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1.生命從何而來(lái)?

　　距地球上第一種生物從無(wú)生命物質(zhì)中誕生，至今已近40億年，但最初的生命是如何出現(xiàn)的，至今仍是個(gè)謎。那些相對(duì)簡(jiǎn)單的分子，最初如何從“原始湯”里創(chuàng)生出來(lái)，并形成越來(lái)越復(fù)雜的化合物?這些化合物又如何開(kāi)始進(jìn)行能量代謝，并完成自我復(fù)制(這兩者是定義生命的兩個(gè)特性)?當(dāng)然，在分子水平上，所有這些步驟都是化學(xué)反應(yīng)，也正因?yàn)槿绱?，“生命從何而?lái)”成了一個(gè)化學(xué)問(wèn)題。

　　關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，對(duì)科學(xué)家的挑戰(zhàn)不再是構(gòu)想出那些看似合理的假說(shuō)，因?yàn)檫@樣的假說(shuō)已經(jīng)太多了。例如，有研究者推斷，在第一種能夠自我復(fù)制的聚合物(類(lèi)似DNA或蛋白質(zhì)一類(lèi)的分子，是由許多更小單位構(gòu)成的長(zhǎng)鏈)的形成過(guò)程中，泥土等礦物質(zhì)可能起到了催化劑的作用。還有人認(rèn)為，正是因?yàn)樯詈崛丛床粩嗟靥峁┠芰?，才?huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。此外，還有研究者提出，地球上曾存在一個(gè)RNA(核糖核酸)世界，這個(gè)世界出現(xiàn)在DNA和蛋白質(zhì)誕生之前。在這個(gè)世界中，DNA(脫氧核糖核酸)的近親RNA(它可以被看作是一種酶，并且可以像蛋白質(zhì)那樣催化化學(xué)反應(yīng))無(wú)處不在。

　　我們現(xiàn)在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管里面觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，驗(yàn)證上面提到的那些假說(shuō)?？茖W(xué)家已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，他們的研究表明，一些化學(xué)物質(zhì)可以自發(fā)排列，形成更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)——例如氨基酸，還有眾所周知的核苷酸(nucleotides，DNA的組成單元)。2009年，現(xiàn)供職于英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的約翰·薩瑟蘭德(John Sutherland)所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)，在“原始湯”中，確實(shí)可能存在自發(fā)的核苷酸合成過(guò)程。[在2015年最新一期的《自然·化學(xué)》(Nature Chemistry)上，薩瑟蘭德的團(tuán)隊(duì)報(bào)道，要生成核酸前體，只需要氰化氫(HCN)、硫化氫(H2S)和紫外線(UV)就夠了。此外，薩瑟蘭還稱(chēng)，能生成核酸前體的反應(yīng)條件也可以生成構(gòu)成天然氨基酸和脂質(zhì)的基本物質(zhì)。這意味著一個(gè)系列的反應(yīng)可能就同時(shí)生成了生命形成所需的大部分基本構(gòu)件。]

　　其他一些科學(xué)家則著重研究了特定RNA類(lèi)似于酶的催化特性，為“RNA世界假說(shuō)”提供了一些證據(jù)。通過(guò)這些步驟，科學(xué)家也許可以弄清楚，無(wú)生命物質(zhì)如何轉(zhuǎn)變成能自我復(fù)制、自我維持的系統(tǒng)，從而填補(bǔ)生命進(jìn)化史上的這個(gè)缺失環(huán)節(jié)。

　　由于科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)系奇特而豐饒的環(huán)境有了更深的認(rèn)識(shí)——火星上曾經(jīng)存在過(guò)液態(tài)水;土星衛(wèi)星泰坦(Titan，土衛(wèi)六)上有著甲烷海洋;木星衛(wèi)星歐羅巴(Europa，木衛(wèi)二)和加尼米德(Ganymede，木衛(wèi)三)的冰層之下，似乎潛藏著冰冷的咸海，因此地球生命的起源似乎只是一些宏大問(wèn)題的一部分：在哪些環(huán)境中，生命才會(huì)出現(xiàn)?生命的化學(xué)基礎(chǔ)可以有多大的不同?過(guò)去16年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500多顆圍繞著其他恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的太陽(yáng)系外行星，這些光怪陸離的外星世界也讓前述問(wèn)題變得更加迷人。

　　這些發(fā)現(xiàn)促使化學(xué)家展開(kāi)想象，去創(chuàng)想原始生命可能的化學(xué)構(gòu)成。例如，美國(guó)航空航天局(NASA)一直認(rèn)為，液態(tài)水是生命存在的先決條件，但現(xiàn)在科學(xué)家卻認(rèn)為不一定非得這樣。液態(tài)氨、甲酰胺(formamide，一種油狀溶劑，類(lèi)似液態(tài)甲烷)或者木星上的超臨界氫(super-critical hydrogen)可不可以充當(dāng)其他生命的“水”?為什么生命必須要以DNA、RNA和蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)?畢竟，科學(xué)家已經(jīng)研制出了一些人造化學(xué)系統(tǒng)，只要有合適的組成成分，它們不需要核酸就能完成復(fù)制。從本質(zhì)上說(shuō)，一個(gè)可以充當(dāng)模板進(jìn)行自我復(fù)制，并能與“復(fù)制品”分開(kāi)的分子系統(tǒng)似乎就算是生命。

