2011年是联合国教科文组织宣布的国际化学年。有一种流行观点认为，人类现在已经从概念上理解了化学，我们所有要做的，就是利用化学而已。其实这是不正确的。没错，我们日常生活中用到的绝大多数产品都可能要归功于现代化学。但是，生产有用的化合物和化学家做的事却千差万别。事实上，现代社会的某些迫切问题——从如何让汽车更环保，到改变活细胞的命运——从核心上讲，它们都属于化学领域的问题，亟待化学家们来解决。而且，化学中还有许多科学中亟待破解的最基础的谜题。大家可以通过《化学世界的10大未解之谜》一文对这10个问题有所认识，而这10个问题的核心，恰恰就是化学。此外，在人类的相互交流中，化学信号也起着重要的作用。以上两个特征将告诉我们，化学在我们的现代生活中到底有着多么深远的影响。

1.生命从何而来？

距地球上第一种生物从无生命物质中诞生，至今已近40亿年，但最初的生命是如何出现的，至今仍是个谜。那些相对简单的分子，最初如何从“原始汤”里创生出来，并形成越来越复杂的化合物？这些化合物又如何开始进行能量代谢，并完成自我复制（这两者是定义生命的两个特性）？当然，在分子水平上，所有这些步骤都是化学反应，也正因为如此，“生命从何而来”成了一个化学问题。

关于这个问题，对科学家的挑战不再是构想出那些看似合理的假说，因为这样的假说已经太多了。例如，有研究者推断，在第一种能够自我复制的聚合物（类似DNA或蛋白质一类的分子，是由许多更小单位构成的长链）的形成过程中，泥土等矿物质可能起到了催化剂的作用。还有人认为，正是因为深海热泉源源不断地提供能量，才会产生结构复杂的化学物质。此外，还有研究者提出，地球上曾存在一个RNA（核糖核酸）世界，这个世界出现在DNA和蛋白质诞生之前。在这个世界中，DNA（脱氧核糖核酸）的近亲RNA（它可以被看作是一种酶，并且可以像蛋白质那样催化化学反应）无处不在。

我们现在要做的就是，找到一种方法，在加热的试管里面触发化学反应，验证上面提到的那些假说。科学家已经取得了一些进展，他们的研究表明，一些化学物质可以自发排列，形成更加复杂的结构——例如氨基酸，还有众所周知的核苷酸（nucleotides，DNA的组成单元）。2009年，现供职于英国医学研究委员会剑桥分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰德（John Sutherland）所带领的团队已经证实，在“原始汤”中，确实可能存在自发的核苷酸合成过程。

其他一些科学家则着重研究了特定RNA类似于酶的催化特性，为“RNA世界假说”提供了一些证据。通过这些步骤，科学家也许可以弄清楚，无生命物质如何转变成能自我复制、自我维持的系统，从而填补生命进化史上的这个缺失环节。

由于科学家对太阳系奇特而丰饶的环境有了更深的认识——火星上曾经存在过液态水；土星卫星泰坦（Titan，土卫六）上有着甲烷海洋；木星卫星欧罗巴（Europa，木卫二）和加尼米德（Ganymede，木卫三）的冰层之下，似乎潜藏着冰冷的咸海，因此地球生命的起源似乎只是一些宏大问题的一部分：在哪些环境中，生命才会出现？生命的化学基础可以有多大的不同？过去16年，科学家已经发现了500多颗围绕着其他恒星运转的太阳系外行星，这些光怪陆离的外星世界也让前述问题变得更加迷人。

这些发现促使化学家展开想象，去创想原始生命可能的化学构成。例如，美国航空航天局（NASA）一直认为，液态水是生命存在的先决条件，但现在科学家却认为不一定非得这样。液态氨、甲酰胺（formamide，一种油状溶剂，类似液态甲烷）或者木星上的超临界氢（super-critical hydrogen）可不可以充当其他生命的“水”？为什么生命必须要以DNA、RNA和蛋白质为基础？毕竟，科学家已经研制出了一些人造化学系统，只要有合适的组成成分，它们不需要核酸就能完成复制。从本质上说，一个可以充当模板进行自我复制，并能与“复制品”分开的分子系统似乎就算是生命。

