【化学家想知道什么―什么是化学学科的大问题】 化学史上杰出的化学家

　　文章编号：1005－6629(2009)03－0001－04中图分类号：G633.8文献标识码：B 　　 　　1问题的提出 　　 　　世界著名学术期刊Nature的顾问编委员Philip Ball在对多位世界著名化学家就什么是化学学科的大问题进行专题访谈后，撰写了题为“化学家想知道什么(What chemists want to know)的专论[1]”。设问的中心议题是：化学在绝大多数科学技术领域中已经成为具有关键作用的学科组成之一，是否意味着它将被视为仅仅是一种得心应手的“工具？”或者说它仍然有着自身的主要化学问题等待着继续深入和突破？该文发表在2006年8月3日出版的Nature上[Nature 442, 3 August(2006)50-52]。所谈及的问题和学者们的真知灼见，对于化学学科的建设、发展以及化学教育的改革都有参考价值。
　　人们所以关注这个问题，起因很多，主要可以归结为以下两个方面，一个是有志于就读大学化学专业的优秀学生生源出现持续下降的趋势，迫使国外多所院校的化学系改变名称，或者缩小招生规模；另一方面，化学家在配合其他领域的发展方面，存在着过分关注具有强烈应用背景的课题的倾向。在融入其他学科或相关技术领域的过程中，呈现出化学的基础科学面貌变得模糊不清的问题。而和化学同为基础学科的物理学和生物学，在积极参与相关先进科学技术的前期研究、发明或开发的同时，对本学科中的大问题的研究热情却一直有增无减。例如物理学家始终热衷于诸如宇宙起源、以及从原子到天体的整个尺度范围内的空间、时间和物质是由什么来控制的等问题；又如生物学家在试图通过DNA的解码、以及如何支配蛋白质的结构和相互作用来回答Erwin Schroedinger提出的“什么是生命”的问题等。面对公众对化学的日益漠视，甚至认为化学作为一门基础学科的时代已经结束等误解，化学界必须正视并认真回答这个问题，也就是作为三大基础科学之一的化学，还是一门富有生命力的基础学科吗？它的大问题又是什么呢？
　　此外，近年来人类社会一直受到能源、资源和环境等问题的严重困扰，其中，涉及人们日常生活的各个方面的环境问题，不仅关系到人类社会的持续发展，而且直接影响到人体的健康和寿命的长短，更是日益受到社会的普遍关注。尽管环境问题的产生和作为自然科学之一的化学并无直接的关系，但是由于人们在谈及污染问题时，多以污染物的存在和危害性为依据(例如上个世纪70年代发现的与臭氧空洞生成有关的氟里昂和近日由有毒奶粉引出的三聚氰胺事件)，自然会联想到与研究和合成物质密切相关的化学，当人们不能严格分清化学学科和包含着化学过程的物质生产过程之间的差别时，把环境污染问题更多地归因于化学，应当是一种可以理解的误解。从污染物的源头来看，它可能是人工合成的，也可能是原来就存在于自然界的，即所谓“纯天然的”。它们的发现、分离、分析和化学合成工作属于经典的化学工作。化学家从物质组成、结构和变化等方面帮助人们认识了它们，并且学会了利用现有的物质作为原材料合成它们和新的物质，或通过化学修饰以改善它们的性能和某些功能，以及发现或发明能够对抗某些有毒或有害物质和病虫害的药物等。通过化学家们几百年的工作，人类社会所能应用和享用的化学物质日益丰富，以科学技术为基础的社会生产力和人类的生活质量也因此得以持续发展。但是必须明确的是：科学技术的应用、社会生产力发展所选择的主要途径、对社会各界需求的物质资源和生活资源的生产和分配等等任务，并不是化学科学的基本任务。所以，依据一切(化学)物质都是化学的研究对象，因而简单地把化学物质的存在等同于化学，即由所谓“处处有化学”推衍出来的“因为我们生活在一个物质世界中，化学不可须臾别离，所以化学是最重要的基础学科”和“因为所有的污染物都是化学物质，所以化学是环境污染的罪魁祸首”两种极端而片面的看法的同时存在，就不足为奇了。
　　由于对化学的误解一直没有得到彻底的澄清，而且以上两种相互对立的极端观点依然在通过教学、科普活动及大众媒体广为散布，不仅导致所谓厌化学症(chemophobia)的形成，并致使国内外不少高校化学系的招生质量逐年下降(尽管就业比率仍然保持中等水平)和纷纷改变系名(就连美国化学会在2004年都曾经有过改名为分子科学与工程学会的建议[1])等现象的存在，应当认为都是事出有因的了。因此，化学是否仍然是一门基础的自然科学，是否绝大部分的重要化学问题通过融入其他学科领域后，仅仅保留为一种“化学”视角？已经成为一个迫切需要面对并回答的问题，而且必须以化学是否仍然有着亟待解决的、富有挑战性的大问题来回答。Ball所写专论的重要性也在于此。
