金浙江省博士后基金等項目?！耙栽鷮嵉睦碚摴Φ诐撔慕虒W，以嚴謹?shù)膸煹嘛L范精心育人”是王艷花老師教學工作一貫恪守的座右銘，她以學生成才為本，密切關注學科專業(yè)發(fā)展前沿，著力科學教研，在探索民辦高校大學生在學習能力發(fā)展新學習方法中，走出了一條新的路子。下面我們用掌聲歡迎王博士上臺為我們演講。

王博士：各位同學晚上好！首先我感謝大家在這百忙之中來聽我的報告。其實呢，也談不上是報告，我這里主要是想把近幾年來一些研究的體會，跟大家分享一下，同時對化學學科發(fā)展的一些認識與大家共勉。

我今天來到這個禮堂里面，感受到壓力和動力并存，首先看到同學對這個學術講座如此熱情，我非常地感動，這也是給我的壓力所在。我也擔心今天我所謂的報告會不會讓大家失望，另外也促使我今后教學要更加努力。因為我看到了我們樹人大學的學生，對現(xiàn)在的學習包括這個學術講座是非常感興趣的。所以說，我們現(xiàn)在應該有一些改變了，為什么呢，原來總說我們樹大學生不愛學習，現(xiàn)在其實更要反思的是教師如何把學生的學習興趣激發(fā)起來，應該從我們自身來找原因！

今天給大家的演講報告的題目是“計算機技術對化學學科發(fā)展的影響”。這個影響不是對它的學術發(fā)展水平來講的，而是講社會上對于化學學科的一些看法?，F(xiàn)在就從以下幾個方面給大家介紹一下。

從化學發(fā)展的現(xiàn)狀來介紹?，F(xiàn)狀主要是針對現(xiàn)在的社會如何對于化學這個學科的看法。我們在座的同學都經歷過高考填報志愿的痛苦選擇，想必你們第一志愿選擇化學學科的不是很多。原因是我們很多同學甚至家長對于化學學科實際上不是很了解，這是我要給大家介紹的第一個方面，就是我們現(xiàn)在化學發(fā)展現(xiàn)狀是怎么樣的。

第二個方面，我要給大家介紹一下化學學科的特點，也就是從自然科學這個角度看看化學學科的特點。

第三個方面，也許大家從高中的時候認為化學只是一種實驗性的科學，那么是不是化學就沒有理論呢？這是我給大家要講的第三方面，理論化學的基礎。

第四個方面，計算機對于化學學科的推動作用。

這四個方面，我給大家逐一介紹。

化學發(fā)展的現(xiàn)狀。這個現(xiàn)狀想必大家比我更了解，幾年前北大的化學系學生會對本科的調研顯示：75%的同學都認為化學是一門成熟的學科，它只是簡單的重復的做實驗，沒有什么理論可言的。那事實上是不是這樣的呢？化學已經作為一個成熟的學科，尤其是咱們中國大陸的化學學科一點都不比其他國家的學科的落后，如果從幾大學科接軌來說，化學學科實際上是在我們國內發(fā)展最為成熟的學科，那么為什么在國內它會出現(xiàn)這樣一種大家都不愿去報考的情況呢？從我個人的觀點來講，我認為化學家太謙虛了，我這樣說，主要有幾個原因。20世紀一共有六大技術：

第一個，大家肯定是非常熟悉的，無線電、計算機、網絡等技術。

第二個，基因重組、克隆以及生物芯片等生物技術，這也是當今比較熱門的。

第三個，核科學、核武器、核生化、生物武器技術。

第四個，航天航空技術和導彈。

第五個，激光技術。

第六個，納米技術。

這些我們統(tǒng)稱為20世紀六大技術。但是大家想一下，在這六大技術里面，唯獨沒有提到化學學科，在這每一個技術中，如果說沒有化學學科合成新材料，大家想這6大技術有沒可能發(fā)展起來？但是為什么到現(xiàn)在這六大技術中遲遲沒有提到化學，所以說，做化學的人還是太謙虛了，對不對？我們可以設想，如果沒有化學技術，根本談不上六大技術。我們再回想下，上面的六大技術，其實我們現(xiàn)在缺少一兩個的話，我們人類照樣生存，而且生存條件一點不差，為什么呢？其實這六大技術的發(fā)展同時帶來了對于自然的一些破壞。但是如果我們沒有合成的話，比如說這些合成氨、尿素用來生產化肥等，如果沒有這些合成技術的話，那這一定范圍的地球，養(yǎng)這么多人吃飯，沒有化肥這一項，糧食一定大減產，人口一定會減少一半，如果沒有合成抗生素以及新的藥，現(xiàn)在人們很多疾病是無法治療的，人類的壽命可能還要再縮短25年，當然這是一個預計。

