（中科院院士北京大学化学系）

本文作者

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基础学科，它们都有各自的使命和传统。但由于其学科内容深处的盘根错结，随着发展，它们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发展的来龙去脉。

化学学科之奠立和原子论

近代化学发轫于1774年拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier）和1803年道尔顿（John Dalton）分别提出的元素学说和原子学说。此前多少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。从这些摸索中可能得出了这样的经验：在从事物质转化探索的同时必须注视物质的组成这样的基本问题。元素和原子的假说应运而生，化学由此进入了持续至今以原子论为主线的现代化学时期。从1860年起，康尼查罗（Stanislao Cannizzaro）采纳了阿佛加德罗（Amedeo Avogadro）假设，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，从而使原子论或原子-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；分子的结构决定其性能；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

物理学科的发展经历了两个时期：从质点运动和波动这两个极限来反复研究热、光、声、电、磁等效应的经典物理和揭示了原子内部结构及波-粒二象性等的近代物理。

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：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、不对称分子的旋光效应和碳的四个价键的四面体向以及关于结构与性能之间关系等的规律性，对物质世界的认识大为开扩和深入，并为自然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前进一步，把认识深入到原子内部，以便阐发化学变化的内幕，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科学基础。从19世纪末起终于揭开原子内部结构发现了电子，并在揭示了相对论和波-粒二象性后将牛顿力学上升到了以相对论和量子力学等为代表的近代物理，同时使科学研究和技术开发进入了一个新时代。物理学界在进入近代物理前后的先驱人物从法拉第（Michael Farady）、麦克斯韦（James Clerk Maxwell）经过伦琴（Wilhelm K. Röntgen）、汤姆孙（Joseph J. Thomson）、普朗克（Max Planck）、爱因斯坦（Albert Einstein）、卢瑟福（Ernest Rutherford）直至德布罗意（Louisde Broglie）、薛定谔（Erwin Schrödinger）和海森伯（Werner K. Heisenberg）等以及他们的贡献都是众所周知的。

图为沃纳 · 海森伯

近代物理不但对物理、也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。电场、磁场、X射线等电磁波、放射性和同位素等在化学研究中的广泛应用都是这个新时期的重要标志。对原子结合成分子层次上的运动，牛顿力学是无能为力的，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：达尔文（Charles R. Darwin，1859）的进化论；魏尔啸（Rudolph C. Virchow，1860）的细胞学说；孟德尔（Gregor J. Mendel，1865）的遗传定律。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秘色彩以及联系农业和医药方面的问题，就必须从化学来研究生命以及作为其载体的各种生物，并将认识逐渐从细胞深入到分子层次。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有了长足的进展。比起1828年韦勒（Friedrich Wöhler）从氰酸氨盐制取尿素的工作，水平已不可同日而语。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。

现选列若干对生物化学的奠立和发展有重大关系的工作如下：费希尔（Emil H. Fischer）在1902～1907年奠立了糖和蛋白质的化学；托德（Alexander R. Todd）在1944年奠立了核酸的化学；艾弗里（Osvald T. Avery）在1944年确定基因的载体是DNA，而不是蛋白质；马丁（Archer J. P. Martin）和辛格（Richard L. M. Synge）在1944年发展出纸色层分析技术；查伽夫（Erwin Chargaff）在1950年得出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；桑格（Frederik Sanger）在1953年从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，得出了胰岛素的一级结构。

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，而进入分子水平前后的生物学也为化学提供了更多能充分发挥其作用的契机。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转化的规律。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秘，并创造出具有神奇性能的新物质。

图为弗雷德里克 · 桑格

在美国对化学还有一种甚嚣尘上的提法，说化学是一门中心科学，它能满足社会多方面的需要。有兴趣的人可以参阅美国全国研究委员会（National Research Council）所属的化学科学中机会调研委员会（Committee to Survey Opportunities in the Chemical Sciences）提出的报告：《化学中的机会》，该报告1985年已在美国科学院出版社出版，1986年中国化学会出版了中译本。而从学科之间的地位来看，化学在自然科学中也确实处在一个多边关系的中心。但我们也不会对国内曾有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。而化学在学科中的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。如果物质和运动分别是化学和物理的侧重点的话，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，形成物资库，然后再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，化学学科已显得越来越有可能和需要去迎接一个以“分子设计”为中心的新工作模式了。这个工作模式称为化学工作的分子工程学模式。与传统的模式比较，开发这样的工作模式是逆向而行的，即要根据所需性能来设计结构，再来进行合成。为此，化学要多致力于贯通性能、结构和制备三者之间关系的研究；今后化学教学中也当更多地注意物质的工程技术性能，而不要像在传统的化学中那样几乎只考虑对它们进行分离和表征有关的性能了。