美国应用分子进化基金会的化学家史蒂文·班纳（Steven Benner）说，当我们的研究只局限于地球生命时，“我们没法说清楚，它们之间的那些相似性（比如都会使用DNA和蛋白质）到底代表了它们来自同一祖先，还是说生命都需要是这样”。不过，如果我们坚持认为，我们看到的才是真实的，“那我们的研究就太没意思了”。

2.分子如何形成？

20世纪20年代，沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London）应用刚刚兴起的量子力学理论，向人们展示了如何描述化学键的形成。此后不久，美国著名化学家鲍林（Linus Pauling）又提出了杂化轨道理论，认为当不同原子的电子轨道在空间上重合时，就会形成化学键。而罗伯特·马利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里希·洪德（Friedrich Hund）却提出了截然不同的理论：化学键的形成，是原子轨道并入一个包括多个原子的“分子轨道”的结果。那时的理论化学看起来就像物理学的一个分支。

近100年后，分子轨道模型成为认可度最高的一种。但对于这种模型是否研究分子的最佳工具，化学家仍然没有达成一致。原因在于，这类分子模型，以及其他所有简化了的假想模型都不够精确，只能部分描述分子结构。事实上，分子就是电子云中的一团原子核，并通过相反的静电力，与另外一团原子核进行着一场永不停止的“拔河游戏”，而且所有的组成部分都在不停地运动和重组。现有的分子模型通常试图将这样一种处于动态的实体变为静态，并且明确各个组分之间的关系，这种做法会显示出分子的一些突出性质，但同时也会将其他信息忽略掉。

而对于每天的工作就是破坏和构建化学键的化学家来说，量子理论又无法为化学键提供一个符合他们直觉的独特定义。现在，很多人定义分子的方法，都是把分子看作是一堆通过化学键结合在一起的原子。在德国波鸿－鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克斯（Dominik Marx）看来，这些描述都有一个共同的毛病，那就是“在某些情况下是正确的，但换到其他条件下，就是错误的”。

现在，科学家可以根据量子第一性原理（quantum first principles），通过计算机模拟来计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少，就能获得精确度很高的结果。“计算化学可以极度现实化和复杂化，”马克斯说。因此，计算机模拟越来越被看作是一种虚拟实验，用来预测一个化学反应的过程。但是，一旦某个反应的模拟计算不再局限于几十个电子，计算量就将变得巨大无比，即使最先进的计算机恐怕也无法胜任。因此，我们面临的挑战将会是能否放大模拟范围，比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。

3.环境如何影响人类基因？

以前的生物学观点认为，你体内的基因决定了你是谁。现在，另一个事实已经清晰地摆在我们面前：在“你是谁”这个问题上，你使用了哪些基因，与你携带了哪些基因同样重要。跟所有的生物学问题一样，这个问题的核心依旧是化学问题。

早期胚胎中，细胞可以发育成各种类型的组织。但随着胚胎发育，所谓的“多能干细胞”（pluripotent stem cell）则会发生分化，朝着不同的方向发展（例如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞）。这样，它们后代的“角色”就被固定下来。人体的形成，是干细胞中的染色体受到化学修饰，基因表达按特定规则“开启”和“关闭”的结果。

但是，上述化学修饰是可逆的，而且会受到人体环境的影响，这是克隆和干细胞研究领域的一项颠覆性发现。在干细胞的分化期，细胞不能永久地关闭某一基因，而只能是将它们需要的基因维持在一种“准备”状态。也就是说，被关闭的基因也有参与工作的潜力（即合成它们所编码的蛋白质），当它们遇到周围环境中特定化学物质时，这种潜力就可以激活。

对化学家而言，最让人兴奋、也最具挑战性的是，基因表达的调控似乎涉及一些化学事件。这些事件发生在“中尺度”（mesoscale）水平上，主角是比原子和分子更大的分子复合体，涉及复合体之间的相互作用。染色质（chromatin）是由DNA和蛋白质组成的复合物，具有一种层级结构。DNA双螺旋缠绕在一个个圆柱形的、由组蛋白（histones）构成的蛋白颗粒上，然后这些蛋白颗粒会聚集起来，形成更高级的结构。目前我们对这种结构还知之不多（请参见对页插图）。细胞活动极好地控制了这种组装过程——一个基因以何种方式，被定位到染色质的哪个位置，也许就决定了它能否正常表达。

