欧美色盟,色婷婷AV一区二区三区之红樱桃,亚洲精品无码一区二区三区网雨,中国精品视频一区二区三区

2011年是聯(lián)合國教科文組織宣布的國際化學(xué)年。有一種流行觀點認為，人類現(xiàn)在已經(jīng)從概念上理解了化學(xué)，我們所有要做的，就是利用化學(xué)而已。其實這是不正確的。沒錯，我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降慕^大多數(shù)產(chǎn)品都可能要歸功于現(xiàn)代化學(xué)。但是，生產(chǎn)有用的化合物和化學(xué)家做的事卻千差萬別。事實上，現(xiàn)代社會的某些迫切問題——從如何讓汽車更環(huán)保，到改變活細胞的命運——從核心上講，它們都屬于化學(xué)領(lǐng)域的問題，亟待化學(xué)家們來解決。而且，化學(xué)中還有許多科學(xué)中亟待破解的最基礎(chǔ)的謎題。大家可以通過《化學(xué)世界的10大未解之謎》一文對這10個問題有所認識，而這10個問題的核心，恰恰就是化學(xué)。此外，在人類的相互交流中，化學(xué)信號也起著重要的作用。以上兩個特征將告訴我們，化學(xué)在我們的現(xiàn)代生活中到底有著多么深遠的影響。

1.生命從何而來？

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

關(guān)于這個問題，對科學(xué)家的挑戰(zhàn)不再是構(gòu)想出那些看似合理的假說，因為這樣的假說已經(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（類似DNA或蛋白質(zhì)一類的分子，是由許多更小單位構(gòu)成的長鏈）的形成過程中，泥土等礦物質(zhì)可能起到了催化劑的作用。還有人認為，正是因為深海熱泉源源不斷地提供能量，才會產(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RNA（核糖核酸）世界，這個世界出現(xiàn)在DNA和蛋白質(zhì)誕生之前。在這個世界中，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)，驗證上面提到的那些假說。科學(xué)家已經(jīng)取得了一些進展，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)供職于英國醫(yī)學(xué)研究委員會劍橋分子生物學(xué)實驗室的約翰·薩瑟蘭德（John Sutherland）所帶領(lǐng)的團隊已經(jīng)證實，在“原始湯”中，確實可能存在自發(fā)的核苷酸合成過程。

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

由于科學(xué)家對太陽系奇特而豐饒的環(huán)境有了更深的認識——火星上曾經(jīng)存在過液態(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題的一部分：在哪些環(huán)境中，生命才會出現(xiàn)？生命的化學(xué)基礎(chǔ)可以有多大的不同？過去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轉(zhuǎn)的太陽系外行星，這些光怪陸離的外星世界也讓前述問題變得更加迷人。

這些發(fā)現(xiàn)促使化學(xué)家展開想象，去創(chuàng)想原始生命可能的化學(xué)構(gòu)成。例如，美國航空航天局（NASA）一直認為，液態(tài)水是生命存在的先決條件，但現(xiàn)在科學(xué)家卻認為不一定非得這樣。液態(tài)氨、甲酰胺（formamide，一種油狀溶劑，類似液態(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，一個可以充當(dāng)模板進行自我復(fù)制，并能與“復(fù)制品”分開的分子系統(tǒng)似乎就算是生命。

美國應(yīng)用分子進化基金會的化學(xué)家史蒂文·班納（Steven Benner）說，當(dāng)我們的研究只局限于地球生命時，“我們沒法說清楚，它們之間的那些相似性（比如都會使用DNA和蛋白質(zhì)）到底代表了它們來自同一祖先，還是說生命都需要是這樣”。不過，如果我們堅持認為，我們看到的才是真實的，“那我們的研究就太沒意思了”。

2.分子如何形成？

20世紀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，美國著名化學(xué)家鮑林（Linus Pauling）又提出了雜化軌道理論，認為當(dāng)不同原子的電子軌道在空間上重合時，就會形成化學(xué)鍵。而羅伯特·馬利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里?！ず榈拢‵riedrich 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包括多個原子的“分子軌道”的結(jié)果。那時的理論化學(xué)看起來就像物理學(xué)的一個分支。

