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上一篇文章回顧：第8章 化學(xué)是美好生活的創(chuàng)建者（2）

第9章化學(xué)是自然科學(xué)的探索者

9.1　開拓新創(chuàng)意和新思想

在創(chuàng)建未來美好的社會(huì)時(shí)，要著眼于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，要開展高新技術(shù)的研究，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，提高社會(huì)生產(chǎn)力，不斷地改善人民大眾的生活質(zhì)量。當(dāng)今前沿科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)和未來發(fā)展的方向，對(duì)能源、信息技術(shù)、生物技術(shù)、先進(jìn)材料、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、資源利用以及人民大眾的健康等各個(gè)領(lǐng)域，都存在許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇，待有重大的發(fā)明創(chuàng)新，都可建立起新興產(chǎn)業(yè)。由于化學(xué)是深入到原子和分子水平，研究各類物質(zhì)組成、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和相互作用的科學(xué)，在開展創(chuàng)新研究和建立新產(chǎn)業(yè)過程中，處處都離不開化學(xué)的支撐，即需要化學(xué)的基礎(chǔ)理論和規(guī)律作指導(dǎo)，以各種化學(xué)分析方法所得結(jié)果為依據(jù)，利用化學(xué)合成的各種化合物和材料作為物質(zhì)基礎(chǔ)，突破難關(guān)，取得實(shí)效，開拓出具有新創(chuàng)意和新思想的新學(xué)科。

發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)反應(yīng)、新的化學(xué)試劑、新的化學(xué)方法和新的化學(xué)理論去合成新的化合物和新的材料，以求滿足人們的新需求，始終是未來化學(xué)的基本內(nèi)容。

在五彩繽紛的世界中，各種動(dòng)植物都有其生長(zhǎng)規(guī)律和外貌特征。對(duì)它們的研究會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)新的天然產(chǎn)物及其特殊功能。在8.2節(jié)中所述的維生素類化合物的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和合成以提供給人類生活需求的過程就是生動(dòng)的實(shí)例。未來的化學(xué)對(duì)研究一類化合物的功能、結(jié)構(gòu)、合成生產(chǎn)和應(yīng)用測(cè)試將會(huì)層出不窮。在了解某一種化合物的功能和結(jié)構(gòu)以后，不論多么復(fù)雜的化合物都可以分解為若干基本反應(yīng)，如加成反應(yīng)、重排反應(yīng)等，每個(gè)基本反應(yīng)均有其特殊的反應(yīng)功能。合成時(shí)可以設(shè)計(jì)和選擇不同的起始原料，用不同的基本合成反應(yīng)獲得同一種化合物。通過起始原料是否易得，合成的反應(yīng)步驟是否簡(jiǎn)單易行，產(chǎn)率是否較高，產(chǎn)品中存在不同的異構(gòu)體時(shí)，所需要的異構(gòu)體是否易得，不需要的有害異構(gòu)體是否容易清除等問題進(jìn)行對(duì)比，選擇最合理、最經(jīng)濟(jì)的合成路線進(jìn)行生產(chǎn)。

化學(xué)的創(chuàng)造性不僅能從自然界存在的化合物中得到啟示、進(jìn)行研究和人工合成出天然已產(chǎn)生的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人們的需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界原本不存在的物質(zhì)。有些人工合成的化合物可以更深入地研究它的性能，并置換分子中的某些基團(tuán)，獲得成千上萬(wàn)種衍生物，從中選出最能滿足人們需要的化合物。下面以增雨劑和消雷劑為例，闡明化學(xué)和氣象學(xué)、物理學(xué)等一起，共同解決實(shí)際問題。

2008年8月8日晚，奧運(yùn)會(huì)在北京開幕，估計(jì)全世界有十多億人觀看開幕盛典。根據(jù)天氣預(yù)測(cè)，當(dāng)晚奧運(yùn)會(huì)開幕式所在的場(chǎng)館及放焰火的區(qū)域下雨的可能性很大。下雨將嚴(yán)重影響開幕盛典的表演和觀賞效果。怎樣調(diào)整下雨地點(diǎn)，使它不落在北京市區(qū)？氣象臺(tái)根據(jù)雨云是從西方飄移向市區(qū)的情況，在北京市西邊布置了高射炮陣地，于當(dāng)晚向天空云層發(fā)射增雨炮彈，使雨水落在西邊地區(qū)，北京市區(qū)沒有下雨。開幕式的焰火及鳥巢中的慶典儀式?jīng)]有受到影響，氣象工作人員作出了重大貢獻(xiàn)。其實(shí)，調(diào)整下雨地點(diǎn)的尚方寶劍——增雨炮彈的增雨劑是化學(xué)家配制的，功勞也有化學(xué)家一份。

