化學(xué)學(xué)科的未來(lái)

化學(xué)學(xué)科的未來(lái)

1化學(xué)的基礎(chǔ)功能和人類社會(huì)的發(fā)展世界著名學(xué)術(shù)期刊《自然》的顧問(wèn)兼編輯philipba在對(duì)許多世界著名化學(xué)專家的專題講座后，撰寫了一篇題為《化學(xué)專家知道什么》的專業(yè)書籍。設(shè)問(wèn)的中心議題是:就絕大多數(shù)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域而言,化學(xué)已經(jīng)成為具有關(guān)鍵作用的學(xué)科之一,是否意味著它僅僅是服務(wù)于一切需要借助于化學(xué)的科學(xué)技術(shù)的“工具”之一?學(xué)科本身是否還存在著某些重要問(wèn)題有待于繼續(xù)深入和突破?該文發(fā)表在2006年8月3日出版的《自然》(Nature,2006,442(7102):500～502)上。所談及的問(wèn)題和學(xué)者們的真知灼見(jiàn),對(duì)于新世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的建設(shè)、發(fā)展以及化學(xué)教育的改革都有參考價(jià)值。人們之所以關(guān)注這個(gè)問(wèn)題,起因很多,主要可以歸結(jié)為以下兩個(gè)方面,一個(gè)是有志于就讀大學(xué)化學(xué)專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生生源出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì),迫使國(guó)外多所院校的化學(xué)系改變名稱,或者縮小招生規(guī)模;另一方面,化學(xué)家在配合其他領(lǐng)域的發(fā)展方面,存在著過(guò)分關(guān)注具有強(qiáng)烈應(yīng)用背景的課題的傾向。而且在融入其他學(xué)科或相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的過(guò)程中,化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)面貌存在著模糊不清的問(wèn)題?？墒呛突瘜W(xué)同為基礎(chǔ)學(xué)科的物理學(xué)和生物學(xué),在積極參與相關(guān)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的前期研究、發(fā)明或開(kāi)發(fā)的同時(shí),對(duì)本學(xué)科中大問(wèn)題的研究熱情卻一直有增無(wú)減。例如物理學(xué)家始終熱衷于諸如宇宙起源、以及從原子到天體的整個(gè)尺度范圍內(nèi)的空間、時(shí)間和物質(zhì)是由什么來(lái)控制的等問(wèn)題的研究;又如生物學(xué)家在試圖通過(guò)DNA的解碼以及如何支配蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和相互作用來(lái)回答ErwinSchroedinger提出的“什么是生命”的問(wèn)題等。面對(duì)公眾對(duì)化學(xué)的日益漠視,甚至認(rèn)為化學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束等誤解,化學(xué)界必須正視并認(rèn)真回答以下問(wèn)題,也就是作為三大基礎(chǔ)科學(xué)之一的化學(xué),還是一門富有生命力的基礎(chǔ)學(xué)科嗎?它的大問(wèn)題又是什么呢?此外,近年來(lái)人類社會(huì)一直受到能源、資源和環(huán)境等問(wèn)題的嚴(yán)重困擾,其中,涉及人們?nèi)粘Ｉ罡鱾€(gè)方面的環(huán)境問(wèn)題,不僅關(guān)系到人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展,而且直接影響到人體的健康和壽命的長(zhǎng)短,更是日益受到社會(huì)的普遍關(guān)注。