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

而對于每天的工作就是破壞和構(gòu)建化學(xué)鍵的化學(xué)家來說，量子理論又無法為化學(xué)鍵提供一個符合他們直覺的獨特定義?，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化學(xué)鍵結(jié)合在一起的原子。在德國波鴻－魯爾大學(xué)的量子化學(xué)家多米尼克·馬克斯（Dominik Marx）看來，這些描述都有一個共同的毛病，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），通過計算機模擬來計算分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)——只要電子數(shù)量相對較少，就能獲得精確度很高的結(jié)果。“計算化學(xué)可以極度現(xiàn)實化和復(fù)雜化，”馬克斯說。因此，計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗，用來預(yù)測一個化學(xué)反應(yīng)的過程。但是，一旦某個反應(yīng)的模擬計算不再局限于幾十個電子，計算量就將變得巨大無比，即使最先進的計算機恐怕也無法勝任。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)將會是能否放大模擬范圍，比如細胞中的復(fù)雜分子過程或某些復(fù)雜材料的分子結(jié)構(gòu)。

3.環(huán)境如何影響人類基因？

以前的生物學(xué)觀點認為，你體內(nèi)的基因決定了你是誰。現(xiàn)在，另一個事實已經(jīng)清晰地擺在我們面前：在“你是誰”這個問題上，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)問題一樣，這個問題的核心依舊是化學(xué)問題。

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

但是，上述化學(xué)修飾是可逆的，而且會受到人體環(huán)境的影響，這是克隆和干細胞研究領(lǐng)域的一項顛覆性發(fā)現(xiàn)。在干細胞的分化期，細胞不能永久地關(guān)閉某一基因，而只能是將它們需要的基因維持在一種“準備”狀態(tài)。也就是說，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)它們遇到周圍環(huán)境中特定化學(xué)物質(zhì)時，這種潛力就可以激活。

對化學(xué)家而言，最讓人興奮、也最具挑戰(zhàn)性的是，基因表達的調(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，具有一種層級結(jié)構(gòu)。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白（histones）構(gòu)成的蛋白顆粒上，然后這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結(jié)構(gòu)。目前我們對這種結(jié)構(gòu)還知之不多（請參見對頁插圖）。細胞活動極好地控制了這種組裝過程——一個基因以何種方式，被定位到染色質(zhì)的哪個位置，也許就決定了它能否正常表達。

至于成熟細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胞那樣，在再生醫(yī)學(xué)中，誘導(dǎo)性干細胞的使用都是一個非常重要的問題），這在很大程度上取決于在表觀遺傳標記的重置上，科學(xué)家能走多遠。

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，細胞還有一套完全不同的“化學(xué)語言”——這就是表觀遺傳。英國伯明翰大學(xué)的遺傳學(xué)家布萊恩·特納（Bryan Turner）說：“人類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)境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用?！?/span>

4.大腦如何思考，并形成記憶？

大腦就像是一臺化學(xué)計算機。神經(jīng)元之間相互作用所構(gòu)成的“環(huán)路”是通過分子介導(dǎo)的。具體來說，就是神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）在突觸（synapse）間的傳遞，突觸指的就是兩個神經(jīng)細胞相連接的地方。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)記憶的運作。對記憶而言，抽象的原理與概念——比如一串電話號碼，或者是一段情感體驗——都會“印刻”在大腦里，持續(xù)不斷的化學(xué)信號形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種特定狀態(tài)，從而實現(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)過程，改變了突觸神經(jīng)遞質(zhì)分子的數(shù)量，從而觸發(fā)對習(xí)慣性反射的學(xué)習(xí)。但是，即便是這么簡單的學(xué)習(xí)，也有短期和長期之分。與此同時，一種復(fù)雜的“陳述性記憶”（declarative memory，即對人、地點等內(nèi)容的記憶）擁有另外一種工作機制，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，好幾種不同類型的陳述性記憶都會受到影響。

無論是上述簡單的還是復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程，長時記憶一旦形成，特定基因就會開始表達，合成特定蛋白，極力維持長時記憶。關(guān)于這個機制，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)與一類叫做prion的分子有關(guān)。

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)方面的細節(jié)來填補。比方說，如何提取以前儲存的記憶？美國哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主埃里克·坎德爾（Eric Kandel）表示：“這是個深奧的問題，目前的分析剛剛起步?！?/span>

回答記憶領(lǐng)域的化學(xué)問題為記憶增強藥提供了既迷人又充滿爭議的前景。目前已知的一些可以增強記憶的物質(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）的說法，由于長時程學(xué)習(xí)和記憶有一連串復(fù)雜的步驟，也就意味著為這類記憶增強藥的產(chǎn)生提供了很多潛在的靶點。

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，這是因為人類發(fā)現(xiàn)的元素數(shù)量在不停增長。使用粒子加速器讓原子核對撞，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——在極短的時間內(nèi)（通常只有幾千分之一秒到幾分之一秒），它們就會衰變（這種衰變具有放射性）。但是，在它們存在的時間內(nèi)，這些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106號元素）以及钅黑（hassium，第108號元素），和其他元素一樣，都具有能夠被準確定義的化學(xué)性質(zhì)。通過精妙設(shè)計的實驗，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，測量了它們的部分化學(xué)性質(zhì)。

