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1、化学家想知道什么什么是化学学科的大问题?世界著名杂志Nature的 顾问编委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，撰写了本文。问题的中心是：化学在所有的科学学科中是其关键的组成之一。都是是否意味着它仅仅是一种得心应手的工具？或者说它仍然有着主要的化学问题等待着去突破？文章发表在2006年8月3日出版的Nature上（Nature 442 3 August 2006 5052）。所谈及的问题和学者们的真知灼见，对于化学学科及化学教育改革都有参考价值。近年来，能源、资源和环境等问题一直困扰着整个社会，由于环境问题涉及到人们日常生活的各个方面，不仅关系到
2、人们的生活质量，而且直接影响到人体的健康和寿命的长短，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，自然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物质生产过程包含着化学过程之间的差别时，把环境污染问题更多地归因于化学，应当属于可以理解的一直误解。从污染物的源头来看，它可能是人工合成的，也可能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。化学家从物质的组成、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
3、料合成它们，甚至于对它们进行化学修饰以改善它们的性能和某些功能。通过化学家们几百年的工作，使得人类社会所能应用和享用的物质日益丰富，以科学技术为基础的社会生产力和人类的生活质量得以持续发展。但是必须明确的是：科学技术的应用、生产力如何发展、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，虽然一切（化学）物质都是化学的研究对象，从而简单地把化学物质的存在等同于化学，由所谓“处处有化学”衍生出来的“因为我们生活在一个物质世界中，所以化学不可须臾别离，化学是最重要的自然学科”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
4、同时存在，就不足为奇了。由于对化学的误解长期以来没有得到很好的解决，而且以上两种相对立的极端观点仍然通过教学、科普及大众媒体在广为散布，不仅出现了所谓厌化学症（chemophobia），导致化学专业的招生质量有所下降（尽管就业情况仍然保持中等水平），以至于国外不少高校的化学系纷纷改变名称，就连美国化学会2004年都曾经有过改名为分子科学与工程学会的建议1。对于化学是否能够仍然被认为是一门中心科学，是否绝大多数重要的化学问题已经融入其他学科领域，仅仅保留为一种“化学”视角，而不再看成是化学本身的核心问题？就此，自然（Nature）杂志的Philip Ball通过对多位世界顶级的化学家的访谈，收集
5、了他们对化学中的大问题的看法，认为化学需要通过研究和解决大问题来保持自己的特点和凝聚力。什么是化学中的大问题？世界著名杂志Nature的顾问编委Philip Ball通过对数位世界著名化学家的访谈，针对化学学科发展和化学专业教育中出现的问题，撰写了一篇重要评论，发表在Nature 442 3 August 2006（pp.500-502）上。特摘要介绍如下。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20年或更长一点的时期，化学所应当具有的新面貌，它的中心科学的作用将得到进一步地开展和深化。不仅对于化学专业的建设和人才的培养有极其重要的意义，对于初等化学教育和教学的改革也有
6、重要的指导作用，因为这是现在的中小学生步入社会时将面临的实际啊！ 化学合成一直被认为是化学和其他“发现”科学如物理学、生物学、天文学以及地球科学相比时的最突出特点。1890年法国化学家Marcelin 曾经写道：“Chemistry creats its objects,”。很多化学家仍然视此为化学的强项，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），就曾经说过：“它使得化学得以设立一类大多数其他学科无法企及的目标”，和“是否有一门合成天文学通过改变引力常数来影响宇宙万物的性质，从而使其改善成为可能？”虽然合成生物学目前已经成为一门学科，但是在很多化学家眼里
7、，它只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认为：“化学是唯一能够制备前所未有的物质的科学”。过于关注合成化学的问题在于使得不少化学家会不自觉地扮演修补匠的角色，为了满足他们的好奇心或者为了获利做着玩转分子世界的工作。因为重要的工业挑战成为很多科学创造力的推动力，特别会使得难于看清工业化学和学科化学的分界线。Barton认为：“化学是为工业添加燃料的科学事业”，“不仅有石油化工，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大的实际挑战来得多。“为从日光获取我们所需能量的实用方法，制
8、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我们所需的生产过程的同时不至于毁坏环境”。没有人会低估应用和工业化学的重要性。但是如果化学家们关注的问题对于什么是我们能够知道的不如什么是我们能够做的时，是否会成为解决工程问题的某种形式亦即为了特定问题寻求特定的解决方案。根据伦敦皇家研究所的无机化学家John Meurig Thomas 的意见，化学属于一种特别的科学，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，却经常会遇到为什么做出新的规定和修改。还有，他说：“如果想找到一个能够应用于酶、材料、表面等等的普遍适用的催化理论是一件荒谬可笑的事情”。在诸多化学家垂青于实际目标，
