互动科普

化学是一门有着悠久历史的学科，一直伴随着人类的进步而发展。进入20世纪后，随着与其他自然科学之间的相互渗透日益加深，化学更是不断焕发出新的活力。相信未来，人类在化学之路上，将呈现出更多的辉煌。

整理：费里斯·贾布尔（Ferris Jabr）

插图：Bomboland工作室

翻译：王超

化学家通常都是在原子和分子层次研究物质的性质。看上去，这个范围似乎有些窄，但事实却恰恰相反。化学揭示了世界的很多方面，包括生命如何起源、人体如何运作、微小分子如何影响地球的大气层等。另外，利用化学方法，人类还制造出了许多自然界不存在的材料。

一个多世纪以来，化学科学可谓硕果累累，这从长长的诺贝尔化学奖得主名单就可以看出。今年夏天，多位诺贝尔化学奖得主和新锐科学家齐聚德国的林道小镇，讨论化学学科过去的一些突破性成就，以及它将来的远景。

为了纪念这一盛事——第63届林道诺贝尔奖得主大会（the 63rd Lindau Nobel Laureate Meeting）——本期杂志摘选了由历届诺贝尔化学奖得主撰写、曾登载于《科学美国人》的经典文章。虽然有些文章已时间久远，但其中描述的重要研究，仍能让今天的人们产生共鸣。

说起来也许令人吃惊，直到20世纪初，科学家才为关于原子和分子的抽象概念，找到坚实的实验基础。1913年，特奥多尔·（特）·斯韦德贝里〔Theodor （The） Svedberg〕在《科学美国人》上发表文章，描述了欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）使用α粒子（氦原子的原子核）进行的实验，这个实验与其他实验一起，不容置疑地证明了原子和分子的存在。100年后，原子力显微镜等技术已经可以拍摄出分子的照片，连原子和原子间的化学键都清晰可见，这些照片让质疑的声音再也没有立足之地。

再回到20世纪初。那时，X射线晶体学的发展，帮助科学家第一次获得了几种分子的原子三维排布图。1961年，约翰·C·肯德鲁（John C. Kendrew）在《科学美国人》中撰文称，探索一种氧合蛋白质——肌红蛋白（myoglobin）的3D结构的经历，堪比欧洲探险家第一次看到美洲大陆。

直到今天，许多研究人员仍然依赖X射线晶体学，探测蛋白质以及生命体中其他分子的结构。最近4年，有两年获得诺贝尔化学奖（2009年和2012年）的研究，都与X射线法有关：科学家利用这种方法，弄清楚了细胞中两种大分子聚合体的结构（核糖体和G蛋白偶联受体）后，才得出了更重要的研究成果。在核糖体的研究中，X射线晶体学不仅让科学家看到了，这个精巧复杂的分子机器如何把氨基酸串联成蛋白质，还帮助研究人员开发出了可以干扰细菌核糖体的抗生素。同样，对G蛋白偶联受体的深入理解，也可以帮助研究人员设计更先进的药物，因为市面上的药物中，有三分之一的作用目标都是细胞膜上的这类受体。2011年，科学家拍摄了活动中的G蛋白偶联受体的X射线照片，第一次将细胞信号跨膜传输的精妙过程详细地呈现了出来。

尽管科学家借助X射线晶体学和其他新工具，对发生在生命体中的生物化学过程展开了深入研究，但生命起源仍然是一个未解之谜。1952年，哈罗德·C·尤里（Harold C. Urey）和他的学生斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）开展了一项被誉为“经典”的、关于生命起源的化学实验。

他们在实验室中重建了可能代表地球早期大气的环境，证实了简单分子可以生成氨基酸——构成蛋白质和地球上所有生命的基石。此后，研究人员继续探究生命起源的奥秘。其中有一个学派认为，在我们今天熟知的生物化学体系（由DNA制造RNA，然后由RNA制造蛋白质）出现之前，还存在一个RNA世界，RNA独自完成各项功能（参见《环球科学》2007年第7期《生命的源头》）。

就在尤里开展生命起源实验的同一年，他在《科学美国人》上发表了一篇关于地球大气起源的文章。时过境迁，今天，人造的化学物质已经使地球的大气构成发生了剧烈改变。比如，氯氟烃（chlorofluorocarbon，CFC）造成了臭氧层的损害。但今天的科学家对大气层的复杂性仍旧感到惊异。

去年有一项研究发现，大气中存在一种以前从未探测到的物质，可以把二氧化硫转变为硫酸，而后者是酸雨的成分之一。这些新发现的大气化学组分，可以帮助研究人员改进大气过程的模型，预测大气未来可能发生的变化。

用化学方法生产出的人造物质，极大地改善了人们的日常生活。上个世纪，精细化工发展迅速，人们合成出了许多自然界不存在的、用途广泛的材料和药物。合成聚合物［由重复单元 （即单体） 链状连接而成的巨大分子］就是一个很好的例子。

下面这几个商标，你肯定都很熟悉：特富龙（Teflon）、聚苯乙烯泡沫塑料（Styrofoam）、凯夫拉尔纤维（Kevlar）。

1963年，居里奥·纳塔（Giulio Natta）和卡尔·W·齐格勒（Karl W. Ziegler）因为开发出可以控制单体聚合取向的催化剂，获得了诺贝尔化学奖。直到今天，工业界仍在使用齐格勒-纳塔（及其他相关）的催化剂合成塑料。

化学的研究范围非常广阔，未来在这个领域，将产生许多足以获得诺贝尔奖的重要突破。也许，科学家将构建出真正的、可以发挥生理功能的人造细胞；或者制造出一种效率比植物更高的、能从阳光中获取能量的人造树叶。无论是哪种新发明，历史证明，它们都将帮助我们更深入地了解整个世界的运行机制，创造出自然界无法赋予我们的有用物质。

——斯图尔特·坎特里尔（Stuart Cantrill）

斯图尔特·坎特里尔是《自然·化学》的总编辑