本文是筆者在傳統(tǒng)紙媒上發(fā)表的第一篇中文科普，有幸于2005年與歷史悠久的上海《科學》雙月刊合作。多年來此文在中文網上讀者反響不錯，直到最近還在被博客和微信公眾號文章引用。筆者當年初寫科普文章時還沒有精力考慮配圖，多年以后根據(jù)多篇微信公眾號文章的創(chuàng)作經驗，感覺可以對這篇舊文以圖文并茂的方式進行再創(chuàng)作，通過智能手機上微信和微博等網絡傳播途徑，讓更多的新生代科學愛好者了解勵志而有趣的科學史。

撰文 | 徐亦迅

2004年的金秋十月，筆者參加了在北京召開的第三屆國際蛋白質組學年會。在主會場報告間歇的海報閱讀時間，人們總能看到一位如今已頗具知名度的日本科學家，手拿筆記本像一個認真的研究生一樣孜孜不倦地摘錄信息?？吹竭@一幕，筆者很難想象眼前這位仁兄竟然是2002年諾貝爾化學獎得主田中耕一，立刻聯(lián)想到中文網上一些評論家們?yōu)樗〉木b號實在是非常的貼切 ——“日本的阿甘”。

美國好萊塢1994年大片《阿甘正傳》（Forrest Gump）無疑是十幾年來為數(shù)不多的偉大電影作品之一，在全世界范圍內產生了深遠的影響。這部影片以一個有先天智力缺陷的人——阿甘為主角，向我們展示了一個與眾不同的看世界角度。從阿甘眼中看去，世界是那樣的簡單而從容。然而正是他所執(zhí)著的那些簡單的東西，卻終究展現(xiàn)出一種堅韌而彌久的力量來，令我們這些在名利的喧囂中迷失方向的“聰明人”感嘆不已。導演澤梅基斯（Robert Zemeckis）受唯美主義傾向的驅使，為阿甘的人生設計了種種令人捧腹的好運，從而淡化了劇本中的政治諷刺意味，使該片更像是一個人生寓言。而田中耕一平淡無奇的職業(yè)生涯和他的意外成功之間的巨大落差，使他和藝術虛構人物阿甘頗有幾分神似。

普通工程師

田中耕一是總部設在京都的日本島津制作所的一名普通工程師。島津制作所是一家生產科學測試儀器的公司。專攻物理、化學或生物的專業(yè)人士或許略聞其名，但該公司在日本只能算是一家不大有名的中小企業(yè)。與以往的諾貝爾獎得主相比，田中的履歷非常平凡而異色。他既非教授、亦非博士，甚至連碩士學位也沒有。對于這一點,因發(fā)明電噴霧質譜儀 (ESI-MS) 而與田中分享諾獎的芬恩教授 (John Fenn) 居然也毫不知情，乃至在演講時脫口而出“田中博士”。田中是畢業(yè)于東北大學工學部電氣工學專業(yè)的學士，東北大學在日本是除了東京大學、京都大學以外的一所非常優(yōu)秀的高等院校，曾經排名第三。由于專業(yè)背景的局限，田中1983年進入島津制作所時只具備中學化學的知識，他恐怕做夢也沒想到自己會在二十年后摘取諾貝爾化學獎的桂冠。

田中在24歲進公司后懷著極大的熱情埋頭于實驗室的研究工作，把自己的婚姻大事和名譽升遷統(tǒng)統(tǒng)置之腦后。我們從他得獎后的自傳了解到，田中直到35歲才通過婚姻介紹所完成個人終身大事，他自認在異性面前非常羞怯而又不善言辭。值得一提的是，田中2002年獲獎時在其為之效力了二十年的島津只有一個“主任”頭銜 ，這僅比最低職稱高了一級。日本企業(yè)的職務晉升通常實行雙軌制，分為管理職和專門職（又稱事務職）兩大軌道。具有大學本科學歷的人一般歸于管理職軌道。進公司首先做一兩年的職員，然后升任主任。往上還有系長、課長、次長、部長等等。每一種職務往往又細分2到3個等級，而且還有最低任職年限的規(guī)定。據(jù)報道，田中為了能在實驗室第一線從事研究工作，從不認真參加升職考試。與世界各地的企業(yè)一樣，日本企業(yè)的工資也是與職務掛鉤的。每年工資普調的額度很小，大致為月工資的2% 到3%。因此我們可以毫不夸張地說，田中幾乎是二十年如一日地淡泊名利，默默自安于日本企業(yè)社會的最底層。

