超心理科技之腦波與心靈改革
（成和平：中華超心理學研究會理事、基隆市立醫院主治醫師）
| 何謂α波
α波是一種腦波，也就是腦部電流活動的一種形式，另外還有β、θ、δ波等。為什麼要強調α波？其跟心靈有什麼關係？
醫學已經證實，腦部的各種活動，包括思想、情緒、慾望等，都是電流與化學反應呈現出來的，透過腦波儀可測量出波形圖。一般來說，所謂的α波，是一種慢波，有別於快速的β波。目前世界各地的大醫院精神科中，都有運用激發α波的機器，來治療精神疾病，譬如焦慮、緊張、不安等。所以，α波的確與心靈的舒緩有關聯。
不過，精神科所慣用得儀器（稱為生理回饋儀），都是測量側腦，也就是在頭部的兩側貼上測量電極。但根據個人研究所得，真正重要的腦部區域是前額，也就是大家的「額頭」部份！額頭的腦部是思想區，與人格、情緒表現、專注力、理性，創意有著莫大的關聯，也是唯一與心靈改革有關係的區域。
測量額頭的腦波是非常重要的，因為這可與政府高唱的淨化心靈活動互相輝映：以科學來驗証心靈狀態！一般人的前額腦波屬於β波，一種快波。如果經過放鬆與專注的訓練後，將可轉變為較慢的α波。
簡單的說，放鬆與專注是α波的兩大條件。許多氣功師、修行靜坐家、超能力者都能產生強大的α波，原因就在於它們善於掌握兩大要領：放鬆與專注。
市面上已有各種儀器廣告，號稱能誘發α波，改善身心狀態，增強工作學習能力，但根據本人親自試驗結果，效果難以衡量。還不如由內在產生的α波來得有效。
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IQ、EQ、腦內革命
最近，EQ與腦內革命被炒得火熱，但事實的真相究竟是什麼?先從IQ談起。
IQ與基因遺傳有關，很難有所進步，所以與腦內革命沒什麼關聯。許多IQ極高的人在人生道路上並不成功，就是因為智力與生活滿意度無關，且不見得有創意的湧現。而沒有創意的生活，常是失敗的生活。真正的心靈改革應著重在EQ，也就是情緒管理。EQ高的人才會有創意的生活，才能得到真正的成功。
至於「腦內革命」一書中所強調的腦內嗎啡（β-endorphin）仍有爭議，但其效應—產生幸福感則已獲証實。換句話說，腦內嗎啡的效果沒有疑義，至於產生的時機與方法則眾說紛云。心靈改革與此有關，容後說明。
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心靈改革的真相
為方便說明起見，我給大家列出一個表：
心靈改革
↓ 內在的喜悅 ↓ 前額產生α、θ波，腦內嗎啡分泌 ↓ 與潛意識溝通，認清自己，靈感創意湧現 ↓ 靜心 ↓ 情緒分析，EQ↑ ↓ 身心放鬆 ↓ 生命意義解析
為什麼要心靈改革？無非是想過的更快樂罷了。但快樂有兩種：向外追求的與內在產生的。向外追求的快樂不如內在產生的快樂持久且強烈，所以心靈改革的目的應是產生內在的喜悅才對。內在喜悅如何產生？必須產生α、θ腦波，並伴隨β-endorphin的分泌才有可能。怎樣才能到達這種境界呢？
內在喜悅是沒有理由與動機的，是一種與大自然溶為一體的感覺，這種體驗必須穿越潛意識層次才有可能。簡單的說，必須徹底了解自己的潛意識與夢，認清全部的自己，才可能擁有持久的內在喜悅。
與自己的潛意識溝通，將有靈感與創意湧現，自然獲得創意的生活。如何溝通潛意識呢？必須靜心。所謂靜心，是使自己的心思平靜，不再喋喋不休，意謂著不受情緒困擾—良好的情緒管理，EQ值提高。
良好的情緒管理的先決條件是—身心放鬆且冷靜，對自己的情緒有分析的能力。身心放鬆的先決條件，就是對生命意義有正確的觀念，不再盲目隨波逐劉或醉生夢死。什麼是生命的真正意義呢？名？利？權勢？永生？更好的來生？還是追求快樂？