　　美國(guó)應(yīng)用分子進(jìn)化基金會(huì)的化學(xué)家史蒂文·班納(Steven Benner)說(shuō)，當(dāng)我們的研究只局限于地球生命時(shí)，“我們沒(méi)法說(shuō)清楚，它們之間的那些相似性(比如都會(huì)使用DNA和蛋白質(zhì))到底代表了它們來(lái)自同一祖先，還是說(shuō)生命都需要是這樣”。不過(guò)，如果我們堅(jiān)持認(rèn)為，我們看到的才是真實(shí)的，“那我們的研究就太沒(méi)意思了”。

2.分子如何形成?

　　在高中化學(xué)課本里面，分子結(jié)構(gòu)可算是最主要的內(nèi)容之一。但是，這些看上去由“球”(代表原子)和“棍”(代表化學(xué)鍵)構(gòu)成的模型已經(jīng)有些年頭了。并不是沒(méi)有更新的模型，問(wèn)題在于，科學(xué)家在更為準(zhǔn)確的分子外觀模型方面，并未取得一致意見(jiàn)。

　　20世紀(jì)20年代，沃爾特·海特勒(Walter Heitler)和弗里茨·倫敦(Fritz London)應(yīng)用剛剛興起的量子力學(xué)理論，向人們展示了如何描述化學(xué)鍵的形成。此后不久，美國(guó)著名化學(xué)家鮑林(Linus Pauling)又提出了雜化軌道理論，認(rèn)為當(dāng)不同原子的電子軌道在空間上重合時(shí)，就會(huì)形成化學(xué)鍵。而羅伯特·馬利肯(Robert Mulliken)和弗雷德里?！ず榈?Friedrich Hund)卻提出了截然不同的理論：化學(xué)鍵的形成，是原子軌道并入一個(gè)包括多個(gè)原子的“分子軌道”的結(jié)果。那時(shí)的理論化學(xué)看起來(lái)就像物理學(xué)的一個(gè)分支。

　　近100年后，分子軌道模型成為認(rèn)可度最高的一種。但對(duì)于這種模型是否研究分子的最佳工具，化學(xué)家仍然沒(méi)有達(dá)成一致。原因在于，這類(lèi)分子模型，以及其他所有簡(jiǎn)化了的假想模型都不夠精確，只能部分描述分子結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，分子就是電子云中的一團(tuán)原子核，并通過(guò)相反的靜電力，與另外一團(tuán)原子核進(jìn)行著一場(chǎng)永不停止的“拔河游戲”，而且所有的組成部分都在不停地運(yùn)動(dòng)和重組?，F(xiàn)有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動(dòng)態(tài)的實(shí)體變?yōu)殪o態(tài)，并且明確各個(gè)組分之間的關(guān)系，這種做法會(huì)顯示出分子的一些突出性質(zhì)，但同時(shí)也會(huì)將其他信息忽略掉。

　　而對(duì)于每天的工作就是破壞和構(gòu)建化學(xué)鍵的化學(xué)家來(lái)說(shuō)，量子理論又無(wú)法為化學(xué)鍵提供一個(gè)符合他們直覺(jué)的獨(dú)特定義?，F(xiàn)在，很多人定義分子的方法，都是把分子看作是一堆通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合在一起的原子。在德國(guó)波鴻-魯爾大學(xué)的量子化學(xué)家多米尼克·馬克斯(Dominik Marx)看來(lái)，這些描述都有一個(gè)共同的毛病，那就是“在某些情況下是正確的，但換到其他條件下，就是錯(cuò)誤的”。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家可以根據(jù)量子第一性原理(quantum first principles)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)計(jì)算分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)——只要電子數(shù)量相對(duì)較少，就能獲得精確度很高的結(jié)果?！坝?jì)算化學(xué)可以極度現(xiàn)實(shí)化和復(fù)雜化，”馬克斯說(shuō)。因此，計(jì)算機(jī)模擬越來(lái)越被看作是一種虛擬實(shí)驗(yàn)，用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。但是，一旦某個(gè)反應(yīng)的模擬計(jì)算不再局限于幾十個(gè)電子，計(jì)算量就將變得巨大無(wú)比，即使最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)恐怕也無(wú)法勝任。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)將會(huì)是能否放大模擬范圍，比如細(xì)胞中的復(fù)雜分子過(guò)程或某些復(fù)雜材料的分子結(jié)構(gòu)。

3.環(huán)境如何影響人類(lèi)基因?