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，其實每時每刻都離不開三大合成，這些都是有機合成給大家?guī)淼囊嫣帲珕栴}是，化學和化工界還是非常地謙虛，從來不提任何的抗議，我們實際上應該理直氣壯地說：把六大技術作為20世紀新技術的話，首先得加上有機合成，而且應該排名第一。對不對？

反思自然科學，它的發(fā)展遵循了一定的規(guī)律，自然科學不光是化學、數(shù)理，都遵循了一定的規(guī)律。首先是提出問題，然后我們才解決問題，在解決問題的過程中伴隨著新的科學家的誕生。數(shù)學界，20世紀最偉大的數(shù)學家哈爾波特，在1900年的時候提出了23個數(shù)學難題，其中，每一個難題的解決都誕生世界著名的數(shù)學家，到了2000年的時候世界數(shù)學協(xié)會又提出了7大數(shù)學難題，并且籌集了700萬的美元作為懸賞，每解決一個難題獎勵100萬。

我們再看一下物理學，21世紀提出5個難題，第一是四個作用力場的統(tǒng)一問題，相對論和量子力學的統(tǒng)一問題，第二個問題是對稱性特缺問題，第三個是占宇宙總質量90%的暗物質是什么的問題，第四個是黑洞與類星體的問題，第五個是夸克問題。物理學提出的這幾大問題將伴隨著新的物理學家的誕生。生物學上，大家知道，21世紀生物學重大難題是什么，是后基因組學、蛋白質學、腦科學和生命起源，等等。這些自然科學家紛紛提出各自領域要解決的問題，可是我們化學家謙虛到沒有提出任何具有針對性的問題，其實在解決這個問題的時候尤其在生物類的材料等問題里邊離開化學是寸步難行的，我們再看一下化學學科的發(fā)展特點。

我們將自然科學分成三類：上、中、下，其中數(shù)學和物理學是高中或者大學的基礎科學，我們稱之為上游科學，而化學居中游，生命材料、環(huán)境等朝陽科學稱之為下游科學。

我們知道，其實，物理和數(shù)學這兩門科學相對來講研究的對象比較單一，但是他們的知識比較深奧。我們再看一下下游科學，下游科學就類似我們生物、環(huán)境、材料，其實這類科學研究的對象非常復雜，涉及的變量非常多，那我們往往怎么辦呢？對于這些下游科學，如果你在上游的物理和數(shù)學基礎好的話，將這些知識運用到你所學的專業(yè)課上會起到事半功倍的作用。到現(xiàn)在還沒有提到中游的化學，化學可以說是一個中心的科學，但是這個中心科學我們可以從兩個方面來辨證地看，如果從好的方面看他，他是一個承上啟下的科學，無論你研究怎樣的復雜體系，想利用數(shù)學和物理這種下游的知識必經之路是化學，這是從好的方面。如果從不好的方面來說呢，其實對化學科學還有許多貶義詞在里面，比如說他是所謂的伴娘科學、落日科學，以及逐漸消亡的科學，等等，這些實際上都是不客觀的。

化學作為一門中心學科，與剛才談到的八大學科具有交叉性，而且伴隨這個交叉會產生許多新的學科，但是，在產生這些新的學科時，化學家又一次地謙虛了，為什么呢？很多與化學交叉產生的新學科在命名時，按理說不應該把化學這兩個字抹殺掉，事實上是什么樣子呢？大家看一下，比如說生物和化學的交叉沒有叫生物化學而叫分子生物學。而事實上只是把化學知識運用到生物題里邊而已，但是人家已經變異為分子生物學。再看生物大分子結構化學被稱之為結構生物學，把化學兩個字抹殺了。依次看一下，所謂的生物物理學、凝聚態(tài)物理學以及軟物質物理學、原子分子物理學，其實這些科學都是和化學交叉得到的新的學科，但是都沒有提到化學，所以作為化學家，應該為這些現(xiàn)象感到悲哀。再比如我們現(xiàn)在研究的最熱門的人類基因組計劃，這個計劃說起來是很好聽的，而且給我們外行感覺是很深奧的，其實他所用到的無非就是分析化學的一些知識，對這些基因組進行測試排列而已。社會上現(xiàn)在只知道基因組學，根本看不到化學學者們在這中間所起到的作用。