讓我以一則故事的形式，來呈現這心靈改革的首要步驟—生命意義的解析。
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吃了智慧果實之後
傳說中，亞當因為偷吃了智慧之樹的果實而被逐出了天堂，人類從此與神分離了。但是，如果集合全世界最高的智慧後，人類是否有能力了解神與智慧之樹的真相呢？
一名年輕人苦於思索這個問題。
對了，起身探討世界各大學術宗師不就行了?於是這名年輕人收拾起行囊，啟程出遊，目標是各種領域的大師巨匠與泰山北斗。
第一為拜訪目標是天文物理學的權威。年輕人直接問天文學家：生命意義是什麼?天文學家的答案相當乾脆—生命的意義是走向毀滅!而且還是多重毀滅！
什麼?怎麼可能?年輕人在聽了這些話之後險些昏倒。生命的意義不是追求快樂嗎？
「從宇宙的演化角度來看」，天文學家接著說：「地球、銀河系、整個宇宙都會走向毀滅，無法避免。」
「但是，天文學上有兩大問題尚未解決。」天文學家的這番話引起了年輕人的注意。「一是超光速的效應已被發現，目前無法解釋，因為在時間的架構下，根本不可能發生。另一是整個宇宙有 90% 的質量不見了，只能假設有所謂『黑暗物質』充斥於宇宙各處。」
年輕人聽了之後不太明瞭，但有不好意思再問，因為本身並無物理學根基，無法更深入地交談，只好起身拜謝，去探訪別的專家了。
face="新細明體"> 第二為拜訪目標是演化學的巨擘。年輕人也問同樣的問題。
「生命意義就是想辦法活下去而已！活不下去就會絕種。」演化學家的答案相當簡單。「不管是弱肉強食，還是互利共生，所有生物均朝向活下去的目標奮鬥。」演化學家說完後，年輕人覺得意猶未盡，想知道更多一點。
「人類在演化學上的地位相當奇特，基因與黑猩猩有99%雷同，行為卻完全不一樣。」演化學家接著說：「或許是那些1%的獨特基因過度發揮的結果。目前關於人類智力的基因研究，據估計約有一百多個基因。是不是這一百多個基因的過度使用，造成地球環境的浩劫，就值得探討了。」演化學家臉色嚴肅。
年輕人聽了這些話之後，似乎若有所悟，但又覺得不夠，就拜別了演化學家，繼續走向「求道」之路……。
第三位拜訪目標是超心理學界的導師。年輕人也追問生命意義為何。
「生命意義？別問我這個問題，因為所有靈異現象的研究都無法回答生命意義是什麼。」超心理學家說完，年輕人大感詫異！
「我們只研究出靈異現象中『異』的部份，『靈』的部份根根本無法解釋。」超心理學家端起一杯茶，繼續說：「關於心靈致動、透視、心電感應、觸知力、預知力、等各種現象，我們只假設出可能的原因，但無法深入了解生命意義的真諦。」
「研究超能力，真的無法破解生命真相？」年輕人追問一句話。
「這個問題很簡單，」超心理學家喝下一口茶，又說：「許多超能力者的氣色不佳，身體不好，就是因為他們一昧追求特異功能，忘了修身養性才是最重要的。」
「或許，」超心理學家的頭部傾向前，聲調降低：「超能力只是探索內在心靈過程中之副產品而已。生命意義絕不是開發超能力，這點切記。我個人認為，快樂比較重要！」
年輕人聽完這些話之後，深覺心有戚戚焉，但又覺得不夠，遂決定拜訪其他的奇人異士。
第四位拜訪目標是一位靈魂學大師。
「生命意義？」大師的臉色嚴肅，語調有力：「生命意義就是使靈魂進化至更高的層面。」
年輕人聽了之後摸不著頭緒……
「人類的層面粗重且混濁，需要累世的修練，才有可能進化至細微的更高層面。」大師做了這些補充。
