1.生命從何而來?
有研究者推斷，在第一種能夠自我復制的聚合物(類似DNA或蛋白質(zhì)一類的分子，是由許多更小單位構成的長鏈)的形成過程中，泥土等礦物質(zhì)可能起到了催化劑的作用。還有人認為，正是因為深海熱泉源源不斷地提供能量，才會產(chǎn)生結(jié)構復雜的化學物質(zhì)。
我們現(xiàn)在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管里面觸發(fā)化學反應，驗證上面提到的那些假說?？茖W家已經(jīng)取得了一些進展，他們的研究表明，一些化學物質(zhì)可以自發(fā)排列，形成更加復雜的結(jié)構——例如氨基酸，還有眾所周知的核苷酸(nucleotides，DNA的組成單元)。2009年，現(xiàn)供職于英國醫(yī)學研究委員會劍橋分子生物學實驗室的約翰·薩瑟蘭德(John
Sutherland)所帶領的團隊已經(jīng)證實，在“原始湯”中，確實可能存在自發(fā)的核苷酸合成過程。
其他一些科學家則著重研究了特定RNA類似于酶的催化特性，為“RNA世界假說”提供了一些證據(jù)。通過這些步驟，科學家也許可以弄清楚，無生命物質(zhì)如何轉(zhuǎn)變成能自我復制、自我維持的系統(tǒng)，從而填補生命進化史上的這個缺失環(huán)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)促使化學家展開想象，去創(chuàng)想原始生命可能的化學構成。
2.分子如何形成?
在高中化學課本里面，分子結(jié)構可算是最主要的內(nèi)容之一。但是，這些看上去由“球”(代表原子)和“棍”(代表化學鍵)構成的模型已經(jīng)有些年頭了。并不是沒有更新的模型，問題在于，科學家在更為準確的分子外觀模型方面，并未取得一致意見。
近100年后，分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對于這種模型是否研究分子的最佳工具，化學家仍然沒有達成一致。原因在于，這類分子模型，以及其他所有簡化了的假想模型都不夠精確，只能部分描述分子結(jié)構。事實上，分子就是電子云中的一團原子核，并通過相反的靜電力，與另外一團原子核進行著一場永不停止的“拔河游戲”，而且所有的組成部分都在不停地運動和重組?，F(xiàn)有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動態(tài)的實體變?yōu)殪o態(tài)，并且明確各個組分之間的關系，這種做法會顯示出分子的一些突出性質(zhì)，但同時也會將其他信息忽略掉。
現(xiàn)在，科學家可以根據(jù)量子第一性原理(quantum first
principles)，通過計算機模擬來計算分子的結(jié)構和性質(zhì)——只要電子數(shù)量相對較少，就能獲得精確度很高的結(jié)果。“計算化學可以極度現(xiàn)實化和復雜化，”馬克斯說。因此，計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗，用來預測一個化學反應的過程。但是，一旦某個反應的模擬計算不再局限于幾十個電子，計算量就將變得巨大無比，即使最先進的計算機恐怕也無法勝任。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)將會是能否放大模擬范圍，比如細胞中的復雜分子過程或某些復雜材料的分子結(jié)構。
3.環(huán)境如何影響人類基因?
對化學家而言，最讓人興奮、也最具挑戰(zhàn)性的是，基因表達的調(diào)控似乎涉及一些化學事件。這些事件發(fā)生在“中尺度”(mesoscale)水平上，主角是比原子和分子更大的分子復合體，涉及復合體之間的相互作用。染色質(zhì)(chromatin)是由DNA和蛋白質(zhì)組成的復合物，具有一種層級結(jié)構。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白(histones)構成的蛋白顆粒上，然后這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結(jié)構。目前我們對這種結(jié)構還知之不多(請參見對頁插圖)。細胞活動極好地控制了這種組裝過程——一個基因以何種方式，被定位到染色質(zhì)的哪個位置，也許就決定了它能否正常表達。
染色質(zhì)在形成高級結(jié)構的過程中，DNA和組蛋白還會發(fā)生化學修飾。一些小分子會結(jié)合到DNA和組蛋白上，就像標簽一樣，告訴細胞里的分子機器該對基因采取何種措施：應該阻止還是放任基因的表達。這種“標記過程”叫做“表觀遺傳”(epigenetic)現(xiàn)象，因為該過程不會改變基因攜帶的遺傳信息。
現(xiàn)在比較清楚的是，在遺傳上，除了遺傳密碼里的關鍵信息，細胞還有一套完全不同的“化學語言”——這就是表觀遺傳。英國伯明翰大學的遺傳學家布萊恩·特納(Bryan
Turner)說：“人類的很多疾病都與遺傳相關，包括癌癥在內(nèi)，但是一種潛在的疾病最終是否發(fā)作，通常還要看環(huán)境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用?！?/p>
4.大腦如何思考，并形成記憶?
