化学学科的发展历程

  文章来源： 发布时间：2001-12-05 【字号：】  

□中国科学院院士 唐有祺
化学学科从近代化学算起已有两个世纪的历史。 它与物理学和生物学都是自然科学中的主要基础学科。 它们都有各自的使命和传统, 随着发展, 由于在其内容深处的盘根错节, 表现出相互之间越来越密切的关系。 现在要结合化学与物理学和生物学的关系来谈谈化学学科的发展历程。
化学学科之奠立和原子论
近代化学发轫于18世纪和19世纪之交提出的元素学说(拉瓦锡,1774)和原子学说(道尔顿,1803)。 此前多个世纪都曾进行过与化学有关的实践, 其中包括炼丹术和炼金术。 从这些盲目实践中得出了教训, 要求在从事物质转化探索的同时注视物质的组成问题, 元素和原子学说应运而生。 化学由此进入了持续至今以原子论为主线的新时期。 从1960年起, 康尼查罗采纳了阿佛加德罗假说, 理顺了当量和原子量的关系, 并改正了当时的化学式和分子式, 从而使原子-分子论得以确立。
原子-分子论指明 : 不同元素代表不同原子; 原子在空间按一定方式或结构结合成分子; 分子通过结构决定其性能; 分子进一步集聚成物体。 这个理论基础在化学的发展进程中不断丰富、 深化和扩展, 但并无颠覆性变化。
物理学在两个发展时期中与化学的关系
物理学学科的发展经历两个时期 : 从质点运动和波动这两极来反复研究热、光、声、电、磁等效应的经典物理和揭示了原子内部结构及波-粒二象性后的近代物理。
在经典物理时期, 化学与物理之间曾有过一种约定俗成的分工, 其要点是化学要追究物质的组成, 而物理在研究中则需回避物质组成的变化。 双方居然取得了种瓜得瓜、种豆得豆的效果 ：迷恋于追究物质组成的化学在19世纪中建成了原子-分子论, 发现和合成了众多化合物, 揭示了元素周期系和碳的价键四面体向以及关于结构与性能关联等规律, 对物质世界的认识大为开扩和深入, 并为资源的开发和利用提供了科学依据。
但化学学科当时若要再深入一步就需要迎接外来的契机了。 幸好摆弄热、光、声、电、磁等效应的经典物理也取得了累累成果，为机、电和仪表工业等的奠立提供了理论基础，并从19世纪末起终于在揭示原子的内部结构和波-粒二象性后将牛顿力学上升到量子力学, 并为科技的研究和开发提供了一系列新手段。
近代物理对化学的进一步发展, 不论在实验和理论上都提供了新的起点。 X射线等电磁波以及同位素和放射性等的广泛应用是这个新时期的重要标志。 X射线衍射“喧宾夺主”, 成为测定结构的主要方法。 在原子结合成分子的层次上, 牛顿力学无能为力, 正好需要量子力学，量子化学应运而起。
生物化学之崛起
生命科学是从现象到本质研究生命的学科, 它的核心是生物学, 包括农学和医学等学科。
生物学在19世纪后半期中接连出现了三大突破性发现, 它们是 : 进化论(达尔文, 1859) ; 细胞学说(魏尔啸,1860)和遗传定律(孟德尔,1865和德符里斯, 1990)。 它们抓住了生命和有关现象中最普遍和最特征的事物, 为生物学奠立了学科框架。 但生物学要在此基础上进一步发展, 特别是要揭示更多的共性和本质, 极大限度地消除其神密色彩以及解决农业和医药方面的问题, 就必须从化学来研究生命和生物, 并将认识的层次从细胞深入到分子。 这时, 化学在奠立了原子-分子论后, 又经过了几十年, 已能在分析和合成以及研究分子的结构等方面都有了长足的进展。 比起1828年韦勒从氰酸铵制取尿素的工作, 水平和意义已不可同日而语。 这样就从有机化学中开辟了生物化学研究方向, 并逐渐形成了生物化学学科。 它是将生物学引向分子水平的先驱学科。
