化學學科的發展歷程

□中國科學院院士 唐有祺
化學學科從近代化學算起已有兩個世紀的歷史。 它與物理學和生物學都是自然科學中的主要基礎學科。 它們都有各自的使命和傳統, 隨著發展, 由於在其內容深處的盤根錯節, 表現出相互之間越來越密切的關係。 現在要結合化學與物理學和生物學的關係來談談化學學科的發展歷程。
化學學科之奠立和原子論
近代化學發軔於18世紀和19世紀之交提出的元素學說(拉瓦錫,1774)和原子學說(道爾頓,1803)。 此前多個世紀都曾進行過與化學有關的實踐, 其中包括煉丹術和鍊金術。 從這些盲目實踐中得出了教訓, 要求在從事物質轉化探索的同時注視物質的組成問題, 元素和原子學說應運而生。 化學由此進入了持續至今以原子論為主線的新時期。 從1960年起, 康尼查羅採納了阿佛加德羅假說, 理順了當量和原子量的關係, 並改正了當時的化學式和分子式, 從而使原子-分子論得以確立。
原子-分子論指明 : 不同元素代表不同原子; 原子在空間按一定方式或結構結合成分子; 分子通過結構決定其性能; 分子進一步集聚成物體。 這個理論基礎在化學的發展進程中不斷豐富、 深化和擴展, 但並無顛覆性變化。
物理學在兩個發展時期中與化學的關係
物理學學科的發展經歷兩個時期 : 從質點運動和波動這兩極來反覆研究熱、光、聲、電、磁等效應的經典物理和揭示了原子內部結構及波-粒二象性後的近代物理。
在經典物理時期, 化學與物理之間曾有過一種約定俗成的分工, 其要點是化學要追究物質的組成, 而物理在研究中則需迴避物質組成的變化。 雙方居然取得了種瓜得瓜、種豆得豆的效果 ：迷戀於追究物質組成的化學在19世紀中建成了原子-分子論, 發現和合成了眾多化合物, 揭示了元素周期系和碳的價鍵四面體向以及關於結構與性能關聯等規律, 對物質世界的認識大為開擴和深入, 並為資源的開發和利用提供了科學依據。
但化學學科當時若要再深入一步就需要迎接外來的契機了。 幸好擺弄熱、光、聲、電、磁等效應的經典物理也取得了累累成果，為機、電和儀表工業等的奠立提供了理論基礎，並從19世紀末起終於在揭示原子的內部結構和波-粒二象性後將牛頓力學上升到量子力學, 並為科技的研究和開發提供了一系列新手段。
近代物理對化學的進一步發展, 不論在實驗和理論上都提供了新的起點。 X射線等電磁波以及同位素和放射性等的廣泛應用是這個新時期的重要標誌。 X射線衍射「喧賓奪主」, 成為測定結構的主要方法。 在原子結合成分子的層次上, 牛頓力學無能為力, 正好需要量子力學，量子化學應運而起。
生物化學之崛起
生命科學是從現象到本質研究生命的學科, 它的核心是生物學, 包括農學和醫學等學科。
生物學在19世紀後半期中接連出現了三大突破性發現, 它們是 : 進化論(達爾文, 1859) ; 細胞學說(魏爾嘯,1860)和遺傳定律(孟德爾,1865和德符裡斯, 1990)。 它們抓住了生命和有關現象中最普遍和最特徵的事物, 為生物學奠立了學科框架。 但生物學要在此基礎上進一步發展, 特別是要揭示更多的共性和本質, 極大限度地消除其神密色彩以及解決農業和醫藥方面的問題, 就必須從化學來研究生命和生物, 並將認識的層次從細胞深入到分子。 這時, 化學在奠立了原子-分子論後, 又經過了幾十年, 已能在分析和合成以及研究分子的結構等方面都有了長足的進展。 比起1828年韋勒從氰酸銨製取尿素的工作, 水平和意義已不可同日而語。 這樣就從有機化學中開闢了生物化學研究方向, 並逐漸形成了生物化學學科。 它是將生物學引向分子水平的先驅學科。