　　
　　2什么是化学中的大问题
　　
　　文中简要介绍的大问题，非常具有启发性和前瞻性，通过它们可以预见到化学在今后20年或更长一点的时期将呈现于世人之前的新面貌，同时它作为中心科学的作用将得到进一步地发展和深化。如果化学界和化学教育界能够就此形成共识，必将对化学专业建设和人才培养起到振聋发聩的作用。不仅如此，它对于初等化学教育和教学改革也有重要的指导作用，因为这是现在的中小学生未来步入社会时将要面对的实际啊！Ball根据专家访谈时收集到的意见和看法，归纳为以下几个方面的大问题。兹分述如下，为了有助于读者理解专家们的意见并形成自己的看法，在撰写本文时将尽可能地引用他们的原话。
　　2.1化学合成虽然无可替代仍然有着亟待解决的大问题
　　和其他“发现”科学如物理学、生物学、天文学以及地球科学相比，化学合成一直被认为是化学的最独特之处，而且通常是无可代替的。1890年法国化学家Marcelin就曾经自豪地用“Chemistry creats its objects”来描述化学的这个特点。曾经担任美国化学会会长的Ron Breslow(美国哥伦比亚大学的有机化学教授)进一步扩展了Marcelin的说法，他指出：“化学合成使得化学得以设立一个大多数其他学科无法企及的目标。”并提出“是否可以创立一门合成天文学？即通过改变引力常数来影响宇宙万物的性质，从而使其优化”的建议。尽管目前合成生物学也已经成为一门独立学科，但是在化学家看来，它不过是应用化学的另一个基于如DNA合成和蛋白质设计的分支而已。加州理工学院的核酸化学家Jacqueline Barton则强调：“化学是唯一能够制备前所未有的物质的科学”。
　　但是过于关注合成化学有可能使得化学家们不自觉地扮演着“修补匠”的角色，为了满足好奇心或者为了获利做着玩转分子世界的工作。由于工业发展带来的挑战已成为科学创造的重要推动力，因而致使工业化学和学科化学的分界线变得模糊不清。所以Barton指出：“化学是为工业添加燃料的科学事业。例如石油化工，还有制药、生物技术以及计算机芯片”。Breslow同意化学面对的大问题不如实际生活中提出的挑战性问题来得多的看法。例如从日光获取能量的实用方法，制造能够荷载大电流的室温超导体；还有迫切需要学习如何在完成生产过程的同时不至于损害环境等问题，都是些面对实际的挑战性问题。
　　没有人会低估应用和工业化学的重要性。但是如果化学家们对什么是我们能够知道的问题的关注远远不如什么是我们能够做的问题时，亦即过分关注为特定问题寻求特定解决方案的现状，是否会影响到化学作为一门基础科学的发展前景和进展的步伐？这是一个值得认真思考的问题。
　　伦敦皇家研究所有无机化学家John Meurig Thomas认为，化学是一门很特别的科学，例如，人们可以认同化学键的一般原理但是在特殊的分子中，却经常会遇到必须做出新的规定或修改原有理论的情况。他还说：“如果想找到一个能够普遍适用于酶、材料、表面等等的催化理论是一件荒谬可笑的事情”。值得关注的是，在大部分化学家垂青于实际问题和一些领域逐渐偏离化学的形势下，化学是否还存在某些大问题？如果是这样，它能否和物理学及生物学的学科前沿问题一样具有强烈的激励作用？
　　2.2细胞的化学基础和功能分子的结构功能关系问题
　　对于其他领域中的前沿问题，化学家确有协助解答的能力和义务。Nature所征得的比较一致的意见是，化学家们最关心的问题中有很大一部分被认为是属于生物学的。Stanford大学的物理化学家Richard Zare说：“对我来说，最大的有待回答的问题是关于生命过程的化学”。Barton对此表示同意，他说：“要真正地了解生命过程，一定要回归到化学”。
　　Harvard大学的化学家，George Whitesides的看法更加明确。他说：“细胞的本质完全是一个分子层次的问题”，而且“只靠生物学真的解决不了”。他认为生物学中“真正需要着力的”部分，如精确定量和分子层次的探究一直受到忽视的原因在于生物学家研究的是整个器官。Salk Institute for Biological Studies (San Diego, California)的分子生物学家，诺贝尔奖得主Sydney Brenner对此持有相同的看法。
