未解之谜距离地球上生命的诞生已近四十亿年
生命起源与分子构建：未知的奥秘
距离地球上生命的诞生已近四十亿年，关于生命究竟从何而来，至今仍是科学界的一大谜团。那些简单的分子如何从原始的混沌中破壳而出，进而形成复杂的化合物？这些化合物又如何启动能量代谢，实现自我复制——生命的两大标志？这一进程在分子层面实为化学反应的演绎，生命起源的问题实质上是一个化学问题。
针对这一问题，科学家们的已远超越单纯的假说构建。例如，有研究者推测，矿物质如泥土在形成最初的自我复制聚合物的进程中发挥了催化剂的作用。深海热泉作为能量的源泉，为复杂化学物质的产生提供了动力。“RNA世界假说”也备受关注，它提出在DNA和蛋白质诞生之前，地球上存在一个由RNA主导的世界。这一假说强调了RNA作为一种近似于酶的存在，无处不在地参与了早期的化学反应。
科学家正设法在试管中重现这些假说中的化学反应。约翰·萨瑟兰德带领的团队已经取得了重要进展，他们证实了核苷酸在类似“原始汤”环境中的自发合成过程。其他科学家则聚焦于RNA的酶催化特性，为这一假说提供了强有力的证据。这些步骤的，或许能揭示无生命物质如何转变为自我复制、自我维持的系统的奥秘，从而填补生命进化史上的空白。
随着对太阳系环境的深入了解，生命起源的问题似乎只是更大问题的一部分。火星上的液态水历史、土星卫星泰坦的甲烷海洋以及木星卫星冰层下可能存在的液态海洋等发现，使得我们意识到生命起源的环境可能多样化且充满未知。化学家们正在设想原始生命可能的化学构成，如液态氨、甲酰胺或木星上的超临界氢是否也能成为生命的载体？为何生命必须依赖DNA、RNA和蛋白质？我们是否可以创造出不需要核酸就能复制的人造化学系统？史蒂文·班纳指出，当我们局限于地球生命的研究时，我们难以解答这些问题。我们需要拓展视野，寻找更多可能的答案。
在高中化学课本中，分子结构的学习是核心部分。尽管新的模型不断涌现，但在更为准确的分子外观模型方面，科学家们尚未达成一致意见。从量子力学的角度，我们可以理解化学键的形成过程。鲍林的杂化轨道理论为我们提供了一种解释：当不同原子的电子轨道在空间上重合时，化学键便形成。罗伯特·马利肯和弗雷德里希·洪德的理论则提出分子轨道的并入是化学键形成的根本结果。这些理论为我们理解分子结构提供了不同的视角和工具。生命起源与分子结构的奥秘仍然有待我们去和理解。随着科学的进步，我们有望揭开这些宇宙中最基本的奥秘。近一个世纪以前，理论化学在物理学的一个分支中崭露头角，分子轨道模型成为最被认可的表述方式。但对于是否将其视为研究分子的最佳工具，化学家们的意见并未达成一致。原因在于，分子模型，无论是分子轨道模型还是其他简化的模型，都存在不精确的问题，它们只能部分地描述分子结构。分子是一个复杂的实体，包含电子云中的原子核、相反电荷的静电力引发的拔河游戏，以及不断运动和重组的所有组成部分。现有的分子模型试图将这种动态实体简化为静态，并明确各个组分之间的关系，这种做法虽然能揭示分子的某些突出性质，但也忽略了其他信息。
对于那些每天都在破坏和构建化学键的化学家来说，量子理论并没有给出一个符合直觉的明确定义。现在，人们通常将分子视为通过化学键连接的原子集合。但在德国波鸿－鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克斯看来，这些描述存在局限性。在某些情况下它们是对的，但在其他情境下就可能出错。得益于量子第一性原理，科学家现在可以通过计算机模拟精确地计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少。马克斯指出，计算化学可以极度现实化和复杂化。计算机模拟已经成为一种虚拟实验，用于预测化学反应的过程。但当模拟涉及大量电子时，计算量会变得极其庞大，即使是先进的计算机也可能力不从心。面临的挑战在于如何扩大模拟范围，比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。
关于环境如何影响人类基因这一问题，我们过去认为体内的基因决定了我们的身份。但现在，另一个事实正在改变我们的认知：在“你是谁”这个问题上，你使用了哪些基因与你携带了哪些基因同样重要。这个问题的核心仍然是化学问题。
在早期的胚胎发育中，细胞能够发育成多种类型的组织。但随着胚胎发育的进展，所谓的“多能干细胞”开始分化，走向不同的方向（如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞）。这是干细胞中的染色体受到化学修饰、基因表达按照特定规则开启和关闭的结果。这一化学修饰过程是可逆的，并且受到人体环境的影响。这是一个在克隆和干细胞研究领域中的革命性发现。在干细胞的分化阶段，细胞并不能永久地关闭某一基因，而只是将其保持在一种准备状态。当遇到特定化学物质时，这些被关闭的基因有潜力重新参与工作。