现选列与本文内容密切相关的生物化学重大成果如下 : E· 费希尔 (1907) 奠立蛋白质化学; A. Todd (1944) 奠立核酸化学; O.T. 艾弗里 (1944) 确定基因的载体是DNA, 而不是蛋白质; A.J.P. 马丁和R.L.M. 辛格 (1944) 发展出纸色层分析技术; E· 夏尔加夫(1950) 得出DNA中胸腺嘧啶(A)与腺嘌呤(T)和胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的等分子数关系以及F· 桑格 (1953) 测定胰岛素中各种氨基酸残基的定量组成, 并进一步测定其顺序。
生物化学研究了动物、植物以及微生物等各种生命形态的化学特征，发现了形形色色的生物具有令人惊异的共性。 生物体的基本单位是细胞, 而构成不同形态生命的细胞具有极为相似的分子设计。
化学的使命和传统
借助于近代物理, 化学得以如虎添翼般地迅速发展, 与物理成为能充分交流和合作的学科伙伴, 而进入了分子水平前后的生物学也为化学学科提供了更多更能充分发挥其作用的问题。 化学学科的核心任务仍然是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构和性能以及相互之间的转化。 物质在分子水平上相互转化的过程称为化学过程。 生命过程以及极大部分制取物资和材料的过程都是化学过程。 难怪国外有人这样估计化学在今后25年中的成就 : 除了继续培育化学的核心学科外, 化学家还将揭示生物学中的很多奥密, 并创造出具有神奇性能的新物质。
国外对化学还有一种甚嚣尘上的提法, 说化学是一门中心科学, 它与社会各方面的需要有关。 而从学科之间的地位来看, 化学也确实处在一个多边关系的中心。 但我们也不会对国内另一种说法听而不闻 : 物理学以物质的运动为其研究对象, 从而其他学科与物理可以统称为物理科学。 化学之所谓中心地位当渊源于它突出物质及其转化的传统。 实际上, 物质和运动是一个统一体的两个侧面: 既无不进行运动之物质, 当更无不依附于物质的运动。 这样, 物质和运动理当分别属于化学和物理。 因此, 比较合理的提法显然是 : 化学和物理合在一起在自然科学中形成一个轴心。
化学学科的传统工作方式是从整理天然产物和耕耘元素周期系来发现和创造新物质并进行积累的, 然后为各种用途筛选出合适的物质。 从化学发展水平不断提高以及也面临着不断更新的需求来看, 化学学科的发展如果局限在这种模式上, 未免有点作茧自缚。 首先可以考虑, 工作能否逆向而行, 即根据所需性能来设计结构, 再来进行合成。 其次, 目光不要只盯在单个分子或化合物上, 而要把视野扩大到复杂体系上。 化学要多致力于贯通性能、结构和制备三者之间关系的理论。今后它也当更多地注意生物和工程技术性能, 而不要只考虑分离和表征组分的性能。 化学应该多提倡这种可以归之为分子工程学的工作模式。
生物学之进入分子水平
生物化学的研究已经带动生物学走向分子水平。 而在1950-1960年的十年中,作为生物学进入分子水平的最后一关, 蛋白质和核酸高级结构问题的研究陆续取得了突破, 使关于生命过程以及生物大分子功能的认识开始从知其然向知其所以然发展, 推动生命科学进入了分子水平, 并使分子生物学得以确立。 生命过程几乎没有不在生物大分子的参与下进行的。
提出或测定生物大分子高级结构从而对其功能作出说明的先驱工作有 : 鲍林和科里提出蛋白质的α螺旋模型(1951); 沃森和克里克提出DNA双螺旋结构(1953) ; 佩鲁茨和肯德鲁测定血红和肌红蛋白的晶体结构(1960); 飞利普斯测定溶菌酶的晶体结构(1965)以及利普斯孔姆测定羧肽酶A的晶体结构(1967); 等等。 其中以DNA双螺旋结构的意义最为重大。
蛋白质的晶体结构让我们体会到, 蛋白质分子在执行其功能时很像是一台分子机器。
分子水平确实给予了生命科学不可限量的活力和前景。
DNA双螺旋模型及其发现
这个发现是奠立分子生物学的主力。
DNA双螺旋模型是两条通过氢键结合起来的互补DNA链; 这是两条互补的DNA链通过它们之间一对对配对的有机碱分子之间的氢键所形成的双螺旋。