年輕人更聽不懂了。於是追問證據何在。「客觀的証據目前沒有找到，因為這些層面的描述全是透過這些高人的『靈視』看見的。」大師的話充滿玄機。
「那麼，」年輕人小心翼翼地問了一句話：「這與宗教哲學是否相干？」
「沒錯，」大師追加一句：「靈魂與宗教幾乎脫不了關係，因為全與修行體驗相牽連。」
年輕人決定結束這段尋訪名師之旅，好好整理一下思緒。過了一段時日，他終於想開了。
好了，故事講完了，他想開了什麼？
說出來各位會嚇一跳，年輕人做出結論：生命的意義就是好好活著！名利、地位、權勢，來生都比不上這個。
也就是說，當心情愉快滿足的時候，固然要好好活著，心情低劣悲傷的時候也要好好活著！所有大師專家的言論難道不是暗中指向這條路嗎？但他們都是以所謂的「顯意識」思考，忽略了佔人類意識 85%之「潛意識」！
所以，各大師的思路均有盲點，大家只要看看大自然就了解了：所有大自然的動植物都欣欣向榮，只有人類在從事破壞，而動植物們根本不懂得什麼生命意義，人類卻大不相同。----生命若沒有意義，可能會跑去自殺！
人類唯有探索自己的心靈，包括潛意識，才有可能接近大自然，才有可能回復到童稚時的純真。兒童不懂得生命意義，卻不會像成人一般機詐煩惱，甚至自尋短路。生命意義只是顯意識的產品而已，任何答案皆屬編織的幻影。
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再談腦波
目前對於大腦的研究才長足的進步，已有部份學者指出人類的顯意識與潛意識的大略位置。以下是個簡圖：
大腦皮質 == 人類意識區（顯意識）
↓ 往下一層
邊緣系統 == 哺乳動物區（潛意識）
↓ 往下一層
腦 幹 == 爬蟲區（本體狀態）
上圖是最新的發現，尤其在胚胎的成長過程，以及動物大腦的演化順序中，都清楚的顯示：
低等動物 == 爬 蟲 區 == 初級胚胎
演化 ↓ ↓生長
高等動物 == 哺乳動物區 == 較大胚胎
演化 ↓ ↓生長
靈 長 類 == 人類意識區 == 成長的胚胎
簡單地說，人類特有的「顯意識」是經過長期演化而來，但絕不表示「高等」！
曾有人研究原始人類，發現他們驚人的雕刻與繪畫能力，完全無師自通，非現代人所能及。這些事實可以證明：原始人類具有溶入大自然的精神力量，才能描繪得如此生動鮮活。他們的顯意識不發達，潛意識得以充分發揮。
而現代人呢？除了修行境界很高的人有此能耐之外，一般人根本與大自然疏離甚久。如果以腦波來解釋顯意識與潛意識，就比較清楚了：
前額β波（現代文明人類） 13-30Hz
↓ α波（放鬆、專注、平靜） 8-13Hz ↓ θ波（夢、潛意識） 4-7Hz ↓ δ波（溶入大自然、本體狀態） 0.5-3Hz
現代文明充滿了競爭的緊張壓力，使人們前額的腦波（前額掌管思考）幾乎完全呈現快速的β波，只有在特殊的情形下，譬如放鬆、平靜、或專注的時候，才會轉變成較慢的α波。
至於θ波，一般人只出現於潛睡期，有時與夢相連，因此與潛意識有關。δ波是熟睡波，想要在清醒時出現，必然腦中一片空白，有時靜坐者可以做到。所謂「天人感應」、「與宇宙合一」的體驗，可能與此有關。
我曾做過三百多人的前額腦波，儀器是美國進口的 EEG3與 α-Detector，結果如下：
代表放鬆的α波在年紀小的兒童常常出現，顯示成年人的α波被煩惱壓力抹煞掉了，以致於只有0-3μvpp。另外，我曾對一些奇人異士做過腦波測定，發現一個驚人的事實：α波的強度取決於θ波的強度。
請注意，一般市面上宣傳的α波開發，都是提供各種方法使腦波由β波變成α波，但效果有限。根據個人研究所得，可以整理出來給大家參考：