9、和一些领域逐渐偏离化学的边缘的形势下，在这个的学术中心里是否还存在某些大问题？如果是这样，能否和物理及生物前沿一样具有强烈的激励作用？对于回答在其他领域中提出的前沿问题，化学家确有协助解答的能力和概念。Nature 所得到的最明确的一致意见是，化学家们最关心的问题中有很大一部分是认为属于生物学的。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：“要真正地了解生物过程，一定会回归到了解化学”。 Harvard 大学的化学家，George Whitesides 的看法更加明确。他说：“细胞的本质完
10、全是一个分子层次的问题，”而且“生物学真的什么也做不了”。他认为生物学中“真正需要着力的”部分，如更为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。这些说法可能会引起生物学家的争议。但是人们可以认为生物学对于细胞作不了什么，这是Salk Institute for Biological Studies (San Diego,California)的分子生物学家，诺贝尔奖得主Sydney Brenner指出的，但是依据同样的逻辑，人们也可以说，所有的化学只是量子力学。对于分子生物学中基本过程的认识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
11、识别等，基本上都是化学问题。尽管分子生物学家可以认为对于它们已经有了较全面的了解，但是从化学观点看来，当更加接近它们时，反而觉得更为迷惑不清。对于生物医学和药物开发所需的，基于分子层次的合理且有预见性的科学依据依然不足。同时，对生物分子过程的化学本质诸如信号传递，University of California(Santa Barbara) 的化学工程师Matthew Tirrell 认为是一个关键问题。就在这个意义上，化学被赋予信息科学之一。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 (St
12、rasbourg)的超分子化学家，诺贝尔奖得主Jean-Marie Lehn称作信息物质科学的由起。自组织概念使得化学家习惯于这样的想法，即分子可以按程序相互作用并按照某个特定方式聚集在一起，而人工复制的分子则显示了化学信息可以传递和放大的原理。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：自组织过程是如何产生的，以及它又如何使得宇宙诞生一个能够反映其自身母源的物种的？”Lehn相信，下一步将是设计化学学习体系，它不仅可以编程，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，我们就有可
13、能设计新的思想和记忆，或者至少做到学会如何保存已有的思想和记忆。”Whiteside则希望知道如何能够运用化学使硅电子器件和灰物质结合在一起，他问道：“怎样才能把我的计算机装入我的大脑?”这些问题听来似应属于神经科学家和电子工程师所应关注的范畴，但是神经元之间的信号传递属于化学过程；这种类型的中介过程需要以化学语言作为指令。这些呈现在化学家们面前的研究方向，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，科学中令人感兴趣的现在就是化学”。他认为即使是哪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
14、面有什么？等问题基本上都属于分子层面。当谈及学科交叉问题时，化学家和物理学家、生物学家之间的主要区别在于他们对于忽视分子水平的机制的不满。为了处理这类事件促使化学家试图去了解或预测分子结构和功能之间的关系，也许这就是这个学科的最重要的挑战。例如与化学相关的主要方面之一，结构性能关系对于药物设计就极其重要。Barton问道：“我们怎样对特定的细胞、器官或组织的分子做上特定的标记？又怎样能够使得在我们需要分子移动到某个地方时，它就会移动？”设计工业合成用的催化剂也非常重要，但是目前对于构效关系的充分了解却仅限于比较简单的小分子。即使如此，也还有许多细节问题有待于解决。诺贝尔奖获得者，加州理工学院的
15、物理化学家Ahmed Zewail 指出，对于分子的活动性，分子的动态行为和它们的分子结构一样可以起作很大的作用。显然，生物分子间的相互作用并不像锁钥匹配那样简单，亦即只要在结合部位和靶物达到很好的几何匹配，而是有可能取决于分子和溶剂间相互作用时的动态学。目前，化学家对化学反应是以发生在一个复杂的多维势能面（类似于崎岖的山地）上来思考的。因而了解蛋白质折叠的问题成为分子的肽链跨越势能面时的轨迹问题，以至于它最后停留在和正确折叠构象相应的“能谷”中的。Thomas说：“生物学对构效关系的考虑是不充分的，必须思考在势能面上的运动。”换句话说，动态学才是关键。即便化学家破解了分子设计的原理，化学家又
16、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可以预见并有效地聚集成为新分子的本质和规律是个大问题。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。”只有化学家才知道加工原子和分子到底有多么困难，而有些分子正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。同时，如果化学被肢解并分属于其他学科，能够触及物质的这类秘密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。一旦我们确定地知道，自然界提供的有限的分子和反应，和仍在创造和探究过程中的奇妙化学世界相比，就像一个巨大无
