化學：人類生存和發展的基礎
——以諾貝爾化學獎為線索

袁進，郝京誠

山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室，濟南 250100

1 引言

諾貝爾化學獎是以瑞典著名化學家、硝化甘油炸藥發明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾(1833–1896)的部分遺產作為基金創立的5項獎金之一[1]。今年是從1901年頒發諾貝爾獎以來的120周年，到2020年共誕生了112屆諾貝爾化學獎。獎項涵蓋了基礎理論、化學方法、化學技術、化學物質等方面，從各個領域影響著人類的生存與發展，在環境、能源、材料、生命科學以及信息技術等方面對社會做出了巨大的貢獻。在教授本科生物理化學二十年的教學過程中，經歷了普通班級化學專業學生，“國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地”(簡稱“理科基地”)班級學生，到“基礎學科拔尖學生培養計劃1.0”(山東大學為“泰山學堂”化學專業)化學專業學生。授課班學生人數有上百名的班級，有30名左右的班級，也有10名左右的小班級。2020年國家又實施“基礎學科拔尖學生培養計劃2.0”，但授課過程中，可以發現很多學生，即使是入選了拔尖計劃班的學生，仍然對自然科學的重要意義，特別是基礎科學研究的本真缺少基本的認知。絕大部分學生缺失對學科社會貢獻的了解，甚至對于重大人類發現沒有基本的概念。本文希望以諾貝爾化學獎為線索，感受化學學科的魅力，了解化學學科的歷史，認識化學學科的社會重要意義，從中思考化學學科該如何發展，特別是讓學生明晰一個基本的概念“化學是人類發展的基礎”。

2 化學的誕生與發展

化學具有悠久的歷史，可以說，從人類學會使用火開始，最早的化學實踐活動便拉開序幕。初期，化學首先經歷了冶金、火藥、造紙等實用技術的發展。進一步深入對燃燒研究，到18世紀，化學領域在基本理論方面具有了重大的突破。拉瓦錫是這一里程碑時期的代表人物，被稱為“近代化學之父”。他使得化學從定性轉為定量，給出了氧和氫的命名，標志著近代化學的誕生[2]。至此化學作為一門自然科學，開始了他的偉大征程。隨后，經歷了無數科學家的努力奮斗，現代化學已經發展成為一張系統龐大、錯綜復雜的學科網絡，以四大化學為基本，發展出了許多不同層次的分支學科，在理論、實驗技術、應用等方面實現了飛躍式的發展。無論現在還是未來，化學都將作為一門中心學科釋放他的無限能量。

3 化學學科對人類生存的社會貢獻

從近年來的諾貝爾化學獎入手，我們可以觀察到現代化學已經滲透到人類生活的各個方面(圖1)，化學學科不僅促進了不同學科的進步與發展，還承擔著衣食住行、保證健康、提供能源以及保護環境等使命。接下來，我們將重新沿著諾貝爾化學獎的足跡，探究化學學科發展對人類生存與社會做出的巨大貢獻。

3.1 化學與學科進步

化學作為一門中心學科，直接或間接地促進了不同學科以及交叉學科的發展。對于物理化學這一基礎學科，已經成為多學科的基礎，從諾貝爾化學獎可以了解不同學科的建立與發展過程，我們將以物理化學這一基本學科為例，探索學科進步的足跡。第一屆諾貝爾化學獎授予了荷蘭科學家范特霍夫，表彰他發現了“溶液滲透壓”這一現象并提出“化學動力學”理論。在隨后的時間里，先后有12個諾貝爾化學獎項與物理化學理論直接相關(表1)。究其原因是物理化學的建立在根本上推動了化學學科的發展，他是一門研究化學變化本質和規律的學科。物理化學的核心主要體現在“化學熱力學”“化學動力學”與“物質結構”三大方面[3]，這些是我們解決實際問題的理論基礎。通過研究化學熱力學，可以實現能量的綜合利用，達到節能減排的目的，還可以回答生命的起源；研究化學動力學可以提高反應效率，直接提高經濟效益；而所有問題的本質都歸因于物質的結構，探究生命現象、藥物療效、功能材料的本質，我們便可以從分子水平上對各種材料進行改造。足以見得物理化學是構建現代化學的基石，它以堅實的根基、交叉性的學科特點以及哲學性的理論思維，支撐并引導著整個化學營壘，不斷推動社會的進步與發展。