盡管環(huán)境問(wèn)題的產(chǎn)生和作為自然科學(xué)之一的化學(xué)并無(wú)直接的關(guān)系,但是由于人們?cè)谡劶拔廴締?wèn)題時(shí),多以污染物的存在和危害性為依據(jù)(例如20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的與臭氧空洞生成有關(guān)的氟里昂和近日由有毒奶粉引出的三聚氰胺事件),自然會(huì)聯(lián)想到與研究和合成物質(zhì)密切相關(guān)的化學(xué)。當(dāng)人們不能嚴(yán)格分清化學(xué)學(xué)科和包含著化學(xué)過(guò)程的物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程之間的差別時(shí),把環(huán)境污染問(wèn)題更多地歸因于化學(xué),應(yīng)當(dāng)是一種可以理解的誤解。從污染物的源頭來(lái)看,它可能是人工合成的,也可能是原來(lái)就存在于自然界的,即所謂“純天然的”。它們的發(fā)現(xiàn)、分離、分析和化學(xué)合成工作屬于經(jīng)典的化學(xué)工作?；瘜W(xué)從物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化等方面幫助人們認(rèn)識(shí)它們,學(xué)會(huì)利用現(xiàn)有的物質(zhì)作為原材料合成它們和新物質(zhì),或通過(guò)化學(xué)修飾以改善它們的性能或某些功能,以及發(fā)現(xiàn)或發(fā)明能夠?qū)鼓承┯卸净蛴泻ξ镔|(zhì)和病蟲害的藥物等,才是化學(xué)家的分內(nèi)工作。通過(guò)化學(xué)家們幾百年的孜孜以求的努力,人類社會(huì)所能應(yīng)用和享用的化學(xué)物質(zhì)日益豐富,以科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的社會(huì)生產(chǎn)力和人類的生活質(zhì)量也因此得以持續(xù)發(fā)展。但是必須明確的是:科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用、社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展所選擇的主要途徑、對(duì)社會(huì)各界需求的物質(zhì)資源和生活資源的生產(chǎn)和分配等任務(wù),并不是化學(xué)科學(xué)的基本任務(wù)。所以,依據(jù)一切(化學(xué))物質(zhì)都是化學(xué)的研究對(duì)象,因而簡(jiǎn)單地把化學(xué)物質(zhì)的存在等同于化學(xué),即由所謂“處處有化學(xué)”推衍出來(lái)的“因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)物質(zhì)世界中,化學(xué)不可須臾別離,所以化學(xué)是最重要的基礎(chǔ)學(xué)科”和“因?yàn)樗械奈廴疚锒际腔瘜W(xué)物質(zhì),所以化學(xué)是環(huán)境污染的罪魁禍?zhǔn)住眱煞N極端而片面的看法的同時(shí)存在,就不足為奇了。由于對(duì)化學(xué)的誤解一直沒(méi)有得到徹底地澄清,而且以上兩種相互對(duì)立的極端觀點(diǎn)依然在通過(guò)教學(xué)、科普活動(dòng)及大眾媒體廣為散布,不僅導(dǎo)致所謂厭化學(xué)癥(chemophobia)的形成,并致使國(guó)內(nèi)外不少高?；瘜W(xué)系的招生質(zhì)量逐年下降(盡管就業(yè)比率仍然保持中等水平)和紛紛改變系名(就連美國(guó)化學(xué)會(huì)在2004年都曾經(jīng)有過(guò)改名為分子科學(xué)與工程學(xué)會(huì)的建議)等現(xiàn)象的存在,應(yīng)當(dāng)認(rèn)為都是事出有因的了。因此,化學(xué)是否仍然是一門基礎(chǔ)的自然科學(xué),是否絕大部分的重要化學(xué)問(wèn)題通過(guò)融入其他學(xué)科領(lǐng)域后,僅僅保留為一種“化學(xué)”視角?已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要面對(duì)并回答的問(wèn)題,而且必須以化學(xué)是否仍然有著亟待解決的、富有挑戰(zhàn)性的大問(wèn)題來(lái)回答。Ball所寫專論的重要性也在于此。