化学是什么？-第9章 化学是自然科学的探索者（2）

纯水中最稳定的一种超分子结构形式是水分子通过氢键构成多面体，其中由20个H2O分子组成的五角十二面体最为稳定。因为它的五边形面中两条边的夹角为108°，很适合H2O分子中H原子和孤对电子在空间按四面体形的分布。图9.3.1示出由20个H2O分子组成的五角十二面体。

图9.3.1　由20个H2O分子组成的五角十二面体

图9.3.2　由五角十二面体和十四面体共同组成的三维骨架结构（a）五角十二面体，（b）十四面体，（c）三维骨架

图9.3.3　极性基团—NH2替换水（a）和—N＋H3置换水（b）形成的五角十二面体的结构

氢键体系的形成对于信息的传递有重要作用。在电化学实验测定离子淌度时，H＋（或H3O＋）和OH-两种离子的淌度要比其他离子的淌度大得多。物理化学家常用氢键体系内原子的接力模型来理解，如图9.3.4所示。

图9.3.4　H＋（或H3O＋）在氢键体系中快速接力传递的模型

从图9.3.3示出的两种状态对于通过氢键接力传递H＋的能力会有不同，而且由于这种结构的稳定性也是人脑记忆的一种结构方式。图9.3.3（a）的结构，具有向神经元传递信息的功能。当受到从左边来的H＋的信息，传递到氢键O（2）—H…N时，H脱离O（2），靠近N原子，形成O（2）…H—N氢键，即这个过程使—NH2基团变为—N＋H3，进一步使—COOH变为—COO-和H＋，如图9.3.3（b）所示。图（b）所示的结构是一种相对稳定的结构。当形成这种结构以后，由于已不能再接受H＋，即不能再具有从左向右传递H＋的能力，它只有单向地从右向左传递H＋的功能。当右边的神经元得到了H＋的信息，H＋和—COO-结合，基团和O（2）构成的O（2）…H—N氢键又可以逆向传递方式形成O（2）—H…N氢键，即恢复到图（a）所示的状态。这两种状态就像电脑中芯片的一个元件，由“0”和“1”表示的两种状态。电脑依靠元件的组装形成芯片，再进一步经过多种功能的微电子技术构成。人脑中传递H＋的氢键体系元件体积更小，O—H…N的键长通常只有0.27纳米，通过奇妙的组织，形成性能极高的大脑，指挥人体的生理活动。

水分子通过氢键结合成多种多面体，多面体之间可以共用棱边和面连接成数以亿计的多面体组成的骨架结构，结构型式取决于神经突等基团的大小和构型，使多面体骨架结构和神经突等基团进入骨架结构的孔穴之中，并和周边的水分子形成氢键体系，稳定地存在于骨架结构内部。由于水的多面体骨架和神经突等基团选择了合适的几何构型，形成稳定的氢键体系，构成大脑记忆的结构基础。

骨架的结构方式和数目是无限的，可以储存大量的记忆信息，而且这种结构受到干扰的因素很少，能稳定地存在。例如图9.3.2所示的可燃冰的结构，能在海洋中按地质年代计存在于海底。人体中围绕神经元组成的骨架，若不受外界强烈的干扰，会稳定地存在，根据记忆的需要调取信息和删改信息。

未来的化学将和生物学以及信息工程学等融合在一起，探索大脑具有记忆和指挥各种生理活动功能的奥秘。

人体存在着经络，中医根据经络的分布和穴位绘制图形，进行针灸按摩，为千百万人治愈疾病。经络的存在经过千百万人实践所验证，但人体的解剖，至今尚未找到相关的组织。经络是摆在当今医学界面前的一大课题。笔者认为，人体经络和上述水的多面体结构密切相关，是水的多面体连接形成的网络和人体中各个组织器官相互联系，并能通过结构的微小改变传递有关信息的结果。关于水分子组成的多面体网络的结构，至今尚未找到有效的方法去探测阐明，它是未来化学需要关注的内容。

回顾近一个世纪以来，生命科学中的许多重大进展是在生物物质的结构得到阐明以后产生的。蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构和四级结构通过X射线衍射法阐明后，出现了分子生物学，为在原子、分子水平上阐明生命中的许多作用奠定了基础。DNA双螺旋结构的阐明，让遗传学和基因等生命的基本问题得到了解决。现在大脑的记忆和经络作用的化学结构正有待未来化学去解决。

未来的化学是什么，它是和生命科学一起研究解决上述问题的科学。