表1 與物理化學直接相關的諾貝爾化學獎

3.2 化學與生命科學

另一項貫穿諾貝爾化學獎歷史的研究領域是對于生命科學的探索。化學與生命科學的緊密聯系體現在兩個方面：一是利用藥物治療疾病，二是對于生命現象的探索[4]。目前先后有幾十項與生物化學相關研究獲得了諾貝爾化學獎(表2)。

表2 與生物化學相關的諾貝爾化學獎

利用化學合成藥物治療疾病直接與人類的健康與生存相關，其本質為藥物合成化學。2001年諾貝爾化學獎獲得者野依良治(Ryoji Noyori)就曾提出：“化學是現代科學的中心，而合成化學則是化學的中心”。它涵蓋了科學研究、材料創新、藥物研發等多個領域。早在1947年諾貝爾化學獎就表彰了羅伯特魯濱遜在生物堿方面的研究。他致力于有機結構和有機理論的研究并應用于生理學方面，成功地測出生物堿如罌粟堿、尼古丁嗎啡等的化學成分和結構式，更突出的是他與一名學生精確地測定了青霉素等一批抗菌素藥物的結構及在生理和藥理方面的作用機理，成功地合成了盤尼西林、馬錢子堿等藥物。合成藥物在人類健康以及壽命延長中起到了至關重要的作用。再看肆虐2020年的新冠肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，從病毒發現以來針對新型冠狀病毒的藥物研發就已經開始。分離病毒、篩選種子毒株、研發檢測試劑、攻關藥物疫苗，這是維護人類健康之戰，是和死神的較量。展望未來，小分子藥物、生物大分子以及基因療法、細胞療法等新興療法將繼續為人類的健康保駕護航，這更離不開化學學科在藥物制劑創造，藥物選擇優化以及藥物輸送系統的研究與創新。

而對于生命的探索是一個循序漸進的過程。從表2中我們可以看出對于生命科學的探索主要通過對于生物分子的深入探究展開。從糖類、嘌呤等生物小分子到維生素、性激素、多肽激素以及蛋白質酶等生物大分子，從結構組成到化學合成，從性質應用到機制研究，利用化學理論從分子水平為破解生命的奧秘打開了一扇大門。以2020年諾貝爾化學獎為例，表彰了兩位女科學家在基因組編輯方法研究領域做出的貢獻。指的是CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)基因編輯技術，該方法具有成本低、易上手、效率高等優勢，使得對基因的修剪改造變得“普通化”。隨著這一技術的應用，植物研究者可以開發能夠耐霉菌、害蟲、和干旱的植物，在醫學領域也使得治愈遺傳性疾病有望成為現實。可以見得，對于生命科學基本化學理論的研究不僅會在基礎科學領域引發變革，還會產生眾多創新性成果。

3.3 化學與工業發展

說到化學大家往往第一個聯想到的就是工業發展。化學工業作為國民經濟的基礎和支柱產業，在國民經濟中占有極其重要的地位。當今世界，化工產品涉及國民經濟、國防建設、資源開發和人類衣食住行的各個方面，對解決人類社會所面臨的人口、資源、能源和環境的可持續發展等重大問題，起到了十分重要的作用。而基本化學理論、化學技術是化學工業的發展核心。化學工業經歷了有機化學工業、石油化學工業、化工機械時期、化工系統工程學以及化學工業過程開發等多個階段，均在諾貝爾化學獎的足跡中得以體現(表3)。1905年，諾貝爾化學獎表彰了阿道夫·馮·拜爾(Adolf Von Baeyer)對有機染料以及氫化芳香族化合物的研究，正是他的研究，使世界上建立了無數個化工廠。從此有機化學工業進入了一個新的發展階段。再到1931年，化學高壓技術獲得了諾貝爾化學獎，對于現代化學工業做出了不可磨滅的貢獻。由于化工生產過程工藝復雜，操作要求嚴格，通常需要高溫、高壓的環境，因此化學高壓技術的發現使得更多的化學工業生產成為可能。1963年齊格勒-納塔催化劑的研究使得化學工業的發展進入了新的階段。催化劑的出現使得越來越多的化工生產不再需要高壓條件，大大減少了生產成本，并且實現了對于產物結構與性質的控制。除此之外，從科學研究角度上，齊格勒-納塔催化劑帶動了對聚合反應機理的研究。隨著機理研究的深入，一些對產物控制性更好的有機金屬催化劑系統不斷出現，如茂金屬催化劑、凱明斯基催化劑等。由于化學工業本身面臨著不可忽視的安全和污染等問題，因此化學工業也在不斷努力利用化學方法為人類提供更多更新的能源，為改善人類生存條件作出新的貢獻。