2化學(xué)教育和人才培養(yǎng)的中心科學(xué)作用的未來(lái)走向文中簡(jiǎn)要介紹的大問(wèn)題,非常具有啟發(fā)性和前瞻性,通過(guò)它們可以預(yù)見(jiàn)到化學(xué)在今后20年或更長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)期將呈現(xiàn)于世人之前的新面貌,同時(shí)它作為中心科學(xué)的作用將得到進(jìn)一步的發(fā)展和深化。如果化學(xué)界和化學(xué)教育界能夠就此形成共識(shí),必將對(duì)化學(xué)專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)起到振聾發(fā)聵的作用。不僅如此,它對(duì)于初等化學(xué)教育和教學(xué)改革也有重要的指導(dǎo)作用,因?yàn)檫@是現(xiàn)在的中小學(xué)生未來(lái)步入社會(huì)時(shí)將要面對(duì)的實(shí)際啊!Ball根據(jù)專家訪談時(shí)收集到的意見(jiàn)和看法,歸納為以下幾個(gè)方面的大問(wèn)題。茲分述如下,為了有助于讀者理解專家們的意見(jiàn)并形成自己的看法,在撰寫本文時(shí)將盡可能地引用他們的原話。2.1化學(xué)與“人類”的關(guān)系和其他“發(fā)現(xiàn)”科學(xué)如物理學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)以及地球科學(xué)相比,化學(xué)合成一直被認(rèn)為是化學(xué)的最獨(dú)特之處,而且通常是無(wú)可替代的。1890年法國(guó)化學(xué)家Marcelin就曾經(jīng)自豪地用“Chemistrycreatsitsobjects”來(lái)描述化學(xué)的這個(gè)特點(diǎn)。曾經(jīng)擔(dān)任美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)的RonBreslow(美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的有機(jī)化學(xué)教授)進(jìn)一步擴(kuò)展了Marcelin的說(shuō)法,他指出:“化學(xué)合成使得化學(xué)得以設(shè)立一個(gè)大多數(shù)其他學(xué)科無(wú)法企及的目標(biāo)。”并提出“是否可以創(chuàng)立一門合成天文學(xué)?即通過(guò)改變引力常數(shù)來(lái)影響宇宙萬(wàn)物的性質(zhì),從而使其優(yōu)化”的建議。盡管目前合成生物學(xué)也已經(jīng)成為一門獨(dú)立學(xué)科,但是在化學(xué)家看來(lái),它不過(guò)是應(yīng)用化學(xué)的另一個(gè)基于如DNA合成和蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的分支而已。加州理工學(xué)院的核酸化學(xué)家JacquelineBarton則強(qiáng)調(diào):“化學(xué)是唯一能夠制備前所未有的物質(zhì)的科學(xué)”。但是過(guò)于關(guān)注合成化學(xué)有可能使得化學(xué)家們不自覺(jué)地扮演著‘修補(bǔ)匠’的角色,為了滿足好奇心或者為了獲利做著玩轉(zhuǎn)分子世界的工作。由于工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)已成為科學(xué)創(chuàng)造的重要推動(dòng)力,因而致使工業(yè)化學(xué)和學(xué)科化學(xué)的分界線變得模糊不清。所以Barton指出:“化學(xué)是為工業(yè)添加燃料的科學(xué)事業(yè)。例如石油化工,還有制藥、生物技術(shù)以及計(jì)算機(jī)芯片”。Breslow同意化學(xué)面對(duì)的大問(wèn)題不如實(shí)際生活中提出的挑戰(zhàn)性問(wèn)題來(lái)得多的看法。例如從日光獲取能量的實(shí)用方法,制造能夠荷載大電流的室溫超導(dǎo)體;還有迫切需要學(xué)習(xí)如何在完成生產(chǎn)過(guò)程的同時(shí)不至于損害環(huán)境等問(wèn)題,都是些結(jié)合實(shí)際的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。