化学世界的10大未解之谜

化学世界的10大未解之谜绝大部分最精深的科学问题，以及一些对人类而言最为紧迫的问题，都与原子或者分子有关。

1.生命从何而来？距地球上第一种生物从无生命物质中诞生，至今已近40亿年，但最初的生命是如何出现的，至今仍是个谜。

那些相对简单的分子，最初如何从“原始汤”里创生出来，并形成越来越复杂的化合物？这些化合物又如何开始进行能量代谢，并完成自我复制（这两者是定义生命的两个特性）？当然，在分子水平上，所有这些步骤都是化学反应，也正因为如此，“生命从何而来”成了一个化学问题。

关于这个问题，对科学家的挑战不再是构想出那些看似合理的假说，因为这样的假说已经太多了。

例如，有研究者推断，在第一种能够自我复制的聚合物（类似DNA或蛋白质一类的分子，是由许多更小单位构成的长链）的形成过程中，泥土等矿物质可能起到了催化剂的作用。

还有人认为，正是因为深海热泉源源不断地提供能量，才会产生结构复杂的化学物质。

此外，还有研究者提出，地球上曾存在一个RNA（核糖核酸）世界，这个世界出现在DNA和蛋白质诞生之前。

在这个世界中，DNA（脱氧核糖核酸）的近亲RNA（它可以被看作是一种酶，并且可以像蛋白质那样催化化学反应）无处不在。

我们现在要做的就是，找到一种方法，在加热的试管里面触发化学反应，验证上面提到的那些假说。

科学家已经取得了一些进展，他们的研究表明，一些化学物质可以自发排列，形成更加复杂的结构——例如氨基酸，还有众所周知的核苷酸（nucleotides，DNA的组成单元）。

2009年，现供职于英国医学研究委员会剑桥分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰德（John Sutherland）所带领的团队已经证实，在“原始汤”中，确实可能存在自发的核苷酸合成过程。

[在2015年最新一期的《自然·化学》（Nature Chemistry）上，萨瑟兰德的团队报道，要生S）和紫外线（UV）就够了。

此成核酸前体，只需要氰化氢（HCN）、硫化氢（H2外，萨瑟兰还称，能生成核酸前体的反应条件也可以生成构成天然氨基酸和脂质的基本物质。

这意味着一个系列的反应可能就同时生成了生命形成所需的大部分基本构件。

]其他一些科学家则着重研究了特定RNA类似于酶的催化特性，为“RNA世界假说”提供了一些证据。

通过这些步骤，科学家也许可以弄清楚，无生命物质如何转变成能自我复制、自我维持的系统，从而填补生命进化史上的这个缺失环节。

由于科学家对太阳系奇特而丰饶的环境有了更深的认识——火星上曾经存在过液态水；土星卫星泰坦（Titan，土卫六）上有着甲烷海洋；木星卫星欧罗巴（Europa，木卫二）和加尼米德（Ganymede，木卫三）的冰层之下，似乎潜藏着冰冷的咸海，因此地球生命的起源似乎只是一些宏大问题的一部分：在哪些环境中，生命才会出现？生命的化学基础可以有多大的不同？过去16年，科学家已经发现了500多颗围绕着其他恒星运转的太阳系外行星，这些光怪陆离的外星世界也让前述问题变得更加迷人。

这些发现促使化学家展开想象，去创想原始生命可能的化学构成。

例如，美国航空航天局（NASA）一直认为，液态水是生命存在的先决条件，但现在科学家却认为不一定非得这样。

液态氨、甲酰胺（formamide，一种油状溶剂，类似液态甲烷）或者木星上的超临界氢（super-critical hydrogen）可不可以充当其他生命的“水”？为什么生命必须要以DNA、RNA和蛋白质为基础？毕竟，科学家已经研制出了一些人造化学系统，只要有合适的组成成分，它们不需要核酸就能完成复制。

从本质上说，一个可以充当模板进行自我复制，并能与“复制品”分开的分子系统似乎就算是生命。

美国应用分子进化基金会的化学家史蒂文·班纳（Steven Benner）说，当我们的研究只局限于地球生命时，“我们没法说清楚，它们之间的那些相似性（比如都会使用DNA和蛋白质）到底代表了它们来自同一祖先，还是说生命都需要是这样”。

不过，如果我们坚持认为，我们看到的才是真实的，“那我们的研究就太没意思了”。

2.分子如何形成？在高中化学课本里面，分子结构可算是最主要的内容之一。

但是，这些看上去由“球”（代表原子）和“棍”（代表化学键）构成的模型已经有些年头了。

并不是没有更新的模型，问题在于，科学家在更为准确的分子外观模型方面，并未取得一致意见。

20世纪20年代，沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London）应用刚刚兴起的量子力学理论，向人们展示了如何描述化学键的形成。

此后不久，美国著名化学家鲍林（Linus Pauling）又提出了杂化轨道理论，认为当不同原子的电子轨道在空间上重合时，就会形成化学键。

而罗伯特·马利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里希·洪德（Friedrich Hund）却提出了截然不同的理论：化学键的形成，是原子轨道并入一个包括多个原子的“分子轨道”的结果。

