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然而，如果从实际出发，研究蛋白质是一场恶梦。早期的资料显示，它们是巨大的分子，有时候包括几十万个原子——比鲍林解决过的任何分子结构都要复杂得多。它们很难提纯，而且很易变质。只要用酸或碱稍稍进行加热或者处理，就足以改变一个蛋白质的自然形状并使它丧失活性——就是人们所说的“变性”。如同打蛋的经验显示，稍稍用一把叉子搅拌一个蛋清，有时就足以使它变性。
血红蛋白至少还不至于这样脆弱。从牛或羊的血液里可以容易地得到大量纯净的血红蛋白。它更大的优势是会结晶，这意味着它具有一种规则的、重复的结构。一种物质只要能够结晶，那么至少就有可能通过X射线衍射来分析它的结构。
血红蛋白还可以被分解开来，一段一段地进行研究。它是一种与别的非蛋白质结合的蛋白质，在此是与一种称为卟啉的环状分子结合在一起。卟啉又与一个铁原子结合在一起，铁原子又与氧结合在一起，这样，血红蛋白就能把氧带到全身各处。当鲍林在1929年访问哈佛时，科南特就向他介绍了一些自己有关卟啉的研究工作，引起了鲍林的兴趣。卟啉之所以引起人们的兴趣，首先是由于它奇特的形状——由许多小环组成的一个大环——然而更重要的是，它存在于大自然的每一个角落，在植物的叶绿素中和氧结合，在许多动物的血红蛋白中也是它与氧结合。卟啉似乎在分子层次上代表了具有生命普遍意义的分子生物学思想：哪里有生命，哪里就有卟啉，它在不同的有机体中扮演了相似的角色。
卟啉由四个串成环的吡咯组成。吡咯是一个由单键或双键交替键合的原子环，称为“蛋白质与非蛋白质结合”的结构。鲍林在化学键本质的一篇论文中曾经对这一结构的化学性质作过讨论。要研究血红蛋白，吡咯是一个自然的起点。从这里开始，鲍林可以逐级研究更为复杂的结构：四个吡咯结合在一起组成一个卟啉环；一个卟啉环加上一个铁原子组成一个血色素；每个血色素和一个球状蛋白质组成一个血红蛋白单位；四个血红蛋白组成一个血红蛋白分子。最终的构造大得令人难以想象：一个包含上万个原子的球体。鲍林很快作出结论，这一构造十分复杂，无法直接用X射线晶体学进行研究，尽管一些受洛克菲勒基金资助的乐观的英国研究人员正打算这样去做。也许他可以把血红蛋白分子分解成其组成部分，弄清楚每一个亚层结构，然后把它们再装配起来。
鲍林开始阅读能够找到的所有关于血红蛋白的资料，包括一篇深入探讨分子是如何与氧结合的论文。这里有一个谜。研究人员发现，氧与血红蛋白中的四个血色素结合时，它们似乎并非各自为政。结合了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易结合，而失去了第一个氧原子，剩下的三个氧原子就更容易失去。血色素之间似乎进行着某种形式的交流。这可以用来解释血红蛋白是如何在肺中搭载氧，又是如何在身体的其他部分卸载氧的，然而分子间的交流难以用化学理论来解释。
不过，在经过几个星期的思索之后，鲍林想出了一种高明的办法。他设计了一个能够描述前人收集的关于氧原子结合数据的公式，然后对四个血色素之间的各种空间关系进行了数学分析，最后得出了一种符合结合曲线的方向。他说，四个血色素最有可能的方向是在一个平面正方形的四个角上。后来证明他的观点是错误的，但是当他在1935年首次提出这一观点时，引起了血色素研究者中绝大多数医学研究人员和生物化学家的热烈讨论。在这一领域中，他们从未看见过这样的研究方法。显然，一个具有新思路的新天才出现了。