質譜儀研究

田中從小熱衷于電子技術，孩提時代他常以自己裝配收音機為樂。選擇電子工程為專業(yè)既滿足了個人興趣愛好，又符合日本企業(yè)社會強調實用技術的就業(yè)傾向。他剛進島津時以為可以加入自己向往的醫(yī)療儀器開發(fā)項目，卻被意外地分配到成立沒多久的分析儀器開發(fā)小組。小組的成員是幾個二十多歲的年輕人，而田中又是其中年紀最小的一個。他們最初的項目是想完善一種可探測半導體金屬表面結構的精密激光儀，但經測試發(fā)現(xiàn)該儀器的性能沒能大幅趕超已占有市場的德國同類產品，因而無法直接推向市場。朝氣蓬勃的小組成員們不愿輕言放棄，決定另辟蹊徑，轉而嘗試該激光儀器的另一種可能用途——生物分子的質譜分析。從1984年開始，小組成員對這個新項目重新明確了一下分工，由田中負責研究上游的生化樣品制備和離子化方法，其他幾位同事則分別負責質荷比分析器、離子監(jiān)測器以及質譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

正所謂時勢造英雄。在分析化學領域的“百曉生兵器譜”上，質譜儀（mass spectrometer，MS）因其無以倫比的靈敏度而從1970年代開始逐漸穩(wěn)居榜首。到了1980年代，當時先進的質譜儀已能輕松地檢測分析濃度低到10-15摩爾（femtomolar）數(shù)量級的有機小分子化合物（分子量在1000道爾頓以下），但是生物大分子的檢測仍是公認的超級難題。當時的化學權威們普遍認為，像蛋白質一類的生物高分子（分子量在10000道爾頓以上）是不可能從樣品中被離子化而又不發(fā)生裂解地進入質譜分析所必需的氣相。而田中當年的化學知識非常有限，根本不了解這些權威學者的悲觀論調。在當時，田中通過文獻了解到該研究領域內的一批歐美學者已把目光集中于“快速致熱引發(fā)分子去吸附”的離子化方法。他們的想法是，被加溫后的大分子雖然增加了蒸發(fā)進入氣相而被離子化的可能，但同時也因穩(wěn)定性下降而容易發(fā)生裂解，因此成功的關鍵在于能否在非常短的時間內讓液相內的大分子達到高溫。激光脈沖通常能在短到納秒或微秒的時段內產生很高的能量，這種加熱方式顯然是一個非常誘人的選擇（圖1），但難點就在于能否找到一種吸收介質（matrix），將光能高效轉換為熱能再轉移到包埋其內的大分子樣品溶液中。

圖1：真空中激光快速致熱引發(fā)的去吸附可能使大分子從液相蒸發(fā)進入氣相，并通過飛行時間質譜儀(TOF-MS)檢測到完整的分子離子峰。來源：https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2002.pdf

憑著一股初生牛犢的闖勁和想讓島津激光技術有新用途的迫切心情，田中決定啃一下篩選吸收介質的硬骨頭。當時島津的實驗室里就有幾百種介質可供選擇，在理想的激光吸收介質是否存在都未知的情況下，化學知識極其有限和從未研究過離子化理論的田中就只能日復一日地機械性嘗試。他擁有和阿甘一樣簡單的思維模式，能夠不知疲倦地將篩選工作不斷進行下去，用田中在自傳中的原話來講：“我當時感覺自己簡直就與介質和質譜儀融為一體了”。但是這些大工作量的機械篩選并沒能導致任何突破。這時島津研究小組的另一位成員吉田佳一建議他試用超細金屬粉末（UFMP，常用的是鈷粉），這些納米顆粒的直徑與激光的波長相差不大，能夠非常高效地吸收光能，因此UFMP看上去是黑色的。而且由于UFMP的顆粒之間距離狹小，大大降低了熱能被發(fā)散和丟失的可能性。將UFMP與質譜儀要檢測的有機樣品混合，就能用激光照射使UFMP在短時間內達到高溫。