沃森曾将DNA双螺旋模型的发现过程写成《双螺旋》一书。 书中谈到这个过程颇带传奇性。 他当时认为: 我们既已明确DNA是与遗传有关的物质, 那么知道了DNA的结构, 当对遗传机制的了解必有助益; 而鲍林既已为蛋白质得出其二级结构, 我们为什么不把他的方法应用到DNA上去呢? 沃森这个很有心机的想法或信念可能正是他最后取得DNA双螺旋模型的成功之母。 为蛋白质得出α-螺旋模型的鲍林最早体会到氢键在生命现象中是一个具有无比重要性的结构因素。 他也为生物大分子总结出一整套价键和氢健的键长和键角等定量立体化学参数。 沃森肯定是在这个基础上继往开来的。
沃森和克利克还有幸从伦敦国王学院的威尔金斯那里看到富兰克林女士(Rosalind Franklin)所摄的DNA纤维衍射图。 这又是决定他们成败的一个重要机遇, 因为这个衍射图足以启示, DNA具有双螺旋结构, 而且磷酸根当在螺旋的外侧。 这已经朝着他们的目标又接近了一大步。 真是机会不负有心人, 还有其他机遇在文献中等着他们呢。 E· 夏尔加夫在前不久(1950)发表了一个关于DNA中四种有机碱组成的工作。 这个工作指出, DNA中有机碱A与T和C与G是等分子数的。
他们1953年终于在这些前人工作的基础上提出了DNA双螺旋结构模型。 富兰克林的衍射图和夏尔加夫的分析结果, 是提出这个模型的必要而充分的科学基础。 这个双螺旋结构模型既需要满足定量立体化学的要求, 还必须体现夏尔加夫得出的A与T和C与G的等分子数关系。 这个模型中两个螺旋的内侧正好只能容纳两个通过氢键结合起来的配对有机碱分子如A与T或C与G。 正如沃森预言的那样, 结构模型一经得出就泄露了遗传机制。 模型在无言中告诉我们: 遗传信息体现在以有机碱为字母拼出的文字中; 两条互补的DNA链成为互相复制的模板。
对化学学科未来之展望
化学学科的核心任务或今后的长远努力方向, 大体上可归纳为三个方面:
(1) 开展化学反应的基础研究, 以利开发新化学过程和揭示规律; (2) 揭示组成-结构-性能之间的关系和有关规律, 以利设计分子或结构从而创造新物质; (3) 利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力, 使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。
展望今后化学将一如既往, 积极参与材料科学和分子生物学的发展。 这两个学科与化学都处在原子、分子层次上, 可以分享相当部分的原理和方法学, 而且涉及的是信息、通信以及健康、福利等新兴产业。 在最近20年中, 新物质的创制确实也是十分可观的, 其中最为突出的是一系列高Tc超导氧化物以及以C60为代表的富勒烯类物。 分子筛和金属有机物的合成化学也有值得注目的进展。 最近对纳米科技的呼声很高。 这可能也是创造具有神奇性能新物质的一个途径。 当前，基因总谱的工作接近完成，后续的蛋白总谱当可为化学提供更多的机会。 这是揭示生物学中很多奥秘的好机会。
化学在能源和环境产业中也大有可为。 环境问题在较大程度上也与能源结构密切相关。 当前的能源结构是不可能持续很久的。 利用太阳能发电和制氢以及开发新化学能源已是当务之急。
生命过程在本质上是化学过程, 但我们所熟悉的体外化学过程一般还远非生命过程那样平易而有效。 我们还需要为化学合成开发出像生命过程中的酶那么高效的催化剂。 酶分子简直是一台分子机器。 估计化学迟早也会掌握如何为某些化学过程开发出分子机器般的催化剂。 我们也不可无视化学在生命以外的化学过程中的优势。 在非生命化学过程中, 温度和压力等实验条件以及化学元素组成不像在生命过程中那么局限, 而且几乎是完全没有限制的。 化学学科有时还要懂得“临渊羡鱼, 不如退而结网”的道理。
(据《科学时报》)