鲍林发表了自己的观点，向韦弗表明他对待新的研究计划是认真严肃的。但是，他在血红蛋白分子其他研究上的进展并不顺利。他试图将新的X射线技巧运用到卟啉上去，但很快就发现这种方法十分复杂，难以在短期内见效。鲍林放弃了努力，告诉韦弗他不是那种能花两年时间来对一种化合物进行详尽的晶体分析的化学家。解决血红蛋白结构的问题最终耗费了20年时间，无数次研磨，无数次X射线照射，并将最终为别人赢得诺贝尔奖。
鲍林一年的洛克菲勒基金就要到期了，所以他再次申请经费进行更基础的研究工作。对于非生物学的研究工作，韦弗难以保证任何洛克菲勒基金的资助，但是他有一个好主意。他建议鲍林利用潜在的洛克菲勒基金的资助作跳板，争取让密立根拿出五千美元左右来进行基础性研究。自己学校的支持加上鲍林近来在血红蛋白研究上的进展可能会说服洛克菲勒基金会的理事们把赞助延长到三年。鲍林听取了韦弗的建议，并添加了自己的一个威胁：如果密立根不答应的话，他就会接受另一所大学的提议。他得到了每年的五千美元。鲍林发电报告诉韦弗这个好消息；韦弗很快回信说，理事会已投票批准将他每年一万美金的资助再延长三年。
在三年时间里，韦弗和鲍林从赞助者和受赞助者发展成了同谋和朋友。
资金来源稳定之后，鲍林就可以自由地尝试用别的方法来研究血红蛋白，并满足一下自己在别的领域的兴趣。1935年，他和自己以前的一位学生，现在的博士后布莱特·威尔逊在经过三年的努力之后，将鲍林波动力学的备课笔记编成了一本教材：《量子力学入门及在化学上的应用》。尽管在出版后头几年的销量并不是非常可观的——量子力学还没有被化学家们接受为必修课程——这本书将具有深远的影响。在30年时间里，这本教材一版再版，使一代又一代的学生了解了新物理学的重要性。
同样在1935年，鲍林在突发的灵感驱动下发表了一篇关于“不规则排列”问题的论文——这一关于水分子的理论解释了冰在绝对零度时的余摘问题。这是一项纯理论的研究，可以追溯到他跟随托尔曼学习的日子。30年后，先进的计算机对这些公式进行了彻底的验算，证明鲍林的理论是正确的。如今这一称为“质子不规则排列”的理论，按照这一领域的一位学生的说法，“是美国对现代水的晶体学的最大贡献。”
然而这些研究只是一些岔道：血红蛋白才是目的地。
鲍林开始发现，生物学几乎和化学同样有趣。在1935年夏天的大部分时间里，鲍林在加州理工学院位于科罗那得马的海洋生物研究所里，从帽贝中提取血蓝素，一种与血红蛋白有亲缘关系的物质，并和阿尔伯特·泰勒，一位加州理工学院的青年生物学教授成了朋友。泰勒正试图找出海胆自体不育的机制。这一研究工作进一步激发了鲍林的兴趣，为什么生命能够识别自己和别人，为什么分子与自身和别人的反应不同。也许这里存在着某种化学联系。鲍林一直在寻找新的思想，把这个问题也归人了大脑。
鲍林回到帕萨迪纳后，想出了研究血红蛋白的新方法——考察其在磁场中的运动。鲍林的推理过程为，当氧和血红蛋白中的铁原子结合时，也许是以一种共价的形式——反应将是特定和相当强烈的——这意味着至少它的一个孤电子将成对，而且其顺磁性——具有一个或更多的孤电子的分子的一种特性——将下降。如果他能够测出顺磁性的变化，他就有可能回答氧是如何与血红蛋白结合的问题。