即便化學(xué)家破解了分子設(shè)計(jì)的原理,化學(xué)家又能怎樣運(yùn)用它們呢?Barton說(shuō):“即使達(dá)到了這樣的階段,例如人們能夠在實(shí)驗(yàn)室中以100%的產(chǎn)率合成任何一種分子,不再需要研究生花上一年的時(shí)間來(lái)完成它時(shí),也不能算是真正地掌握了合成。所以涉及使原子能夠按照預(yù)先設(shè)定的方式并有效地聚集成為新分子的過(guò)程和規(guī)律是個(gè)大問(wèn)題。只有解決了這個(gè)大問(wèn)題,我們才能夠制造任何我們所想要的物質(zhì)?！蓖瑫r(shí),能源、資源以及其他生產(chǎn)成本都達(dá)到最優(yōu)化,而且對(duì)環(huán)境最友好的化工生產(chǎn)工藝和企業(yè)的誕生,將成為現(xiàn)實(shí)。這個(gè)涉及到化學(xué)合成的大問(wèn)題,不僅具有重大的學(xué)科價(jià)值,而且可以極大程度地體現(xiàn)出化學(xué)在解決人類社會(huì)發(fā)展中所能起到的無(wú)可替代的作用。根據(jù)估算,由常見(jiàn)元素組成的,和典型藥物分子大小相當(dāng)?shù)姆肿涌倲?shù),可能達(dá)到1040的量級(jí)。Breslow說(shuō):“目前,已知的化學(xué)世界,包括化學(xué)家已經(jīng)使之‘膨脹’了的自然界在內(nèi)的分子總數(shù),還不到它的1%。”這是反對(duì)試圖把化學(xué)還原為一種目標(biāo)狹窄的學(xué)科的主要原因。諾貝爾獎(jiǎng)得主,Cornell大學(xué)(Ithaca,NY)的理論化學(xué)家RoaldHoffmann則明確指出:“不能把宇宙還原為少數(shù)幾種基本粒子或者是數(shù)以百計(jì)的元素,應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展到所有可能被合成的數(shù)量無(wú)限的分子。分子可能具有的結(jié)構(gòu)和性能是難以窮盡的?！彼?查明并制備化學(xué)元素之間可能生成的所有分子和使化學(xué)合成的產(chǎn)率都能達(dá)到100%,本身就是一個(gè)大問(wèn)題。一旦實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo),不僅傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)將發(fā)生根本性的變化,目前令人困擾的環(huán)境污染問(wèn)題、資源匱乏和能源枯竭等問(wèn)題都將得到緩解。而且這是化學(xué)所特有的大問(wèn)題。沒(méi)有人會(huì)低估應(yīng)用和工業(yè)化學(xué)的重要性。但是如果化學(xué)家們對(duì)什么是我們能夠知道的問(wèn)題的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如什么是我們能夠做的問(wèn)題時(shí),亦即過(guò)分關(guān)注為特定問(wèn)題尋求特定解決方案的現(xiàn)狀,是否會(huì)影響到化學(xué)作為一門基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展前景和前進(jìn)的步伐?是一個(gè)值得認(rèn)真思考的問(wèn)題。倫敦皇家研究所的無(wú)機(jī)化學(xué)家JohnMeurigThomas認(rèn)為,化學(xué)是一門很特別的科學(xué)。例如,人們可以認(rèn)同化學(xué)鍵的一般原理,但是在特殊的分子中,卻經(jīng)常會(huì)遇到必須做出新的規(guī)定或修改原有理論的情況。他還說(shuō):“如果想找到一個(gè)能夠普遍適用于酶、材料、表面等等的催化理論是一件荒謬可笑的事情”。值得關(guān)注的是,在大部分化學(xué)家垂青于實(shí)際問(wèn)題和一些領(lǐng)域逐漸偏離化學(xué)的形勢(shì)下,化學(xué)是否還存在某些大問(wèn)題?如果是這樣,它能否和物理學(xué)及生物學(xué)的學(xué)科前沿問(wèn)題一樣具有強(qiáng)烈的激勵(lì)作用?2.2生物化學(xué)的概念對(duì)于其他領(lǐng)域中的前沿問(wèn)題,化學(xué)家確有協(xié)助解答的能力和義務(wù)。Nature所征得的比較一致的意見(jiàn)是,化學(xué)家們最關(guān)心的問(wèn)題中有很大一部分被認(rèn)為是屬于生物學(xué)的。