　　以前的生物學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，你體內(nèi)的基因決定了你是誰(shuí)?，F(xiàn)在，另一個(gè)事實(shí)已經(jīng)清晰地?cái)[在我們面前：在“你是誰(shuí)”這個(gè)問(wèn)題上，你使用了哪些基因，與你攜帶了哪些基因同樣重要。跟所有的生物學(xué)問(wèn)題一樣，這個(gè)問(wèn)題的核心依舊是化學(xué)問(wèn)題。

　　早期胚胎中，細(xì)胞可以發(fā)育成各種類(lèi)型的組織。但隨著胚胎發(fā)育，所謂的“多能干細(xì)胞”(pluripotent stem cell)則會(huì)發(fā)生分化，朝著不同的方向發(fā)展(例如血細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或皮膚細(xì)胞)。這樣，它們后代的“角色”就被固定下來(lái)。人體的形成，是干細(xì)胞中的染色體受到化學(xué)修飾，基因表達(dá)按特定規(guī)則“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”的結(jié)果。

　　但是，上述化學(xué)修飾是可逆的，而且會(huì)受到人體環(huán)境的影響，這是克隆和干細(xì)胞研究領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性發(fā)現(xiàn)。在干細(xì)胞的分化期，細(xì)胞不能永久地關(guān)閉某一基因，而只能是將它們需要的基因維持在一種“準(zhǔn)備”狀態(tài)。也就是說(shuō)，被關(guān)閉的基因也有參與工作的潛力(即合成它們所編碼的蛋白質(zhì))，當(dāng)它們遇到周?chē)h(huán)境中特定化學(xué)物質(zhì)時(shí)，這種潛力就可以激活。

　　對(duì)化學(xué)家而言，最讓人興奮、也最具挑戰(zhàn)性的是，基因表達(dá)的調(diào)控似乎涉及一些化學(xué)事件。這些事件發(fā)生在“中尺度”(mesoscale)水平上，主角是比原子和分子更大的分子復(fù)合體，涉及復(fù)合體之間的相互作用。染色質(zhì)(chromatin)是由DNA和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，具有一種層級(jí)結(jié)構(gòu)。DNA雙螺旋纏繞在一個(gè)個(gè)圓柱形的、由組蛋白(histones)構(gòu)成的蛋白顆粒上，然后這些蛋白顆粒會(huì)聚集起來(lái)，形成更高級(jí)的結(jié)構(gòu)。目前我們對(duì)這種結(jié)構(gòu)還知之不多(請(qǐng)參見(jiàn)對(duì)頁(yè)插圖)。細(xì)胞活動(dòng)極好地控制了這種組裝過(guò)程——一個(gè)基因以何種方式，被定位到染色質(zhì)的哪個(gè)位置，也許就決定了它能否正常表達(dá)。

　　細(xì)胞里，有些酶專(zhuān)門(mén)用于重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們?cè)诩?xì)胞分化過(guò)程中起著核心作用。胚胎干細(xì)胞中，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)看上去更松散、開(kāi)放性更高，但隨著一些基因進(jìn)入“沉默”狀態(tài)，染色質(zhì)會(huì)變得更加緊湊、有序。“染色質(zhì)似乎可以決定并維持(或者說(shuō)穩(wěn)定)細(xì)胞的狀態(tài)，”美國(guó)麻省總醫(yī)院的病理學(xué)家布拉德利·伯恩斯坦(Bradley Bernstein)說(shuō)。

　　此外，染色質(zhì)在形成高級(jí)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，DNA和組蛋白還會(huì)發(fā)生化學(xué)修飾。一些小分子會(huì)結(jié)合到DNA和組蛋白上，就像標(biāo)簽一樣，告訴細(xì)胞里的分子機(jī)器該對(duì)基因采取何種措施：應(yīng)該阻止還是放任基因的表達(dá)。這種“標(biāo)記過(guò)程”叫做“表觀遺傳”(epigenetic)現(xiàn)象，因?yàn)樵撨^(guò)程不會(huì)改變基因攜帶的遺傳信息。

　　至于成熟細(xì)胞能在多大程度上重獲分化能力(不管它們能否變得像真正的干細(xì)胞那樣，在再生醫(yī)學(xué)中，誘導(dǎo)性干細(xì)胞的使用都是一個(gè)非常重要的問(wèn)題)，這在很大程度上取決于在表觀遺傳標(biāo)記的重置上，科學(xué)家能走多遠(yuǎn)。

　　現(xiàn)在比較清楚的是，在遺傳上，除了遺傳密碼里的關(guān)鍵信息，細(xì)胞還有一套完全不同的“化學(xué)語(yǔ)言”——這就是表觀遺傳。英國(guó)伯明翰大學(xué)的遺傳學(xué)家布萊恩·特納(Bryan Turner)說(shuō)：“人類(lèi)的很多疾病都與遺傳相關(guān)，包括癌癥在內(nèi)，但是一種潛在的疾病最終是否發(fā)作，通常還要看環(huán)境因素能否通過(guò)表觀遺傳的方式起作用。”

4.大腦如何思考，并形成記憶?