由于物理學(xué)家認為，只要原子核擁有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子，就會特別穩(wěn)定，因此他們想在元素周期表中找出一個名為“穩(wěn)定島”（island of stability）的區(qū)域——在這個區(qū)域中，超重元素更穩(wěn)定，壽命更長，目前的合成技術(shù)還無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)相對論的一項簡單計算告訴我們，電子無法被擁有超過137個質(zhì)子的原子核束縛。更加復(fù)雜的計算也證實了這個極限。然而，來自德國法蘭克福-歌德大學(xué)的核物理學(xué)家沃爾特·格雷納（Walter Greiner）卻堅持認為：“元素周期表絕對不會在第137號元素前止步不前；事實上，它永無止境?！钡牵胪ㄟ^實驗來驗證格雷納的斷言，從目前的研究水平來看，這還是一個很遙遠的目標。

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《環(huán)球科學(xué)》2008年第5期《延續(xù)摩爾定律的新材料》一文）來制造，那么，未來的電腦將比現(xiàn)在的硅芯片電腦運行速度更快，性能更加強勁。石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，2010年的諾貝爾物理學(xué)獎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，最終還依賴于化學(xué)家能否創(chuàng)造出精密度達原子級別的結(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端。6年之后，碳納米管（carbon nanotube）開始了它的首演，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。這種中空的材料異常堅韌，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，研究者目前還無法解決如何將碳納米管和復(fù)雜的電子芯片連接起來的問題。時間再近一些，石墨登上了舞臺中央，因為科學(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，也就是我們所說的石墨烯，它可以用來制備超微小、廉價且堅固穩(wěn)定的電子芯片?，F(xiàn)在IT領(lǐng)域都對石墨烯抱以厚望，希望能夠?qū)⒄瓗罨蚓W(wǎng)狀的石墨烯材料應(yīng)用到計算機工業(yè)中，做出達到原子尺度的器件，集成到芯片中，這樣新一代計算機就能比目前基于硅技術(shù)的產(chǎn)品擁有更強的性能（請參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第2期《未來20年的芯片》一文）。

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

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，達到單個原子尺度，目前的工藝（例如刻蝕技術(shù)）都無法企及，因此，他也聽到一些言論，說石墨烯技術(shù)目前被炒得過熱，而真正的技術(shù)還差之甚遠。通過有機化學(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部分）連接起來——或許是一個關(guān)鍵步驟，以此可以達到上述工程學(xué)精度，最終開啟未來通向石墨烯電子學(xué)的大門。

7.如何捕獲更多太陽能？

每當(dāng)太陽從東方升起，似乎都在提醒人類，對于太陽這個巨大無比的清潔能源來源，我們目前開發(fā)利用得實在太少太少。經(jīng)濟問題是最大的障礙：用來獲取太陽能的傳統(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的能量驅(qū)動，而能量來自光合作用（photosynthesis）。這恰恰說明了，太陽能電池并非需要極高的轉(zhuǎn)換效率，它們只須像樹葉那樣，通過廉價的方法提供充足的能量。

美國亞利桑那州立大學(xué)的德文斯·加斯特（Devens Gust）說：“太陽能研究的一個最值得期待的方向就是，通過陽光來制造燃料?！崩锰柲軄碇圃烊剂系淖詈唵畏椒ň褪欠纸馑?，產(chǎn)生氫氣和氧氣。美國加州理工學(xué)院的內(nèi)森·劉易斯（Nathan S. Lewis）和同事發(fā)明的一種人造樹葉（參見對頁框圖）就能實現(xiàn)上述想法，他們的工具是硅納米線陣列（參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第11期《人造樹葉：陽光變?nèi)剂稀芬晃模?/span>

今年年初，美國麻省理工學(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足一個發(fā)展中國家家庭一天的用量。諾切拉說：“我們的目標是讓每個家庭都擁有自己的電站?！?/span>

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

“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個錳（manganese）原子和一個鈣（calcium）原子，”加斯特補充說道。

加斯特和同事已經(jīng)開始著手通過分子器件來實現(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)。有機分子，例如自然界用到的那些，很快就會分解或破壞。然而，植物會不斷的生產(chǎn)出新的蛋白質(zhì)來替代那些被破壞的，但至少目前，人造樹葉還無法完全模擬一個活細胞進行光合作用的方式及其中的化學(xué)機制。