對記憶而言，抽象的原理與概念——比如一串電話號碼，或者是一段情感體驗——都會“印刻”在大腦里，持續(xù)不斷的化學信號形成了神經(jīng)網(wǎng)絡的各種特定狀態(tài)，從而實現(xiàn)了這種“印刻”。那么，化學物質(zhì)是如何創(chuàng)造出一段既持續(xù)又動態(tài)，還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢?
我們?nèi)粘５年愂鲂杂洃浲峭ㄟ^一種叫做“長時程增強”(long-term
potentiation，縮寫為LTP)的過程來編碼的，LTP與NMDA受體有關，并伴隨著神經(jīng)元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長，它與相鄰神經(jīng)元的連接也逐漸增強，具體表現(xiàn)就是到達突觸間隙的神經(jīng)脈沖所引起的電壓升高。這一過程的生物化學機制在過去數(shù)年內(nèi)業(yè)已闡明。其中涉及了神經(jīng)細胞內(nèi)的肌動蛋白纖維的形成，肌動蛋白作為細胞的一種基礎骨架成分，是決定細胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進一步穩(wěn)固，在突觸發(fā)生的改變還沒有得到鞏固之前，這些纖維會在很短的時間內(nèi)再次解散。
關于記憶是如何工作的，目前還存在著大片空白，需要很多化學方面的細節(jié)來填補。比方說，如何提取以前儲存的記憶?美國哥倫比亞大學的神經(jīng)科學家、諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主埃里克·坎德爾(Eric
Kandel)表示：“這是個深奧的問題，目前的分析剛剛起步?！?/p>
5.到底存在多少種元素?
學校教室墻上貼著的元素周期表(the periodic
table)一直都在不停地修訂，這是因為人類發(fā)現(xiàn)的元素數(shù)量在不停增長。使用粒子加速器讓原子核對撞，科學家可以制造出新的“超重元素”(superheavy
elements)。相比從自然界發(fā)現(xiàn)的92種元素，超重元素的原子核擁有更高的質(zhì)子(proton)數(shù)與中子(neutron)數(shù)。它們巨大的原子核非常不穩(wěn)定——在極短的時間內(nèi)(通常只有幾千分之一秒到幾分之一秒)，它們就會衰變(這種衰變具有放射性)。但是，在它們存在的時間內(nèi)，這些新的人工合成元素，例如钅喜(seaborgium，第106號元素)以及钅黑(hassium，第108號元素)，和其他元素一樣，都具有能夠被準確定義的化學性質(zhì)。通過精妙設計的實驗，科學家們抓住少量的钅喜和钅黑在衰變之前短暫存在的一瞬間，測量了它們的部分化學性質(zhì)。
由于物理學家認為，只要原子核擁有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子，就會特別穩(wěn)定，因此他們想在元素周期表中找出一個名為“穩(wěn)定島”(island of
stability)的區(qū)域——在這個區(qū)域中，超重元素更穩(wěn)定，壽命更長，目前的合成技術還無法合成出這樣的元素。但是，超重元素的大小是否有極限?依據(jù)相對論的一項簡單計算告訴我們，電子無法被擁有超過137個質(zhì)子的原子核束縛。更加復雜的計算也證實了這個極限。然而，來自德國法蘭克福-歌德大學的核物理學家沃爾特·格雷納(Walter
Greiner)卻堅持認為：“元素周期表絕對不會在第137號元素前止步不前;事實上，它永無止境?！钡?，要想通過實驗來驗證格雷納的斷言，從目前的研究水平來看，這還是一個很遙遠的目標。
6.我們能用碳元素制造出電腦嗎?
如果電腦芯片能用石墨烯(graphene，一種單層網(wǎng)狀碳單質(zhì)材料，參見《環(huán)球科學》2008年第5期《延續(xù)摩爾定律的新材料》一文)來制造，那么，未來的電腦將比現(xiàn)在的硅芯片電腦運行速度更快，性能更加強勁。石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，2010年的諾貝爾物理學獎就頒給了石墨烯的發(fā)現(xiàn)者，但要將石墨烯為代表的各種碳納米材料技術推向?qū)嶋H應用，最終還依賴于化學家能否創(chuàng)造出精密度達原子級別的結(jié)構。
現(xiàn)在IT領域都對石墨烯抱以厚望，希望能夠?qū)⒄瓗罨蚓W(wǎng)狀的石墨烯材料應用到計算機工業(yè)中，做出達到原子尺度的器件，集成到芯片中，這樣新一代計算機就能比目前基于硅技術的產(chǎn)品擁有更強的性能。石墨烯可以做成各種形狀，所以碳納米管時代的連接、放置問題就不復存在了。但是，德希爾繼續(xù)指出，要把石墨烯制作成我們需要的形狀，達到單個原子尺度，目前的工藝(例如刻蝕技術)都無法企及。
7.如何捕獲更多太陽能?
