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萬物皆可化學?

原理      2020-11-02
導讀:近日,2020年諾貝爾化學獎公布,發展了基因編輯技術的科學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶與詹妮弗·杜德娜獲獎。回顧近年諾貝爾化學獎得主的名單,不少人調侃,諾貝爾化學獎已經越來越像“理綜獎”。

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過去,人們通常把化學分為“四大化學”,也就是有機化學、無機化學、物理化學和分析化學。而現如今,化學在更多交叉前沿領域有了更多發展的空間。


2015年,哈佛大學化學家喬治·M. 懷特塞茲(George M. Whitesides)在頂級化學期刊《應用化學》上發表文章Reinventing Chemistry(重塑化學),闡述了他對未來化學發展的理解。懷特塞茲寫道:


“化學現在面臨著各種各樣的機會和對社會的義務。(化學)科學一直在研究原子、鍵、分子和反應。那么50年后呢?它還會是對分子及其行為的研究嗎?又或者,它會涉及包含分子的復雜系統,包括材料科學、生物學、地質學、城市管理等等,成為任何形式的‘化學’?對任何化學領域的簡單定義,或者至少是簡單如‘原子、分子和反應’這樣的定義,似乎都不再適合化學的潛力,以及它對社會的義務,還有它所面臨的挑戰的復雜性。”


懷特塞茲在文中列舉并詳細討論了二十多個未來發展方向的問題,在此摘選總結了一些化學中具有代表性的交叉領域,化學與其他學科在這些領域中融合發展。從中,或許可以窺探未來化學的一隅。


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生物化學是近年來最熱門、發展最為迅速的領域之一,它涉及的范圍非常廣泛,從理解生命的機制,到了解疾病,甚至延伸到公共健康等領域。在更微觀的層面上,生命也可以理解為分子化學的一種表現形式,它是分子、催化劑和反應構成的驚人的網絡。它其實同樣是一種我們不甚理解的“化學”。


從另一種意義上來說,生命其實也可以說是“起源于化學”。在前生命時代的混亂地球上,一些簡單而基本的化學小分子逐漸構成了更復雜的“部件”,慢慢發展出了紛繁的生物世界。我們對這個神秘的過程知之甚少,它同樣吸引著一批又一批科學家深入探究。


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想到生命的本質其實只是分子的行為,似乎總會有些令人不安。但或許更驚人的事實是,人類的思想其實同樣如此。在大腦中存在著許多更為細節、也更加引人入勝的生化問題,比如神經遞質、受體、蛋白質合成和跨膜電化學等等,在化學、生物學以及物理學的交界處,甚至還有一些更為深入的問題,比如感知和自我意識的基礎。在神經生物學的研究中,神經生物化學占據了非常重要的一部分。


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雖然我們可能很難直觀感受到,但我們的地球家園從來不是一個靜止的星球。地球與太陽系的開端可以追溯到46億年前,這個數字就是我們通過化學元素隨時間變化的規律而探測出來的。地球化學的研究對理解地球組成,及其形成和演化等方面做出了關鍵的貢獻。我們腳下的每一塊巖石、每一寸土地,都帶著許多歷史的故事。還有一些情況下,地球化學的領域會跨越地球之外,延伸至整個太陽系。


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地球的大氣層與生命息息相關,大氣的化學組成會受到自然過程的影響(比如劇烈的火山噴發)以及人類活動的影響(比如溫室氣體水平、臭氧層的破壞等等)。隨著系外行星的發現,科學家也開始將眼光從地球移到了其他星球上。在系外行星探測的過程中,人們同樣借助對行星大氣的特定分子的探測,來推測系外行星環境以及系外生命存在的可能性。


懷特塞茲教授還特別提到了有關大氣系統的另一個獨特之處。化學一直傾向于研究處于熱力平衡,或者向熱力平衡移動的系統,這些系統看起來已經很復雜 ,但我們周圍最有趣的系統還不止這些。還有一類系統是“耗散”的,也就是說,它們的特點和最有趣的特征只有在能量通過時才會顯現出來,大氣、海洋、代謝等都屬于這類“耗散”系統。研究耗散系統幾十年來一直是物理學研究的主題之一,但與平衡系統不同的是,我們對耗散系統的理論與經驗認識都還非常淺薄。


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隕石是宇宙化學研究中最關鍵的“證人”和工具之一,這些天外來客身上往往帶有非常關鍵的信息,不少隕石的年齡甚至和太陽系的年齡相當,它們能提供來自早期太陽星云的秘密,這對我們理解早期太陽系演化非常具有幫助。隨著越來越多隕石樣本的出現,以及越來越精細的探測,人們在隕石中甚至發現了許多出乎意料的分子,水的起源甚至生命起源,或許都有望從隕石中獲得答案。


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有研究顯示,自2010年起,FDA批準的新藥數量出現了顯著增長。我們再也無法寄希望于偶然發現某種藥來滿足我們對藥物的需求了。藥物化學的背后,其實包含了對生物與化學等諸多領域的綜合理解,它不僅需要對疾病、代謝等方面有足夠的認識,還要設計的化學物質有足夠的了解。


近幾十年來,隨著計算機和基因組學的發展,合理藥物設計(rational drug design)也成了一個經常被討論的話題。簡單來說,這可以理解成一種基于結構的更精準的藥物設計,它從基因(組)出發,針對藥物作用的精確位置來尋找和設計藥物分子。


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我們對DDT被禁用的故事應該都耳熟能詳。20世紀上半葉,人們發現DDT可以作為一種有效的殺蟲劑快速殺害害蟲,它因此被作為一種農藥廣泛使用。但后來人們發現,這種物質在自然界分成難以分解,會在動物體內累積,對生態造成非常不利的影響。因此從20世紀70年代起,許多地區開始逐漸禁止這種物質的使用。


這是環境化學中典型的案例之一。環境化學通常研究的是化學物質在環境中遷移、轉化和降解的規律,它時常與“污染”一詞聯系在一起。隨著社會和科技的發展,環境問題日益成為關注的焦點。環境化學也成了理解環境問題以及環境保護的重要基礎。


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科技越來越尖端,我們對材料的需求越來越高。我們希望材料在更輕薄的同時變得更堅韌,甚至還帶有諸多獨特的性能。我們最終有可能制造出高溫的超導體嗎?那么透明的液態鐵磁體,或者一種真正具有生物相容性的神經假體是否有可能呢?如果有一種比金剛石更好的熱導體材料,同時價格又便宜,還具有氧化穩定,那就再好不過了。人們正在朝著許多過去認為“不可能”的材料邁進,化學在這個過程中自然功不可沒。



在Reinventing Chemistry這篇文章中,懷特塞茲教授提及的問題遠不止這些。他甚至提到了全球人口、國際沖突等許多看似更“不相關”的問題背后的“化學”。

他相信,化學正在經歷一場重要的變革,盡管化學中那個知識層面和商業層面飛速發展的時代已經過去,但未來化學所面臨的挑戰,會將化學帶到一個新的舞臺。



參考來源:

G. M. Whitesides. 2015. “Reinventing Chemistry.” Angew. Chemie., 54, Pp. 3196-3209.

https://www.biochemistry.org/education/careers/becoming-a-bioscientist/what-is-biochemistry

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/6/20160605.htm

原理,https://mp.weixin.qq.com/s/2_7sMK0EOkMY1P4ZWNZyKg

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