如果以一句簡單的話來解釋α波的正確誘發方法，那就是在產生強大α波之前，必須頭腦空白！別以為頭腦空白很簡單，事實上是極端困難！許多人在靜坐時，感覺自己空空蕩蕩，就以為進入「空無」，完全弄錯了。真正的「空無」跟睡覺差不多，感覺是這樣的：
剛才有一段時間，我跑到哪裡去了？
我明明沒有睡著，怎麼對剛才發生的狀況完全沒有記憶？ 如果我睡著了，為什麼沒有打瞌睡呢？ 我是不是得了失憶症？
一般人想在清醒時經歷θ或δ波，必須好像進入夢幻世界或失憶一般，這在醫學上認定為變態，當然，如果是刻意訓練自己自然不是病態。
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結 語
政府所呼籲的心靈改革是非常正確的，但是必須配合正確的方法才能奏效。以腦波來做理論基礎，去從事心靈改革的工作，才是科學的，且保證不會走火入魔。我們看看一些以宗教靈異照片騙財之士，他們敢接受科學驗證嗎？他們所有的方法和效果在催眠學的知識領域裡都能找到雷同之處。也就是說，他們做得到的，催眠師也都做得到，哪有什麼神奇之處？
為何要心靈改革？因為人心迷惘，需要改造。人心為何迷惘？因為生活沒有目的，生命失去意義。生活為何沒有目的？通常是因為不滿現狀，理想與實際有段距離，而且找不到真正不變的喜悅。
市面上充斥著教導「成功之道」的書和錄音帶，不滿現狀的人可以隨時買來讀或聽，但很少人願意深究成功背後的動機。說穿了，成功的目的就是要改變不滿的現狀，以便獲得快樂和滿足。但奇怪的，一位成功的人又常常不滿足，進而追求更大的成功。快樂二字早就拋在腦後。顯然的，成功並非生活的最後目標。
因此，真正生命的意義就是「好好活著」。然而全球極少人能夠無時無刻好好活著，因為「不如意事十常八九」。想要好好活著，須先有「天地萬物與我合一」的認知，這是一種寧靜的喜悅，以科學的角度來看，等於開發大腦其餘的百分之八十五的未知部份。腦波呈現αθ波，並可能有腦啡的分泌。西方人喜歡稱之為明覺或無差別感（illumination, Oreness）或「本體狀態」。此時，時間與空間已不存在。
要達成本體感，須先將腦波改造為α波狀態，讓頭腦非常平靜，此方法簡單易學，結合科學與醫學，在二個月內就能使腦波呈現α波。一位α波狀態的人，EQ自然很高，他已培養成時常自我反省，檢視自己情緒根源的習慣。但不表示EQ高的人沒有情緒，而是對喜、怒、哀、樂的接受性高。要維持良好的情緒管理，常常自我省思之外，還要放鬆自己。
一般人不僅沒有常常放鬆自己，反而一直用左腦的邏輯功能編織出喜、怒、哀、樂的各種情緒來困擾自己，EQ低得可憐。此時腦波呈現β波，而這樣的狀態，精神上會緊張慌亂，身體免疫力也會下降。
為何得道高僧常對夕陽、海浪、野花等司空見慣的現象凝視良久，甚至感動得熱淚盈眶？為何純樸農夫會在耕田時，心中充滿莫名的感謝與喜悅，即使他窮得可憐？ 為何一些頻死的人在救活後對生命更加珍惜，對生活更加熱愛，即使身體功能已有些障礙？ 讓我們一齊思索這些問題吧！
after reading your last message (which gave me an idea of how people like you do research in this field), I reviewed some articles on physics of DNA/核糖體, some of them I read before, worth reading again, very helpful to me. and now I send them to you.
