宋心琦

文章編號：1005－6629(2009)03－0001－04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1問題的提出

世界著名學術期刊Nature的顧問編委員Philip Ball在對多位世界著名化學家就什么是化學學科的大問題進行專題訪談后，撰寫了題為“化學家想知道什么(What chemists want to know)的專論[1]”。設問的中心議題是：化學在絕大多數科學技術領域中已經成為具有關鍵作用的學科組成之一，是否意味著它將被視為僅僅是一種得心應手的“工具？”或者說它仍然有著自身的主要化學問題等待著繼續(xù)深入和突破？該文發(fā)表在2006年8月3日出版的Nature上[Nature 442, 3 August(2006)50-52]。所談及的問題和學者們的真知灼見，對于化學學科的建設、發(fā)展以及化學教育的改革都有參考價值。

人們所以關注這個問題，起因很多，主要可以歸結為以下兩個方面，一個是有志于就讀大學化學專業(yè)的優(yōu)秀學生生源出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，迫使國外多所院校的化學系改變名稱，或者縮小招生規(guī)模；另一方面，化學家在配合其他領域的發(fā)展方面，存在著過分關注具有強烈應用背景的課題的傾向。在融入其他學科或相關技術領域的過程中，呈現(xiàn)出化學的基礎科學面貌變得模糊不清的問題。而和化學同為基礎學科的物理學和生物學，在積極參與相關先進科學技術的前期研究、發(fā)明或開發(fā)的同時，對本學科中的大問題的研究熱情卻一直有增無減。例如物理學家始終熱衷于諸如宇宙起源、以及從原子到天體的整個尺度范圍內的空間、時間和物質是由什么來控制的等問題；又如生物學家在試圖通過DNA的解碼、以及如何支配蛋白質的結構和相互作用來回答Erwin Schroedinger提出的“什么是生命”的問題等。面對公眾對化學的日益漠視，甚至認為化學作為一門基礎學科的時代已經結束等誤解，化學界必須正視并認真回答這個問題，也就是作為三大基礎科學之一的化學，還是一門富有生命力的基礎學科嗎？它的大問題又是什么呢？

此外，近年來人類社會一直受到能源、資源和環(huán)境等問題的嚴重困擾，其中，涉及人們日常生活的各個方面的環(huán)境問題，不僅關系到人類社會的持續(xù)發(fā)展，而且直接影響到人體的健康和壽命的長短，更是日益受到社會的普遍關注。盡管環(huán)境問題的產生和作為自然科學之一的化學并無直接的關系，但是由于人們在談及污染問題時，多以污染物的存在和危害性為依據(例如上個世紀70年代發(fā)現(xiàn)的與臭氧空洞生成有關的氟里昂和近日由有毒奶粉引出的三聚氰胺事件)，自然會聯(lián)想到與研究和合成物質密切相關的化學，當人們不能嚴格分清化學學科和包含著化學過程的物質生產過程之間的差別時，把環(huán)境污染問題更多地歸因于化學，應當是一種可以理解的誤解。從污染物的源頭來看，它可能是人工合成的，也可能是原來就存在于自然界的，即所謂“純天然的”。它們的發(fā)現(xiàn)、分離、分析和化學合成工作屬于經典的化學工作?；瘜W家從物質組成、結構和變化等方面幫助人們認識了它們，并且學會了利用現(xiàn)有的物質作為原材料合成它們和新的物質，或通過化學修飾以改善它們的性能和某些功能，以及發(fā)現(xiàn)或發(fā)明能夠對抗某些有毒或有害物質和病蟲害的藥物等。通過化學家們幾百年的工作，人類社會所能應用和享用的化學物質日益豐富，以科學技術為基礎的社會生產力和人類的生活質量也因此得以持續(xù)發(fā)展。但是必須明確的是：科學技術的應用、社會生產力發(fā)展所選擇的主要途徑、對社會各界需求的物質資源和生活資源的生產和分配等等任務，并不是化學科學的基本任務。所以，依據一切(化學)物質都是化學的研究對象，因而簡單地把化學物質的存在等同于化學，即由所謂“處處有化學”推衍出來的“因為我們生活在一個物質世界中，化學不可須臾別離，所以化學是最重要的基礎學科”和“因為所有的污染物都是化學物質，所以化學是環(huán)境污染的罪魁禍首”兩種極端而片面的看法的同時存在，就不足為奇了。