　　大腦就像是一臺(tái)化學(xué)計(jì)算機(jī)。神經(jīng)元之間相互作用所構(gòu)成的“環(huán)路”是通過(guò)分子介導(dǎo)的。具體來(lái)說(shuō)，就是神經(jīng)遞質(zhì)(neurotransmitter)在突觸(synapse)間的傳遞，突觸指的就是兩個(gè)神經(jīng)細(xì)胞相連接的地方。而在這種大腦的化學(xué)反應(yīng)中，最令人印象深刻的，當(dāng)數(shù)記憶的運(yùn)作。對(duì)記憶而言，抽象的原理與概念——比如一串電話(huà)號(hào)碼，或者是一段情感體驗(yàn)——都會(huì)“印刻”在大腦里，持續(xù)不斷的化學(xué)信號(hào)形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種特定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了這種“印刻”。那么，化學(xué)物質(zhì)是如何創(chuàng)造出一段既持續(xù)又動(dòng)態(tài)，還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢?

　　我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了部分答案。一連串生物化學(xué)過(guò)程，改變了突觸神經(jīng)遞質(zhì)分子的數(shù)量，從而觸發(fā)對(duì)習(xí)慣性反射的學(xué)習(xí)。但是，即便是這么簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，也有短期和長(zhǎng)期之分。與此同時(shí)，一種復(fù)雜的“陳述性記憶”(declarative memory，即對(duì)人、地點(diǎn)等內(nèi)容的記憶)擁有另外一種工作機(jī)制，在大腦中的定位也不一樣。陳述性記憶與一種叫做NMDA受體的蛋白質(zhì)的活化有關(guān)，它分布在特定的大腦神經(jīng)元里。如果用藥物阻斷這種受體，好幾種不同類(lèi)型的陳述性記憶都會(huì)受到影響。

　　我們?nèi)粘５年愂鲂杂洃浲峭ㄟ^(guò)一種叫做“長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)”(long-term potentiation，縮寫(xiě)為L(zhǎng)TP)的過(guò)程來(lái)編碼的，LTP與NMDA受體有關(guān)，并伴隨著神經(jīng)元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長(zhǎng)，它與相鄰神經(jīng)元的連接也逐漸增強(qiáng)，具體表現(xiàn)就是到達(dá)突觸間隙的神經(jīng)脈沖所引起的電壓升高。這一過(guò)程的生物化學(xué)機(jī)制在過(guò)去數(shù)年內(nèi)業(yè)已闡明。其中涉及了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白纖維的形成，肌動(dòng)蛋白作為細(xì)胞的一種基礎(chǔ)骨架成分，是決定細(xì)胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進(jìn)一步穩(wěn)固，在突觸發(fā)生的改變還沒(méi)有得到鞏固之前，這些纖維會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)再次解散。

　　無(wú)論是上述簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程，長(zhǎng)時(shí)記憶一旦形成，特定基因就會(huì)開(kāi)始表達(dá)，合成特定蛋白，極力維持長(zhǎng)時(shí)記憶。關(guān)于這個(gè)機(jī)制，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)與一類(lèi)叫做prion的分子有關(guān)。

　　Prion蛋白有兩種不同構(gòu)象，一種可溶，另一種不可溶，可以互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)它是以不可溶的構(gòu)象存在時(shí)，可以作為催化劑促使其他一些和它一樣的分子轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇艿臓顟B(tài)，從而聚集起來(lái)。人們最初發(fā)現(xiàn)prion蛋白是在神經(jīng)退行性疾病中，比如瘋牛病。但現(xiàn)在人們找到了prion蛋白的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)它也有有益的功能：突觸被prion蛋白聚集物打上特定的標(biāo)記用來(lái)儲(chǔ)存一段記憶。

　　關(guān)于記憶是如何工作的，目前還存在著大片空白，需要很多化學(xué)方面的細(xì)節(jié)來(lái)填補(bǔ)。比方說(shuō)，如何提取以前儲(chǔ)存的記憶?美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主埃里克·坎德?tīng)?Eric Kandel)表示：“這是個(gè)深?yuàn)W的問(wèn)題，目前的分析剛剛起步?！?/p>

　　回答記憶領(lǐng)域的化學(xué)問(wèn)題為記憶增強(qiáng)藥提供了既迷人又充滿(mǎn)爭(zhēng)議的前景。目前已知的一些可以增強(qiáng)記憶的物質(zhì)有：性激素和分別作用于尼古丁、谷氨酸、5-羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)的受體的合成化合物。實(shí)際上，按加利福尼亞大學(xué)歐文分校的神經(jīng)生物學(xué)家加里·林奇(Gary Lynch)的說(shuō)法，由于長(zhǎng)時(shí)程學(xué)習(xí)和記憶有一連串復(fù)雜的步驟，也就意味著為這類(lèi)記憶增強(qiáng)藥的產(chǎn)生提供了很多潛在的靶點(diǎn)。

5.到底存在多少種元素?