表3 與化學工業相關的諾貝爾化學獎

3.4 化學與能源環境

隨著化學工業帶來的環境問題日益嚴重，進入新時代，環境問題和能源問題引起了研究者的廣泛關注。環境問題目前作為全球面臨的嚴峻挑戰，需要全世界人類的共同努力，諾貝爾化學獎的變遷也體現了這一時代要求的變化。在1995年諾貝爾化學獎首次進入環境領域，表彰了三位科學家保羅·克魯岑、馬里奧·莫利納和弗蘭克·舍伍德·羅蘭對于大氣化學的研究，特別是有關臭氧的形成和分解的研究。正是這一研究引起了世界各國對臭氧層的關注，促使國際上對保護臭氧層問題及時采取了一致的行動，從而使人類和地球上的生物有可能避免由臭氧層耗損帶來的巨大災難。因此化學與環境密不可分，而未來化學必將發展為“綠色化學”，在減少危害的前提下，為保護環境做出應有的貢獻。

解決環境問題最有效的方式就是調整能源結構，開發新能源，從源頭角度減少污染物的引入。能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，是從事各種經濟活動的原動力[5]。進入新時代，新能源的出現引發能源變革，一系列綠色能源飛速發展。電化學儲能材料與技術是清潔能源利用、轉換和儲存的關鍵。2019年諾貝爾化學獎頒給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆與吉野彰這三位被稱為“鋰電池之父”的科學家，以表彰他們在鋰離子電池領域做出的突出貢獻。鋰電池在現代社會中扮演著重要的角色，我們熟知的智能手機等數碼產品基本都由鋰電池來驅動，可以說，這三位科學家研發的鋰電池，開啟了電子設備便攜化進程。鋰電池從1991年首次進入市場，經過不斷發展和技術革新，完全改變了我們的生活，可以說如果沒有體積小、重量輕、容量高、壽命長的可充電電源，不可能實現數字化、IT、移動等便捷生活。正是他們的科學貢獻，才讓我們享受到新技術給人類工作和生活帶來的便利。也使得無化石燃料的新能源結構成為可能。

3.5 化學與功能材料

新工業、新技術和新要求促進了新材料的開發與應用。廣義上說，材料是具有一定性能和功能，可為人類所用的物質。材料是人類賴以生產和生活的物質基礎[6]，人類社會的發展離不開材料，材料又推動了時代的發展，其與人類社會、環境、生存密切相關。根據化學組成的不同，材料可以分為非金屬材料，金屬材料和有機分子材料；而根據使用功能，材料可以分為復合材料、高功能材料、結構材料和信息材料。形形色色的材料在不同領域發揮著不同的作用，以滿足更多的使用需求，我們也在歷年的諾貝爾化學獎中找尋到了幾類不同材料的代表(表4)。

表4 與功能材料相關的諾貝爾化學獎

1996年，美國羅伯特·科爾、英國哈羅德·沃特爾·克羅托和美國理查德·斯莫利發現了富勒烯，因此獲得諾貝爾化學獎。富勒烯是碳材料家族的代表，碳的化合物也已經成為人類日常生活中不可缺少的材料之一。從尼龍、汽油、香水和塑料，到鞋油、滴滴涕和炸藥等，范圍廣泛、種類繁多，應用領域更是涵蓋了催化、能源等多個領域。碳(carbon，也就是木炭)是最基本的化學元素。碳元素發現的很早，以游離元素存在的石墨和金剛石最為熟知[6]。自20世紀末開始，石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯以及石墨炔使得碳家族不斷擴大。碳家族的不斷擴大也豐富了碳材料的功能，優異的物理化學性質如光學、儲能、催化以及機械性能等使其在材料、電子、半導體等領域得以大展拳腳。