I am not in this business, physics of DNA is a side interest to me.
as of today, as far as I know, 由于原子(more than a few hundreds of them)间的相互作用无法定性定量分析 , quantum physics/chemistry can not establish a wave function for an even much simpler 分子, not to mention DNA or RNA.
another challenge, 薛定格: “非周期性晶体”, 一团“原子聚合物”;
DNA as 非周期性晶体, so it can generate and transmit much more information vs. those non-life 周期性晶体, and it is very hard to set up a wave function for 非周期性晶体.
a 含时 wave function is always a challenge, even in physics.
Ada Yonath , she is so good. 2009 年诺贝尔化学奖获得者.
2.
顺便讲一下, 有一亲戚, she graduated from Harvard, PHD, she is doing similar research in Stanford now as a post doc, she is 28 years old,
本科清华毕业, 还没有男朋友, a very good girl.
有合适的男, 请帮介绍, thanks.
best wishes for your research work.
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1.
学科融合: 由X 射线晶体学揭示的生命进程中的
化学基础
阿达·约纳特*
"生物X 射线晶体学作为一个研究工具, 在分子
水平上塑造了我们对生物学过程的概念. X 射线晶体
学以生物大分子或者分子组装体为研究对象, 通过
绘制组成这些对象的每一个原子的位置, 为构建准
确的3D 模型提供必需的信息, 由此生成的信息对理
解生命过程至关重要. 这种方法利用物理属性(即光
波和物体之间的相互作用产生的衍射)以及傅立叶变
换和群论等数学原理, 提供键长、化学亲和性、分子
运动性等结果.
由单个分子产生的X 射线散射是一个连续的函
数. 而在三维空间周期性排列的单元形成的晶体对X
射线的散射则会依据晶格的周期性(有倒易关系)产
生离散的衍射点. 这些离散的衍射点来自于散射波
与晶格函数的卷积. 在这种方式下, X 射线的衍射变
成离散的及可测量的. 另外, 晶体中大量取向相同的
单元会同时产生衍射, 这将大大增加衍射信号的强
度. 这也解释了晶体样品的重要性."
2.
如此浮現了一個生命的基本運作之圖像：也就是資訊如何的由DNA流到RNA而轉成酶以及一些其它的蛋白質。但是這個圖像仍然是非常的簡略，正如華生在1964年的一篇回顧論文中所指出的：“不幸的，我們無法在化學的層次上精確的描述一個分子如何的運作，除非我們先能知道它的結構”，這一直等到了2000年，才能得到一個結構，清楚的顯示那些原子到底位於核糖體上的哪些位置。
Ada Yonath — 具有強烈意志的開拓者
一個石破天驚的發現，往往來自於一位鑽研著未曾被染指的領域之開拓者，在現在這個例子中，Ada Yonath就是一位開拓者。在1970年代的末期，她決定去取得核糖體的X光繞射晶體結構，在那個時候，大部份的人認為這是不可能做到的。
在進行X光繞射光譜實驗中，實驗者將X光瞄準一顆晶體，例如一個蛋白質(圖四)，當光線撞擊到原子時它們被散射，而在另一端實驗者紀錄下光線被如何散開，在之前這是利用照相底片來做到，它會被光線照黑，現在則是使用數位式照相機中所使用的CCD偵檢器(這也是2009年諾貝爾物理獎的一個焦點)，透過分析黑點所組成的圖案，實驗者可以定出在一個蛋白質中各原子座落的位置。
希望這種實驗能成功，則使用的晶體必須近乎完美，這樣的晶體才能產生出精確的圖案，而且是不斷的重複的圖案；帶著一點的運氣，當鹽水慢慢的揮發時，可以得到漂亮的鹽晶體，但是若將一盆鹽水煮乾，鹽只會在盆底形成一片單調的鹽層，不同的條件會得到或多或少有用的晶體。
大體上，上述的狀況亦適用在取得X光繞射級的晶體，只不過要得到高品質的蛋白質晶體是一件非常困難的工作，而且蛋白質的錯合物越龐大，這份工作就越艱難。