至于成熟细胞能在多大程度上重获分化能力（不管它们能否变得像真正的干细胞那样，在再生医学中，诱导性干细胞的使用都是一个非常重要的问题），这在很大程度上取决于在表观遗传标记的重置上，科学家能走多远。

现在比较清楚的是，在遗传上，除了遗传密码里的关键信息，细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。英国伯明翰大学的遗传学家布莱恩·特纳（Bryan Turner）说：“人类的很多疾病都与遗传相关，包括癌症在内，但是一种潜在的疾病最终是否发作，通常还要看环境因素能否通过表观遗传的方式起作用。”

4.大脑如何思考，并形成记忆？

大脑就像是一台化学计算机。神经元之间相互作用所构成的“环路”是通过分子介导的。具体来说，就是神经递质（neurotransmitter）在突触（synapse）间的传递，突触指的就是两个神经细胞相连接的地方。而在这种大脑的化学反应中，最令人印象深刻的，当数记忆的运作。对记忆而言，抽象的原理与概念——比如一串电话号码，或者是一段情感体验——都会“印刻”在大脑里，持续不断的化学信号形成了神经网络的各种特定状态，从而实现了这种“印刻”。那么，化学物质是如何创造出一段既持续又动态，还能够被回忆、修改以及遗忘的记忆的呢？

我们现在已经知道了部分答案。一连串生物化学过程，改变了突触神经递质分子的数量，从而触发对习惯性反射的学习。但是，即便是这么简单的学习，也有短期和长期之分。与此同时，一种复杂的“陈述性记忆”（declarative memory，即对人、地点等内容的记忆）拥有另外一种工作机制，在大脑中的定位也不一样。陈述性记忆与一种叫做NMDA受体的蛋白质的活化有关，它分布在特定的大脑神经元里。如果用药物阻断这种受体，好几种不同类型的陈述性记忆都会受到影响。

无论是上述简单的还是复杂的学习过程，长时记忆一旦形成，特定基因就会开始表达，合成特定蛋白，极力维持长时记忆。关于这个机制，现在发现与一类叫做prion的分子有关。

关于记忆是如何工作的，目前还存在着大片空白，需要很多化学方面的细节来填补。比方说，如何提取以前储存的记忆？美国哥伦比亚大学的神经科学家、诺贝尔生理学或医学奖得主埃里克·坎德尔（Eric Kandel）表示：“这是个深奥的问题，目前的分析刚刚起步。”

回答记忆领域的化学问题为记忆增强药提供了既迷人又充满争议的前景。目前已知的一些可以增强记忆的物质有：性激素和分别作用于尼古丁、谷氨酸、5-羟色胺等神经递质的受体的合成化合物。实际上，按加利福尼亚大学欧文分校的神经生物学家加里·林奇（Gary Lynch）的说法，由于长时程学习和记忆有一连串复杂的步骤，也就意味着为这类记忆增强药的产生提供了很多潜在的靶点。

5.到底存在多少种元素？

学校教室墙上贴着的元素周期表（the periodic table）一直都在不停地修订，这是因为人类发现的元素数量在不停增长。使用粒子加速器让原子核对撞，科学家可以制造出新的“超重元素”（superheavy elements）。相比从自然界发现的92种元素，超重元素的原子核拥有更高的质子（proton）数与中子（neutron）数。它们巨大的原子核非常不稳定——在极短的时间内（通常只有几千分之一秒到几分之一秒），它们就会衰变（这种衰变具有放射性）。但是，在它们存在的时间内，这些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106号元素）以及钅黑（hassium，第108号元素），和其他元素一样，都具有能够被准确定义的化学性质。通过精妙设计的实验，科学家们抓住少量的钅喜和钅黑在衰变之前短暂存在的一瞬间，测量了它们的部分化学性质。