現選列與本文內容密切相關的生物化學重大成果如下 : E· 費希爾 (1907) 奠立蛋白質化學; A. Todd (1944) 奠立核酸化學; O.T. 艾弗裡 (1944) 確定基因的載體是DNA, 而不是蛋白質; A.J.P. 馬丁和R.L.M. 辛格 (1944) 發展出紙色層分析技術; E· 夏爾加夫(1950) 得出DNA中胸腺嘧啶(A)與腺嘌呤(T)和胞嘧啶(C)與鳥嘌呤(G)的等分子數關係以及F· 桑格 (1953) 測定胰島素中各種胺基酸殘基的定量組成, 並進一步測定其順序。
生物化學研究了動物、植物以及微生物等各種生命形態的化學特徵，發現了形形色色的生物具有令人驚異的共性。 生物體的基本單位是細胞, 而構成不同形態生命的細胞具有極為相似的分子設計。
化學的使命和傳統
藉助於近代物理, 化學得以如虎添翼般地迅速發展, 與物理成為能充分交流和合作的學科夥伴, 而進入了分子水平前後的生物學也為化學學科提供了更多更能充分發揮其作用的問題。 化學學科的核心任務仍然是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構和性能以及相互之間的轉化。 物質在分子水平上相互轉化的過程稱為化學過程。 生命過程以及極大部分製取物資和材料的過程都是化學過程。 難怪國外有人這樣估計化學在今後25年中的成就 : 除了繼續培育化學的核心學科外, 化學家還將揭示生物學中的很多奧密, 並創造出具有神奇性能的新物質。
國外對化學還有一種甚囂塵上的提法, 說化學是一門中心科學, 它與社會各方面的需要有關。 而從學科之間的地位來看, 化學也確實處在一個多邊關係的中心。 但我們也不會對國內另一種說法聽而不聞 : 物理學以物質的運動為其研究對象, 從而其他學科與物理可以統稱為物理科學。 化學之所謂中心地位當淵源於它突出物質及其轉化的傳統。 實際上, 物質和運動是一個統一體的兩個側面: 既無不進行運動之物質, 當更無不依附於物質的運動。 這樣, 物質和運動理當分別屬於化學和物理。 因此, 比較合理的提法顯然是 : 化學和物理合在一起在自然科學中形成一個軸心。
化學學科的傳統工作方式是從整理天然產物和耕耘元素周期系來發現和創造新物質並進行積累的, 然後為各種用途篩選出合適的物質。 從化學發展水平不斷提高以及也面臨著不斷更新的需求來看, 化學學科的發展如果局限在這種模式上, 未免有點作繭自縛。 首先可以考慮, 工作能否逆向而行, 即根據所需性能來設計結構, 再來進行合成。 其次, 目光不要只盯在單個分子或化合物上, 而要把視野擴大到複雜體系上。 化學要多致力於貫通性能、結構和製備三者之間關係的理論。今後它也當更多地注意生物和工程技術性能, 而不要只考慮分離和表徵組分的性能。 化學應該多提倡這種可以歸之為分子工程學的工作模式。
生物學之進入分子水平
生物化學的研究已經帶動生物學走向分子水平。 而在1950-1960年的十年中,作為生物學進入分子水平的最後一關, 蛋白質和核酸高級結構問題的研究陸續取得了突破, 使關於生命過程以及生物大分子功能的認識開始從知其然向知其所以然發展, 推動生命科學進入了分子水平, 並使分子生物學得以確立。 生命過程幾乎沒有不在生物大分子的參與下進行的。
提出或測定生物大分子高級結構從而對其功能作出說明的先驅工作有 : 鮑林和科裡提出蛋白質的α螺旋模型(1951); 沃森和克裡克提出DNA雙螺旋結構(1953) ; 佩魯茨和肯德魯測定血紅和肌紅蛋白的晶體結構(1960); 飛利普斯測定溶菌酶的晶體結構(1965)以及利普斯孔姆測定羧肽酶A的晶體結構(1967); 等等。 其中以DNA雙螺旋結構的意義最為重大。
蛋白質的晶體結構讓我們體會到, 蛋白質分子在執行其功能時很像是一臺分子機器。
分子水平確實給予了生命科學不可限量的活力和前景。
DNA雙螺旋模型及其發現
這個發現是奠立分子生物學的主力。
