世界化學10大未解之謎 你看不懂的一些化學方程式

化學世界的10大未解之謎絕大部分最精深的科學問題,生命從何而來?距地球上第一種生物從無生命物質中誕生，至今已近40億年，但最初的生命是如何出現的，至今仍是個謎。不論是前史方面，仍是地輿方面，國際上都存在著很多未解之謎。而在化學國際里，也有一些未解之謎。下面就跟著51區小編一起來看看化學國際的10大未解之謎。

1 生命從何而來?

有研究者推斷，在第一種能夠自我複製的聚合物(類似DNA或蛋白質一類的分子，是由許多更小單位構成的長鏈)的形成過程中，泥土等礦物質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，才會產生結構複雜的化學物質。

我們現在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管裡面觸發化學反應，驗證上面提到的那些假說。科學家已經取得了一些進展，他們的研究表明，一些化學物質可以自發排列，形成更加複雜的結構——例如氨基酸，還有眾所周知的核苷酸(nucleotides，DNA的組成單元)。2009年，現供職於英國醫學研究委員會劍橋分子生物學實驗室的約翰·薩瑟蘭德(John Sutherland)所帶領的團隊已經證實，在「原始湯」中，確實可能存在自發的核苷酸合成過程。

其他一些科學家則著重研究了特定RNA類似於酶的催化特性，為「RNA世界假說」提供了一些證據。通過這些步驟，科學家也許可以弄清楚，無生命物質如何轉變成能自我複製、自我維持的系統，從而填補生命進化史上的這個缺失環節。這些發現促使化學家展開想像，去創想原始生命可能的化學構成。

2 分子如何形成?

在高中化學課本裡面，分子結構可算是最主要的內容之一。但是，這些看上去由「球」(代表原子)和「棍」(代表化學鍵)構成的模型已經有些年頭了。並不是沒有更新的模型，問題在於，科學家在更為準確的分子外觀模型方面，並未取得一致意見。

近100年後，分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對於這種模型是否研究分子的最佳工具，化學家仍然沒有達成一致。原因在於，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構。事實上，分子就是電子云中的一團原子核，並通過相反的靜電力，與另外一團原子核進行著一場永不停止的「拔河遊戲」，而且所有的組成部分都在不停地運動和重組。現有的分子模型通常試圖將這樣一種處於動態的實體變為靜態，並且明確各個組分之間的關係，這種做法會顯示出分子的一些突出性質，但同時也會將其他信息忽略掉。

現在，科學家可以根據量子第一性原理(quantum firstprinciples)，通過計算機模擬來計算分子的結構和性質——只要電子數量相對較少，就能獲得精確度很高的結果。「計算化學可以極度現實化和複雜化，」馬克斯說。因此，計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗，用來預測一個化學反應的過程。但是，一旦某個反應的模擬計算不再局限於幾十個電子，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，我們面臨的挑戰將會是能否放大模擬範圍，比如細胞中的複雜分子過程或某些複雜材料的分子結構。

3 環境如何影響人類基因?

對化學家而言，最讓人興奮、也最具挑戰性的是，基因表達的調控似乎涉及一些化學事件。這些事件發生在「中尺度」(mesoscale)水平上，主角是比原子和分子更大的分子複合體，涉及複合體之間的相互作用。染色質(chromatin)是由DNA和蛋白質組成的複合物，具有一種層級結構。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白(histones)構成的蛋白顆粒上，然後這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結構。目前我們對這種結構還知之不多(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，被定位到染色質的哪個位置，也許就決定了它能否正常表達。

染色質在形成高級結構的過程中，DNA和組蛋白還會發生化學修飾。一些小分子會結合到DNA和組蛋白上，就像標籤一樣，告訴細胞里的分子機器該對基因採取何種措施：應該阻止還是放任基因的表達。這種「標記過程」叫做「表觀遺傳」(epigenetic)現象，因為該過程不會改變基因攜帶的遺傳信息。

現在比較清楚的是，在遺傳上，除了遺傳密碼里的關鍵信息，細胞還有一套完全不同的「化學語言」——這就是表觀遺傳。英國伯明翰大學的遺傳學家布萊恩·特納(Bryan Turner)說：「人類的很多疾病都與遺傳相關，包括癌症在內，但是一種潛在的疾病最終是否發作，通常還要看環境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用。」

4 大腦如何思考並形成記憶?

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，持續不斷的化學信號形成了神經網路的各種特定狀態，從而實現了這種「印刻」。那麼，化學物質是如何創造出一段既持續又動態，還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢?

我們日常的陳述性記憶往往是通過一種叫做「長時程增強」(long-termpotentiation，縮寫為LTP)的過程來編碼的，LTP與NMDA受體有關，並伴隨著神經元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長，它與相鄰神經元的連接也逐漸增強，具體表現就是到達突觸間隙的神經脈衝所引起的電壓升高。這一過程的生物化學機制在過去數年內業已闡明。其中涉及了神經細胞內的肌動蛋白纖維的形成，肌動蛋白作為細胞的一種基礎骨架成分，是決定細胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進一步穩固，在突觸發生的改變還沒有得到鞏固之前，這些纖維會在很短的時間內再次解散。

關於記憶是如何工作的，目前還存在著大片空白，需要很多化學方面的細節來填補。比方說，如何提取以前儲存的記憶?美國哥倫比亞大學的神經科學家、諾貝爾生理學或醫學獎得主埃里克·坎德爾(Eric Kandel)表示：「這是個深奧的問題，目前的分析剛剛起步。」

5 到底存在多少種元素?