因此許多人對Ada Yonath的眼光頗為懷疑，核糖體是一種最為複雜的蛋白質/RNA錯合物之一，它分為兩個部份，一個小單元和一個大單元。核糖體的小單元是由一個大的RNA分子與大約32個蛋白質所組成。大單元則是由三個RNA分子與大約46個蛋白質所組成。因此每一個單元都是由上千個核苷酸和上千個蛋白質所組成，換言之就是由上萬個原子所組成，而Ada Yonath企圖建立每一個原子在核糖體中的精確位置。
溫泉與死海 — 越嚴酷的條件得到越好的晶體
當Ada Yonath決定將核糖體結晶出來時，她選擇使用在嚴酷的條件下生存的細菌。Geobacillus stearothermophilus (嗜熱桿菌)可以生存在溫泉中且可以忍耐高達75 oC的溫度，Ada Yonath的假設是，要適應這種條件，細菌的核糖體必須非常的穩定，也因此可以生成較佳的晶體。
在1980年她已經設法得到了第一個核糖體的大單元之晶體，雖然這個晶體離完美還很遠，但這已是一個了不起的成就。
實際上又花了20年的辛苦工作，Ada Yonath設法得到了一張核糖體的圖像，而從其中可定出每一個原子的位置。她嘗試過許多新的方法，例如她將晶體冷凍在 -196 oC的液態氮中以穩定晶體，她也嘗試過結晶其它具有耐力的微生物中的核糖體，其中之一是附近找到的 — 一種生活在死海的嗜鹽菌Haloarcula marismorlui。
一步一步的，Ada Yonath終於接近了她的目標，終於大家體認到核糖體的原子結構是可以被描繪的，因此有更多的科學家加入了這場競賽，其中的兩位是Thomas Steiz與 Venkatraman Ramakrishnan。
一個由數百萬黑點組成的圖形所包覆的意義
在1990年代Ada Yonath的晶體已經具有了相當不錯的品質，那些黑點組成的圖案已經詳細到足以決定核糖體晶體中的原子位置，但仍然還有一個相當困難的障礙，那就是X光繞射光譜中的“相位問題”為了從黑點組成的圖案決定出一個結構，科學家需要知道每一個黑點的“相位角度(phase angle)”這個數學的資訊悠關原子在晶體中的位置。
一個科學家為了決定相位角度時常用的招數就是將之浸入一些重原子中，例如汞，那些重原子將會附著於核糖體的晶體表面，藉著比較有附著重原子和沒有附著重原子的晶體繞射圖案，科學家可以決定相位角度。
不過由於核糖體是非常的巨大，因此表面附著了過多的重原子，因此很難立刻的決定其相位角度。為了解決這個問題，就必須取得更多的資訊。
最終是由Thomas Steiz解決了這個問題，他使用了由一位電子顯微鏡專家Joachim Frank所取得的核糖體圖像，透過這些圖像的幫助，Thomas Steiz可以找出核糖體在晶體中座落的方位如何(但是其解析度無法讓他判定個別原子的位置)，這個資訊結合了由重原子所得到的訊息，終於得到了相位角度。
20年工作後的結論
在1998年，Thomas Steiz發表了第一個核糖體的大單元之晶體結構，它像是一張模糊的相片，具有9 Å (1 Å等於一毫米的百萬分之一)的解析度，這種解析度無法看到每一個原子，但的確可以看出核糖體的那幾個很長的RNA分子，這是一個具有決定性的突破。
現在相位角度的問題終於解決，剩下來就是去改進晶體的品質以及收取更多的數據，以便增加圖像的清晰度，而今年的諾貝爾獎得主們幾乎同時的抵達終點線。在2000年的八月及九月，他們發表的晶體結構之解析度，已經讓他們能解出各原子的位置。Thomas Steiz設法取得了由嗜鹽菌Haloarcula marismorlui之核糖體的大單元之結構；Ada Yonath與Venkatraman Ramakrishnan從Thermus thermophilus 獲得了小單元之結構，因此現在可以從最基礎的原子層次繪製核糖體功能的圖像。
学科融合: 由X 射线晶体学揭示的生命进程中的
化学基础
阿达·约纳特*
魏茨曼科学研究所, 雷霍沃特76100, 以色列
*通讯作者，E-mail: ada.yonath@weizmann.ac.il
收稿日期: 2011-09-05; 接受日期: 2011-09-12; 网络版发布日期: 2011-10-30
英文版见: Yonath A. Merging disciplines: Chemical bases of life processes are revealed by X-ray crystallography. Sci China Chem, 2011, 54(12):
2021–2023
这篇文章是为国际化学年而写的总结. 化学主
导了几乎所有现代科学的分支, 因为一旦深入到了
分子水平上, 就会涉及到化学事件. 在生命科学领域
里面, 传统科学分支之间的界限实际上已经消失了,
所以几乎所有的生物学问题都是以化学术语回答的.