2000年諾貝爾化學獎授予了美國和日本三位科學家表彰他們發現和發展了導電聚合物。導電聚合物的發展使其可作為發光材料以及導電材料如光致發光、發光二極管、發光電氣化學電池以及激光等等，并廣泛用于彩色液晶顯示器等，可以毫不夸張地說，其影響一直延續至今，并得到了更大的擴展。除此之外，2008年的綠色熒光蛋白，可以作為發光的遺傳標簽，讓人類更加了解自己的疾病。2016年的分子機器，使微型“起重機”、人工“肌肉”和袖珍“馬達”等不再是天方夜譚。由此可見，化學的研究促進了材料的發展，而材料又是社會進步的物質基礎和先導，也正是由于連續不斷的開發和使用新材料才構筑了今天的文明社會，使更多的不可能變為可能。

4 未來化學的發展

以諾貝爾化學獎為線索，沿著化學學科發展的足跡，我們已經了解到化學與我們人類息息相關，相輔相成。同時，通過縱觀諾貝爾化學獎的時代變遷，我們可以認識到，對于學科的推動與發展以及生命奧秘的探索將成為永恒的發展目標。除此之外，新能源、新材料、新方法的出現將代替傳統的化學產業，以滿足新時代、新環境的要求。因此，作為化學人，我們不禁要思考，未來的化學將何去何從。簡單來說，我們可以把未來的化學比喻成一棵正在茁壯生長的大樹，基礎化學是他的根本，要沿著綠色化學這個枝干，融合多種多樣的交叉化學，讓化學之樹煥發勃勃生機(圖2)。

圖2 未來化學發展之樹示意圖

一是基礎化學。有人說，“化學是一門成熟的老科學”。意味著基礎好，起點高，發展慢[7]，但是執著于化學學科的科研工作者心中都明白，以四大化學為根本的基礎化學，也就是基本的化學現象、化學理論、化學物質還有著許許多多的未解之謎。一個化學鍵、一個化學反應都會帶來翻天覆地的變化。為何氮氣和氫氣生成氨氣一個簡單的化學反應方程式可以獲得三次諾貝爾化學獎，這就是化學變化的魅力，是研究不斷深入的結果。基礎化學還需要科研工作者義無反顧地堅持下去，這是化學發展的根本。

二是綠色化學，其實這個概念早已被美國化學會提出，大家的研究理念有了創新與發展，但是與實際應用之間還有很長的一段道路，目前還不能完全避免一部分化學物質對人類健康和環境造成的危害。從綠色化學的概念看，是指被用來防止污染的一種科學方法。它想要實現的目標是通過一系列原則和手段，來減少或消除設計、制作和使用化學品時產生的有害物質[8]。綠色化學更多的是作為一種理念，已經成為化學學科未來發展的準則。

三是交叉化學。化學是一門社會迫切需要的中心學科，在21世紀，化學更是與信息、生命、材料、環境、能源、地球、空間和核科學等八大新興學科有著緊密的聯系、交叉和滲透[7]。生物化學、能源化學、固體化學等以化學為中心的交叉學科應運而生，這也符合時代特點。交叉學科的優勢在于結合多學科的理念、多學科的實驗方法、多學科的理論基礎，創造新理論，新發明和新的工程技術。未來，交叉學科將向更深、更高、更遠的方向發展。

5 結語

化學是人類生存的基礎。無論是化學與能源、化學合成材料、營養物質等，都與化學有著密不可分的關系。恩格斯曾經說過：“化學既是關于自然的科學，又是關于人的科學。在當代科學的發展趨勢中，它們正在走向統一。因此，化學不僅僅是認識生命與進化的手段，也是人類生存和獲得解放的手段。”我們要認識到化學學科的重要性，利用好化學學科這一重要工具，選擇可持續發展之路，不斷促進人類社會的繁榮與發展，