還有當今比較熱門的，比如說分子芯片馬達、分子導體、分子計算機等，我們把他統(tǒng)稱為分子電子學，但是其實開創(chuàng)這方面研究的也是化學家，根據分子的結構，將所用的功能材料微小化而已，但還是沒有提到化學。我們剛才說了化學和八大學科進行交叉，而這些八大學科都是上一世紀末到本世紀初新興的科學，而且在這個新興的科學里面，其實從化學界拉走很多人，我們國家在1977年以后開始發(fā)展計算機，那大家知不知道第一代計算機人員他們最早的專業(yè)是什么呢？

學生：化學家！

王博士：不是化學家，是數(shù)學家。所以說最早的搞計算機專業(yè)的人都是從數(shù)學改行來的。其實我們現(xiàn)在搞八大朝陽科學也都是從化學界拉過來的人。但是我們化學呢？其實往這些朝陽科學輸送人才，人才流動本身是無可厚非的，我們只是希望得到社會的認可而已，讓他們知道其實我們化學界的人是具有扎實基礎的，去從事這八大學科的任何一類，都會作出貢獻。

我們知道現(xiàn)在學外貿的也只是知道外貿市場的規(guī)則，但是真正具體到比如現(xiàn)在有許多化工的外貿，如果要一些具有化學基礎的人再去學一點外貿的市場規(guī)則，那么這種綜合性的人才比單獨學外貿的人可能更受歡迎。還有，我知道，在浙大每年化學系的本科生就業(yè)形勢非常好，原因是什么呢？包括我們剛才說的八大朝陽學科，比如說，搞材料的企業(yè)并不要搞材料的人才而要搞化學的人才，因為知道他具有扎實的化學基礎，要把這種扎實的化學基礎應用到復雜的體系里面去，他更得心應手，所以每年浙大化學系的就業(yè)情況是非常好的，我希望在座的生環(huán)學院的學生應該對你今后所要研究的方面充滿希望才對，這是我個人的觀點，我也不是很主觀的，主要是從浙大了解到相關的具體的情況。

基于以上原因，其實主要還是因為很多人對化學學科的不了解。他們認為化學是沒有理論的，我們國家化學理論的鼻祖唐敖慶先生，我不知道大家對這個名字是否熟悉，他是吉林大學的原校長。今年8月剛逝世，90多歲了，他說在19世紀的時候，化學有三大理論，這三大理論，無論是學文還是學理的你們在高中時都應該聽說過這個科學的。

首先是經典的原子分子論，周期律、周期表，在初中的時候，應該就涉及這個問題，以及化學反應的質量作用定理，就是化學反應的時候跟這兩者分子的濃度和它的碰撞概率有關系的，這是第三種。

20世紀三大理論成就分別是化學熱力學、量子化學和分子反應動力學，這些可能對文科的同學來說比較深奧。這里我并不是要講這些理論是什么，而是要給大家提醒：其實化學的理論基礎也是非常扎實的。

我們再看一下，化學的理論研究，現(xiàn)在到底發(fā)展到了什么水平。在19世紀的時候，我們的確承認化學是一門實驗的科學，它的研究方向方法主要是通過實驗，但是到了20世紀下半葉的時候，隨著量子化學在化學中的運用，化學已經不是純粹的實驗科學了，它的研究方法是集實驗和理論為一體，其中，有一個大的飛躍，是在1998年的時候。大家都知道那年的諾貝爾獎是頒給了一個華裔的，他發(fā)明了一個叫熒光棒的，這也是在生物學上的應用，但是實際上他的這種應用還是基于化學的，所以他歸為諾貝爾化學獎。而在1998年，也就是再倒退10年，諾貝爾化學獎授予給兩個人KOHN和POPER，我國的陳敏波在頒獎公報里對于所獲得的這個量子化學的諾貝爾獎，給了三點詮釋。

一、量子化學已經發(fā)展成為廣大化學家所使用的一種工具，將化學帶入一個新的理論時代。在這個新時代里，實驗和理論能夠協(xié)力探討分子體系的性質，化學不再是一個純粹的實驗科學了。

二、當接近20世紀90年代的時候，我們已經看到了化學理論和計算的研究有了很大進展，化學正在進行一場革命性的變化。這革命性的變化意思就是從原來的純實驗科學過渡到實驗和理論兼得的，即一起來解決的一種實際問題的科學。