Stanford大學(xué)的物理化學(xué)家RichardZare說(shuō):“對(duì)我來(lái)說(shuō),最大的有待回答的問(wèn)題是關(guān)于生命過(guò)程的化學(xué)”。Barton對(duì)此表示同意,他說(shuō):“要真正地了解生命過(guò)程,一定要回歸到化學(xué)”。Harvard大學(xué)的化學(xué)家,GeorgeWhitesides的看法更加明確。他說(shuō):“細(xì)胞的本質(zhì)問(wèn)題完全是一個(gè)分子層次的問(wèn)題,”而且“只靠生物學(xué)真的解決不了”。他認(rèn)為生物學(xué)中“真正需要著力的”部分,如精確定量和分子層次的探究一直受到忽視的原因在于生物學(xué)家研究的是整個(gè)器官。SalkInstituteforBiologicalStudies(SanDiego,California)的分子生物學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)得主SydneyBrenner對(duì)此持有相同的看法。對(duì)于分子生物學(xué)中基本過(guò)程的認(rèn)識(shí)至今依然存在著許多困惑,如蛋白質(zhì)折疊、生物分子功能的基因標(biāo)記、以及高度選擇性的分子識(shí)別等,基本上都屬于分子層次的問(wèn)題,即化學(xué)問(wèn)題。盡管分子生物學(xué)家可以認(rèn)為對(duì)于上述過(guò)程已經(jīng)有了較全面的了解,但是從化學(xué)來(lái)看,卻并非如此。生物醫(yī)學(xué)和藥物開(kāi)發(fā)迫切需要的、基于分子層次的、合理且有預(yù)見(jiàn)性的科學(xué)依據(jù)的不足,就是最有力的例證之一。UniversityofCalifornia(SantaBarbara)的化學(xué)工程師MatthewTirrell認(rèn)為,涉及生物分子過(guò)程化學(xué)本質(zhì)的信號(hào)傳遞是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。也就在這個(gè)意義上,化學(xué)被視為一門信息科學(xué)。1894年德國(guó)化學(xué)家EmilFischer用于解釋生物分子識(shí)別的鎖鑰概念,可以看成是法國(guó)UniversityofLouisPasteur(Strasbourg)的超分子化學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)得主Jean-MarieLehn把化學(xué)稱作信息物質(zhì)科學(xué)的緣起。自組織現(xiàn)象使得化學(xué)家產(chǎn)生了這樣的認(rèn)識(shí),即分子可以按照某種程序相互作用并以某種特定方式聚集,而人工復(fù)制的分子聚集體則隱含著化學(xué)信息具有定向傳遞和放大的可能。Lehn說(shuō):“就我而言,認(rèn)為化學(xué)對(duì)于所有的大問(wèn)題都有著最重要的貢獻(xiàn),包括研究自組織過(guò)程是如何產(chǎn)生的,以及它又如何使得宇宙成為一個(gè)能夠反映其母源物種的物質(zhì)世界等在內(nèi)?！盠ehn相信,下一步的工作將是設(shè)計(jì)分子的“學(xué)習(xí)體系”,這種體系不僅可以編程,而且可以訓(xùn)練。事實(shí)上,很多化學(xué)家所關(guān)注的另一個(gè)化學(xué)生物學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題就是記憶的化學(xué)基礎(chǔ)。Barton認(rèn)為:“當(dāng)我們一旦得到答案之后,就有可能設(shè)計(jì)新的思維和記憶方式,至少做到學(xué)會(huì)如何保存舊有的思想和記憶。”Whiteside則希望知道如何能夠運(yùn)用化學(xué)使硅電子器件和大腦灰質(zhì)結(jié)合在一起,他問(wèn)道:“怎樣才能把我的計(jì)算機(jī)裝入我的大腦?”這類問(wèn)題看起來(lái)似乎應(yīng)該屬于神經(jīng)科學(xué)家和電子工程師研究的范疇,但是神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞則屬于化學(xué)過(guò)程;這種類型的中介過(guò)程需要用化學(xué)語(yǔ)言提供指令。