由于物理学家认为，只要原子核拥有“魔数”数目的质子和中子，就会特别稳定，因此他们想在元素周期表中找出一个名为“稳定岛”（island of stability）的区域——在这个区域中，超重元素更稳定，寿命更长，目前的合成技术还无法合成出这样的元素。但是，超重元素的大小是否有极限？依据相对论的一项简单计算告诉我们，电子无法被拥有超过137个质子的原子核束缚。更加复杂的计算也证实了这个极限。然而，来自德国法兰克福-歌德大学的核物理学家沃尔特·格雷纳（Walter Greiner）却坚持认为：“元素周期表绝对不会在第137号元素前止步不前；事实上，它永无止境。”但是，要想通过实验来验证格雷纳的断言，从目前的研究水平来看，这还是一个很遥远的目标。

6.我们能用碳元素制造出电脑吗？

如果电脑芯片能用石墨烯（graphene，一种单层网状碳单质材料，参见《环球科学》2008年第5期《延续摩尔定律的新材料》一文）来制造，那么，未来的电脑将比现在的硅芯片电脑运行速度更快，性能更加强劲。石墨烯发现于2004年，2010年的诺贝尔物理学奖就颁给了石墨烯的发现者，但要将石墨烯为代表的各种碳纳米材料技术推向实际应用，最终还依赖于化学家能否创造出精密度达原子级别的结构。

早在1985年，科学家就发现了巴基球（buckyball，一种由碳原子组成的中空笼形碳单质结构），这可算是碳纳米材料研究的开端。6年之后，碳纳米管（carbon nanotube）开始了它的首演，碳纳米管的管壁由呈六边形整齐连接的碳原子构成，就像是把单层石墨（graphite）材料卷了起来。这种中空的材料异常坚韧，具有非常优秀的导电性。碳纳米管材料有望被用于从高强度的碳复合材料到微小的导线和电子装置，从微型分子胶囊到滤水薄膜等各个领域。

尽管期望中的用途很多，但如今碳纳米管还很少有成功的商业应用。例如，研究者目前还无法解决如何将碳纳米管和复杂的电子芯片连接起来的问题。时间再近一些，石墨登上了舞台中央，因为科学家发现，石墨可以被分离成单层的网状结构，就像薄板一样，这种单层网状结构材料，也就是我们所说的石墨烯，它可以用来制备超微小、廉价且坚固稳定的电子芯片。现在IT领域都对石墨烯抱以厚望，希望能够将窄带状或网状的石墨烯材料应用到计算机工业中，做出达到原子尺度的器件，集成到芯片中，这样新一代计算机就能比目前基于硅技术的产品拥有更强的性能（请参见《环球科学》2010年第2期《未来20年的芯片》一文）。

美国佐治亚理工学院的碳材料专家瓦尔特·德希尔（Walt de Heer）说：“石墨烯可以做成各种形状，所以碳纳米管时代的连接、放置问题就不复存在了。”

但是，德希尔继续指出，要把石墨烯制作成我们需要的形状，达到单个原子尺度，目前的工艺（例如刻蚀技术）都无法企及，因此，他也听到一些言论，说石墨烯技术目前被炒得过热，而真正的技术还差之甚远。通过有机化学的技巧，由下及上地制备石墨烯电路——也就是将含有数个正六边形碳原子环的“多芳烃分子”（polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片层的一个部分）连接起来——或许是一个关键步骤，以此可以达到上述工程学精度，最终开启未来通向石墨烯电子学的大门。

7.如何捕获更多太阳能？

每当太阳从东方升起，似乎都在提醒人类，对于太阳这个巨大无比的清洁能源来源，我们目前开发利用得实在太少太少。经济问题是最大的障碍：用来获取太阳能的传统光伏电池板（photovoltaic panel）的高额成本限制了它的使用。但是，在地球上，几乎所有的生命最终都由太阳的能量驱动，而能量来自光合作用（photosynthesis）。这恰恰说明了，太阳能电池并非需要极高的转换效率，它们只须像树叶那样，通过廉价的方法提供充足的能量。