三、這項突破被廣泛公認為近一二十年來化學學科最重要的成果之一，1998年時，量子化學獲得諾貝爾獎，而量子化學的發(fā)展推動了化學理論的進展。國際上包括咱們國家的一些重點大學，量子化學已經由二級學科上升到一級學科，跟我們四大化學相平行。

我們看一下理論化學的基礎是什么？化學是主要研究分子的構造、變換以及它的性質的科學。理論化學，它的研究對象還是與化學相關的一些過程，它所用的理論基礎是數(shù)學和物理的定律，比如說牛頓定律、分子力學、量子力學定律，研究的手段是借助于計算機來實現(xiàn)的，通過分子建模，然后計算。其實，現(xiàn)在很多同學都參加了大學生的建模比賽，建模研究的對象，是一個實際的問題。如果是一個實際的化學問題，我們同樣也可以利用數(shù)學的方法建模來計算，這樣，我們把理論化學的研究手段或者說現(xiàn)在已經演變的，我們稱之為計算機化學，它主要通過計算的手段來解決化學問題，而不只是通過實踐來解決化學問題，所以我們說，利用計算機技術對化學的研究已經從實驗到理論進行了變革。在新時代，計算機化學這一門學科的興起，在化學的研究領域方面解決了很多迫切解決的問題。另外一點，由于計算機的普及與這二者的結合，相當于造成了天時、地利，使得原來一些可望而不可即的計算過程和非常復雜的無法實現(xiàn)的問題得以實現(xiàn)。

計算機化學所用到的科目有數(shù)學、計算機、物理學、藥物學以及材料科學等，這些學科進行交叉滲透產生新的生長點，所以它實際是一個使用技術的基礎，并深受當今計算機技術和網絡通信技術飛速發(fā)展的影響，隨著計算水平正不斷地更新演變，可以想象計算機化學在化學中的地位。這也能幫助化學家在研究實際問題或化工產品時開辟新的捷徑，并為討論化學物質的奧秘，以及發(fā)現(xiàn)新知識打開大門。

其實計算機化學所研究的方面非常之多，計算機對化學的推動作用，舉一例，推動作用就是以分子間相互作用力為基礎，利用計算機基礎在新藥開發(fā)中進行分子模擬。

化學的研究對象從化學學科開始建立初到現(xiàn)在研究進展分為分子結構、亞分子結構、分子階段、超分子階段。所謂的超分子階段就是研究由若干個分子組成的分子群的特點，這些性質特點，完全取決于分子間的相互作用。超分子化學也稱為分子間的作用力，它與人類生物化學現(xiàn)象密切相關。到現(xiàn)在為止化學界在這方面達到了基本共識，注重分子間作用力，將會開辟全新化學領域，給化學帶來了新的發(fā)展機遇。

分子間的相互作用力。石墨與金剛石都由碳組成，但因為碳之間的相互作用力不同造成價格差異很大。近年發(fā)現(xiàn)了足球錫，俄羅斯套娃這些新產品的生成并非是我們合成了新的分子，而是在分子的基礎上通過改變分子間的作用力從而得到新產品。請看這就是足球錫，C60與足球的結構一樣。這是由中科院院士廈門大學領銜的團隊得到的C50，他的研究在美國一個權威的自然雜志上發(fā)布。

相繼的還有納米材料，各種納米管的開發(fā)，這些納米材料已經運用到航天技術上，它都是通過改善分子間這種力的相互作用。我們再看幾個例子，這是我們在生物大分子里通過計算機的模擬技術把這些東西拍攝下來，我們可以看出來，這種在生物體里邊大分子之間的結構，構象之間的變化，其實也是由于分子間產生的弱點相互作用力產生的，即我們所謂的超分子結構。這個蛋白質大的分子我們可以把它分為一級、二級結構，一級結構的話，只知道蛋白質是按照什么樣的形式排列的，氨基酸的組成但真正的放在體內的它是盤旋在一起的，這種到底是盤旋的什么樣的結構呢？也是由于他們之間的弱點相互作用力引起的。

比如說在SARS病毒里邊，其實當時所謂的SARS病毒，它就是人類身體里或者跟豬體內一樣有關冠狀病毒，主要是由于冠狀病毒它的空間結構發(fā)生了變異，并不是說它發(fā)生某些化學變化，就是由于它的分子結構發(fā)生了變異造成了這種病毒，產生了百年不遇的大流行。