由于對化學的誤解一直沒有得到徹底的澄清，而且以上兩種相互對立的極端觀點依然在通過教學、科普活動及大眾媒體廣為散布，不僅導致所謂厭化學癥(chemophobia)的形成，并致使國內外不少高?；瘜W系的招生質量逐年下降(盡管就業(yè)比率仍然保持中等水平)和紛紛改變系名(就連美國化學會在2004年都曾經有過改名為分子科學與工程學會的建議[1])等現(xiàn)象的存在，應當認為都是事出有因的了。因此，化學是否仍然是一門基礎的自然科學，是否絕大部分的重要化學問題通過融入其他學科領域后，僅僅保留為一種“化學”視角？已經成為一個迫切需要面對并回答的問題，而且必須以化學是否仍然有著亟待解決的、富有挑戰(zhàn)性的大問題來回答。Ball所寫專論的重要性也在于此。

2什么是化學中的大問題

文中簡要介紹的大問題，非常具有啟發(fā)性和前瞻性，通過它們可以預見到化學在今后20年或更長一點的時期將呈現(xiàn)于世人之前的新面貌，同時它作為中心科學的作用將得到進一步地發(fā)展和深化。如果化學界和化學教育界能夠就此形成共識，必將對化學專業(yè)建設和人才培養(yǎng)起到振聾發(fā)聵的作用。不僅如此，它對于初等化學教育和教學改革也有重要的指導作用，因為這是現(xiàn)在的中小學生未來步入社會時將要面對的實際??！Ball根據專家訪談時收集到的意見和看法，歸納為以下幾個方面的大問題。茲分述如下，為了有助于讀者理解專家們的意見并形成自己的看法，在撰寫本文時將盡可能地引用他們的原話。

2.1化學合成雖然無可替代仍然有著亟待解決的大問題

和其他“發(fā)現(xiàn)”科學如物理學、生物學、天文學以及地球科學相比，化學合成一直被認為是化學的最獨特之處，而且通常是無可代替的。1890年法國化學家Marcelin就曾經自豪地用“Chemistry creats its objects”來描述化學的這個特點。曾經擔任美國化學會會長的Ron Breslow(美國哥倫比亞大學的有機化學教授)進一步擴展了Marcelin的說法，他指出：“化學合成使得化學得以設立一個大多數其他學科無法企及的目標。”并提出“是否可以創(chuàng)立一門合成天文學？即通過改變引力常數來影響宇宙萬物的性質，從而使其優(yōu)化”的建議。盡管目前合成生物學也已經成為一門獨立學科，但是在化學家看來，它不過是應用化學的另一個基于如DNA合成和蛋白質設計的分支而已。加州理工學院的核酸化學家Jacqueline Barton則強調：“化學是唯一能夠制備前所未有的物質的科學”。

但是過于關注合成化學有可能使得化學家們不自覺地扮演著“修補匠”的角色，為了滿足好奇心或者為了獲利做著玩轉分子世界的工作。由于工業(yè)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)已成為科學創(chuàng)造的重要推動力，因而致使工業(yè)化學和學科化學的分界線變得模糊不清。所以Barton指出：“化學是為工業(yè)添加燃料的科學事業(yè)。例如石油化工，還有制藥、生物技術以及計算機芯片”。Breslow同意化學面對的大問題不如實際生活中提出的挑戰(zhàn)性問題來得多的看法。例如從日光獲取能量的實用方法，制造能夠荷載大電流的室溫超導體；還有迫切需要學習如何在完成生產過程的同時不至于損害環(huán)境等問題，都是些面對實際的挑戰(zhàn)性問題。

沒有人會低估應用和工業(yè)化學的重要性。但是如果化學家們對什么是我們能夠知道的問題的關注遠遠不如什么是我們能夠做的問題時，亦即過分關注為特定問題尋求特定解決方案的現(xiàn)狀，是否會影響到化學作為一門基礎科學的發(fā)展前景和進展的步伐？這是一個值得認真思考的問題。

倫敦皇家研究所有無機化學家John Meurig Thomas認為，化學是一門很特別的科學，例如，人們可以認同化學鍵的一般原理但是在特殊的分子中，卻經常會遇到必須做出新的規(guī)定或修改原有理論的情況。他還說：“如果想找到一個能夠普遍適用于酶、材料、表面等等的催化理論是一件荒謬可笑的事情”。值得關注的是，在大部分化學家垂青于實際問題和一些領域逐漸偏離化學的形勢下，化學是否還存在某些大問題？如果是這樣，它能否和物理學及生物學的學科前沿問題一樣具有強烈的激勵作用？

2.2細胞的化學基礎和功能分子的結構功能關系問題

對于其他領域中的前沿問題，化學家確有協(xié)助解答的能力和義務。Nature所征得的比較一致的意見是，化學家們最關心的問題中有很大一部分被認為是屬于生物學的。Stanford大學的物理化學家Richard Zare說：“對我來說，最大的有待回答的問題是關于生命過程的化學”。Barton對此表示同意，他說：“要真正地了解生命過程，一定要回歸到化學”。