为了进行其他的研究工作，他先前从海耳的私人实验室里借过一大块水冷式磁铁。1935年秋天，他请查尔斯·科耶尔，一位刚出炉的，精力旺盛、干劲十足的加州理工学院博士来进行这项工作。他们设计的实验相当简单：一个装有牛血的小玻璃试管被悬挂在磁铁的两极中，一头用一根线栓在一个敏感的天平上。当磁铁的电源被接通后，顺磁性物质将被吸引至一个方向；天平能够测出磁性变化的程度。
在测试了含氧血、缺氧血以及各种控制手段后，他们发现鲍林的预测是正确的：结合的氧失去的孤电子参与了与铁原子结成的共价键。这就迈出了重要的～步，证明氧并非如一些研究者认为的那样，不分青红皂白地吸附在铁原子上。但是鲍林和科耶尔也发现了血红蛋白分子一些令人惊异的行为。他们的实验显示，血红蛋白中的铁原子在和氧结合的时候，也发生了根本性的变化，它与卟啉的化学键从离子键变成了共价键。鲍林写道：“在增加了氧原子后，血红蛋白分子结构会发生如此极端的变化，令人又惊又喜。如此紧密联系在一起的物质的化学键类型会如此不同，这种现象至今为止只在血红蛋白衍生物中发现过。”
鲍林和科耶尔在1936年发表的这篇论文进一步提高了鲍林的知名度。他们想出了一种巧妙的办法来解决一个古老的问题，并表明物理化学家在生物化学领域同样能够作出有价值的工作。他逐渐被原先专业领域外的科学家所知晓。他进入了一个新的领域，并很快开始征服它。
毛发和兽角
到现在为止，鲍林的工作都是围绕分子的血红素进行的，然而与此同时，鲍林努力思考着分子的其他部分——珠蛋白部分，即蛋白质部分。蛋白质化学还是一个庞大而又支离破碎的领域，鲍林用他惯常的方式开始自学，一面广泛地阅读科学文献，一面寻找着合适的切入点，以便用自己擅长的化学知识来提供深刻的见解。他发现蛋白质是由称为氨基酸的材料构成的。氨基酸的种类相对较少，20种左右，但都具有关键的相同点：每一个氨基酸都具有由三个原子组成的骨架，碳—碳—氮。碳的一头是羧基的一部分，氮的一头是氨基的一部分。各种氨基酸唯一的区别在于与中间碳原子相连的支链。伟大的德国有机化学家埃米尔·费歇尔在20世纪就证明，氨基酸可以通过头尾相连，即把羧基和氨基相连而构成较长的链，费歇尔把这一共价键称为肽键。他将构成的较长的分子称为多肽。到了30年代，尽管并不是每一个人都认为所有蛋白质都包含多肽链，但至少有一部分蛋白质是包含多肽链的。
鲍林觉得费歇尔的理论很合理，他开始用这个理论去认识蛋白质，将其视作由肽键联结的氨基酸所构成的长链。但是如何用这一长链的构造来解释蛋白质的多样性，如何解释蛋白质在肌体中令人眼花缭乱的功能呢？所有蛋白质都是由多肽链的不同排列构成的呢，还是存在着别的基本结构？
和以前一样，结构仍然是鲍林研究的重点。他相信，蛋白质的构造方式决定了它的活性。然而要发现它们的构造却几乎不可能。直接用电子衍射或X射线晶体衍射难以解决蛋白质复杂的构造问题。例如，瑞典科学家西奥多·斯韦德贝里刚刚证明，血红蛋白是一个庞然大物，包含数十万个原子。其他的蛋白质也差不多大小。
不过，仍然有一些实验室试图通过X射线来获得对蛋白质结构的初步认识。最著名的两个实验室都在英国。在利兹，威廉·阿斯特伯里正在调查羊毛和其他纤维蛋白质，如毛发、角质、羽毛和肌肉纤维的分子结构。他的研究成果——出乎许多科学家的意外——清楚地显示出这些蛋白质具有一种规则的重复结构，一种晶体结构。
阿斯特伯里认为，他能够解