呈現(xiàn)在化學(xué)家們面前的這些研究方向,能否確認(rèn)為真正的化學(xué)問(wèn)題?Whiteside持完全肯定的態(tài)度,他說(shuō):“我所持的觀點(diǎn)就是,目前令人感興趣的科學(xué),就是化學(xué)”。因?yàn)榧词故悄切┟黠@和化學(xué)相去甚遠(yuǎn)的領(lǐng)域例如天文學(xué)中的關(guān)鍵問(wèn)題,就像“還有多少類似于地球的星球”或“土星的月球Titan上面有什么?”等基本上都屬于分子層面的問(wèn)題。當(dāng)談及學(xué)科交叉問(wèn)題時(shí),他認(rèn)為由于物理學(xué)和生物學(xué)在解決分子層次的機(jī)制問(wèn)題時(shí)存在著某些困難。促使化學(xué)家致力于了解(或預(yù)測(cè))分子結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系,從而成為對(duì)化學(xué)的最重要挑戰(zhàn)之一,例如構(gòu)效關(guān)系對(duì)于藥物分子設(shè)計(jì)的重要性。Barton問(wèn)道:“我們?cè)鯓幽軌驅(qū)μ囟ǖ募?xì)胞、器官或組織的分子做上特定的標(biāo)記?又怎樣能夠使得在需要分子移動(dòng)時(shí),它就會(huì)移動(dòng)?”構(gòu)效關(guān)系的深入了解,對(duì)于工業(yè)合成用催化劑的設(shè)計(jì)也很重要,目前僅對(duì)簡(jiǎn)單小分子合成用的催化劑所涉及的構(gòu)效關(guān)系了解比較充分,而且遺留的細(xì)節(jié)問(wèn)題仍然不少。2.3對(duì)“化學(xué)的基本原理”對(duì)“學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,加州理工學(xué)院的物理化學(xué)家AhmedZewail指出,分子的動(dòng)態(tài)行為和它們的分子結(jié)構(gòu)一樣,對(duì)于分子的活動(dòng)性有著重大的影響。顯然,生物分子間的相互作用并不像鎖鑰匹配關(guān)系(亦即只要在結(jié)合部位和底物分子間達(dá)到很好的幾何匹配,就可以有效地完成整個(gè)過(guò)程)那樣簡(jiǎn)單。例如分子和溶劑間相互作用時(shí)的動(dòng)態(tài)學(xué)就有可能起著關(guān)鍵的作用。目前,化學(xué)家對(duì)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究,是以復(fù)雜的多維勢(shì)能面(類似于崎嶇的山地)為基礎(chǔ)的。例如把蛋白質(zhì)折疊的問(wèn)題簡(jiǎn)約成為分子中肽鏈跨越勢(shì)能面時(shí)的軌跡問(wèn)題,以及它最后是如何停在和正確折疊構(gòu)象相對(duì)應(yīng)的“能谷”中的問(wèn)題等。Thomas說(shuō):“生物學(xué)對(duì)構(gòu)效關(guān)系的考慮一般是不充分的,必須了解分子在勢(shì)能面上的運(yùn)動(dòng)情況?！睋Q句話說(shuō),動(dòng)態(tài)學(xué)才是關(guān)鍵。只有化學(xué)家才知道加工原子和分子到底有多么困難,而有些分子正是很多其他學(xué)科所依存的。例如,物理學(xué)家和生物學(xué)家是不會(huì)去制造室溫超導(dǎo)體和人造微生物的。但是,如果化學(xué)被肢解并分屬于其他學(xué)科,這類能夠觸及物質(zhì)奧秘的訓(xùn)練基礎(chǔ)也就不復(fù)存在了。認(rèn)為化學(xué)的核心——推理式合成缺乏智慧的看法是錯(cuò)誤的。關(guān)于化學(xué)家除了試圖了解這個(gè)世界,還試圖了解所有可能的世界的學(xué)科特色,Breslow說(shuō)得好:“化學(xué)有其實(shí)用的方面,但是那不是基礎(chǔ)科學(xué)。當(dāng)我們確定地知道,相對(duì)于處在繼續(xù)創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的奇妙化學(xué)世界而言,自然界所能提供的分子和反應(yīng)非常有限,只相當(dāng)于一個(gè)巨大無(wú)比的水桶中的一滴微小水珠時(shí),化學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)的性質(zhì)就再也明白不過(guò)了?！