　　學(xué)校教室墻上貼著的元素周期表(the periodic table)一直都在不停地修訂，這是因?yàn)槿祟?lèi)發(fā)現(xiàn)的元素?cái)?shù)量在不停增長(zhǎng)。使用粒子加速器讓原子核對(duì)撞，科學(xué)家可以制造出新的“超重元素”(superheavy elements)。相比從自然界發(fā)現(xiàn)的92種元素，超重元素的原子核擁有更高的質(zhì)子(proton)數(shù)與中子(neutron)數(shù)。它們巨大的原子核非常不穩(wěn)定——在極短的時(shí)間內(nèi)(通常只有幾千分之一秒到幾分之一秒)，它們就會(huì)衰變(這種衰變具有放射性)。但是，在它們存在的時(shí)間內(nèi)，這些新的人工合成元素，例如钅喜(seaborgium，第106號(hào)元素)以及钅黑(hassium，第108號(hào)元素)，和其他元素一樣，都具有能夠被準(zhǔn)確定義的化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)精妙設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們抓住少量的钅喜和钅黑在衰變之前短暫存在的一瞬間，測(cè)量了它們的部分化學(xué)性質(zhì)。

　　這些研究不僅僅是對(duì)性質(zhì)的測(cè)量，它們還探索了元素周期表概念上的限制：超重元素能否延續(xù)元素周期表展現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律與趨勢(shì)(這些化學(xué)規(guī)律在元素周期表誕生之初便已經(jīng)被歸納出來(lái))?答案是，有些延續(xù)了規(guī)律，有些則沒(méi)有。特別是，如此之大的原子核緊緊抓住了原子最里層的電子，因而這些電子能以接近光速運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而根據(jù)狹義相對(duì)論(special relativity)效應(yīng)，這些電子的質(zhì)量會(huì)增大，有可能破壞量子化的能量狀態(tài)(即不連續(xù)的能級(jí))，而它們的化學(xué)性質(zhì)——進(jìn)而以此形成的元素周期表——都是依賴(lài)于能級(jí)理論建立的。

　　由于物理學(xué)家認(rèn)為，只要原子核擁有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子，就會(huì)特別穩(wěn)定，因此他們想在元素周期表中找出一個(gè)名為“穩(wěn)定島”(island of stability)的區(qū)域——在這個(gè)區(qū)域中，超重元素更穩(wěn)定，壽命更長(zhǎng)，目前的合成技術(shù)還無(wú)法合成出這樣的元素。但是，超重元素的大小是否有極限?依據(jù)相對(duì)論的一項(xiàng)簡(jiǎn)單計(jì)算告訴我們，電子無(wú)法被擁有超過(guò)137個(gè)質(zhì)子的原子核束縛。更加復(fù)雜的計(jì)算也證實(shí)了這個(gè)極限。然而，來(lái)自德國(guó)法蘭克福-歌德大學(xué)的核物理學(xué)家沃爾特·格雷納(Walter Greiner)卻堅(jiān)持認(rèn)為：“元素周期表絕對(duì)不會(huì)在第137號(hào)元素前止步不前;事實(shí)上，它永無(wú)止境?！钡?，要想通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證格雷納的斷言，從目前的研究水平來(lái)看，這還是一個(gè)很遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

6.我們能用碳元素制造出電腦嗎?

　　如果電腦芯片能用石墨烯(graphene，一種單層網(wǎng)狀碳單質(zhì)材料，參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2008年第5期《延續(xù)摩爾定律的新材料》一文)來(lái)制造，那么，未來(lái)的電腦將比現(xiàn)在的硅芯片電腦運(yùn)行速度更快，性能更加強(qiáng)勁。石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了石墨烯的發(fā)現(xiàn)者，但要將石墨烯為代表的各種碳納米材料技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用，最終還依賴(lài)于化學(xué)家能否創(chuàng)造出精密度達(dá)原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)。

　　早在1985年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了巴基球(buckyball，一種由碳原子組成的中空籠形碳單質(zhì)結(jié)構(gòu))，這可算是碳納米材料研究的開(kāi)端。6年之后，碳納米管(carbon nanotube)開(kāi)始了它的首演，碳納米管的管壁由呈六邊形整齊連接的碳原子構(gòu)成，就像是把單層石墨(graphite)材料卷了起來(lái)。這種中空的材料異常堅(jiān)韌，具有非常優(yōu)秀的導(dǎo)電性。碳納米管材料有望被用于從高強(qiáng)度的碳復(fù)合材料到微小的導(dǎo)線和電子裝置，從微型分子膠囊到濾水薄膜等各個(gè)領(lǐng)域。