在這里，我們再列舉一個例子。大家知道，材料科學可能是現(xiàn)在比較熱門的，那材料科學用的是什么？大家看一下，這個圖片里邊，其實只是兩種分子，他們彼此之間也有這種超分子作用力，我們通過改變這個分子結構，從而改變分子之間力的大小。在我們合成材料時，就可以針對你所需要的材料，是什么的強度讓我們選擇什么樣的單體去合成，我們有的時候也將把分子間這種超分子力稱之為建筑上的水泥，水泥可以將不同的磚粘在一起，產生各種結構，現(xiàn)在這種超分子結構也能達到這種作用，可以用不同的分子通過這種弱的作用力，把它粘在一起，產生新的晶體材料。

關于這種超分子作用力，它是在1987年的時候讓研究它的三位學者分別獲得了諾貝爾獎，從此之后超分子化學在這一方面的研究更進一步地發(fā)展了。

我們看一下，怎么用超分子結構來開發(fā)新藥，怎樣將計算機模擬技術應用到新藥開發(fā)上來？一共分成四步，也叫做四要素。

一、在開發(fā)藥物之前，明確將開發(fā)的藥要針對其種病的靶標分子是什么？靶標分子比如說SARS病毒，到底是哪一種分子的變異造成這種病毒的流行，所以我們首先要知道它的靶標是什么。另外一個，我們光知道酶還不夠，因為這種酶的分子非常之大，關鍵還要看一下，這種大分子里面哪幾個原子位點發(fā)生變異，這是我們要研究的第一步，是生物靶標的選擇，也是要合成的新藥，它的作用就是要瞄準靶標，不讓它進行復制了，靶標首先要先給它固定了。

二、檢測這個模型的確定性，要確定這種模型，要檢測靶標的正確性，這個當然需要大量的實驗去做。

三、要針對已選的靶標，看一下具有什么樣的小分子能跟靶標通過弱的作用力把它制約住，要找先導化合物。

四、找出先導化合物，并不是說這個藥是先導化合物了。直接進行接觸的時候先導化合物到體內后，它要有專一性，專一的選擇，它只針對靶標具有相應作用，不影響體內其他酶的生物作用。

現(xiàn)在，靶標其實也發(fā)現(xiàn)到關鍵一步，到現(xiàn)在為止我們已經找到483個靶標，這個數(shù)字還在逐漸增加，隨著我們檢測技術的提高，靶標點能增加到一千多個。

另外一個發(fā)展，就是在篩選靶標的時候，技術逐漸更新。首先，我們知道，原來靶標篩選的時候是從整個動物體以及器官組織水平，現(xiàn)在已經發(fā)展到細胞或者是分子水平。我們看一下傳統(tǒng)的藥物設計，其實傳統(tǒng)的藥物設計相當于不停地往里面砸錢，投資非常高，而且周期非常長，你要合成一個新的藥物，從生物學發(fā)現(xiàn)靶標到先導化合物，再到對先導化合物進行裝飾等，這個周期非常長。投資高、周期長，勢必造成這種藥物開發(fā)風險大。

例如說，你在這個周期內90%的工作已經完成了，突然別的團隊比你領先一步得到了這種藥物，那你前面90%的工作就都白做了，前功盡棄了。所以說，周期長也會造成風險增高，但是一旦比別人更早一步的話那就意味著高利益。所以說藥物研發(fā)競爭非常激烈，這也就是為什么現(xiàn)在的商人在投資的時候往往喜歡投資在藥物的開發(fā)上。我們知道現(xiàn)在老百姓喊著藥物治療價格高，但是不能只看合成這個藥所需要的成本是多少，這個成本要包括投資的費用，任何一種新藥，都是把開發(fā)過程的成本加進去的。另外，我還要建議大家，其實對于每一種新藥都有自己的專利，有它的保護期限，在這一個周期里，其他的廠家就不能生產這種藥物，但是我們可以對這些藥物進行簡單的修飾。比如說，苯環(huán)對某一種靶標具有抑制作用，一家企業(yè)已經合成了這種藥物，但是我如果在苯環(huán)上加一個甲基，它可能對這種病毒照樣具有抑制作用，你原來的苯是作為一項專利，但是甲苯沒有被專利保護。其實很多人可以打擦邊球，相當于在專利保護邊緣上還可以產生所謂的新藥。