田中運用UFMP為介質取得了一個階段性成果，他成功地提升了有機高分子的質譜檢測范圍，例如聚乙烯二醇（PEG）系列混合物單獨被激光照射離子化后在質譜上只能看到1000道爾頓以下的多聚體，并且不同分子量的離子峰間分辨率較差。而PEG與UFMP介質混合后的激光照射質譜能夠清晰地檢測到2000道爾頓系列，同時200、400、600、1000、2000系列的峰間分辨率全面升高（圖2），實驗結果令人鼓舞?？上FMP介質用于分子量上萬的生物高分子的離子化仍然收效甚微。

圖2：超細金屬粉末(UFMP)全面提升了激光照射下聚乙烯二醇(PEG)飛行時間質譜的分辨率。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

歪打正著的失誤

但是田中性情中的“阿甘精神”使他不肯在困難面前輕易放棄，他對UFMP還是抱有一絲幻想，于是又嘗試將UFMP懸浮在不同的常用有機溶劑中，試圖取得一些哪怕是微不足道的改進。他的研究風格是典型的“一根筋”，就是不斷改換溶劑或是調整溶劑的濃度來反復試驗，無數(shù)次嘗試后仍然沒有實質性突破。

1985年2月，田中在一次實驗過程中犯了一個非常低級的錯誤，他原本想用丙酮來懸浮UFMP，結果居然錯用了甘油。稍具中學化學知識的讀者都知道，甘油在室溫下是黏度很大的液體，人們在冬天可以將其涂在皮膚表面來防裂，而生物學家則通常用它來保藏菌種。因此甘油根本就不是常用的溶劑，與具有強烈刺激氣味的丙酮簡直是天地之別！好奇的讀者難免要問，當時田中的實驗桌上為何會放著一瓶甘油？原來1980年代初的質譜界最流行的離子化手段還不是激光照射，而是由巴伯（Michael Barber）和瑟曼（David Surman）等人首創(chuàng)的快原子轟擊法（fast atom bombardment, FAB），這種方法需要用甘油為介質（圖3）。島津研究小組要研制新型質譜儀就免不了要用FAB方法做對照實驗，這樣才能證明新方法的優(yōu)越性。

圖3：快原子轟擊法以甘油為介質實現(xiàn)去吸附離子化的機理。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

在田中“不幸”將甘油倒入UFMP與要檢測的維生素B12混合物的瞬間，他立刻意識到了這個“重大失誤”，因為這么黏稠的液體絕不可能是丙酮。當時UFMP的價格比較昂貴，而田中時刻銘記的是其祖母“不要隨便浪費東西”的諄諄教導（這與影片中阿甘牢記的母親語錄“生活就像一盒巧克力”相映成趣），于是他決心挽救這一UFMP樣品。由于質譜實驗在真空中進行，田中知道剛加入的甘油遲早會揮發(fā)掉，那時他再加入丙酮就能“撥亂反正”。但他此刻實在是心急如焚，無法忍受這種等待的煎熬。于是他就用激光照射來試圖加快甘油的揮發(fā)，同時他的眼睛還緊盯著顯示屏上的質譜，只要能看到分子量是92的那個“倒霉的”甘油分子離子峰消失，他的“拯救UFMP計劃”就將大功告成。但就在這時，一個意想不到的質子化分子離子峰（protonated molecular ion）在質譜上出現(xiàn)，其分子量對應完整的維生素B12分子（1315道爾頓）。