Harvard大學的化學家，George Whitesides的看法更加明確。他說：“細胞的本質完全是一個分子層次的問題”，而且“只靠生物學真的解決不了”。他認為生物學中“真正需要著力的”部分，如精確定量和分子層次的探究一直受到忽視的原因在于生物學家研究的是整個器官。Salk Institute for Biological Studies (San Diego, California)的分子生物學家，諾貝爾獎得主Sydney Brenner對此持有相同的看法。

對于分子生物學中基本過程的認識至今依然存在著許多困惑：如蛋白質折疊、生物分子功能的基因標記、以及高度選擇性的分子識別等，基本上都屬于分子層次的問題，即化學問題。盡管分子生物學家可以認為對于上述過程已經有了較全面的了解，但是從化學來看，卻并非如此。生物醫(yī)學和藥物開發(fā)迫切需要的、基于分子層次的、合理且有預見性的科學依據的不足，就是最有力的例證之一。

University of California(Santa Barbara)的化學工程師Matthew Tirrell認為，涉及生物分子過程化學本質的信號傳遞是一個關鍵問題。也就在這個意義上，化學被視為一門信息科學。1894年德國化學家Emil Fischer用于解釋生物分子識別的鎖鑰概念，可以看成是法國University of Louis Pasteur (Strasbourg)的超分子化學家，諾貝爾獎得主Jean-Marie Lehn把化學稱作信息物質科學的由起。

自組織現(xiàn)象使得化學家產生了這樣的認識，即分子可以按照某種程序相互作用并以某種特定方式聚集，而人工復制的分子聚集體則隱含著化學信息具有定向傳遞和放大的可能。Lehn說：“就我而言，認為化學對于所有的大問題都有著最重要的貢獻，包括研究自組織過程是如何產生的，以及它又如何使得宇宙成為一個能夠反映其母源物種的物質世界等在內?！盠ehn相信，下一步的工作將是設計分子的‘學習體系，這種體系不僅可以編程，而且可以訓練。事實上，很多化學家所關注的另一個化學生物學關鍵問題就是記憶的化學基礎。Barton認為：“當我們一旦得到答案之后，就有可能設計新的思維和記憶方式，至少做到學會如何保存舊有的思想和記憶?！盬hiteside則希望知道如何能夠運用化學使硅電子器件和灰質結合在一起，他問道：“怎樣才能把我的計算機裝入我的大腦？”這類問題看起來似乎應該屬于神經科學家和電子工程師研究的范疇，但是神經元之間的信號傳遞則屬于化學過程；這種類型的中介過程需要用化學語言提供指令。

呈現(xiàn)在化學家們面前的這些研究方向，能否確認為真正的化學問題？Whiteside持完全肯定的態(tài)度，他說：“我所持的觀點就是，目前令人感興趣的科學，就是化學”。因為即使是那些明顯和化學相去甚遠的領域例如天文學中的關鍵問題，就像‘還有多少類似于地球的星球或‘土星的月球Titan上面有什么？等基本上都屬于分子層面的問題。當談及學科交叉問題時，他認為由于物理學和生物學在解決分子層次的機制問題時存在著某些困難。促使化學家致力于了解(或預測)分子結構和功能之間的關系，從而成為對化學的最重要挑戰(zhàn)之一，例如構效關系對于藥物分子設計的重要性。Barton問道：“我們怎樣能夠對特定的細胞、器官或組織的分子做上特定的標記？又怎樣能夠使得在需要分子移動時，它就會移動？”構效關系的深入了解，對于工業(yè)合成用催化劑的設計也很重要，目前僅對簡單小分子合成用的催化劑所涉及的構效關系了解比較充分，而且遺留的細節(jié)問題仍然不少。

2.3分子的動態(tài)特性和難以窮盡的化學物質世界

諾貝爾獎獲得者，加州理工學院的物理化學家Ahmed Zewail指出，分子的動態(tài)行為和它們的分子結構一樣，對于分子的活動性有著重大的影響。顯然，生物分子間的相互作用并不像鎖鑰匹配關系(亦即只要在結合部位和底物分子間達到很好的幾何匹配，就可以有效地完成整個過程)那樣簡單。例如分子和溶劑間相互作用時的動態(tài)學就有可能起著關鍵的作用。