　　盡管期望中的用途很多，但如今碳納米管還很少有成功的商業(yè)應(yīng)用。例如，研究者目前還無(wú)法解決如何將碳納米管和復(fù)雜的電子芯片連接起來(lái)的問(wèn)題。時(shí)間再近一些，石墨登上了舞臺(tái)中央，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨可以被分離成單層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就像薄板一樣，這種單層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，也就是我們所說(shuō)的石墨烯，它可以用來(lái)制備超微小、廉價(jià)且堅(jiān)固穩(wěn)定的電子芯片。現(xiàn)在IT領(lǐng)域都對(duì)石墨烯抱以厚望，希望能夠?qū)⒄瓗罨蚓W(wǎng)狀的石墨烯材料應(yīng)用到計(jì)算機(jī)工業(yè)中，做出達(dá)到原子尺度的器件，集成到芯片中，這樣新一代計(jì)算機(jī)就能比目前基于硅技術(shù)的產(chǎn)品擁有更強(qiáng)的性能(請(qǐng)參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010年第2期《未來(lái)20年的芯片》一文)。

　　美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的碳材料專(zhuān)家瓦爾特·德希爾(Walt de Heer)說(shuō)：“石墨烯可以做成各種形狀，所以碳納米管時(shí)代的連接、放置問(wèn)題就不復(fù)存在了?！?/p>

　　但是，德希爾繼續(xù)指出，要把石墨烯制作成我們需要的形狀，達(dá)到單個(gè)原子尺度，目前的工藝(例如刻蝕技術(shù))都無(wú)法企及，因此，他也聽(tīng)到一些言論，說(shuō)石墨烯技術(shù)目前被炒得過(guò)熱，而真正的技術(shù)還差之甚遠(yuǎn)。通過(guò)有機(jī)化學(xué)的技巧，由下及上地制備石墨烯電路——也就是將含有數(shù)個(gè)正六邊形碳原子環(huán)的“多芳烴分子”(polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片層的一個(gè)部分)連接起來(lái)——或許是一個(gè)關(guān)鍵步驟，以此可以達(dá)到上述工程學(xué)精度，最終開(kāi)啟未來(lái)通向石墨烯電子學(xué)的大門(mén)。

7.如何捕獲更多太陽(yáng)能?

　　每當(dāng)太陽(yáng)從東方升起，似乎都在提醒人類(lèi)，對(duì)于太陽(yáng)這個(gè)巨大無(wú)比的清潔能源來(lái)源，我們目前開(kāi)發(fā)利用得實(shí)在太少太少。經(jīng)濟(jì)問(wèn)題是最大的障礙：用來(lái)獲取太陽(yáng)能的傳統(tǒng)光伏電池板(photovoltaic panel)的高額成本限制了它的使用。但是，在地球上，幾乎所有的生命最終都由太陽(yáng)的能量驅(qū)動(dòng)，而能量來(lái)自光合作用(photosynthesis)。這恰恰說(shuō)明了，太陽(yáng)能電池并非需要極高的轉(zhuǎn)換效率，它們只須像樹(shù)葉那樣，通過(guò)廉價(jià)的方法提供充足的能量。

　　美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的德文斯·加斯特(Devens Gust)說(shuō)：“太陽(yáng)能研究的一個(gè)最值得期待的方向就是，通過(guò)陽(yáng)光來(lái)制造燃料。”利用太陽(yáng)能來(lái)制造燃料的最簡(jiǎn)單方法就是分解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣。美國(guó)加州理工學(xué)院的內(nèi)森·S·劉易斯(Nathan S. Lewis)和同事發(fā)明的一種人造樹(shù)葉(參見(jiàn)對(duì)頁(yè)框圖)就能實(shí)現(xiàn)上述想法，他們的工具是硅納米線陣列(參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010年第11期《人造樹(shù)葉：陽(yáng)光變?nèi)剂稀芬晃?。

　　今年年初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的丹尼爾·諾切拉(Daniel Nocera)和合作者展示了一種硅基薄膜，在這種薄膜中，一種以鈷(cobalt)為主要成分的光催化劑(photocatalys)能促進(jìn)水分子分解。據(jù)諾切拉估算，1加侖(約3.8升)水分解，提供的能量就能夠滿(mǎn)足一個(gè)發(fā)展中國(guó)家家庭一天的用量。諾切拉說(shuō)：“我們的目標(biāo)是讓每個(gè)家庭都擁有自己的電站。”

　　通過(guò)催化劑來(lái)分解水仍然非常困難。“像諾切拉使用的鈷催化劑，還有一些新近發(fā)現(xiàn)的基于其他常見(jiàn)金屬的催化劑，都是值得期待的，”加斯特說(shuō)，但目前還沒(méi)有人能夠?qū)⑺鼈兊闹谱鞒杀窘档偷嚼硐敕秶?/p>

　　“我們尚不知道自然界中的光合作用催化劑如何工作，這種催化劑基于4個(gè)錳(manganese)原子和一個(gè)鈣(calcium)原子，”加斯特補(bǔ)充說(shuō)道。

　　加斯特和同事已經(jīng)開(kāi)始著手通過(guò)分子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)人造光合作用，這種方式更加接近于自然界中生物的光合作用。經(jīng)過(guò)艱苦努力，他的研究小組已經(jīng)合成出一些可用于最終分子器件的基本結(jié)構(gòu)單元。但是，在他們面前還有大量的挑戰(zhàn)。有機(jī)分子，例如自然界用到的那些，很快就會(huì)分解或破壞。然而，植物會(huì)不斷的生產(chǎn)出新的蛋白質(zhì)來(lái)替代那些被破壞的，但至少目前，人造樹(shù)葉還無(wú)法完全模擬一個(gè)活細(xì)胞進(jìn)行光合作用的方式及其中的化學(xué)機(jī)制。

8.制造生物燃料的最佳途徑是什么?