學校教室牆上貼著的元素周期表(the periodic table)一直都在不停地修訂，這是因為人類發現的元素數量在不停增長。使用粒子加速器讓原子核對撞，科學家可以製造出新的「超重元素」(superheavy elements)。相比從自然界發現的92種元素，超重元素的原子核擁有更高的質子(proton)數與中子(neutron)數。它們巨大的原子核非常不穩定——在極短的時間內(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，這些新的人工合成元素，例如釒喜(seaborgium，第106號元素)以及釒黑(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性質。通過精妙設計的實驗，科學家們抓住少量的釒喜和釒黑在衰變之前短暫存在的一瞬間，測量了它們的部分化學性質。

由於物理學家認為，只要原子核擁有「魔數」數目的質子和中子，就會特別穩定，因此他們想在元素周期表中找出一個名為「穩定島」(island of stability)的區域——在這個區域中，超重元素更穩定，壽命更長，目前的合成技術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個質子的原子核束縛。更加複雜的計算也證實了這個極限。然而，來自德國法蘭克福-歌德大學的核物理學家沃爾特·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。」但是，要想通過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 我們能用碳元素製造出電腦嗎?

如果電腦晶元能用石墨烯(graphene，一種單層網狀碳單質材料，參見《環球科學》2008年第5期《延續摩爾定律的新材料》一文)來製造，那麼，未來的電腦將比現在的硅晶元電腦運行速度更快，性能更加強勁。石墨烯發現於2004年，2010年的諾貝爾物理學獎就頒給了石墨烯的發現者，但要將石墨烯為代表的各種碳納米材料技術推向實際應用，最終還依賴於化學家能否創造出精密度達原子級別的結構。

現在IT領域都對石墨烯抱以厚望，希望能夠將窄帶狀或網狀的石墨烯材料應用到計算機工業中，做出達到原子尺度的器件，集成到晶元中，這樣新一代計算機就能比目前基於硅技術的產品擁有更強的性能。石墨烯可以做成各種形狀，所以碳納米管時代的連接、放置問題就不復存在了。但是，德希爾繼續指出，要把石墨烯製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)都無法企及。

7 如何捕獲更多太陽能?

在地球上，幾乎所有的生命最終都由太陽的能量驅動，而能量來自光合作用(photosynthesis)。這恰恰說明了，太陽能電池並非需要極高的轉換效率，它們只須像樹葉那樣，通過廉價的方法提供充足的能量。

今年年初，美國麻省理工學院的丹尼爾·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。」

經過艱苦努力，他的研究小組已經合成出一些可用於最終分子器件的基本結構單元。但是，在他們面前還有大量的挑戰。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，植物會不斷的生產出新的蛋白質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機制。

8 製造生物燃料的最佳途徑是什麼?

生物燃料(biofuel)，例如用穀物製得的乙醇，或者由各種種子製成的生物柴油(biodiesel)，都已經在能源市場上佔得一席之地。

因而，將糧食轉變為能源，也許並不是最好的辦法。一個解決方案就是，利用其他並非那麼重要的生物質(biomass)來獲取能源。如果用美國每年產生的農業及木料類殘渣來製取生物燃料，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轉化為燃料，需要打破堅硬的植物分子，例如木質素(lignin)、纖維素(cellulose)，兩者都是植物細胞壁的主要成分。化學家已經知道如何做到這些，但現在的方法成本過高，效率低下，因而從經濟上講，還不適合通過這種方法來大量生產生物燃料。更實際地，這些生物質的轉換將越來越多地以最結實的生物質為原料，並將它們轉化為液態燃料，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場完成。

9 我們能研製出全新類型的藥物嗎?

20世紀90年代，化學家曾對「組合化學」寄予厚望：利用一些基本構建單元，隨機組裝出成千上萬的新分子，然後再篩選出需要的分子。這種方法一度被認為是藥物化學的未來，如今它的光環卻已漸漸消退。

但是，如果化學家能合成足夠多的分子類型，然後找到理想的方法，從中篩選出需要的那幾種，組合化學就有可能迎來第二春。生物技術或許能提供幫助——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。或者，科學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編碼潛在的蛋白質藥物分子，然後通過「易錯」複製，製造出成功藥物的變異體，從而在每一輪的複製和選擇中，尋找效果得到改善的藥物分子。

10 我們能實時監測自身的化學變化嗎?

隨著科學的進步，化學家們不再滿足於僅僅構建分子，他們還希望與分子進行交流：即在活細胞與傳統計算機之間搭起一座橋樑，並通過光纖來傳遞這些信息。

在生物醫藥領域，各式各樣的新型化學感測器也擁有最引人注目的潛力。例如，早在癌症病變發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物就已經進入血液循環了。如果能檢測到這些早期的化學變化，將有助於醫生及時且準確地做出診斷。快速基因組檢測技術將使得醫生可以根據每個人的自身狀況開出調理藥方(即個性化醫療)。

一些化學家預見，在未來，感測器能夠連續不斷、靜悄悄地監視著與人的健康、疾病有關的各種生物化學反應。這或許能夠為手術中的外科醫生或者輸送治療藥物的自動化系統提供實時數據和信息。這些未來的應用都依賴於化學技術的進步，而這些化學技術能夠選擇性地感知特定物質和化學信號，甚至在監測對象的濃度處於非常微小的數量級時也能辦到。

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