那时的理论化学看起来就像物理学的一个分支。

近100年后，分子轨道模型成为认可度最高的一种。

但对于这种模型是否研究分子的最佳工具，化学家仍然没有达成一致。

原因在于，这类分子模型，以及其他所有简化了的假想模型都不够精确，只能部分描述分子结构。

事实上，分子就是电子云中的一团原子核，并通过相反的静电力，与另外一团原子核进行着一场永不停止的“拔河游戏”，而且所有的组成部分都在不停地运动和重组。

现有的分子模型通常试图将这样一种处于动态的实体变为静态，并且明确各个组分之间的关系，这种做法会显示出分子的一些突出性质，但同时也会将其他信息忽略掉。

而对于每天的工作就是破坏和构建化学键的化学家来说，量子理论又无法为化学键提供一个符合他们直觉的独特定义。

现在，很多人定义分子的方法，都是把分子看作是一堆通过化学键结合在一起的原子。

在德国波鸿－鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克斯（Dominik Marx）看来，这些描述都有一个共同的毛病，那就是“在某些情况下是正确的，但换到其他条件下，就是错误的”。

现在，科学家可以根据量子第一性原理（quantum first principles），通过计算机模拟来计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少，就能获得精确度很高的结果。

“计算化学可以极度现实化和复杂化，”马克斯说。

因此，计算机模拟越来越被看作是一种虚拟实验，用来预测一个化学反应的过程。

但是，一旦某个反应的模拟计算不再局限于几十个电子，计算量就将变得巨大无比，即使最先进的计算机恐怕也无法胜任。

因此，我们面临的挑战将会是能否放大模拟范围，比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。

3.环境如何影响人类基因？以前的生物学观点认为，你体内的基因决定了你是谁。

现在，另一个事实已经清晰地摆在我们面前：在“你是谁”这个问题上，你使用了哪些基因，与你携带了哪些基因同样重要。

跟所有的生物学问题一样，这个问题的核心依旧是化学问题。

早期胚胎中，细胞可以发育成各种类型的组织。

但随着胚胎发育，所谓的“多能干细胞”（pluripotent stem cell）则会发生分化，朝着不同的方向发展（例如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞）。

这样，它们后代的“角色”就被固定下来。

人体的形成，是干细胞中的染色体受到化学修饰，基因表达按特定规则“开启”和“关闭”的结果。

但是，上述化学修饰是可逆的，而且会受到人体环境的影响，这是克隆和干细胞研究领域的一项颠覆性发现。

在干细胞的分化期，细胞不能永久地关闭某一基因，而只能是将它们需要的基因维持在一种“准备”状态。

也就是说，被关闭的基因也有参与工作的潜力（即合成它们所编码的蛋白质），当它们遇到周围环境中特定化学物质时，这种潜力就可以激活。

对化学家而言，最让人兴奋、也最具挑战性的是，基因表达的调控似乎涉及一些化学事件。

这些事件发生在“中尺度”（mesoscale）水平上，主角是比原子和分子更大的分子复合体，涉及复合体之间的相互作用。

染色质（chromatin）是由DNA和蛋白质组成的复合物，具有一种层级结构。

DNA双螺旋缠绕在一个个圆柱形的、由组蛋白（histones）构成的蛋白颗粒上，然后这些蛋白颗粒会聚集起来，形成更高级的结构。

目前我们对这种结构还知之不多（请参见对页插图）。

细胞活动极好地控制了这种组装过程——一个基因以何种方式，被定位到染色质的哪个位置，也许就决定了它能否正常表达。

细胞里，有些酶专门用于重塑染色质结构，它们在细胞分化过程中起着核心作用。

胚胎干细胞中，染色质的结构看上去更松散、开放性更高，但随着一些基因进入“沉默”状态，染色质会变得更加紧凑、有序。

“染色质似乎可以决定并维持（或者说稳定）细胞的状态，”美国麻省总医院的病理学家布拉德利·伯恩斯坦（Bradley Bernstein）说。

此外，染色质在形成高级结构的过程中，DNA和组蛋白还会发生化学修饰。

一些小分子会结合到DNA和组蛋白上，就像标签一样，告诉细胞里的分子机器该对基因采取何种措施：应该阻止还是放任基因的表达。

这种“标记过程”叫做“表观遗传”（epigenetic）现象，因为该过程不会改变基因携带的遗传信息。

至于成熟细胞能在多大程度上重获分化能力（不管它们能否变得像真正的干细胞那样，在再生医学中，诱导性干细胞的使用都是一个非常重要的问题），这在很大程度上取决于在表观遗传标记的重置上，科学家能走多远。

现在比较清楚的是，在遗传上，除了遗传密码里的关键信息，细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。

英国伯明翰大学的遗传学家布莱恩·特纳（Bryan Turner）说：“人类的很多疾病都与遗传相关，包括癌症在内，但是一种潜在的疾病最终是否发作，通常还要看环境因素能否通过表观遗传的方式起作用。

”4.大脑如何思考，并形成记忆？大脑就像是一台化学计算机。

神经元之间相互作用所构成的“环路”是通过分子介导的。

具体来说，就是神经递质（neurotransmitter）在突触（synapse）间的传递，突触指的就是两个神经细胞相连接的地方。

而在这种大脑的化学反应中，最令人印象深刻的，当数记忆的运作。

对记忆而言，抽象的原理与概念——比如一串电话号码，或者是一段情感体验——都会“印刻”在大脑里，持续不断的化学信号形成了神经网络的各种特定状态，从而实现了这种“印刻”。

那么，化学物质是如何创造出一段既持续又动态，还能够被回忆、修改以及遗忘的记忆的呢？我们现在已经知道了部分答案。

一连串生物化学过程，改变了突触神经递质分子的数量，从而触发对习惯性反射的学习。

但是，即便是这么简单的学习，也有短期和长期之分。

与此同时，一种复杂的“陈述性记忆”（declarative memory，即对人、地点等内容的记忆）拥有另外一种工作机制，在大脑中的定位也不一样。