　　除了通過(guò)直接采集太陽(yáng)光的方法來(lái)制造燃料，我們還有別的途徑利用太陽(yáng)能嗎?先讓植物把太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，然后我們?cè)賹⒅参镒優(yōu)槿剂希@個(gè)主意怎么樣?生物燃料(biofuel)，例如用谷物制得的乙醇，或者由各種種子制成的生物柴油(biodiesel)，都已經(jīng)在能源市場(chǎng)上占得一席之地。但是它們也威脅著糧食供應(yīng)，尤其是在發(fā)展中國(guó)家，由于出口生物燃料比出售糧食給本國(guó)居民更加賺錢(qián)，這有可能加劇糧食危機(jī)。現(xiàn)實(shí)也讓人氣餒：要想通過(guò)生物燃料來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)在的原油需求，我們必須征用巨量的耕地。

　　因而，將糧食轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉矗苍S并不是最好的辦法。一個(gè)解決方案就是，利用其他并非那么重要的生物質(zhì)(biomass)來(lái)獲取能源。如果用美國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)及木料類(lèi)殘?jiān)鼇?lái)制取生物燃料，足夠滿(mǎn)足一個(gè)第三世界國(guó)家在交通方面對(duì)汽油和柴油的需求。

　　將這些低等級(jí)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，需要打破堅(jiān)硬的植物分子，例如木質(zhì)素(lignin)、纖維素(cellulose)，兩者都是植物細(xì)胞壁的主要成分?；瘜W(xué)家已經(jīng)知道如何做到這些，但現(xiàn)在的方法成本過(guò)高，效率低下，因而從經(jīng)濟(jì)上講，還不適合通過(guò)這種方法來(lái)大量生產(chǎn)生物燃料。

　　打破木質(zhì)素需要面對(duì)的調(diào)整之一，就是打斷它分子結(jié)構(gòu)中氧原子與苯環(huán)上碳原子的連接。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的約翰·哈特維格(John Hartwig)與阿列克塞·塞爾吉福(Alexey Sergeev)最近就完成了這項(xiàng)挑戰(zhàn)。他們發(fā)現(xiàn)，一種基于鎳元素的催化劑能夠做到這一步。哈特維格指出，即使生物質(zhì)和別的燃料一樣，可以提供非化石燃料的化學(xué)原料，但化學(xué)家們依然需要從中提取出芳香族化合物(aromatic compounds，即分子結(jié)構(gòu)以苯環(huán)為主題的結(jié)構(gòu))。而木質(zhì)素就是生物質(zhì)中潛在的最主要芳香族化合物來(lái)源。

　　更實(shí)際地，這些生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換將越來(lái)越多地以最結(jié)實(shí)的生物質(zhì)為原料，并將它們轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料，這樣才能方便快捷地通過(guò)管道運(yùn)輸。而液化過(guò)程將在作物收割的現(xiàn)場(chǎng)完成。

　　催化轉(zhuǎn)化需要原材料極度純凈，這是橫亙?cè)诨瘜W(xué)家面前的一大難題。他們?cè)谶M(jìn)行經(jīng)典的化學(xué)合成的時(shí)候，很少用到像木材這類(lèi)非?！绑a臟”的材料。“科學(xué)界還沒(méi)有就所有這些方法的使用達(dá)成一致，”哈特維格說(shuō)。但有一點(diǎn)可以確定，現(xiàn)在有非常多依賴(lài)于化學(xué)方法的解決方案，尤其是那些找到了合適的催化劑的方法。哈特維格指出：“在幾乎所有大規(guī)模工業(yè)化的化學(xué)反應(yīng)中，都能找到催化劑的蹤影?！?/p>

9.我們能研制出全新類(lèi)型的藥物嗎?