生物X 射线晶体学作为一个研究工具, 在分子
水平上塑造了我们对生物学过程的概念. X 射线晶体
学以生物大分子或者分子组装体为研究对象, 通过
绘制组成这些对象的每一个原子的位置, 为构建准
确的3D 模型提供必需的信息, 由此生成的信息对理
解生命过程至关重要. 这种方法利用物理属性(即光
波和物体之间的相互作用产生的衍射)以及傅立叶变
换和群论等数学原理, 提供键长、化学亲和性、分子
运动性等结果.
由单个分子产生的X 射线散射是一个连续的函
数. 而在三维空间周期性排列的单元形成的晶体对X
射线的散射则会依据晶格的周期性(有倒易关系)产
生离散的衍射点. 这些离散的衍射点来自于散射波
与晶格函数的卷积. 在这种方式下, X 射线的衍射变
成离散的及可测量的. 另外, 晶体中大量取向相同的
单元会同时产生衍射, 这将大大增加衍射信号的强
度. 这也解释了晶体样品的重要性.
X 射线晶体学的运用开始于20 世纪20 年代, 这
归功于马克斯·冯·劳厄发现了由晶体产生X 射线的
离散衍射. 随后, 威廉·亨利·布拉格与其子威廉·劳
伦斯·布拉格成功地应用X射线衍射技术确定简单无
机分子的电子分布. 这种方法最初被用来确定无机
小分子的结构. 接着对非常简单的有机化合物的结
构也可以用这种方法确定. 将X 射线晶体学扩展到
生物分子, 刚开始时受到相当大的质疑. 在最初的二
十多年里, 许多有威望的科学家甚至怀疑这种方法
的可行性.
尽管X 射线晶体学存在一些瓶颈，但自从它的
第一个成功应用以来, X 射线晶体学在分子水平上阐
述功能相比其他方法更具有显而易见的优越性. 这
种方法在生命科学中的应用变得日益普及, 促使分
子结构的数量稳定增长, 其中有一些结构在几年前
还被认为是难以解析的. 在生物晶体学的整个历程
中, 所涉及的领域已经超出了所谓的现实性期望. 所
以这个历程被描述为正在进行中的大量尝试, 而针
对的问题需要不断提高技术来解决. 因此, 已得到的
结构激励了越来越复杂的晶体学研究, 由此导致了
重大的技术创新, 并加速了该领域难以置信的拓展.
随着生物分子结构的数量不断增长, 对复杂功能也
产生了新的认识, 例如跨膜运输、信号通路、蛋白/
核酸识别、生物活性RNA 分子等.