圖4：維生素B12的化學結構

維生素B12（圖4）的分子量雖然不算特別大，但其三維結構比較復雜，是化學史上具有傳奇色彩的一個分子。英國科學家霍奇金（Dorothy Hodgkin）在1956年用X射線晶體衍射法解出維生素B12的完整結構而獲1964年諾貝爾化學獎，這一精妙的結構又激發(fā)了美國有機合成大師伍德沃德（Robert Woodward）的濃厚興趣。從1961年開始，由伍德沃德教授在哈佛的實驗室和埃申莫澤教授（Albert Eschenmoser）在瑞士蘇黎世的實驗室聯(lián)手的跨國團隊奮戰(zhàn)了12年，終于完成了由數(shù)百個反應構成的維生素B12人工全合成（圖5）。這是有機化學歷史上的一座豐碑，由此帶來的一個理論突破 —— 伍德沃德-霍夫曼（Woodward-Hoffmann）規(guī)則，榮膺1981年諾貝爾化學獎。維生素B12分子能夠極其高效地吸收激光能量而容易在氣相中裂解，田中用UFMP的丙酮懸浮液為介質時在質譜上很難檢測到完整的質子化分子離子峰，卻往往看到其裂解后產生的大量碎片離子。沒想到奇跡竟然在混入甘油后發(fā)生！因此我們也不妨將田中的中文綽號“日本阿甘”中的“甘”字幽默地看成甘油的“甘”，就有了一語雙關的神韻。

圖5：根據(jù)反合成分析法設計的維生素B12全合成路線。來源：Nicolaou, K.C. & Sorensen, E.J. (1996) Classics in Total Synthesis, pp. 99-136, VCH Publishers, Inc.

田中在將信將疑之余，開始著手將神奇的UFMP-甘油混合介質試用于檢測更大的生物分子。他以超人的耐心調整各種實驗參數(shù)，又敢于突破當時歐美質譜界普遍采用波長為266納米高能激光源的成規(guī)，率先嘗試了波長為337納米的低能量氮氣激光源，以求避開蛋白質分子中芳香性氨基酸側鏈在280納米附近的強吸收波段，果然明顯降低了樣品中蛋白質大分子發(fā)生裂解的概率。憑著對實驗細節(jié)不厭其煩的重視，田中終于在1985年8月檢測到了34529道爾頓的羧肽酶（carboxypeptidase A）的分子離子峰（圖6）！這是儀器分析化學的一個歷史性突破，正式宣告蛋白質大分子可以被完整地離子化而進入氣相。

圖6：通過UFMP-甘油混合介質檢測到的羧肽酶完整分子離子峰。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

我們不難想象當年田中在經歷了無數(shù)失敗的實驗后終于取得成功的狂喜，但他具有阿甘那樣無比的韌性，依然毫不松懈地乘勝追擊，又于1987年檢測到分子量高達100872道爾頓的溶菌酶（lysozyme）七聚體（圖7）。

圖7：通過UFMP-甘油混合介質檢測到的溶菌酶七聚體分子離子峰。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

回頭來看，當初不慎在UFMP中加入甘油居然是一個歷史轉折點。此前的一年時間里田中幾乎每天都要面對實驗的陰性結果，只能以“我又排除了一種介質”來自我安慰。自從悟到UFMP-甘油混合物的妙用之后（圖8），進一步優(yōu)化實驗參數(shù)的工作雖然還是枯燥和繁瑣，但這時田中幾乎每做一個實驗就能有清晰可見的小進展，這使他體驗到大學畢業(yè)當工程師以來前所未有的喜悅。當然整臺質譜儀的研制成功也離不開田中的四位同事在其他環(huán)節(jié)上的通力合作，攻下超難度瓶頸的田中自然是該項目的頭號功臣。

圖8：甘油與UFMP的混合介質是田中耕一首次實現(xiàn)大分子激光去吸附離子化的技術關鍵。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