目前，化學家對化學反應的動態(tài)過程研究，是以復雜的多維勢能面(類似于崎嶇的山地)為基礎的。例如把蛋白質折疊的問題簡約成為分子中肽鏈跨越勢能面時的軌跡問題，以及它最后是如何停在和正確折疊構象對應的“能谷”中的問題等。Thomas說：“生物學對構效關系的考慮一般是不充分的，必須了解分子在勢能面上的運動情況。”換句話說，動態(tài)學才是關鍵。即使化學家破解了分子設計的原理，化學家又能怎樣運用它們呢？Barton說：“即使達到了這樣的階段，例如人們能夠在實驗室中以100%的產率合成任何一種分子，不再需要研究生花上一年的時間來完成它時，也不能算是真正地掌握了合成。所以涉及使原子能夠按照預先設定的方式并有效地聚集成為新分子的過程和規(guī)律是個大問題。只有解決了這個大問題，我們才能夠制造任何我們所想要的物質?！蓖瑫r，能源、資源以及其他生產成本都達到最優(yōu)化，而且對環(huán)境最友好的化工生產工藝和企業(yè)的誕生，將成為現(xiàn)實。這個涉及到化學合成的大問題，不僅具有重大的學科價值，而且可以極大程度地體現(xiàn)出化學在解決人類社會發(fā)展中所能起到的無可替代的作用。

只有化學家才知道加工原子和分子到底有多么困難，而有些分子是很多其他學科所依存的。例如，物理學家和生物學家是不會去制造室溫超導體和人造微生物的。但是，如果化學被肢解并分屬于其他學科，這類能夠觸及物質奧秘的訓練基礎也就不復存在了。認為化學的核心-推理式合成缺乏智慧的看法是錯誤的。有關化學家除了試圖了解這個世界，還試圖了解所有可能的世界的學科特色，Breslow說得好：“化學有其實用的方面，但是這不是基礎科學。當我們確定地知道，自然界能夠提供的分子和反應是非常有限，相對于處在繼續(xù)創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)過程中的奇妙化學世界而言，不過是一個巨大無比的水桶中的一滴微小水珠時，化學的基礎科學的性質就再也明白不過了。”

根據訪談，Ball在文中歸納出化學應當面對的6個方面的大問題，它們分別是：

(1)如何設計出具有特定功能和動態(tài)特性的分子？

(2)什么是細胞的化學基礎？

(3)怎樣制造未來在能源、空間或醫(yī)藥領域所需要的材料？

(4)什么是思維和記憶的化學基礎？

(5)地球上的生命起源問題，以及在其他星球上如何才能夠出現(xiàn)生命？

(6)如何才能夠查明所有元素間的可能組合？

3化學學科發(fā)展的主線和對化學教育及教學改革的啟示

Philip Ball在這篇專論中所提及的化學大問題，雖然涉及化學學科的很多領域，但是未必已經窮盡。參與訪談的化學家們各自由本領域的視角出發(fā)，提出的問題非常精辟，視角獨到，脈絡清晰，不僅有振聾發(fā)聵的作用，而且具有很好的啟示作用，卻也未必能夠完全覆蓋化學學科的所有領域。但是他們針對化學學科發(fā)展提出的意見和設想，不僅能夠開闊我們的視野，更有很好的示范和啟示作用。未盡之處，應當是留給我們的思考和想象空間。它將有助于人們從現(xiàn)代化學的眾多成就中，辨明學科的發(fā)展主線和前進的軌跡。

例如根據估算，由常見元素組成的，和典型藥物分子大小相當的分子總數，可能達到1040的量級。Breslow說：“目前，已知的化學世界，包括化學家已經使之‘膨脹了的自然界在內的分子總數，還不到它的1%?！边@是反對試圖把化學還原為一種目標狹窄的學科的主要原因。諾貝爾獎得主，Cornell大學(Ithaca,NY)的理論化學家Roald Hoffmann則明確指出：“不能把宇宙還原為少數幾種基本粒子或者是數以百計的元素，應當擴展到所有可能被合成的數量無限的分子。分子能夠具有的結構和性能是難以窮盡的?！?/p>

此外，查明并制備化學元素之間可能生成的所有分子和使化學合成產率都能達到100%，本身就是一個大問題。而且是化學所特有的大問題。由于化學物質的性質決定于分子的組成和結構(有時還要考慮體系所處的環(huán)境)，分子的形成過程則取決于相應組分在給定反應體系中的動態(tài)歷程和作用機制。因此僅僅滿足于經典的活化分子有效碰撞理論和依據缺乏‘柔性的鎖鑰關系而做出的分子設計，顯然是難以完成這個歷史任務的。Lehn近年來提出的Constitutional Dynamic Chemistry(組分動態(tài)化學)Adaptive Chemistry(適配化學)思想[2]，以及在這個思想指導下完成的一系列組成和結構都相當復雜的化學合成研究，為他在上個世紀80年代提出的化學信息論提供了新的實驗證明。從中可以隱約地看到解決化學合成領域中大問題的一線曙光。

我們可以把目前化學學科發(fā)展中最值得重視的問題歸結為：對什么是我們能夠知道的問題的關注遠不及于什么是我們能夠做的問題。其實，這也是我們在目前進行的化學專業(yè)教育以及中學化學教學改革中，同樣應該關注的問題??！

參考文獻：

[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.