化学是什么？-第9章 化学是自然科学的探索者（1）

关注我们 获取更多精彩内容

精选优质文章分享给大家，希望文章内容对您有所帮助，欢迎您继续关注，如能转发不胜感激，我们愿和大家一起学习交流，共同提高。

上一篇文章回顾：第8章 化学是美好生活的创建者（2）

第9章化学是自然科学的探索者

9.1　开拓新创意和新思想

在创建未来美好的社会时，要着眼于社会的可持续发展，要开展高新技术的研究，发展新兴产业，提高社会生产力，不断地改善人民大众的生活质量。当今前沿科技领域的热点和未来发展的方向，对能源、信息技术、生物技术、先进材料、农业、生态环境、资源利用以及人民大众的健康等各个领域，都存在许多挑战和机遇，待有重大的发明创新，都可建立起新兴产业。由于化学是深入到原子和分子水平，研究各类物质组成、制备、结构、性质和相互作用的科学，在开展创新研究和建立新产业过程中，处处都离不开化学的支撑，即需要化学的基础理论和规律作指导，以各种化学分析方法所得结果为依据，利用化学合成的各种化合物和材料作为物质基础，突破难关，取得实效，开拓出具有新创意和新思想的新学科。

发现新的化学反应、新的化学试剂、新的化学方法和新的化学理论去合成新的化合物和新的材料，以求满足人们的新需求，始终是未来化学的基本内容。

在五彩缤纷的世界中，各种动植物都有其生长规律和外貌特征。对它们的研究会不断发现新的天然产物及其特殊功能。在8.2节中所述的维生素类化合物的发现、发展和合成以提供给人类生活需求的过程就是生动的实例。未来的化学对研究一类化合物的功能、结构、合成生产和应用测试将会层出不穷。在了解某一种化合物的功能和结构以后，不论多么复杂的化合物都可以分解为若干基本反应，如加成反应、重排反应等，每个基本反应均有其特殊的反应功能。合成时可以设计和选择不同的起始原料，用不同的基本合成反应获得同一种化合物。通过起始原料是否易得，合成的反应步骤是否简单易行，产率是否较高，产品中存在不同的异构体时，所需要的异构体是否易得，不需要的有害异构体是否容易清除等问题进行对比，选择最合理、最经济的合成路线进行生产。

化学的创造性不仅能从自然界存在的化合物中得到启示、进行研究和人工合成出天然已产生的物质，而且能够根据人们的需要创造出自然界原本不存在的物质。有些人工合成的化合物可以更深入地研究它的性能，并置换分子中的某些基团，获得成千上万种衍生物，从中选出最能满足人们需要的化合物。下面以增雨剂和消雷剂为例，阐明化学和气象学、物理学等一起，共同解决实际问题。

2008年8月8日晚，奥运会在北京开幕，估计全世界有十多亿人观看开幕盛典。根据天气预测，当晚奥运会开幕式所在的场馆及放焰火的区域下雨的可能性很大。下雨将严重影响开幕盛典的表演和观赏效果。怎样调整下雨地点，使它不落在北京市区？气象台根据雨云是从西方飘移向市区的情况，在北京市西边布置了高射炮阵地，于当晚向天空云层发射增雨炮弹，使雨水落在西边地区，北京市区没有下雨。开幕式的焰火及鸟巢中的庆典仪式没有受到影响，气象工作人员作出了重大贡献。其实，调整下雨地点的尚方宝剑——增雨炮弹的增雨剂是化学家配制的，功劳也有化学家一份。

增雨剂是由碘化银和尿素等类吸水性很强的化合物微粒组成，当炸弹在云层内炸开，微粒撒向云层，将云层中的小水滴和水分子吸在一起，聚集长大，成为雨滴降落大地。

利用增雨剂调整下雨地点既可防雨也可抗旱，减轻自然灾害。为此气象学家要准确预测天气情况，选择散布增雨剂的地点，另外增雨剂的散布方式最好采用小型无人驾驶飞行器，飞入云层直接喷撒，这就要求化学家配制出吸水性强、安全无害、资源丰富、成本低廉、颗粒细小均匀的增雨剂。

同样，消除雷电是摆在物理学家和化学家面前的具有重大理论意义和现实意义的研究课题。探究大气中相距不远的云团为什么会带有数量巨大、性质不同的电荷，了解云团中水滴在飘移过程中所发生的变化和性能，配制高效的消雷剂等都是化学要研究的内容。

9.2　揭开生命的奥秘

间的距离为224 pm，2个的键长为115pm，按照N原子为三价，O原子为二价，（NO）2分子中的之间应当是共价单键，可是实验测定的距离224 pm比N—N共价单键值150 pm大得多。为什么这么简单的一个（NO）2二聚分子中两个N原子不进一步接近一点，形成较强的N—N共价单键，而是保持这么大的距离，只能形成次级键呢？迄今化学家对此还没有给出一个公认合理的答案。

