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化学家(Chemists)的迷惘何在

时间:2020-06-19  作者:


化学是所有科学学门的关键成分,但这是否意味着它只是一把好用的工具,或是还有一些主要的化学问题需要破解?一些化学家提出了他们认为的化学大哉问。

物理学家一点也不会迴避探讨推动他们研究领域的那些大哉问,像是「宇宙怎幺开始的」,或是「从原子到宇宙,主宰时空与物质行为的是什幺」。生物学家也是一样,乐于指向薛丁格 (Erwin Schrödinger) 的着名问题「什幺是生命」,尝试以揭露 DNA ,绘出蛋白质结构与互动情形,来予以解答。

但是在课程表上的第三个基础科学又是如何呢?若是透过大众媒体对化学不怎幺关注的报导来进行判断,会认为这个学门风光不再,主要谜团均已得解,也就不足为奇了。化学还有什幺真正的未解之谜吗?

化学家(Chemists)的迷惘何在

化学家的迷惘何在

确认这些前沿问题似乎格外紧急,因为各大学的化学系面临着不确定的未来。诺贝尔化学奖得主克洛托 (Harry Kroto) 落脚多年的英国索塞克斯大学化学系,最近才遭遇关门大吉的威胁;它到目前为止拒绝以「化学生物学」之名被併入生命科学系,但其他几所英国大学的化学系可就没这幺好运了(详见《知识通讯评论》第三十六期〈英国关闭化学系的风潮〉)。类似的情况也发生在美国,由美国化学学会 (ACS) 出版的《化学与工程新闻》 (Chemical and Engineering News) 一篇2004年的社论,提议将该组织改名为「分子科学与工程学会」。

随着各化学系纷纷关门歇业,学生数量日渐减少,今日的化学家还能确定他们的学门会继续被视为核心科学吗?有些化学家抱怨说,许多最重要的化学问题被归类为另一个学门的「化学层面」问题,而不认为它是化学本身的中心议题。化学事实上是否需要这些问题,来维持它的一致性及其定位?

许多化学家认为化学这门学科有其独到之处。化学强烈的合成特质,使它与像是物理学、生物学、天文学与地球科学这些「发现科学」区分开来。就像法国化学家伯塞洛特 (Mercelin Berthelot) 在1860年所写下的名句:化学创造其对象。美国纽约哥伦比亚大学有机化学家,也是美国化学学会前任主席的布瑞斯洛 (Ron Breslow) 说,因为这份独特的创造性,化学能够设定其他科学无法企及达成的目标。这幺说吧,有没有「合成天文学」这种东西?你能够把重力常数改一改,看看它对宇宙特性有何影响,然后着手改善它吗?

化学家(Chemists)的迷惘何在

化学的「合成性」使它有别于其他发现性的科学,长于创造其研究标的

化学家可被比喻为「执着的修补匠」,老是在分子世界里东敲西补的,有时是为了好玩,有时则是为了利益。这使得「产业化学」与「学术化学」的分野特别难辨,因为实用上的重要挑战会提供学术创新的强烈动机。美国帕沙第纳市加州理工学院的核酸化学家芭顿 (Jacqueline Barton) 表示,化学是给产业添加燃料的科学企业;布瑞斯洛也同意说,化学面临的大问题并没有实用挑战来得多,像是「设计出一个可得到所需太阳能的实用方法」、「创造出一个可承载大量电流的室温超导体」、「学着怎幺以不伤害环境的方式进行生产」。

明确特定

没人会否认应用化学与产业化学的重要性,但如果化学的问题主要不是在我们能「知道」什幺,而在我们能「做」什幺,这个为特定问题找寻特定答案的事实,难道不会把化学变成某种工程学吗?英国伦敦皇家协会无机化学家汤玛斯 (John Meurig Thomas) 认为,化学的本质就是探究特定事项的科学,找寻适用所有酵素、物质、表面的通论会很荒诞。有这幺多化学家乐于专注在特定目标上,又有这幺多其他的学门啃食化学领域的边缘,这个科目的学术核心还留存有任何宏大的问题吗?就算有好了,能跟物理学或生物学的那些相提并论吗?

化学家确实手握许多有助于解答其他学门前沿问题的工具与概念,而化学家之间最清楚的共识,就是许多化学最紧急的问题与生物有关。史丹佛大学物理化学家萨尔 (Richard Zare) 表示对他而言,悬而未决的化学大问题都与生物演进有关;芭顿也同意这样的观点,表示对生物演进的真正了解总是落到了解化学。哈佛大学化学家怀塞德 (George Whitesides) 说得更前卫一点,表示细胞的本质完全就是个分子问题,跟生物学实在没啥关係。不过生物学家可能会对这些强烈的声明表示异议,毕竟如果你能说细胞跟生物学无关,你也可以说所有的化学不过就是量子力学而已。

生命本质

分子生物学基础过程,其科学了解中的许多罅漏,诸如蛋白质折叠、生物分子功能基因编码、高选择性分子辨识等等,基本上都是化学问题。虽然分子生物学家假设对这些事情都有大致上的理解,然而从化学的角度来看,问题愈是深入就愈扑朔迷离。

化学家(Chemists)的迷惘何在

小至生物学的细胞,大至天文学的星球,在化学家眼中其本质都是分子问题。

自我装配背后的概念,使得化学家习于分子可以被设定成以非常特定的方式,进行互动与聚合的观念,而人工複製分子展示了这样的原理,化学资讯藉此传导增强。法国史特拉斯堡路易巴斯特大学超分子化学家暨诺贝尔奖得主莱恩 (Jean-Marie Lehn) 相信 ,下一步就是设计不只能够设定为自我装配,还能受训的化学「学习系统」。