对于化学家来说，最让人兴奋也最具挑战性的是基因表达的调控似乎涉及一系列化学事件。这些事件发生在“中尺度”水平上，涉及比原子和分子更大的分子复合体之间的相互作用。染色质是由DNA和蛋白质组成的复合物，具有复杂的层级结构。目前我们对这种结构还了解不多。细胞通过极好地控制这种组装过程来决定一个基因应该如何表达。在这个过程中，一些酶扮演着重塑染色质结构的核心角色。
在形成高级结构的过程中，DNA和组蛋白会发生化学修饰。这些小分子像标签一样告诉细胞里的分子机器该如何应对基因——是阻止还是允许基因的表达。这种标记过程被称为“表观遗传”。在再生医学中，成熟细胞能否重获分化能力在很大程度上取决于科学家在重置表观遗传标记方面能走多远。现在清楚的是，除了遗传密码里的关键信息外，细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。环境因素能否通过表观遗传的方式影响疾病的发生是一个重要的研究领域。
至于大脑如何思考并形成记忆的问题，大脑就像是一台化学计算机。神经元之间的相互作用通过分子介导的环路进行，这是大脑运作的基础。神经递质在突触间的传递，是这一过程中最关键的环节。突触，即两个神经细胞相连接的地方，是信息的传递枢纽。在这神奇的化学反应中，记忆的运作尤为引人注目。
记忆，如同在大脑的舞台上上演的一场精彩戏剧，抽象的原理与概念、情感体验等，都在这里被“印刻”。这些持续不断的化学信号，形成了神经网络的各种特定状态，实现了记忆的存储和提取。那么，这些化学物质是如何创造出既持续又动态，还能被回忆、修改和遗忘的记忆的呢？
我们已经揭开了一些奥秘的面纱。一连串的生物化学过程改变了突触神经递质分子的数量，从而触发学习过程中的习惯性反射。即使是简单的学习也有短期和长期之分。而更为复杂的陈述性记忆，与NMDA受体蛋白质的活化息息相关。这种受体分布在特定的大脑神经元里，对于我们的日常记忆至关重要。
日常的陈述性记忆往往通过长时程增强（LTP）的过程来编码。这一过程中，神经元突触形成部位会增大，与相邻神经元的连接逐渐增强。这一过程的生物化学机制在过去的数年内已经被阐明。涉及了肌动蛋白纤维的形成，这种纤维是决定细胞大小形状的关键成分。如果生化药物阻碍了新形成的纤维的稳固，突触的改变将无法巩固，这些纤维会在短时间内解散。
无论是简单的还是复杂的学习过程，长时记忆一旦形成，特定基因就会开始表达，合成特定蛋白来极力维持这段记忆。这一机制与名为Prion的分子息息相关。Prion蛋白具有两种构象，可以互相转换。当它处于不可溶的构象时，可以储存一段记忆。这一过程在神经退行性疾病如疯牛病中也有涉及。
关于记忆领域的化学问题仍然存在着许多未知领域等待。例如，如何提取以前储存的记忆？这是一个深奥的问题，目前的分析刚刚起步。这些问题为记忆增强药的开发提供了既迷人又充满争议的前景。实际上，由于长时程学习和记忆有一连串复杂的步骤，也就意味着为这类药物的开发提供了很多潜在的靶点。
科学家们一直在寻找一个被称为“稳定岛”的神秘区域，这是超重元素的天堂，其中元素寿命更长，稳定性更高。物理学家们认为，只要原子核拥有一种特殊的“魔数”质子和中子数量，就会展现出超凡的稳定性。尽管当前的合成技术尚未达到制造这些元素的地步，但理论上的永无止境。德国法兰克福-歌德大学的沃尔特·格雷纳坚持认为，元素周期表不会在第137号元素处止步。这是一个充满无限可能的科学冒险之旅。
那么，我们能否用碳元素来制造电脑呢？答案是肯定的。石墨烯的发现已经为我们指明了方向。石墨烯是一种单层网状碳单质材料，它的出现使得电脑芯片的运行速度更快、性能更强成为可能。虽然碳纳米管等碳纳米材料的应用前景广阔，从高强度的复合材料到微型电子装置，但其商业应用仍然面临挑战。研究者们正在努力解决如何将碳纳米材料与复杂的电子芯片连接的问题。石墨的分离技术为我们提供了制备石墨烯的方法，为计算机工业的未来带来了新的希望。
面对巨大的太阳能潜力，我们如何捕获更多的太阳能呢？经济的制约是一个巨大的障碍，传统光伏电池板的高昂成本限制了其广泛应用。太阳能研究的新方向为我们提供了新的思路。通过阳光来制造燃料是一个值得期待的方向。人造树叶的研究者们已经发明了一种使用硅纳米线阵列的工具，能够实现水分解产生氢气和氧气。美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉及其团队展示了一种含有钴的薄膜，它能促进水分子分解，为家庭提供电力。尽管分解水的催化剂仍然面临挑战，但科学家们正朝着这个目标努力前进。
