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