大家知道，任何一種新藥，比如說人家的苯，它對于你研究的這種靶標具有抑制作用，但它是經過大量的長周期的運作得到的，而你一旦加上甲基之后，不要只看它對于病毒的靶標具有抑制作用，它并不能保證對體內其他的生物大分子沒有副作用。如果你生病了，在買藥的時候不要去追求所謂的新藥、特效藥，其實那些藥很多都處于臨床實驗階段，它不光價格貴，吃到肚子里以后的毒副作用很多都是沒有得到驗證的，所以我還是建議大家用傳統(tǒng)的藥物更保險一些。

我們看一下用計算機輔助設計開發(fā)一種藥物。我們會把傳統(tǒng)的藥物設計——這種風險高、投資大的設計進一步改善。你想，如果一個藥物設計所涉及的學科非常之多，涉及基因組的生物信息學、數(shù)學統(tǒng)計學、藥物化學、有機藥物化學、分子藥理學、一般藥理學，還有計算機科學、計算機化學等學科，其實我們設計一個新的藥物，原理非常簡單。我們把這個稱之為鎖鑰原理，外面這一圈就是大的生物體的某一種酶，引起某一種病毒的酶，我們稱之為受體，他中間插入的，像是鑰匙一樣，他是底物，就相當于我們提供的藥物分子。藥物分子和變異的受體如果彼此之間像鑰匙一樣，每一個環(huán)節(jié)都吻合起來的話，加入的鑰匙就相當于抑制了受體進一步復制。那么它們是怎樣進行非常嚴密的吻合的呢？其實這種弱的相互作用力的種類非常的多。這里我不給大家做詳細地說明了。

這是我們通過計算機模擬得到的一個基因。這個大的環(huán)，黃色絲狀的就是生物體的一個大分子，那里還有很多小分子，就是我們所謂的藥物分子。這種藥物分子和絲帶狀的大分子進行結合，就使得黃色絲帶狀分子無法自我復制了。這個圖片比較清晰，艾滋病毒的一個藥物分子，可以看到中間的藥物小分子和大的生物病毒間相互結合在一起，切斷了它的復制。

我們舉這個例子，是中科院上海研究所所做的工作，他們的工作就是在研究SARS病毒。他們所用的計算機模擬軟件稱之為INSERT 2。SARA病毒這個大分子生物體里面有一個3CL。3CL在人的冠狀病毒，包括在豬的病毒里面都有，后來發(fā)現(xiàn)SARS的病毒原理主要是由于3CL這個蛋白質發(fā)生了變異。發(fā)生變異后我們不知道這個病毒變異之前是怎么樣的，要通過一些軟件來研究，相當于看著孫子畫他爺爺一樣，這個方法叫做同源建模。通過這個軟件讓3CL認祖歸宗，找到了它的祖宗。我們跟它祖宗對比就會發(fā)現(xiàn)它在某幾個原子上發(fā)生了變異，這幾個原子就可以作為我們靶標分子里的活性分子，下一步就是要把發(fā)生變異的分子，想辦法用藥物分子抑制住。

經過這些分析后為我們合成和開發(fā)新的SARS病毒提供了很多詳細信息。這就是上海藥物研究所研究出來的，用計算機模擬得到的。這個黃色的是病毒，其中紅色的部分是發(fā)生的活性位點，就是真正發(fā)生變異的地方。我們就想辦法在這個變異的地方放化合物與它進行結合，相當于有鎖了，接下來就是怎么找到鑰匙能把它吻合在一起。

把這個靶標鎖定之后，下一步還是利用計算機技術在這個大病毒的活性位點把它放在計算機里面，我們找到一個數(shù)據庫可以把我們所有的當今已經發(fā)現(xiàn)的人的化合物分子都已經涵蓋在里面了。然后我們用一個非常高的、64個CPU的計算機對這個活性位點在數(shù)據庫里面篩選，找出里面能和這種活性位點相匹配的小分子，最終我們發(fā)現(xiàn)了上百個可能具有匹配功能的分子，篩選時找到了這個鑰匙。鎖已經有了，再找鑰匙。其中經過進一步研究，我們找到了19個這種小的化合物，我們把它們稱之為先導化合物。那么這個先導化合物找到后再怎么辦呢？

第一點，我們要對這個先導化合物作為鑰匙的專一性進行以下判別，它對于病毒分子有吻合作用的同時對于另一種沒有病毒的分子也有吻合作用，這樣它就不專一，藥物也就沒有意義了。