增雨劑是由碘化銀和尿素等類吸水性很強(qiáng)的化合物微粒組成，當(dāng)炸彈在云層內(nèi)炸開，微粒撒向云層，將云層中的小水滴和水分子吸在一起，聚集長(zhǎng)大，成為雨滴降落大地。

利用增雨劑調(diào)整下雨地點(diǎn)既可防雨也可抗旱，減輕自然災(zāi)害。為此氣象學(xué)家要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣情況，選擇散布增雨劑的地點(diǎn)，另外增雨劑的散布方式最好采用小型無人駕駛飛行器，飛入云層直接噴撒，這就要求化學(xué)家配制出吸水性強(qiáng)、安全無害、資源豐富、成本低廉、顆粒細(xì)小均勻的增雨劑。

同樣，消除雷電是擺在物理學(xué)家和化學(xué)家面前的具有重大理論意義和現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。探究大氣中相距不遠(yuǎn)的云團(tuán)為什么會(huì)帶有數(shù)量巨大、性質(zhì)不同的電荷，了解云團(tuán)中水滴在飄移過程中所發(fā)生的變化和性能，配制高效的消雷劑等都是化學(xué)要研究的內(nèi)容。

9.2　揭開生命的奧秘

間的距離為224 pm，2個(gè)的鍵長(zhǎng)為115pm，按照N原子為三價(jià)，O原子為二價(jià)，（NO）2分子中的之間應(yīng)當(dāng)是共價(jià)單鍵，可是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的距離224 pm比N—N共價(jià)單鍵值150 pm大得多。為什么這么簡(jiǎn)單的一個(gè)（NO）2二聚分子中兩個(gè)N原子不進(jìn)一步接近一點(diǎn)，形成較強(qiáng)的N—N共價(jià)單鍵，而是保持這么大的距離，只能形成次級(jí)鍵呢？迄今化學(xué)家對(duì)此還沒有給出一個(gè)公認(rèn)合理的答案。

1943年，薛定諤的著作《生命是什么——活細(xì)胞的物理學(xué)觀》出版，他對(duì)生命本質(zhì)問題作了深入思考，提出生命細(xì)胞最基本的成分——染色體結(jié)構(gòu)是非周期性有序物質(zhì)。在薛定諤的啟發(fā)下，1953年J．沃森和F．克里克發(fā)表了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，如本書3.4.5節(jié)所述。DNA螺旋軸上的堿基排列遵循堿基間生成氫鍵互補(bǔ)配對(duì)，相互連接。即腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）四種堿基分別在DNA長(zhǎng)鏈中按照的氫鍵結(jié)合形式配對(duì)，這使雙螺旋鏈中一條鏈上的順序決定另一條鏈上的順序，形成互補(bǔ)的對(duì)稱性。這種雙鏈內(nèi)部?jī)蓷l鏈之間的氫鍵結(jié)合決定了生物體遺傳信息的傳遞。

氫鍵比共價(jià)鍵弱，當(dāng)螺旋雙鏈?zhǔn)苤車h(huán)境影響分裂成兩條獨(dú)立的單鏈，分離的兩條單鏈上的堿基會(huì)分別在周圍環(huán)境中尋找能配對(duì)的堿基，仍按的結(jié)合形式互補(bǔ)配對(duì)，分別形成兩條DNA雙鏈，它們的排列次序和原來的雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)相同。這種雙鏈分離后，兩條單鏈重新尋找相應(yīng)的堿基結(jié)合成兩條相同雙鏈的化學(xué)反應(yīng)，在生物體內(nèi)延續(xù)進(jìn)行，成為生物體中上一代的結(jié)構(gòu)和性能傳遞給下一代的遺傳作用的基礎(chǔ)。正如我國(guó)民間的順口溜中所說：“龍生龍，鳳生鳳，老鼠生來會(huì)打洞?！?/span>

6×10-12 g/（60×1000 g）＝10-16

DNA的含量如此之少，在生命過程中由它引起的能量變化微乎其微，但它卻包含著生命的發(fā)育和成長(zhǎng)的全部信息，成為生物體出現(xiàn)各種活動(dòng)和演變的源頭。遺傳是生物體的一種最重要的本質(zhì)特性，沒有遺傳就沒有生命，遺傳的實(shí)質(zhì)就是信息的傳遞作用。

可以預(yù)見，由分子生物學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)和化學(xué)等學(xué)科共同推進(jìn)并建立起生命物質(zhì)的信息科學(xué)，在未來的生命科學(xué)和化學(xué)的發(fā)展中，將會(huì)起著關(guān)鍵的作用，成為主流的研究方向之一。

2015年底，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦的點(diǎn)贊2015中國(guó)科學(xué)傳播大會(huì)上，筆者被邀請(qǐng)發(fā)言。在這次發(fā)言的內(nèi)容中，有一段筆者以自己身體為例，將化學(xué)和生物學(xué)聯(lián)系起來：