备鶕?jù)訪談,Ball在文中歸納出化學(xué)應(yīng)當(dāng)面對(duì)的6個(gè)方面的大問(wèn)題,它們分別是:(1)如何設(shè)計(jì)出具有特定功能和動(dòng)態(tài)特性的分子?(2)什么是細(xì)胞的化學(xué)基礎(chǔ)?(3)怎樣制造未來(lái)在能源、空間或醫(yī)藥領(lǐng)域所需要的材料?(4)什么是思維和記憶的化學(xué)基礎(chǔ)?(5)地球上的生命起源問(wèn)題,以及在其他星球上如何才能夠出現(xiàn)生命?(6)如何才能夠查明所有元素間的可能組合?2.4化學(xué)信息論的解決了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展問(wèn)題PhilipBall在這篇專論中所提及的化學(xué)大問(wèn)題,雖然涉及化學(xué)學(xué)科的很多領(lǐng)域,但是未必已經(jīng)窮盡。參與訪談的化學(xué)家們由各自本領(lǐng)域的視角出發(fā),提出的問(wèn)題非常精辟,視角獨(dú)到,脈絡(luò)清晰,不僅有振聾發(fā)聵的作用,而且具有很好的啟示作用,卻也未必能夠完全覆蓋化學(xué)學(xué)科的所有領(lǐng)域。但是他們針對(duì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展提出的意見(jiàn)和設(shè)想,不僅能夠開(kāi)闊我們的視野,更有很好的示范和啟示作用。未盡之處,應(yīng)當(dāng)是留給我們的思考和想象空間。它將有助于人們從現(xiàn)代化學(xué)的眾多成就中,辨明學(xué)科的發(fā)展主線和前進(jìn)的軌跡。由于化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)決定于分子的組成和結(jié)構(gòu)(有時(shí)還要考慮體系所處的環(huán)境),分子的形成過(guò)程則取決于相應(yīng)組分在給定反應(yīng)體系中相互結(jié)合時(shí)的動(dòng)態(tài)歷程和作用機(jī)制。因此僅僅滿足于經(jīng)典的活化分子有效碰撞理論和依據(jù)缺乏結(jié)構(gòu)“柔性”的鎖鑰關(guān)系而做出的分子設(shè)計(jì),顯然是難以完成這個(gè)歷史任務(wù)的。Lehn近年來(lái)提出的ConstitutionalDynamicChemistry(組分動(dòng)態(tài)化學(xué))或AdaptiveChemistry(適配化學(xué))思想,以及在這個(gè)思想指導(dǎo)下完成的一系列組成和結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)合成研究,從中可以隱約地看到解決化學(xué)合成領(lǐng)域中大問(wèn)題的一線曙光。他在這個(gè)領(lǐng)域中的工作,不僅為他在20世紀(jì)80年代提出的化學(xué)信息論提供了新的實(shí)驗(yàn)證明,而且大大拓寬了關(guān)于分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的視野,恢復(fù)了分子中所有組成間的相互結(jié)合既具有必需的“穩(wěn)定性”,同時(shí)也存在成為“獨(dú)立而且自由”的新分子組分的“靈活性”的本來(lái)面目。不僅使得類似于分子重排和反應(yīng)機(jī)制可以隨溶劑及其他條件而變等過(guò)程的化學(xué)實(shí)質(zhì)便于理解,而且預(yù)示著它將可能成為普遍存在的一種化學(xué)現(xiàn)象。盡管化學(xué)學(xué)科的發(fā)展有著對(duì)大問(wèn)題關(guān)注不夠的傾向,但是在和其他學(xué)科或技術(shù)融合過(guò)程中所積累的大量研究成果,對(duì)擴(kuò)展學(xué)科視野,促進(jìn)研究手段和技術(shù)不斷發(fā)展與完善等方面所起的作用,卻是不容諱言的。例如生物體系所特有的精致而靈巧的制備與復(fù)制、信息傳輸、放大、存儲(chǔ)和反饋等功能的實(shí)現(xiàn),可視為具有特定功能的有序分子組合和對(duì)外來(lái)信號(hào)準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)的應(yīng)答。