世界化學10大未解之謎 你看不懂的一些化學方程式

2023-03-28 04:22:56

化學世界的10大未解之謎絕大部分最精深的科學問題,生命從何而來?距地球上第一種生物從無生命物質中誕生，至今已近40億年，但最初的生命是如何出現的，至今仍是個謎。不論是前史方面，仍是地輿方面，國際上都存在著很多未解之謎。而在化學國際裡，也有一些未解之謎。下面就跟著51區小編一起來看看化學國際的10大未解之謎。

1 生命從何而來?

有研究者推斷，在第一種能夠自我複製的聚合物(類似DNA或蛋白質一類的分子，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，才會產生結構複雜的化學物質。

我們現在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管裡面觸發化學反應，驗證上面提到的那些假說。科學家已經取得了一些進展，他們的研究表明，一些化學物質可以自發排列，形成更加複雜的結構——例如胺基酸，還有眾所周知的核苷酸(nucleotides，DNA的組成單元)。2009年，現供職於英國醫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)所帶領的團隊已經證實，在「原始湯」中，確實可能存在自發的核苷酸合成過程。

其他一些科學家則著重研究了特定RNA類似於酶的催化特性，為「RNA世界假說」提供了一些證據。通過這些步驟，科學家也許可以弄清楚，無生命物質如何轉變成能自我複製、自我維持的系統，從而填補生命進化史上的這個缺失環節。這些發現促使化學家展開想像，去創想原始生命可能的化學構成。

2 分子如何形成?

在高中化學課本裡面，分子結構可算是最主要的內容之一。但是，這些看上去由「球」(代表原子)和「棍」(代表化學鍵)構成的模型已經有些年頭了。並不是沒有更新的模型，問題在於，科學家在更為準確的分子外觀模型方面，並未取得一致意見。

近100年後，分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對於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。原因在於，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構。事實上，分子就是電子云中的一團原子核，並通過相反的靜電力，與另外一團原子核進行著一場永不停止的「拔河遊戲」，而且所有的組成部分都在不停地運動和重組。現有的分子模型通常試圖將這樣一種處於動態的實體變為靜態，並且明確各個組分之間的關係，這種做法會顯示出分子的一些突出性質，但同時也會將其他信息忽略掉。

現在，科學家可以根據量子第一性原理(quantum firstprinciples)，通過計算機模擬來計算分子的結構和性質——只要電子數量相對較少，就能獲得精確度很高的結果。「計算化學可以極度現實化和複雜化，」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於幾十個電子，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，我們面臨的挑戰將會是能否放大模擬範圍，比如細胞中的複雜分子過程或某些複雜材料的分子結構。

3 環境如何影響人類基因?

對化學家而言，最讓人興奮、也最具挑戰性的是，基因表達的調控似乎涉及一些化學事件。這些事件發生在「中尺度」(mesoscale)水平上，主角是比原子和分子更大的分子複合體，涉及複合體之間的相互作用。染色質(chromatin)是由DNA和蛋白質組成的複合物，具有一種層級結構。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，然後這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結構。目前我們對這種結構還知之不多(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，被定位到染色質的哪個位置，也許就決定了它能否正常表達。

染色質在形成高級結構的過程中，DNA和組蛋白還會發生化學修飾。一些小分子會結合到DNA和組蛋白上，就像標籤一樣，告訴細胞裡的分子機器該對基因採取何種措施：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)現象，因為該過程不會改變基因攜帶的遺傳信息。

現在比較清楚的是，在遺傳上，除了遺傳密碼裡的關鍵信息，細胞還有一套完全不同的「化學語言」——這就是表觀遺傳。英國伯明罕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，包括癌症在內，但是一種潛在的疾病最終是否發作，通常還要看環境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用。」

4 大腦如何思考並形成記憶?

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」在大腦裡，持續不斷的化學信號形成了神經網絡的各種特定狀態，從而實現了這種「印刻」。那麼，化學物質是如何創造出一段既持續又動態，還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢?

我們日常的陳述性記憶往往是通過一種叫做「長時程增強」(long-termpotentiation，縮寫為LTP)的過程來編碼的，LTP與NMDA受體有關，並伴隨著神經元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長，它與相鄰神經元的連接也逐漸增強，具體表現就是到達突觸間隙的神經脈衝所引起的電壓升高。這一過程的生物化學機制在過去數年內業已闡明。其中涉及了神經細胞內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固，在突觸發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再次解散。

關於記憶是如何工作的，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科學家、諾貝爾生理學或醫學獎得主埃裡克·坎德爾(Eric Kandel)表示：「這是個深奧的問題，目前的分析剛剛起步。」