1943年，薛定谔的著作《生命是什么——活细胞的物理学观》出版，他对生命本质问题作了深入思考，提出生命细胞最基本的成分——染色体结构是非周期性有序物质。在薛定谔的启发下，1953年J．沃森和F．克里克发表了DNA的双螺旋结构，如本书3.4.5节所述。DNA螺旋轴上的碱基排列遵循碱基间生成氢键互补配对，相互连接。即腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）四种碱基分别在DNA长链中按照的氢键结合形式配对，这使双螺旋链中一条链上的顺序决定另一条链上的顺序，形成互补的对称性。这种双链内部两条链之间的氢键结合决定了生物体遗传信息的传递。

氢键比共价键弱，当螺旋双链受周围环境影响分裂成两条独立的单链，分离的两条单链上的碱基会分别在周围环境中寻找能配对的碱基，仍按的结合形式互补配对，分别形成两条DNA双链，它们的排列次序和原来的双链螺旋结构相同。这种双链分离后，两条单链重新寻找相应的碱基结合成两条相同双链的化学反应，在生物体内延续进行，成为生物体中上一代的结构和性能传递给下一代的遗传作用的基础。正如我国民间的顺口溜中所说：“龙生龙，凤生凤，老鼠生来会打洞。”

6×10-12 g/（60×1000 g）＝10-16

DNA的含量如此之少，在生命过程中由它引起的能量变化微乎其微，但它却包含着生命的发育和成长的全部信息，成为生物体出现各种活动和演变的源头。遗传是生物体的一种最重要的本质特性，没有遗传就没有生命，遗传的实质就是信息的传递作用。

可以预见，由分子生物学、物理学、数学和化学等学科共同推进并建立起生命物质的信息科学，在未来的生命科学和化学的发展中，将会起着关键的作用，成为主流的研究方向之一。

2015年底，由中国科学技术协会主办的点赞2015中国科学传播大会上，笔者被邀请发言。在这次发言的内容中，有一段笔者以自己身体为例，将化学和生物学联系起来：

我常把自己的身体看作一个非常复杂的生物化学反应器：65千克的体重，若近似地按其中包含的主要元素氢、氧、碳、氮等原子，估算它的加权平均原子量为6.5，我的身体中原子数目为1万摩［尔］，即是由6000亿亿亿个原子组成的反应器。它经历了85年的运转，至今还基本正常，两个月前的体检报告表明，几十项的检查结果的数据都在正常范围，没有出现一个偏高或偏低的小箭头。分析其原因，是我得益于毕生从事化学教学和科研工作。首先，我以化学的科学原理指导我日常的生活，例如，我一生从小到老没有抽过一支烟。其次，了解人的精神状态会影响人体激素等化学物质的分泌。我对日常生活中碰到的困难和问题，能够以坦荡的心态去处理，好的心态维护着健康的身体。我60岁生日时，好友们送给我一幅诗画，诗的最后两句是“生涯坦荡东风里，三千桃李一家春”，我常以此勉励自己。第三，药物化学的发展为我们提供保健治病的良药，我每天吃一小片降压药，我的血压就能保持在正常的状态。化学科学使我这个65千克的生物化学反应器至今仍能不停地正常运转。化学是自然科学的基础学科，它是和数学、物理学、生物学等一起，共同探讨原子和分子领域的科学。

生命的基本单位是细胞，它由蛋白质及其复合物以及水、盐等许多生命分子组成。细胞是很复杂的单位，在实际存在的环境中，生命分子的结构怎么样？它是怎样在生活过程中变化的？

X射线晶体衍射技术和核磁共振波谱（NMR）法，测定了大量蛋白质及其复合物（包括蛋白质-蛋白质复合物、蛋白质-核酸复合物）等生命分子的三维空间结构。在测定结构时，先从细胞中取出蛋白质和核酸分子，将它们结合成复合体再测定，所得的结构称为离体蛋白质和复合物的结构，根据结构推测它们在细胞中的功能。

冷冻电子显微镜技术是新发展的一种方法，将在溶液中的细胞样品用液氮快速冷冻形成非常薄的玻璃态冰层，细胞样品保持原来状态。由于冷却快速，溶液冻成无序的冰层，细胞中的生物分子处于原始的结构状态，从电镜照片上实际看到的是一个三维物体的二维投影图，这时通过数学方法，将多张倾角略有不同的照片结合起来，显示出三维的生物分子面貌。由于电镜照相速度很快，可以观察到相隔一定时间生物分子面貌的变化。根据这些信息可以了解细胞内部原位上蛋白质复合体的结构及其相互作用，了解细胞内部各个位置是什么分子，它怎样发挥生物功能，从而在原子分辨率水平上描述细胞的生理过程，了解蛋白质分子的功能以及发生的生物化学反应。

对比上述三种测定细胞中蛋白质及其复合体结构的方法，可见：NMR局限在分子范围，即一个蛋白质分子的结构，由于它是在溶液中测定，所得结果和细胞内分子的状态相近。X射线衍射法测定蛋白质分子及其复合物的高分辨率结构，能细致地了解分子的构型、构象及周边的环境，但它需要获得纯净的晶体。冷冻电子显微技术可以观察到从分子到细胞的较低分辨率结构，涵盖范围大，可看到从反应开始各个阶段的形象，了解反应过程，应用范围广。

将上述三种方法结合在一起，可以获得细胞中生物大分子的分布以及不同时间细胞生理状态的变化。

▲

END