科学的世界充满了未知和可能。从寻找稳定岛的超重元素研究到碳纳米材料在电子工业的应用，再到太阳能的捕获和利用，科学家们不断着前沿领域。虽然挑战重重，但他们坚信，通过不懈的努力和深入的理解，人类终将突破这些难关，迈向科学的新时代。这是一场永无止境的冒险和之旅，让我们期待更多的科学奇迹出现。在新型催化剂的道路上，加斯特及其团队展现出了令人瞩目的成果与期待。对于诺切拉使用的钴催化剂以及其他基于常见金属的催化剂，他们均寄予厚望。尽管目前这些催化剂的制作成本尚未降至理想范围，但潜力巨大。加斯特提到，关于自然界光合作用的催化剂，有一种特别引人注意的类型，其运作基于四个锰原子和一个钙原子。他和同事们已经开始模拟自然界的光合作用，通过分子器件实现人造光合作用。尽管面临诸多挑战，如有机分子的分解和破坏问题，他们依然朝着合成可用于最终分子器件的基本结构单元的方向努力前行。
关于制造生物燃料的途径，除了直接采集太阳光的方法外，人们也开始其他方式利用太阳能。其中一个方案是利用植物将太阳能储存起来，然后将植物转化为燃料。尽管生物燃料已在能源市场上占据一席之地，但仍然存在许多挑战，包括与粮食供应的矛盾以及在第三世界国家中对大量耕地的需求。将粮食转化为能源可能并非最佳选择。一种可行的解决方案是利用非粮食生物质来获取能源。如何将低等级的生物质转化为燃料是一大挑战，但化学家已经迈出了第一步。他们正在寻找能够打断木质素分子结构中氧原子与苯环上碳原子连接的有效催化剂。最近，美国伊利诺伊大学的约翰·哈特维格和阿列克塞·塞尔吉福成功完成了这项任务，他们发现了一种基于镍元素的催化剂可以实现这一目标。未来，这些生物质的转换将越来越依赖于高效的催化剂和液化过程，以便更方便快捷地通过管道运输。
在药物研发领域，化学家也在不断创新方法。组合化学虽然一度被认为是药物化学的未来，但现在正寻求新的突破。借助生物技术如DNA条形码技术或进化论思想改造候选分子库等方法，化学家有望合成足够多的分子类型并从中筛选出需要的药物分子。按照自然规则连接分子片段的方法也展现出潜力。例如，化学家可以参考蛋白质的生物合成模式，通过编程方式让化学分子自组装。这种方法不仅环保，还能减少不必要的副产物和能量浪费。哈佛大学的戴维·刘教授及其团队正在沿着这条道路前行，他们通过连接短链DNA在分子模块上进行尝试，这些DNA可以编码连接分子模块的结构信息。随着科技的进步和新方法的，我们有理由期待未来在药物研发领域能取得更大的突破和进展。在科学的微观世界里，研究者们已经开发出一种独特的分子系统，它能够沿着短链DNA自由游走，并读取其中的编码信息。这些分子就像灵活的编织者，将小分子巧妙地连接到分子模块上，构建出独特的连接结构。这一过程与细胞中蛋白质的合成过程颇为相似，戴维·刘的这一创新方法为新药的研发开辟了一条全新的道路。
“许多生物学家深信，大分子将在未来的医疗领域扮演日益重要的角色。”戴维·刘表示，“即便它无法占据主导，其影响力亦不可忽视。”
随着科技的飞速发展，化学家们不再满足于简单的分子构建。他们渴望与分子进行的交流，并为此努力在活细胞与传统计算机之间搭建一座桥梁。这座桥梁的实现，依赖于光纤传递的信息。
事实上，这个概念并非全新。早在上世纪60年代，研究者就开始使用生物传感器来监测人体血液中的葡萄糖浓度。这些传感器内部发生着化学反应，能够感知到物质的存在和变化。化学传感器有着广泛的应用领域，从检测食物和水中含量极低的有害物质，到监测空气污染物，以及各种气体的含量，几乎无处不在。未来，随着反应更快速、成本更低廉、敏感度更高的化学传感技术的普及，其在以上所有领域的应用都将得到巨大的提升。
在生物医药领域，新型化学传感器展现出了最引人注目的潜力。一些癌细胞基因的产物在癌症病变能被常规临床手段检测到的很久之前，就已经进入了血液循环。如果能够检测到这些早期的化学变化，那么医生就能更及时、更准确地做出诊断。借助快速基因组检测技术，医生可以根据每个人的具体情况制定个性化的治疗方案，从而降低药物滥用的副作用，并让一些因可能对少数人造成危害而被限制使用的药物得以充分发挥其治疗作用。
一些化学家预见，未来传感器将能够持续、静默地监测与人的健康和疾病相关的各种生物化学反应。这些传感器或许能为手术中的外科医生或输送治疗药物的自动化系统提供实时数据和信息。这些未来的应用都依赖于化学技术的持续进步，尤其是那些能够选择性感知特定物质和化学信号的技术，即使在监测对象的浓度非常微小的情况下也能发挥作用。随着这些技术的不断进步和完善，人类将在自我治疗和健康管理的道路上迈出更大的一步。