　　对于分子生物学中基本过程的认识至今依然存在着许多困惑：如蛋白质折叠、生物分子功能的基因标记、以及高度选择性的分子识别等，基本上都属于分子层次的问题，即化学问题。尽管分子生物学家可以认为对于上述过程已经有了较全面的了解，但是从化学来看，却并非如此。生物医学和药物开发迫切需要的、基于分子层次的、合理且有预见性的科学依据的不足，就是最有力的例证之一。
　　University of California(Santa Barbara)的化学工程师Matthew Tirrell认为，涉及生物分子过程化学本质的信号传递是一个关键问题。也就在这个意义上，化学被视为一门信息科学。1894年德国化学家Emil Fischer用于解释生物分子识别的锁钥概念，可以看成是法国University of Louis Pasteur (Strasbourg)的超分子化学家，诺贝尔奖得主Jean-Marie Lehn把化学称作信息物质科学的由起。
　　自组织现象使得化学家产生了这样的认识，即分子可以按照某种程序相互作用并以某种特定方式聚集，而人工复制的分子聚集体则隐含着化学信息具有定向传递和放大的可能。Lehn说：“就我而言，认为化学对于所有的大问题都有着最重要的贡献，包括研究自组织过程是如何产生的，以及它又如何使得宇宙成为一个能够反映其母源物种的物质世界等在内。”Lehn相信，下一步的工作将是设计分子的‘学习体系’，这种体系不仅可以编程，而且可以训练。事实上，很多化学家所关注的另一个化学生物学关键问题就是记忆的化学基础。Barton认为：“当我们一旦得到答案之后，就有可能设计新的思维和记忆方式，至少做到学会如何保存旧有的思想和记忆。”Whiteside则希望知道如何能够运用化学使硅电子器件和灰质结合在一起，他问道：“怎样才能把我的计算机装入我的大脑？”这类问题看起来似乎应该属于神经科学家和电子工程师研究的范畴，但是神经元之间的信号传递则属于化学过程；这种类型的中介过程需要用化学语言提供指令。
　　呈现在化学家们面前的这些研究方向，能否确认为真正的化学问题？Whiteside持完全肯定的态度，他说：“我所持的观点就是，目前令人感兴趣的科学，就是化学”。因为即使是那些明显和化学相去甚远的领域例如天文学中的关键问题，就像‘还有多少类似于地球的星球’或‘土星的月球Titan上面有什么？’等基本上都属于分子层面的问题。当谈及学科交叉问题时，他认为由于物理学和生物学在解决分子层次的机制问题时存在着某些困难。促使化学家致力于了解(或预测)分子结构和功能之间的关系，从而成为对化学的最重要挑战之一，例如构效关系对于药物分子设计的重要性。Barton问道：“我们怎样能够对特定的细胞、器官或组织的分子做上特定的标记？又怎样能够使得在需要分子移动时，它就会移动？”构效关系的深入了解，对于工业合成用催化剂的设计也很重要，目前仅对简单小分子合成用的催化剂所涉及的构效关系了解比较充分，而且遗留的细节问题仍然不少。
　　2.3分子的动态特性和难以穷尽的化学物质世界
　　诺贝尔奖获得者，加州理工学院的物理化学家Ahmed Zewail指出，分子的动态行为和它们的分子结构一样，对于分子的活动性有着重大的影响。显然，生物分子间的相互作用并不像锁钥匹配关系(亦即只要在结合部位和底物分子间达到很好的几何匹配，就可以有效地完成整个过程)那样简单。例如分子和溶剂间相互作用时的动态学就有可能起着关键的作用。
　　目前，化学家对化学反应的动态过程研究，是以复杂的多维势能面(类似于崎岖的山地)为基础的。例如把蛋白质折叠的问题简约成为分子中肽链跨越势能面时的轨迹问题，以及它最后是如何停在和正确折叠构象对应的“能谷”中的问题等。Thomas说：“生物学对构效关系的考虑一般是不充分的，必须了解分子在势能面上的运动情况。”换句话说，动态学才是关键。即使化学家破解了分子设计的原理，化学家又能怎样运用它们呢？Barton说：“即使达到了这样的阶段，例如人们能够在实验室中以100%的产率合成任何一种分子，不再需要研究生花上一年的时间来完成它时，也不能算是真正地掌握了合成。所以涉及使原子能够按照预先设定的方式并有效地聚集成为新分子的过程和规律是个大问题。只有解决了这个大问题，我们才能够制造任何我们所想要的物质。”同时，能源、资源以及其他生产成本都达到最优化，而且对环境最友好的化工生产工艺和企业的诞生，将成为现实。这个涉及到化学合成的大问题，不仅具有重大的学科价值，而且可以极大程度地体现出化学在解决人类社会发展中所能起到的无可替代的作用。