诚然,在化学生物学中由数名化学家提出的关键问题之一,就是记忆的化学基础。芭顿说一旦他们知道了答案,也许就能设计出新的思想与记忆,甚至学到如何保存旧有思想记忆。怀塞德则想知道如何利用化学,将电脑与大脑连结起来。虽然这些听起来像是神经科学家跟电子工程师的事情,但既然神经元之间的讯号是以化学传导,这样的介面需求说的就是化学语言。

这些对化学家来说,是令人心动的研究方向,但它们算是正格的化学问题吗?对怀塞德而言,再没比这更化学的问题了;他争论说即便是某些看似距离化学很远的领域,比方说天文学吧,某些像是「有多少与地球类似的星球」或「土星的泰坦卫星上面有些什幺」之类的关键问题,基本上也都是分子问题。

化学家(Chemists)的迷惘何在

化学家的迷惘何在

在探讨跨学门的问题时,真正将化学家与物理学家或生物学家区分开来的,是他们不愿忽略分子尺度的机制。处理这些议题让化学家面对也许是这个学门最核心的挑战:了解并预测分子结构与功能之间的关係。

举例来说,对于化学主要发展之一的药物设计,关键是在结构与特性之间的关係,如何使分子依照设计者的意愿行动;设计可供工业合成之用的催化剂也很重要。但是目前要全盘了解结构与功能之间的关连,时常只有在相对较简单的小型分子才有可能,而且即使是小型分子,也还有很多细节不甚明朗。

行动英雄

举例来说,加州理工学院物理化学家,也是诺贝尔奖得主的齐威尔 (Ahmed Zewail) 就指出,分子的动态行为对其反应性的影响,扮演跟分子结构一样重要的角色。化学家如今将化学反应想成是发生在一个複杂、多维度的能量表面或「地貌」上,这可能会跟山脉一样崎岖不平。汤玛斯说仅仅考虑结构与功能之间的关係并不足够,还要考量到能量地貌上的运动情况;换句话说,动态才是关键。

对齐威尔来说,真正的大问题在于如何透过动态过程控制化学功能。相较于掌控分子结构的能力,化学家才刚开始了解能量地貌上的分子路径。即使化学家破解了分子设计的原理,要怎幺应用它们还是个问题;芭顿表示,除非能够做到随便一个人走进实验室,就能合成任意一个达到百分之百纯度形式的分子,而且不需要一个研究生花上一年来搞出这点名堂,不然就不算是真正精通化学合成之道。

化学家(Chemists)的迷惘何在

对分子尺度的关注,是让化学家有别于其他科学家的主要特质。

创新力量

只有化学家才知道,要操控原子与分子有多困难,这却是许多其他科学学门所倚赖的;假如室温超导体或合成细菌哪天真的做出来了,必定不是物理学家或生物学家所为。倘若化学被切割开来,併到其他学门里,就不会有地方来训练出精通物质的大师。

布瑞斯洛表示,已知的化学世界佔真正的化学世界比例,还不到百分之一;就是这样的丰富性,在对要将化学减损成寥寥几个目标的意图说不。美国纽约绮色佳康乃尔大学理论化学家,也是诺贝尔奖得主的霍夫曼 (Roald Hoffmann) 说,化学世界的定义不是靠简约成一些基本粒子或元素,而是靠达到可以合成的无数分子。分子可展现的结构与功能无所尽止。

化学家(Chemists)的迷惘何在

化学的招牌应该继续挂在大学校园内,而不是夜总会外头。

我的天生哲学气质就是不要在大问题上下功夫,我喜欢在这美好的化学花园里,处理许多鉅细靡遗的小难题,同时保持眼界开放,随时找寻箇中关连。

—–诺贝尔奖得主霍夫曼 (Roald Hoffmann)

大部分的化学家似乎对于没有高悬于堂的前沿大问安之若饴。这样的问题可能有助于一个学门维持其定位与方向,却也有侷限天生就具有创造性的学门之风险。此外,化学就像其他任何科学一样,最伟大的突破经常起于未料之处。德国慕尼黑科技大学无机化学家史密包尔 (Hubert Schmidbaur) 坦承说,过去五十年内他从未事先预测到重大的化学研究进展,看来这个情况在未来五十年里也不会有什幺不同。

霍夫曼很开心地承认说,化学里面没有圣杯;偶尔会有几个显露出来以供公评,不过它们只不过是吸引目光用的候选者罢了。他补充说在一个本质上创意无限的领域,满足源自于追求的过程而非结果。他表示他的天生哲学气质就是不要在大问题上下功夫,他喜欢在这美好的化学花园里,处理许多鉅细靡遗的小难题,同时保持眼界开放,随时找寻箇中关连。

化学家(Chemists)的迷惘何在

除了传统的静态分子结构,最近化学家也开始注能量「地貌」上的动态情况,将其视为化学研究的新一代重点。

以下就是多位受访化学家公认的六大「能吸引目光的待解问题」:

Q1: 化学家如何设计出具有特定功能与动态的分子?

Q2: 细胞的化学基础为何?

Q3: 我们如何製造出未来在能源、航太或医药方面所需的材料?

Q4: 思想与记忆的化学基础为何?

Q5: 地球上的生命如何开始?生命在其他世界里可能会如何发生,又在何处发生?

Q6: 如何得以探索所有元素的所有可能排列?


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