DNA雙螺旋模型是兩條通過氫鍵結合起來的互補DNA鏈; 這是兩條互補的DNA鏈通過它們之間一對對配對的有機鹼分子之間的氫鍵所形成的雙螺旋。
沃森曾將DNA雙螺旋模型的發現過程寫成《雙螺旋》一書。 書中談到這個過程頗帶傳奇性。 他當時認為: 我們既已明確DNA是與遺傳有關的物質, 那麼知道了DNA的結構, 當對遺傳機制的了解必有助益; 而鮑林既已為蛋白質得出其二級結構, 我們為什麼不把他的方法應用到DNA上去呢? 沃森這個很有心機的想法或信念可能正是他最後取得DNA雙螺旋模型的成功之母。 為蛋白質得出α-螺旋模型的鮑林最早體會到氫鍵在生命現象中是一個具有無比重要性的結構因素。 他也為生物大分子總結出一整套價鍵和氫健的鍵長和鍵角等定量立體化學參數。 沃森肯定是在這個基礎上繼往開來的。
沃森和克利克還有幸從倫敦國王學院的威爾金斯那裡看到富蘭克林女士(Rosalind Franklin)所攝的DNA纖維衍射圖。 這又是決定他們成敗的一個重要機遇, 因為這個衍射圖足以啟示, DNA具有雙螺旋結構, 而且磷酸根當在螺旋的外側。 這已經朝著他們的目標又接近了一大步。 真是機會不負有心人, 還有其他機遇在文獻中等著他們呢。 E· 夏爾加夫在前不久(1950)發表了一個關於DNA中四種有機鹼組成的工作。 這個工作指出, DNA中有機鹼A與T和C與G是等分子數的。
他們1953年終於在這些前人工作的基礎上提出了DNA雙螺旋結構模型。 富蘭克林的衍射圖和夏爾加夫的分析結果, 是提出這個模型的必要而充分的科學基礎。 這個雙螺旋結構模型既需要滿足定量立體化學的要求, 還必須體現夏爾加夫得出的A與T和C與G的等分子數關係。 這個模型中兩個螺旋的內側正好只能容納兩個通過氫鍵結合起來的配對有機鹼分子如A與T或C與G。 正如沃森預言的那樣, 結構模型一經得出就洩露了遺傳機制。 模型在無言中告訴我們: 遺傳信息體現在以有機鹼為字母拼出的文字中; 兩條互補的DNA鏈成為互相複製的模板。
對化學學科未來之展望
化學學科的核心任務或今後的長遠努力方向, 大體上可歸納為三個方面:
(1) 開展化學反應的基礎研究, 以利開發新化學過程和揭示規律; (2) 揭示組成-結構-性能之間的關係和有關規律, 以利設計分子或結構從而創造新物質; (3) 利用新技術和新原理強化分析和測試方法的威力, 使化學工作的耳目趨於靈敏和可靠。
展望今後化學將一如既往, 積極參與材料科學和分子生物學的發展。 這兩個學科與化學都處在原子、分子層次上, 可以分享相當部分的原理和方法學, 而且涉及的是信息、通信以及健康、福利等新興產業。 在最近20年中, 新物質的創製確實也是十分可觀的, 其中最為突出的是一系列高Tc超導氧化物以及以C60為代表的富勒烯類物。 分子篩和金屬有機物的合成化學也有值得注目的進展。 最近對納米科技的呼聲很高。 這可能也是創造具有神奇性能新物質的一個途徑。 當前，基因總譜的工作接近完成，後續的蛋白總譜當可為化學提供更多的機會。 這是揭示生物學中很多奧秘的好機會。
化學在能源和環境產業中也大有可為。 環境問題在較大程度上也與能源結構密切相關。 當前的能源結構是不可能持續很久的。 利用太陽能發電和制氫以及開發新化學能源已是當務之急。
生命過程在本質上是化學過程, 但我們所熟悉的體外化學過程一般還遠非生命過程那樣平易而有效。 我們還需要為化學合成開發出像生命過程中的酶那麼高效的催化劑。 酶分子簡直是一臺分子機器。 估計化學遲早也會掌握如何為某些化學過程開發出分子機器般的催化劑。 我們也不可無視化學在生命以外的化學過程中的優勢。 在非生命化學過程中, 溫度和壓力等實驗條件以及化學元素組成不像在生命過程中那麼局限, 而且幾乎是完全沒有限制的。 化學學科有時還要懂得「臨淵羨魚, 不如退而結網」的道理。
(據《科學時報》)