　　化學(xué)的核心就是實(shí)用與創(chuàng)新：制造出各種分子，這樣我們就能夠開(kāi)發(fā)出新材料來(lái)構(gòu)建萬(wàn)事萬(wàn)物，或者研制出新型抗生素，戰(zhàn)勝不斷出現(xiàn)、不斷變強(qiáng)的耐藥菌。

　　20世紀(jì)90年代，化學(xué)家曾對(duì)“組合化學(xué)”寄予厚望：利用一些基本構(gòu)建單元，隨機(jī)組裝出成千上萬(wàn)的新分子，然后再篩選出需要的分子。這種方法一度被認(rèn)為是藥物化學(xué)的未來(lái)，如今它的光環(huán)卻已漸漸消退。

　　但是，如果化學(xué)家能合成足夠多的分子類(lèi)型，然后找到理想的方法，從中篩選出需要的那幾種，組合化學(xué)就有可能迎來(lái)第二春。生物技術(shù)或許能提供幫助——例如，每一種分子都能夠連接到一段DNA“條形碼”上，這樣既能識(shí)別有用的分子，又能把它們從大量分子中提取出來(lái)?；蛘撸茖W(xué)家還可以按照達(dá)爾文進(jìn)化論的思想，在實(shí)驗(yàn)室中逐步改造候選分子庫(kù)。他們就可以用DNA編碼潛在的蛋白質(zhì)藥物分子，然后通過(guò)“易錯(cuò)”復(fù)制，制造出成功藥物的變異體，從而在每一輪的復(fù)制和選擇中，尋找效果得到改善的藥物分子。

　　還有就是借用自然規(guī)則，按指定方式來(lái)連接分子片段。以蛋白質(zhì)為例，它具有嚴(yán)格的氨基酸序列，因?yàn)檫@是由編碼這種蛋白質(zhì)的基因所決定的。利用這種模式，化學(xué)家也許可以通過(guò)編程的方式，讓化學(xué)分子自組裝。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它是“綠色”的，因?yàn)樗鼫p少了我們不需要的副產(chǎn)物，相關(guān)的能量和材料浪費(fèi)也更少。

　　哈佛大學(xué)的戴維·劉(David R. Liu)教授和合作者正在沿著這條道路前進(jìn)。他們?cè)诜肿幽K上連接短鏈DNA，而這些DNA可以編碼連接分子模塊的結(jié)構(gòu)。他們還制備了一種能沿著短鏈DNA運(yùn)動(dòng)的分子，這些分子可讀取DNA上的編碼信息，把一些小分子連接到分子模塊上，從而制造出連接結(jié)構(gòu)——類(lèi)似于細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成過(guò)程。戴維·劉的新方法為新藥開(kāi)發(fā)提供了一條捷徑。“許多生物學(xué)家都相信，在未來(lái)的醫(yī)療領(lǐng)域，大分子(macromolecule)即使不能占據(jù)主導(dǎo)地位，它也將扮演越來(lái)越重要的角色，”戴維·劉說(shuō)。

10.我們能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的化學(xué)變化嗎?

　　隨著科學(xué)的進(jìn)步，化學(xué)家們不再滿(mǎn)足于僅僅構(gòu)建分子，他們還希望與分子進(jìn)行交流：即在活細(xì)胞與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間搭起一座橋梁，并通過(guò)光纖來(lái)傳遞這些信息。

　　從一定程度上說(shuō)，這并非什么全新的概念：早在上世紀(jì)60年代，研究者就開(kāi)始使用生物傳感器(化學(xué)反應(yīng)會(huì)在傳感器中進(jìn)行)來(lái)監(jiān)測(cè)人體血液中的葡萄糖濃度?？梢杂玫交瘜W(xué)傳感器的場(chǎng)合可謂多之又多——例如，檢測(cè)食物和水中含量非常低的有害物質(zhì)，或者監(jiān)測(cè)空氣污染物，以及各種氣體在大氣中的含量。反應(yīng)更快速、成本更低廉、敏感度更高以及分布更廣泛的化學(xué)傳感技術(shù)將在上面所有這些應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

　　在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，各式各樣的新型化學(xué)傳感器也擁有最引人注目的潛力。例如，早在癌癥病變發(fā)展到能被普通的臨床手段檢出之前很久，一些癌細(xì)胞基因的產(chǎn)物就已經(jīng)進(jìn)入血液循環(huán)了。如果能檢測(cè)到這些早期的化學(xué)變化，將有助于醫(yī)生及時(shí)且準(zhǔn)確地做出診斷?？焖倩蚪M檢測(cè)技術(shù)將使得醫(yī)生可以根據(jù)每個(gè)人的自身狀況開(kāi)出調(diào)理藥方(即個(gè)性化醫(yī)療)，如此一來(lái)就可以降低濫用藥物帶來(lái)的副作用，并讓如今使用受限的一些藥物派上大用場(chǎng)(這些藥物因會(huì)對(duì)少數(shù)人帶來(lái)危害而被禁用或限制使用)。

　　一些化學(xué)家預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)，傳感器能夠連續(xù)不斷、靜悄悄地監(jiān)視著與人的健康、疾病有關(guān)的各種生物化學(xué)反應(yīng)。這或許能夠?yàn)槭中g(shù)中的外科醫(yī)生或者輸送治療藥物的自動(dòng)化系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息。這些未來(lái)的應(yīng)用都依賴(lài)于化學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，而這些化學(xué)技術(shù)能夠選擇性地感知特定物質(zhì)和化學(xué)信號(hào)，甚至在監(jiān)測(cè)對(duì)象的濃度處于非常微小的數(shù)量級(jí)時(shí)也能辦到。

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