万物皆可化学?
2020-10-09 10:17

万物皆可化学?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko,题图来自:视觉中国


近日,2020年诺贝尔化学奖公布,发展了基因编辑技术的科学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶与詹妮弗·杜德娜获奖(详见《一个重写生命密码的工具》。回顾近年诺贝尔化学奖得主的名单,不少人调侃,诺贝尔化学奖已经越来越像“理综奖”。


过去,人们通常把化学分为“四大化学”,也就是有机化学、无机化学、物理化学和分析化学。而现如今,化学在更多交叉前沿领域有了更多发展的空间。


2015年,哈佛大学化学家乔治·M. 怀特塞兹(George M. Whitesides)在顶级化学期刊《应用化学》上发表文章Reinventing Chemistry(重塑化学),阐述了他对未来化学发展的理解。怀特塞兹写道:


化学现在面临着各种各样的机会和对社会的义务。(化学)科学一直在研究原子、键、分子和反应。那么50年后呢?它还会是对分子及其行为的研究吗?又或者,它会涉及包含分子的复杂系统,包括材料科学、生物学、地质学、城市管理等等,成为任何形式的‘化学’?对任何化学领域的简单定义,或者至少是简单如‘原子、分子和反应’这样的定义,似乎都不再适合化学的潜力,以及它对社会的义务,还有它所面临的挑战的复杂性。”


怀特塞兹在文中列举并详细讨论了二十多个未来发展方向的问题,在此摘选总结了一些化学中具有代表性的交叉领域,化学与其他学科在这些领域中融合发展。从中,或许可以窥探未来化学的一隅。


一、生物化学



生物化学是近年来最热门、发展最为迅速的领域之一,它涉及的范围非常广泛,从理解生命的机制,到了解疾病,甚至延伸到公共健康等领域。在更微观的层面上,生命也可以理解为分子化学的一种表现形式,它是分子、催化剂和反应构成的惊人的网络。它其实同样是一种我们不甚理解的“化学”。


从另一种意义上来说,生命其实也可以说是“起源于化学”。在前生命时代的混乱地球上,一些简单而基本的化学小分子逐渐构成了更复杂的“部件”,慢慢发展出了纷繁的生物世界。我们对这个神秘的过程知之甚少,它同样吸引着一批又一批科学家深入探究。


二、神经生物化学



想到生命的本质其实只是分子的行为,似乎总会有些令人不安。但或许更惊人的事实是,人类的思想其实同样如此。在大脑中存在着许多更为细节、也更加引人入胜的生化问题,比如神经递质、受体、蛋白质合成和跨膜电化学等等,在化学、生物学以及物理学的交界处,甚至还有一些更为深入的问题,比如感知和自我意识的基础。在神经生物学的研究中,神经生物化学占据了非常重要的一部分。


三、地球化学



虽然我们可能很难直观感受到,但我们的地球家园从来不是一个静止的星球。地球与太阳系的开端可以追溯到46亿年前,这个数字就是我们通过化学元素随时间变化的规律而探测出来的。地球化学的研究对理解地球组成,及其形成和演化等方面做出了关键的贡献。我们脚下的每一块岩石、每一寸土地,都带着许多历史的故事。还有一些情况下,地球化学的领域会跨越地球之外,延伸至整个太阳系。


四、大气化学



地球的大气层与生命息息相关,大气的化学组成会受到自然过程的影响(比如剧烈的火山喷发)以及人类活动的影响(比如温室气体水平、臭氧层的破坏等等)。随着系外行星的发现,科学家也开始将眼光从地球移到了其他星球上。在系外行星探测的过程中,人们同样借助对行星大气的特定分子的探测,来推测系外行星环境以及系外生命存在的可能性。


怀特塞兹教授还特别提到了有关大气系统的另一个独特之处。化学一直倾向于研究处于热力平衡,或者向热力平衡移动的系统,这些系统看起来已经很复杂 ,但我们周围最有趣的系统还不止这些。还有一类系统是“耗散”的,也就是说,它们的特点和最有趣的特征只有在能量通过时才会显现出来,大气、海洋、代谢等都属于这类“耗散”系统。研究耗散系统几十年来一直是物理学研究的主题之一,但与平衡系统不同的是,我们对耗散系统的理论与经验认识都还非常浅薄。


五、宇宙化学



陨石是宇宙化学研究中最关键的“证人”和工具之一,这些天外来客身上往往带有非常关键的信息,不少陨石的年龄甚至和太阳系的年龄相当,它们能提供来自早期太阳星云的秘密,这对我们理解早期太阳系演化非常具有帮助。随着越来越多陨石样本的出现,以及越来越精细的探测,人们在陨石中甚至发现了许多出乎意料的分子,水的起源甚至生命起源,或许都有望从陨石中获得答案。


六、药物化学



有研究显示,自2010年起,FDA批准的新药数量出现了显著增长。我们再也无法寄希望于偶然发现某种药来满足我们对药物的需求了。药物化学的背后,其实包含了对生物与化学等诸多领域的综合理解,它不仅需要对疾病、代谢等方面有足够的认识,还要设计的化学物质有足够的了解。


近几十年来,随着计算机和基因组学的发展,合理药物设计(rational drug design)也成了一个经常被讨论的话题。简单来说,这可以理解成一种基于结构的更精准的药物设计,它从基因(组)出发,针对药物作用的精确位置来寻找和设计药物分子。


七、环境化学



我们对DDT被禁用的故事应该都耳熟能详。20世纪上半叶,人们发现DDT可以作为一种有效的杀虫剂快速杀害害虫,它因此被作为一种农药广泛使用。但后来人们发现,这种物质在自然界分成难以分解,会在动物体内累积,对生态造成非常不利的影响。因此从20世纪70年代起,许多地区开始逐渐禁止这种物质的使用。


这是环境化学中典型的案例之一。环境化学通常研究的是化学物质在环境中迁移、转化和降解的规律,它时常与“污染”一词联系在一起。随着社会和科技的发展,环境问题日益成为关注的焦点。环境化学也成了理解环境问题以及环境保护的重要基础。


八、材料化学



科技越来越尖端,我们对材料的需求越来越高。我们希望材料在更轻薄的同时变得更坚韧,甚至还带有诸多独特的性能。我们最终有可能制造出高温的超导体吗?那么透明的液态铁磁体,或者一种真正具有生物相容性的神经假体是否有可能呢?如果有一种比金刚石更好的热导体材料,同时价格又便宜,还具有氧化稳定,那就再好不过了。人们正在朝着许多过去认为“不可能”的材料迈进,化学在这个过程中自然功不可没。


在Reinventing Chemistry这篇文章中,怀特塞兹教授提及的问题远不止这些。他甚至提到了全球人口、国际冲突等许多看似更“不相关”的问题背后的“化学”。


他相信,化学正在经历一场重要的变革,尽管化学中那个知识层面和商业层面飞速发展的时代已经过去,但未来化学所面临的挑战,会将化学带到一个新的舞台。


参考来源:

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


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko                

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