美国亚利桑那州立大学的德文斯·加斯特（Devens Gust）说：“太阳能研究的一个最值得期待的方向就是，通过阳光来制造燃料。”利用太阳能来制造燃料的最简单方法就是分解水，产生氢气和氧气。美国加州理工学院的内森·刘易斯（Nathan S. Lewis）和同事发明的一种人造树叶（参见对页框图）就能实现上述想法，他们的工具是硅纳米线阵列（参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：阳光变燃料》一文）。

今年年初，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉（Daniel Nocera）和合作者展示了一种硅基薄膜，在这种薄膜中，一种以钴（cobalt）为主要成分的光催化剂（photocatalys）能促进水分子分解。据诺切拉估算，1加仑（约3.8升）水分解，提供的能量就能够满足一个发展中国家家庭一天的用量。诺切拉说：“我们的目标是让每个家庭都拥有自己的电站。”

通过催化剂来分解水仍然非常困难。“像诺切拉使用的钴催化剂，还有一些新近发现的基于其他常见金属的催化剂，都是值得期待的，”加斯特说，但目前还没有人能够将它们的制作成本降低到理想范围。

“我们尚不知道自然界中的光合作用催化剂如何工作，这种催化剂基于4个锰（manganese）原子和一个钙（calcium）原子，”加斯特补充说道。

加斯特和同事已经开始着手通过分子器件来实现人造光合作用，这种方式更加接近于自然界中生物的光合作用。经过艰苦努力，他的研究小组已经合成出一些可用于最终分子器件的基本结构单元。但是，在他们面前还有大量的挑战。有机分子，例如自然界用到的那些，很快就会分解或破坏。然而，植物会不断的生产出新的蛋白质来替代那些被破坏的，但至少目前，人造树叶还无法完全模拟一个活细胞进行光合作用的方式及其中的化学机制。

8.制造生物燃料的最佳途径是什么？

除了通过直接采集太阳光的方法来制造燃料，我们还有别的途径利用太阳能吗？先让植物把太阳能储存起来，然后我们再将植物变为燃料，这个主意怎么样？生物燃料（biofuel），例如用谷物制得的乙醇，或者由各种种子制成的生物柴油（biodiesel），都已经在能源市场上占得一席之地。但是它们也威胁着粮食供应，尤其是在发展中国家，由于出口生物燃料比出售粮食给本国居民更加赚钱，这有可能加剧粮食危机。现实也让人气馁：要想通过生物燃料来满足现在的原油需求，我们必须征用巨量的耕地。

因而，将粮食转变为能源，也许并不是最好的办法。一个解决方案就是，利用其他并非那么重要的生物质（biomass）来获取能源。如果用美国每年产生的农业及木料类残渣来制取生物燃料，足够满足一个第三世界国家在交通方面对汽油和柴油的需求。

将这些低等级的生物质转化为燃料，需要打破坚硬的植物分子，例如木质素（lignin）、纤维素（cellulose），两者都是植物细胞壁的主要成分。化学家已经知道如何做到这些，但现在的方法成本过高，效率低下，因而从经济上讲，还不适合通过这种方法来大量生产生物燃料。

打破木质素需要面对的调整之一，就是打断它分子结构中氧原子与苯环上碳原子的连接。美国伊利诺伊大学的约翰·哈特维格（John Hartwig）与阿列克塞·塞尔吉福（Alexey Sergeev）最近就完成了这项挑战。他们发现，一种基于镍元素的催化剂能够做到这一步。哈特维格指出，即使生物质和别的燃料一样，可以提供非化石燃料的化学原料，但化学家们依然需要从中提取出芳香族化合物（aromatic compounds，即分子结构以苯环为主题的结构）。而木质素就是生物质中潜在的最主要芳香族化合物来源。

更实际地，这些生物质的转换将越来越多地以最结实的生物质为原料，并将它们转化为液态燃料，这样才能方便快捷地通过管道运输。而液化过程将在作物收割的现场完成。

催化转化需要原材料极度纯净，这是横亘在化学家面前的一大难题。他们在进行经典的化学合成的时候，很少用到像木材这类非常“肮脏”的材料。“科学界还没有就所有这些方法的使用达成一致，”哈特维格说。但有一点可以确定，现在有非常多依赖于化学方法的解决方案，尤其是那些找到了合适的催化剂的方法。哈特维格指出：“;在几乎所有大规模工业化的化学反应中，都能找到催化剂的踪影。”