第二點，優(yōu)化化合物。就是說，這種小化合物，我們當時只是在計算機里面具有吻合作用，但是真正鑰匙怎么進入鎖，它不是在人體里面一插就可以的。服藥也好，靜脈注射也好，怎么讓它到達活性位點的位置。

第三，如果上述兩個問題已經解決，還要在動物體里面進行實驗。

講到這里，我們怎么把這些從計算機里得出的東西得以實現(xiàn)，如何實現(xiàn)先找靶目標，在分子數(shù)據庫里面進行篩選，篩選以后的化合物分子怎么與大分子進行匹配？當然要借助計算機。其中在計算機方面用到最多的是化學信息學。

化學信息學主要的發(fā)展過程是什么？首先是化學文獻和數(shù)據，它的積累速度非?？?，每天有許多新的化學物質生成，伴隨著這些新的化合物合成，我們對這種化合物的物理化學性質進行測試，迅速獲得相關數(shù)據。對于這些數(shù)據，我們要進行歸納總結，相對來講要滯后一些，那對于自然科學的發(fā)展規(guī)律來講，其實通過大量的數(shù)據積累，在這基礎上你要是善于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，那這樣就標志著一個新的發(fā)現(xiàn)。所以我們經常要求大學生要創(chuàng)新，其實在創(chuàng)新的同時更要善于總結創(chuàng)新成果，你可能也會有新的發(fā)現(xiàn)。

我們舉幾個例子來看看善于總結規(guī)律帶來的好處。在17世紀的時候，天文學已經積累了幾百個天體運動的數(shù)據，開普勒對這些數(shù)據進行分析，提出了天體運動的三大規(guī)律。他的工作又為牛頓經典力學的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。19世紀60年代，化學界已經積累了數(shù)十種元素及相對應的化合物，門捷列夫通過對這些元素按一定規(guī)律進行排序，找出很多周期性變化的規(guī)律，這樣就誕生了元素周期表。元素周期表的發(fā)現(xiàn)為今后在發(fā)現(xiàn)新的元素以及建立其他的原子模型指明了方向。

再看，上一個世紀30年代，積累了100多萬種的化合物數(shù)據，大家在高中學過的化學鍵、共價鍵理論其實就是在總結這些已有數(shù)據的基礎上歸納總結出來的。截止到現(xiàn)在，美國《化學文摘》所摘錄的分子化合物物質的數(shù)量已經達到了上千萬種。但是如今，世界上的化學家似乎對于利用這些數(shù)據庫，總結這些數(shù)據的速度還是比較緩慢的。面對這些浩如煙海的數(shù)據，光靠人來處理是不行的，只有通過計算機來處理，而計算機科學與化學的學科交叉也是在此時應運而生的。

現(xiàn)在來總結一下，其實化學信息學就是利用計算機科學以及信息技術、數(shù)學理論等方法，與化學理論相結合，最后輔助化學家開展一些新的化學交叉的研究。如果我們對化學信息的加工在十多年之前是一些采集加工貯存的一些過程，那么，現(xiàn)在隨著計算機技術的發(fā)展，包括人類對于編程技術的發(fā)展，它會更加強調什么呢？我們如何通過化學信息來發(fā)現(xiàn)新的知識呢？怎樣通過計算機數(shù)據庫來找這些有規(guī)律的東西呢？其中，我們現(xiàn)在用到的很多是虛擬實驗。所謂虛擬實驗是說已經發(fā)現(xiàn)和沒有發(fā)現(xiàn)的化合物，只要是能設想結構的化合物都會出現(xiàn)在數(shù)據中，你用到什么，它就提供什么。對現(xiàn)在來講，我們化學家相當于裁縫，你需要什么樣的分子，它就能幫你合成。能夠預測分子的結構及具有這種結構的分子有什么樣的化學、物理屬性，這些就是當今化學借助計算機所能達到的水平。

化學信息學在整個化學研究領域里總共可以分為三類：第一類是結構的確定，第二類是分子設計，第三類是分子合成設計。

化學信息學正是針對這三大領域，然后通過計算機模擬的方法來實現(xiàn)的。

第一類，首先建立各種各樣的數(shù)據庫。現(xiàn)在的數(shù)據庫有很多，比如說有蛋白質數(shù)據庫、核酸數(shù)據庫，還有毒性化合物的數(shù)據庫等。這些是計算機人員通過科學的方法分類得出的，而且更加方便我們搜索這些數(shù)據的相關信息。