輾轉獲諾獎機遇

1985年島津及時為田中的質譜離子化新方法向日本專利局遞交了申請，該專利在1993年獲得批準。這對大多數(shù)在公司里就職的研究人員來講就已經基本完成任務，接下來就由公司的商務開發(fā)部決定是否值得將該質譜儀推向市場。管理層會從公司的利益來考慮問題，一般不愿意其科研人員立即將成果在學術期刊上發(fā)表，這也是為何許多在工業(yè)界的科學家雖有出色成果但其原創(chuàng)性和優(yōu)先權很難獲得學術界的公認。學術界人士通常不會去閱讀專利文獻，更何況世界各國的專利法規(guī)差別很大，專利評審制度不像期刊的同行審稿制 (peer review system) 那樣有一個相對統(tǒng)一而公平的標準。如果當年島津的商務開發(fā)部認為田中等人的質譜儀沒有市場潛力，那么這項成果就將被束之高閣而不被世人所知，讀者朋友們也就不會讀到這個精彩無比的傳奇故事。好在田中又有阿甘那樣擋不住的運氣，接下來的一連串事件對他最后榮獲諾獎而言是缺一不可的。

圖9：1987年日本島津制作所的新型激光質譜儀總體設計。來源：Tanaka, K. et al (1988) Rapid Commun. Mass Spectrom. 2:151–153。

首先是島津在1987年決定將新型質譜儀（圖9和圖12）正式上市，為了起到產品宣傳作用，公司允許包括田中在內的五位研發(fā)小組成員通過5月份在京都舉行的日本質譜學會年會首次對外宣布這一成果。他們的實驗結果在會議期間只是略有反響，大多數(shù)日本學者對其實用性仍持懷疑態(tài)度。而且該會議的現(xiàn)場報告和海報摘要全是用日語發(fā)表，不可能引起西方學者的注意。接著是1987年9月第二屆中日質譜學研討會在日本寶塚市召開，由于這是一個國際性會議，大會的工作語言是英語，因此也就吸引了一些西方學者前來參加。與會的美國專家中有一位就是來自著名的霍普金斯大學醫(yī)學院的科特教授 (Robert Cotter)，筆者本人在博士生一年級時曾有幸聆聽過科特教授的質譜學課程，深感受益良多。1987年時的科特教授就已是飛行時間質譜儀領域的權威學者，他在大會的報告中提出了一個看法，斷言“電漿去吸附質譜儀（PDMS）的分子量檢測范圍要大于激光去吸附離子化質譜儀（LDI-MS）”。坐在聽眾席上的田中耕一心想科特還不知道自己在島津的研究成果，于是在報告后邀請科特第二天來看他的海報。當科特看到田中的LDI-MS居然能檢測到溶菌酶七聚體時實在難掩驚嘆的神情。在征得田中的同意后，深信科學無國界的科特一回賓館就將田中海報的摘要、離子化方法的細節(jié)和其中關鍵的幾張質譜影印件通過傳真發(fā)往歐美幾家主要的質譜學實驗室。事后證明，科特教授的這一熱心宣傳為默默無聞的田中在歐美確立了其LDI離子化新方法的原創(chuàng)性，也為這位不計較名利的后輩學者無意中提供了“貴人之助”。

最后是與會的另一位日本學者，大阪大學助理教授松尾武清，多次提醒田中務必要將研究成果盡快寫成英語論文發(fā)表。田中心想自己的英語水平這么差，寫作能力更是一般，但考慮到松尾的一片好意，就“很不情愿”地答應一試。只求盡快發(fā)表的田中根本不在乎學術期刊的知名度，勉強寫完論文手稿后掃了一眼質譜學領域的英文期刊列表，看到《質譜學快報》(Rapid Communications in Mass Spectrometry) 刊名中的一個“快”字就覺得很對胃口，二話不說就將稿件投往該雜志。果然這篇論文順利通過了審稿，于1988年8月印成鉛字（圖10）。