9.我们能研制出全新类型的药物吗？

化学的核心就是实用与创新：制造出各种分子，这样我们就能够开发出新材料来构建万事万物，或者研制出新型抗生素，战胜不断出现、不断变强的耐药菌。

20世纪90年代，化学家曾对“组合化学”寄予厚望：利用一些基本构建单元，随机组装出成千上万的新分子，然后再筛选出需要的分子。这种方法一度被认为是药物化学的未来，如今它的光环却已渐渐消退。

但是，如果化学家能合成足够多的分子类型，然后找到理想的方法，从中筛选出需要的那几种，组合化学就有可能迎来第二春。生物技术或许能提供帮助——例如，每一种分子都能够连接到一段DNA“条形码”上，这样既能识别有用的分子，又能把它们从大量分子中提取出来。或者，科学家还可以按照达尔文进化论的思想，在实验室中逐步改造候选分子库。他们就可以用DNA编码潜在的蛋白质药物分子，然后通过“易错”复制，制造出成功药物的变异体，从而在每一轮的复制和选择中，寻找效果得到改善的药物分子。

还有就是借用自然规则，按指定方式来连接分子片段。以蛋白质为例，它具有严格的氨基酸序列，因为这是由编码这种蛋白质的基因所决定的。利用这种模式，化学家也许可以通过编程的方式，让化学分子自组装。这种方法的优点在于它是“绿色”的，因为它减少了我们不需要的副产物，相关的能量和材料浪费也更少。

哈佛大学的戴维·刘（David R. Liu）教授和合作者正在沿着这条道路前进。他们在分子模块上连接短链DNA，而这些DNA可以编码连接分子模块的结构。他们还制备了一种能沿着短链DNA运动的分子，这些分子可读取DNA上的编码信息，把一些小分子连接到分子模块上，从而制造出连接结构——类似于细胞中蛋白质的合成过程。戴维·刘的新方法为新药开发提供了一条捷径。“许多生物学家都相信，在未来的医疗领域，大分子（macromolecule）即使不能占据主导地位，它也将扮演越来越重要的角色，”戴维·刘说。

10.我们能实时监测自身的化学变化吗？

随着科学的进步，化学家们不再满足于仅仅构建分子，他们还希望与分子进行交流：即在活细胞与传统计算机之间搭起一座桥梁，并通过光纤来传递这些信息。

从一定程度上说，这并非什么全新的概念：早在上世纪60年代，研究者就开始使用生物传感器（化学反应会在传感器中进行）来监测人体血液中的葡萄糖浓度。可以用到化学传感器的场合可谓多之又多——例如，检测食物和水中含量非常低的有害物质，或者监测空气污染物，以及各种气体在大气中的含量。反应更快速、成本更低廉、敏感度更高以及分布更广泛的化学传感技术将在上面所有这些应用领域发挥越来越大的作用。

在生物医药领域，各式各样的新型化学传感器也拥有最引人注目的潜力。例如，早在癌症病变发展到能被普通的临床手段检出之前很久，一些癌细胞基因的产物就已经进入血液循环了。如果能检测到这些早期的化学变化，将有助于医生及时且准确地做出诊断。快速基因组检测技术将使得医生可以根据每个人的自身状况开出调理药方（即个性化医疗），如此一来就可以降低滥用药物带来的副作用，并让如今使用受限的一些药物派上大用场（这些药物因会对少数人带来危害而被禁用或限制使用）。

一些化学家预见，在未来，传感器能够连续不断、静悄悄地监视着与人的健康、疾病有关的各种生物化学反应。这或许能够为手术中的外科医生或者输送治疗药物的自动化系统提供实时数据和信息。这些未来的应用都依赖于化学技术的进步，而这些化学技术能够选择性地感知特定物质和化学信号，甚至在监测对象的浓度处于非常微小的数量级时也能办到。

（来源：2015年01月27日 微信公众号 化学加）