第二類，已有的數(shù)據庫，通過歸納、推理等將這些數(shù)據庫的信息由量變成質，其實就相當于變成知識，我們再進行管理，使得這些知識得到更大化的利用。

第三類，我們利用化學信息學可以應用已有的化學量子理論對一些相關的化學問題展開深入的研究。前兩類的方法是用大量的化學信息分析處理，它的核心主要是在于化學結構的分析比較，而第三類的方法則更加注重于化學個體的相關性，精確分析它的方法及應用等。

目前，化學信息學將化學與計算機交叉的這種學科已經、并將繼續(xù)在制藥、材料領域得到廣泛的應用及發(fā)展。

總結一下，從剛才的化學學科來看，最早的時候，化學只有實驗而沒有采用任何理論；只能通過實驗，沒有計算?，F(xiàn)在光有實驗，通過實驗計算，看他這個計算結果和實驗是否吻合，那我們就不懷疑演變成先實驗再計算的方法。就相當于裁縫師的作用，先說要什么樣的材料，可以通過什么樣的分子結構，需要材料的特點。所以說計算機和化學的結合已經孕育出了一個新的、更加數(shù)字化的學科方向。

最后總結一下今天的報告，所謂的計算機科學對化學的發(fā)展，計算機化學恰好融合了計算機技術、數(shù)字技術以及與化學相關的最新的研究領域。然后，通過某些傳統(tǒng)的概念進行重新評估，更新以及采用純理論化沒有一點點實驗。開發(fā)一系列綜合性的數(shù)據化工具。這樣通過一些未知的化合物，可以首先來推測它具有的一些性質。然后，通過對分子結構進行一系列化的規(guī)律研究后，找到這種性質與結構之間的相互聯(lián)系，叫構效關系。有了結構，才有了預期的性質，然后再通過結構修飾或分子設計等一系列方法來預測分子的結構。所以說我們將理論化學、數(shù)據庫、合成技術通過信息學把它們融合在一起，最終對我們預測反映已經合成，于是來預測某些化合物的工藝起到了非常重要的作用。

這樣，新世紀的化學稱之為數(shù)字化的化學。這種化學如果有計算機技術的加盟，對于化學具有扎實化學知識的同學來講，今后化學學科的發(fā)展是非常具有挑戰(zhàn)性的。所以在座的生環(huán)學院的學生今后應該更多地來關注化學學科的發(fā)展。好了我們今天就講到這里。謝謝！

主持人：接下來是互動交流時間。剛才王老師給我們講了化學發(fā)展的現(xiàn)狀，及化學學科的特點。那么同學們有什么問題問王老師嗎？

學生一：王老師，我想問我們化學專業(yè)的學生在就業(yè)上有什么問題嗎？

王艷花：我從自己的觀點來談談吧！不知大家是否知道，如今最熱門專業(yè)的排行榜上就有生物、材料等學科。作為我們搞科研的人，就會希望自己的子女學一門技術。相對來說經濟發(fā)達的國家，比如美國，學什么最熱？哲學，政治學。因為對于他們來說，生存不是問題的情況下就希望通過改變人們的思想，來改造社會。但在發(fā)展中國家，我希望在座的各位多學一些自然科學技術來改造我們國家。在座的08級新生非常多，在我們生環(huán)學院，每年由于大家對化學不夠了解，認為有環(huán)境污染等，就不太愿意學化學，但其實生環(huán)學院的學生就業(yè)率在樹人大學是非常高的，尤其是分析專業(yè)的學生，很多同學在畢業(yè)之前就被簽走了。這是我個人的看法。

學生二：計算機怎樣保證化學研究的正確性？

王艷花：你提的這個問題非常好！比如說用一個甲烷分子，我們把他輸入電腦，就可以計算出你所關心的關于甲烷的性質。這種計算采用的是分子力學，在計算這些方法的時候，以電子作為最小的單元。這里沒有摻雜任何的模擬，或者是半經驗的方法，完全是理論的，所以我們把這種計算有時候叫做從頭算，就是從電子算起，對這種算法不要有任何懷疑，它具有扎實的物理、數(shù)學方法作為基礎。

學生三：你說對化學不了解，那你當年為什么選擇化學呢？

王艷花：我是1984年上的大學，可能在座的應該都還沒出生。和當時的社會形式有關，當時特別崇拜那些化學工程師，穿著白大褂，在實驗室里工作。對這門學科也不是很了解，只是心中的一種信仰。

主持人：謝謝同學，也謝謝王老師的講座！今天我們的樹人講壇就全部結束了！

王艷花：謝謝同學！