　　只有化学家才知道加工原子和分子到底有多么困难，而有些分子是很多其他学科所依存的。例如，物理学家和生物学家是不会去制造室温超导体和人造微生物的。但是，如果化学被肢解并分属于其他学科，这类能够触及物质奥秘的训练基础也就不复存在了。认为化学的核心-推理式合成缺乏智慧的看法是错误的。有关化学家除了试图了解这个世界，还试图了解所有可能的世界的学科特色，Breslow说得好：“化学有其实用的方面，但是这不是基础科学。当我们确定地知道，自然界能够提供的分子和反应是非常有限，相对于处在继续创造和发现过程中的奇妙化学世界而言，不过是一个巨大无比的水桶中的一滴微小水珠时，化学的基础科学的性质就再也明白不过了。”
　　根据访谈，Ball在文中归纳出化学应当面对的6个方面的大问题，它们分别是：
　　(1)如何设计出具有特定功能和动态特性的分子？
　　(2)什么是细胞的化学基础？
　　(3)怎样制造未来在能源、空间或医药领域所需要的材料？
　　(4)什么是思维和记忆的化学基础？
　　(5)地球上的生命起源问题，以及在其他星球上如何才能够出现生命？
　　(6)如何才能够查明所有元素间的可能组合？
　　
　　3化学学科发展的主线和对化学教育及教学改革的启示
　　
　　Philip Ball在这篇专论中所提及的化学大问题，虽然涉及化学学科的很多领域，但是未必已经穷尽。参与访谈的化学家们各自由本领域的视角出发，提出的问题非常精辟，视角独到，脉络清晰，不仅有振聋发聩的作用，而且具有很好的启示作用，却也未必能够完全覆盖化学学科的所有领域。但是他们针对化学学科发展提出的意见和设想，不仅能够开阔我们的视野，更有很好的示范和启示作用。未尽之处，应当是留给我们的思考和想象空间。它将有助于人们从现代化学的众多成就中，辨明学科的发展主线和前进的轨迹。
　　例如根据估算，由常见元素组成的，和典型药物分子大小相当的分子总数，可能达到1040的量级。Breslow说：“目前，已知的化学世界，包括化学家已经使之‘膨胀’了的自然界在内的分子总数，还不到它的1%。”这是反对试图把化学还原为一种目标狭窄的学科的主要原因。诺贝尔奖得主，Cornell大学(Ithaca,NY)的理论化学家Roald Hoffmann则明确指出：“不能把宇宙还原为少数几种基本粒子或者是数以百计的元素，应当扩展到所有可能被合成的数量无限的分子。分子能够具有的结构和性能是难以穷尽的。”
　　此外，查明并制备化学元素之间可能生成的所有分子和使化学合成产率都能达到100%，本身就是一个大问题。而且是化学所特有的大问题。由于化学物质的性质决定于分子的组成和结构(有时还要考虑体系所处的环境)，分子的形成过程则取决于相应组分在给定反应体系中的动态历程和作用机制。因此仅仅满足于经典的活化分子有效碰撞理论和依据缺乏‘柔性’的锁钥关系而做出的分子设计，显然是难以完成这个历史任务的。Lehn近年来提出的Constitutional Dynamic Chemistry(组分动态化学)Adaptive Chemistry(适配化学)思想[2]，以及在这个思想指导下完成的一系列组成和结构都相当复杂的化学合成研究，为他在上个世纪80年代提出的化学信息论提供了新的实验证明。从中可以隐约地看到解决化学合成领域中大问题的一线曙光。
　　我们可以把目前化学学科发展中最值得重视的问题归结为：对什么是我们能够知道的问题的关注远不及于什么是我们能够做的问题。其实，这也是我们在目前进行的化学专业教育以及中学化学教学改革中，同样应该关注的问题啊！
　　
　　参考文献：
　　[1]Ball, Philip. What chemists want to know[J]. Nature 2006, 442,3 August.500-506.
　　[2]Lehn, Jean-Marie:From superamolecular chemistry toward constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry[J]. Chem.Soc.Rev., 2007, 36,151-160.

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