我常把自己的身體看作一個(gè)非常復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)器：65千克的體重，若近似地按其中包含的主要元素氫、氧、碳、氮等原子，估算它的加權(quán)平均原子量為6.5，我的身體中原子數(shù)目為1萬(wàn)摩［爾］，即是由6000億億億個(gè)原子組成的反應(yīng)器。它經(jīng)歷了85年的運(yùn)轉(zhuǎn)，至今還基本正常，兩個(gè)月前的體檢報(bào)告表明，幾十項(xiàng)的檢查結(jié)果的數(shù)據(jù)都在正常范圍，沒有出現(xiàn)一個(gè)偏高或偏低的小箭頭。分析其原因，是我得益于畢生從事化學(xué)教學(xué)和科研工作。首先，我以化學(xué)的科學(xué)原理指導(dǎo)我日常的生活，例如，我一生從小到老沒有抽過一支煙。其次，了解人的精神狀態(tài)會(huì)影響人體激素等化學(xué)物質(zhì)的分泌。我對(duì)日常生活中碰到的困難和問題，能夠以坦蕩的心態(tài)去處理，好的心態(tài)維護(hù)著健康的身體。我60歲生日時(shí)，好友們送給我一幅詩(shī)畫，詩(shī)的最后兩句是“生涯坦蕩東風(fēng)里，三千桃李一家春”，我常以此勉勵(lì)自己。第三，藥物化學(xué)的發(fā)展為我們提供保健治病的良藥，我每天吃一小片降壓藥，我的血壓就能保持在正常的狀態(tài)?；瘜W(xué)科學(xué)使我這個(gè)65千克的生物化學(xué)反應(yīng)器至今仍能不停地正常運(yùn)轉(zhuǎn)。化學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，它是和數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等一起，共同探討原子和分子領(lǐng)域的科學(xué)。

生命的基本單位是細(xì)胞，它由蛋白質(zhì)及其復(fù)合物以及水、鹽等許多生命分子組成。細(xì)胞是很復(fù)雜的單位，在實(shí)際存在的環(huán)境中，生命分子的結(jié)構(gòu)怎么樣？它是怎樣在生活過程中變化的？

X射線晶體衍射技術(shù)和核磁共振波譜（NMR）法，測(cè)定了大量蛋白質(zhì)及其復(fù)合物（包括蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物、蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合物）等生命分子的三維空間結(jié)構(gòu)。在測(cè)定結(jié)構(gòu)時(shí)，先從細(xì)胞中取出蛋白質(zhì)和核酸分子，將它們結(jié)合成復(fù)合體再測(cè)定，所得的結(jié)構(gòu)稱為離體蛋白質(zhì)和復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)它們?cè)诩?xì)胞中的功能。

冷凍電子顯微鏡技術(shù)是新發(fā)展的一種方法，將在溶液中的細(xì)胞樣品用液氮快速冷凍形成非常薄的玻璃態(tài)冰層，細(xì)胞樣品保持原來狀態(tài)。由于冷卻快速，溶液凍成無序的冰層，細(xì)胞中的生物分子處于原始的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從電鏡照片上實(shí)際看到的是一個(gè)三維物體的二維投影圖，這時(shí)通過數(shù)學(xué)方法，將多張傾角略有不同的照片結(jié)合起來，顯示出三維的生物分子面貌。由于電鏡照相速度很快，可以觀察到相隔一定時(shí)間生物分子面貌的變化。根據(jù)這些信息可以了解細(xì)胞內(nèi)部原位上蛋白質(zhì)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)及其相互作用，了解細(xì)胞內(nèi)部各個(gè)位置是什么分子，它怎樣發(fā)揮生物功能，從而在原子分辨率水平上描述細(xì)胞的生理過程，了解蛋白質(zhì)分子的功能以及發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)。

對(duì)比上述三種測(cè)定細(xì)胞中蛋白質(zhì)及其復(fù)合體結(jié)構(gòu)的方法，可見：NMR局限在分子范圍，即一個(gè)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，由于它是在溶液中測(cè)定，所得結(jié)果和細(xì)胞內(nèi)分子的狀態(tài)相近。X射線衍射法測(cè)定蛋白質(zhì)分子及其復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，能細(xì)致地了解分子的構(gòu)型、構(gòu)象及周邊的環(huán)境，但它需要獲得純凈的晶體。冷凍電子顯微技術(shù)可以觀察到從分子到細(xì)胞的較低分辨率結(jié)構(gòu)，涵蓋范圍大，可看到從反應(yīng)開始各個(gè)階段的形象，了解反應(yīng)過程，應(yīng)用范圍廣。

將上述三種方法結(jié)合在一起，可以獲得細(xì)胞中生物大分子的分布以及不同時(shí)間細(xì)胞生理狀態(tài)的變化。

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END