样品制备是一个主要的瓶颈. 因此, 在生物晶体
学存在的整个历程中, 即使当今我们可以利用自动
化系统来生长晶体, 对生物大分子生长有用的晶体
仍旧是决定其三维结构的主要瓶颈. 这是由于其内
部固有的柔性, 非常需要将其浸泡在支持溶液中, 以
便保持其具有功能意义的构象. 就膜蛋白而言, 后一
Special Issue: International Year of Chemistry 2011
阿达·约纳特: 学科融合: 由X-射线晶体学揭示的生命进程中的化学基础
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种情况具有特别大的局限性. 包裹着细胞的膜或者
细胞内特殊细胞器的膜具有不透水层, 在其中嵌入
的蛋白质控制着跨膜转运. 膜蛋白的天然属性使其
难以溶解在水介质中, 这使得它们的结晶比可溶性
蛋白更为复杂. 因此, 在目前所有已知结构的蛋白质
总数(约80000)中, 从解析第一个膜蛋白结构到现在
的26 年里, 仅有280 个膜蛋白的结构存放到了蛋白
质结构数据库(PDB). 特别是其中有一半的结构直到
最近几年才得以解析, 而且在显著提高分辨率极限
方面也正在不断取得成功.
现代生物晶体学正被用于多种关键生命过程的
研究, 并取得了不可思议的进展. 通过解析结构来理
解基本生命过程, 最近在化学方面取得了显著的进
展, 下面我们选出其中的精彩部分. 这些进展包括通
过基因的转录调控来控制饱和与非饱和脂肪酸之间
的比例; 氧化还原酶复合物; 多聚体膜蛋白和外膜蛋
白复合物; 膜激活因子; 多肽转运相关结构域; G 蛋
白偶联受体, 具有将信号转移到细胞内的跨膜螺旋;
人脂肪酶, 在内源性大麻素信号发生中发挥关键作
用; 分泌性溶血磷脂酶, 能产生与介质相互作用的脂
质; 肌动蛋白调节复合物, 通过促进肌动蛋白丝成核
来控制细胞骨架动力学; 外膜棕榈酰转移酶; 植物自
我活化的G 蛋白; 人源钙调蛋白的酶活结构域; 植物
病原体的分子伴侣; 肿瘤抑制蛋白; 雌激素受体等.
最近, RNA 分子及其复合物的X 射线晶体学得
到了极大的拓展. 核糖开关和核糖体就是其中的两
个例子. 后者是普遍存在的一种细胞器, 它可以将遗
传密码翻译成蛋白质. 十年前, 首次得到了细菌核糖
体亚基的分子结构. 这些结构和后来解析的核糖体
结构阐明了在蛋白质合成过程中的关键问题, 还为
设计更好的抗生素铺平了道路. 有趣的是在核糖体
晶体学的前三十多年中, 只有原核生物的核糖体被
用于晶体学研究. 去年解析了两个真核生物的核糖
体结构: 一个是来源于原生动物的核糖体小亚基与
翻译起始蛋白组成的复合物, 另一个是来源于酵母
的真核核糖体的功能复合物. 考虑到真核核糖体比
原核核糖体的结构更加复杂, 其中真核核糖体比原
核核糖体大了40%, 这些最近的结构展示了一个显
著的进展.
已解析结构的分辨率极限是晶体学结构测定中
的一个主要问题. 如果力图阐明生物过程的分子机
制, 就需要高分辨率的结构. 如果样品中所有的原子
相对固定在他们的位置, 以及所有结晶的分子具有
相同的构象, 那么该样品衍射产生的电子密度图就
可以表明每个原子精确的位置. 因为蛋白质具有较
大的柔性并且生物大分子的晶体中包含着相当多的
溶剂, 晶格多少有些杂乱, 因此衍射图案消失在低于
预定的分辨率. 2011 年发表了令人印象深刻的结果,
一个非常小的花菜蛋白分子结构达到了0.48 Å 的分辨
率极限. 在这个领域里面, 这是一个明显的例外.
一直以来, 生物晶体学遭遇了许多瓶颈和障碍.
挑战这些困难不仅鼓励了主要的创新和突出的技术
进步, 而且还导致了实验设计原理的观念变革. 为此,
配备先进的技术和创新的计算工具成为必须的要求.
例证之一, 四十年前同步辐射(SR)就变得非常有用
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