圖10來源：Tanaka, K. et al (1988) Rapid Commun. Mass Spectrom. 2:151–153。

僅僅兩個多月后，德國的兩位教授卡拉斯（Michael Karas）和希倫坎普（Franz Hillenkamp）就在《分析化學》雜志（Analytical Chemistry）上聯(lián)名發(fā)表了他們獨立研制的用尼克酸（nicotinic acid）為介質的LDI新方法。這種方法將被測大分子與尼克酸這類有機小分子共結晶，經過德國團隊的不斷改良和時間的檢驗，因其更強的實用性而成為現(xiàn)代介質輔助激光去吸附離子化（MALDI）質譜儀的基礎（圖11）。而田中的方法基本上無人問津，島津的第一代MALDI質譜儀“LAMS-50K”在十多年里只賣出可憐的一臺（圖12）。但德國團隊由于早在1987年9月就收到了科特的傳真，親眼看到了田中等人成功檢測分子量高達10萬的蛋白多聚體質譜，基于學術規(guī)范他們必須在論文的參考文獻里征引田中的會議摘要（他們投稿時田中的正式論文尚未付?。?。在此后的十幾年里，MALDI質譜儀和ESI質譜儀得到了日新月異的發(fā)展，成為生物大分子質譜分析領域的兩大支柱，也為二十一世紀后基因組時代（postgenomic era）的高通量蛋白質組學研究提供了技術上的保障。

圖11：現(xiàn)代介質輔助激光去吸附離子化質譜儀的工作流程。來源：Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Gatto, G.J. & Stryer, L. (2015) Biochemistry, 8th Edition, W.H. Freeman & Company.

圖12：日本島津制作所于1988年推出的第一代激光去吸附離子化質譜儀。來源：Tanaka, K. (2002) Nobel Lecture。

2002年10月諾貝爾化學獎委員會正式宣布，由發(fā)明ESI離子化技術的芬恩教授和最早實現(xiàn)LDI離子化技術的田中耕一分享生物大分子質譜學的一半獎金，用核磁共振技術研究蛋白質三維結構的維特里希教授 (Kurt Wüthrich) 獲得另一半獎金。歐洲媒體對田中的獲獎無不嘩然，他們普遍認為MALDI的發(fā)明者應該是卡拉斯和希倫坎普。相當一批歐美學者在論文中談到MALDI離子化技術時一般也只提這兩個德國人，只有少數(shù)比較公允的學者會加上田中而承認三個人的共同首創(chuàng)者地位，但是絕對沒有人會只提田中而不提卡拉斯和希倫坎普。諾貝爾委員會認定的頒獎原則是只承認最原創(chuàng)的發(fā)現(xiàn)與方法上的突破，他們認為“從零到一”的重要性遠在“從一到一千”之上。筆者猜想，最后田中的意外勝出與卡拉斯和希倫坎普的經典文章中引用了田中的會議摘要這一事實有不小的關系。兩位德國學者在榮譽歸屬問題上展現(xiàn)了令人可敬的光明磊落，他們2001年12月作為MALDI發(fā)明人接受美國《分析化學》特刊記者采訪時，主動提及在1987年秋天受到田中突破性工作的觸動，才決定再次挑戰(zhàn)蛋白大分子的激光去吸附質譜分析。

田中的獲獎讓那些沒有高等學歷或是在工業(yè)界默默奉獻的科研人員深受鼓舞，島津公司的股票價格也在田中獲獎后的一個月內上漲了50%，各類質譜儀的銷售量也突然開始飆升。為田中的低職稱感到愧疚的島津管理層決定將他破格連升幾級，并專門成立以他名字命名的質譜學研究所（Koichi Tanaka Mass Spectrometry Research Laboratory）。在日語里，“先生”這個特定漢字詞組一般只用于尊稱教師、律師、醫(yī)生、作家、藝術家等德高望重的人。于是在2002年的歲末，田中的上司和同事們就多了一個新的困惑 —— 難道我們以后都得管他叫“田中先生”嗎？

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田中耕一 (2012)《最了不起的失敗》，譯者：戚戈平，李曉武，科學出版社。 ?

注：本文的純文字版首次發(fā)表于2005年7月《科學(雙月刊)》。