這就要求在傳統(tǒng)的物質(zhì)性質(zhì)之外,賦予化學(xué)物質(zhì)的分子(包括與分子同層次的其他物種,如離子、自由基、準(zhǔn)分子等)以信息物質(zhì)所特有的基本特性。隨著相應(yīng)的理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,用以表述有關(guān)過(guò)程的化學(xué)語(yǔ)言體系,將進(jìn)一步更新和充實(shí)。正如RoaldHoffmann所指出的那樣,“不能把宇宙還原為少數(shù)幾種基本粒子或者是數(shù)以百計(jì)的元素,應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展到所有可能被合成的數(shù)量無(wú)限的分子。分子能夠具有的結(jié)構(gòu)和性能是難以窮盡的?！毕鄬?duì)于數(shù)量級(jí)達(dá)到1014量級(jí)的化學(xué)物質(zhì)來(lái)說(shuō),經(jīng)典的化學(xué)結(jié)構(gòu)理論將無(wú)法滿足對(duì)大多數(shù)新分子的結(jié)構(gòu)的推測(cè)和合理解釋的要求,更遑論準(zhǔn)確地推測(cè)新分子的結(jié)構(gòu)和主要性能了。稀有氣體化合物家族的“繁衍”、C60發(fā)現(xiàn)時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)的難以認(rèn)定、超分子化合物中底物和受體間作用力的本質(zhì)(不僅具有方向性、飽和性,而且具有智能化的分子識(shí)別能力)等,不過(guò)是我們?cè)?0世紀(jì)化學(xué)發(fā)展過(guò)程中曾經(jīng)感受到困惑和“尷尬”的部分實(shí)例。重要的是,它反映了我們對(duì)于經(jīng)典化學(xué)結(jié)構(gòu)理論不完備性認(rèn)識(shí)的不足。雖然化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)學(xué)在上個(gè)世紀(jì)后期得到了飛速的發(fā)展,研究手段和技術(shù)的更新更是令人目不睱接。但是由于受到對(duì)過(guò)程重視程度遠(yuǎn)不及結(jié)果的思維慣性的影響,加上物質(zhì)體系的化學(xué)變化細(xì)節(jié)間存在千差萬(wàn)別的客觀現(xiàn)實(shí),以及現(xiàn)有理論手段的不夠得心應(yīng)手等因素的制約,反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科發(fā)展的瓶頸之一。這正是AhmedZewail把它列為化學(xué)大問(wèn)題之一的緣起。遺憾的是,在現(xiàn)行化學(xué)本科教育中,這個(gè)領(lǐng)域仍然是最薄弱的一環(huán),理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)配置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映出這個(gè)最富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域的實(shí)際狀況。所以JohnMeurigThomas強(qiáng)調(diào)化學(xué)是一門很特別的科學(xué),例如人們可以認(rèn)同化學(xué)鍵的一般原理,但是在特殊的分子中,卻經(jīng)常會(huì)遇到必須做出新的規(guī)定或修改原有理論的情況。同時(shí)指出:“如果想找到一個(gè)能夠普遍適用于酶、材料、表面等等的催化理論是一件荒謬可笑的事情”。現(xiàn)狀確實(shí)如此,目前對(duì)于絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)體系有關(guān)過(guò)程細(xì)節(jié)的了解,仍然處于推測(cè)多于實(shí)證的水平。飛秒化學(xué)和發(fā)光蛋白所以能夠入選近期的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),當(dāng)與此有關(guān)。如果同意把目前化學(xué)學(xué)科發(fā)展中最值得重視的問(wèn)題歸結(jié)為:對(duì)什么是我們能夠知道的問(wèn)題的關(guān)注遠(yuǎn)不及于什