8.制造生物燃料的最佳途徑是什么？

除了通過直接采集太陽光的方法來制造燃料，我們還有別的途徑利用太陽能嗎？先讓植物把太陽能儲存起來，然后我們再將植物變?yōu)槿剂?，這個主意怎么樣？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)展中國家，由于出口生物燃料比出售糧食給本國居民更加賺錢，這有可能加劇糧食危機?，F(xiàn)實也讓人氣餒：要想通過生物燃料來滿足現(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?，也許并不是最好的辦法。一個解決方案就是，利用其他并非那么重要的生物質(zhì)（biomass）來獲取能源。如果用美國每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)及木料類殘渣來制取生物燃料，足夠滿足一個第三世界國家在交通方面對汽油和柴油的需求。

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

打破木質(zhì)素需要面對的調(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源。

更實際地，這些生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換將越來越多地以最結(jié)實的生物質(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管道運輸。而液化過程將在作物收割的現(xiàn)場完成。

催化轉(zhuǎn)化需要原材料極度純凈，這是橫亙在化學(xué)家面前的一大難題。他們在進行經(jīng)典的化學(xué)合成的時候，很少用到像木材這類非常“骯臟”的材料。“科學(xué)界還沒有就所有這些方法的使用達成一致，”哈特維格說。但有一點可以確定，現(xiàn)在有非常多依賴于化學(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?！?/span>

9.我們能研制出全新類型的藥物嗎？

化學(xué)的核心就是實用與創(chuàng)新：制造出各種分子，這樣我們就能夠開發(fā)出新材料來構(gòu)建萬事萬物，或者研制出新型抗生素，戰(zhàn)勝不斷出現(xiàn)、不斷變強的耐藥菌。

20世紀90年代，化學(xué)家曾對“組合化學(xué)”寄予厚望：利用一些基本構(gòu)建單元，隨機組裝出成千上萬的新分子，然后再篩選出需要的分子。這種方法一度被認為是藥物化學(xué)的未來，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，這樣既能識別有用的分子，又能把它們從大量分子中提取出來?；蛘?，科學(xué)家還可以按照達爾文進化論的思想，在實驗室中逐步改造候選分子庫。他們就可以用DNA編碼潛在的蛋白質(zhì)藥物分子，然后通過“易錯”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，按指定方式來連接分子片段。以蛋白質(zhì)為例，它具有嚴格的氨基酸序列，因為這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)家也許可以通過編程的方式，讓化學(xué)分子自組裝。這種方法的優(yōu)點在于它是“綠色”的，因為它減少了我們不需要的副產(chǎn)物，相關(guān)的能量和材料浪費也更少。

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。他們在分子模塊上連接短鏈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運動的分子，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)——類似于細胞中蛋白質(zhì)的合成過程。戴維·劉的新方法為新藥開發(fā)提供了一條捷徑?！霸S多生物學(xué)家都相信，在未來的醫(yī)療領(lǐng)域，大分子（macromolecule）即使不能占據(jù)主導(dǎo)地位，它也將扮演越來越重要的角色，”戴維·劉說。

10.我們能實時監(jiān)測自身的化學(xué)變化嗎？

隨著科學(xué)的進步，化學(xué)家們不再滿足于僅僅構(gòu)建分子，他們還希望與分子進行交流：即在活細胞與傳統(tǒng)計算機之間搭起一座橋梁，并通過光纖來傳遞這些信息。

從一定程度上說，這并非什么全新的概念：早在上世紀60年代，研究者就開始使用生物傳感器（化學(xué)反應(yīng)會在傳感器中進行）來監(jiān)測人體血液中的葡萄糖濃度。可以用到化學(xué)傳感器的場合可謂多之又多——例如，檢測食物和水中含量非常低的有害物質(zhì)，或者監(jiān)測空氣污染物，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，一些癌細胞基因的產(chǎn)物就已經(jīng)進入血液循環(huán)了。如果能檢測到這些早期的化學(xué)變化，將有助于醫(yī)生及時且準確地做出診斷?？焖倩蚪M檢測技術(shù)將使得醫(yī)生可以根據(jù)每個人的自身狀況開出調(diào)理藥方（即個性化醫(yī)療），如此一來就可以降低濫用藥物帶來的副作用，并讓如今使用受限的一些藥物派上大用場（這些藥物因會對少數(shù)人帶來危害而被禁用或限制使用）。

一些化學(xué)家預(yù)見，在未來，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)。這或許能夠為手術(shù)中的外科醫(yī)生或者輸送治療藥物的自動化系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)和信息。這些未來的應(yīng)用都依賴于化學(xué)技術(shù)的進步，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，甚至在監(jiān)測對象的濃度處于非常微小的數(shù)量級時也能辦到。

（來源：2015年01月27日 微信公眾號 化學(xué)加）