在地球上，幾乎所有的生命最終都由太陽的能量驅(qū)動，而能量來自光合作用(photosynthesis)。這恰恰說明了，太陽能電池并非需要極高的轉(zhuǎn)換效率，它們只須像樹葉那樣，通過廉價的方法提供充足的能量。
今年年初，美國麻省理工學院的丹尼爾·諾切拉(Daniel
Nocera)和合作者展示了一種硅基薄膜，在這種薄膜中，一種以鈷(cobalt)為主要成分的光催化劑(photocatalys)能促進水分子分解。據(jù)諾切拉估算，1加侖(約3.8升)水分解，提供的能量就能夠滿足一個發(fā)展中國家家庭一天的用量。諾切拉說：“我們的目標是讓每個家庭都擁有自己的電站?！?/p>
經(jīng)過艱苦努力，他的研究小組已經(jīng)合成出一些可用于最終分子器件的基本結(jié)構單元。但是，在他們面前還有大量的挑戰(zhàn)。有機分子，例如自然界用到的那些，很快就會分解或破壞。然而，植物會不斷的生產(chǎn)出新的蛋白質(zhì)來替代那些被破壞的，但至少目前，人造樹葉還無法完全模擬一個活細胞進行光合作用的方式及其中的化學機制。
8.制造生物燃料的最佳途徑是什么?
生物燃料(biofuel)，例如用谷物制得的乙醇，或者由各種種子制成的生物柴油(biodiesel)，都已經(jīng)在能源市場上占得一席之地。
因而，將糧食轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉矗苍S并不是最好的辦法。一個解決方案就是，利用其他并非那么重要的生物質(zhì)(biomass)來獲取能源。如果用美國每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)及木料類殘渣來制取生物燃料，足夠滿足一個第三世界國家在交通方面對汽油和柴油的需求。
將這些低等級的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，需要打破堅硬的植物分子，例如木質(zhì)素(lignin)、纖維素(cellulose)，兩者都是植物細胞壁的主要成分?；瘜W家已經(jīng)知道如何做到這些，但現(xiàn)在的方法成本過高，效率低下，因而從經(jīng)濟上講，還不適合通過這種方法來大量生產(chǎn)生物燃料。
更實際地，這些生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換將越來越多地以最結(jié)實的生物質(zhì)為原料，并將它們轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料，這樣才能方便快捷地通過管道運輸。而液化過程將在作物收割的現(xiàn)場完成。
9.我們能研制出全新類型的藥物嗎?
20世紀90年代，化學家曾對“組合化學”寄予厚望：利用一些基本構建單元，隨機組裝出成千上萬的新分子，然后再篩選出需要的分子。這種方法一度被認為是藥物化學的未來，如今它的光環(huán)卻已漸漸消退。
但是，如果化學家能合成足夠多的分子類型，然后找到理想的方法，從中篩選出需要的那幾種，組合化學就有可能迎來第二春。生物技術或許能提供幫助——例如，每一種分子都能夠連接到一段DNA“條形碼”上，這樣既能識別有用的分子，又能把它們從大量分子中提取出來?；蛘?，科學家還可以按照達爾文進化論的思想，在實驗室中逐步改造候選分子庫。他們就可以用DNA編碼潛在的蛋白質(zhì)藥物分子，然后通過“易錯”復制，制造出成功藥物的變異體，從而在每一輪的復制和選擇中，尋找效果得到改善的藥物分子。
10.我們能實時監(jiān)測自身的化學變化嗎?
隨著科學的進步，化學家們不再滿足于僅僅構建分子，他們還希望與分子進行交流：即在活細胞與傳統(tǒng)計算機之間搭起一座橋梁，并通過光纖來傳遞這些信息。
在生物醫(yī)藥領域，各式各樣的新型化學傳感器也擁有最引人注目的潛力。例如，早在癌癥病變發(fā)展到能被普通的臨床手段檢出之前很久，一些癌細胞基因的產(chǎn)物就已經(jīng)進入血液循環(huán)了。如果能檢測到這些早期的化學變化，將有助于醫(yī)生及時且準確地做出診斷。快速基因組檢測技術將使得醫(yī)生可以根據(jù)每個人的自身狀況開出調(diào)理藥方(即個性化醫(yī)療)。
一些化學家預見，在未來，傳感器能夠連續(xù)不斷、靜悄悄地監(jiān)視著與人的健康、疾病有關的各種生物化學反應。這或許能夠為手術中的外科醫(yī)生或者輸送治療藥物的自動化系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)和信息。這些未來的應用都依賴于化學技術的進步，而這些化學技術能夠選擇性地感知特定物質(zhì)和化學信號，甚至在監(jiān)測對象的濃度處于非常微小的數(shù)量級時也能辦到。
（文章來源：環(huán)球科學）