生物学之进入分子水平

图为佩鲁茨与肯德鲁

生物化学的研究已经带动生物学走向分子水平。而在1950～1960的十年中，作为生物学进入分子水平的最后一关，即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。

推引和测定生物大分子高级结构从而促使生物学进入分子水平的先驱工作有：鲍林（Linus Pauling）推引出蛋白质的α-螺旋（1951）；沃森（James D. Watson）和克利克（Francis H. C. Crick）推引出DNA双螺旋模型（1953）；佩鲁茨（Max. F. Perutz）和肯德鲁（John C. Kendrew）测定血红和肌红蛋白的晶体结构（1960）；菲利普斯（David Phillips）测定溶菌酶的晶体结构（1965）；利普斯孔姆（William N. Lipscomb）测定羧肽酶A的晶体结构（1967）。

在此当指明两点：在生物大分子高级结构的启示下，当不难体会蛋白质分子在执行其功能时宛如一台分子机器；生命科学发展情况足以说明，分子水平提供的新认识确实给予了生命科学以不可限量的活力和前景。

DNA双螺旋模型及其发现

DNA双螺旋模型的发现揭示了生物在分子水平上的遗传机制，即DNA储存和复制遗传信息的机制。

DNA双螺旋模型是两条通过氢键结合起来的互补DNA链；这是一个由两条DNA链通过它们之间一对对配了对的有机碱分子之间的氢键所形成的双螺旋。

DNA双螺旋模型的发现过程曾原原本本地被沃森（James D. Watson）写在《The Double Helix》（双螺旋）一书中，该书1968年出版于纽约的Atheneum出版社。当时虽已明确了有关遗传的物质是DNA，而不是蛋白质，但像沃森和克利克那样能充分认识到它的重要性，而且需要不失时机地动手研究的人还不多。当他们知道了鲍林已成功地为蛋白质的高级结构推引出了α-螺旋等二级结构的模型时，就急不可耐地也要从推引DNA的结构来入手解决遗传的机制问题。沃森这个想法是很有独到之处的，因为他一方面意识到研究DNA问题的迫切性，同时也慧眼识珠，及时找对了解决问题的路线。

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极为重要的结构因素。他也曾为生物大分子总结出一整套价键和氢键的键长和键角等定量立体化学参数，并成功地推引出α-螺旋模型。沃森要在这个基础上推引DNA结构的想法是可取的，但还需要其他科研资源作为前进的依据。

在为一个多肽链段搭出一个α-螺旋时，只需考虑一个靠分子内氢键形成的单螺旋，20种氨基酸残基的各种R基伸向螺旋外侧，从而并不影响螺旋主体的规则性。DNA链是由核苷体缩合而成，核苷体所结合的有机碱分子有4种，分别以A、T、G、C为代表。鲍林曾意识到DNA也可能具有螺旋结构，但不会是α-螺旋那样的单（链）螺旋，但究竟是双螺旋或三螺旋以及其他多螺旋就带有很大的盲目性了。他不幸选择了三螺旋的模型。此外，在α-螺旋的情况中将氨基酸残基的R基放在螺旋的外侧正可以使螺旋的主体保持规则性。而这个先入为主的想法很可能是在搭建DNA螺旋体时错误地将顺序变幻不定的4种不同的有机碱基放在外侧并将磷酸根放在内侧的导因。这无非说明，对DNA的结构问题来说，结构化学还不能`包打天下'，高质量的衍射图是不可缺少的。

实际上，伦敦国王学院威尔金斯（Maurice Wilkins）的实验室里有位富兰克林（Rosalind Franklin）女士已经摄到了高质量的DNA纤维衍射图，而且对衍射效应进行过分析，认为DNA是双螺旋，而且磷酸根分布在外侧。这两点已将盲目性大为减小，这对正在搭建DNA模型的沃森和克利克来说简直如鱼之得水。在将有机碱基安排在双螺旋内侧的过程中，虽然通过现学即用的结构化学他们仍遇到了不少周折，但问题的解决基本上已落入结构化学原理和方法力所能及的范围之内了。工作深入到了一定的阶段时，还可从查伽夫不久前发表的关于DNA中有机碱A与T和G与C等分子数的结果中得到极大的启示。

在他们1953年得出的DNA双螺旋模型中，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了对的有机碱分子如A与T和G与C。在四个有机碱分子中，只有A与T和G与C是两对能于通过氢键结合配对的有机碱分子。正如沃森他们设想的那样，DNA结构模型一经得出就会泄露遗传的机制。模型在无言中告诉我们：遗传信息体现在以四个有机碱分子为字母组成的文字中，两条互补的DNA链则形成了能于互相复制的模板。

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）开展化学过程的基础研究，了解过程的机制并揭示其规律，以利过程的控制并开发和设计新化学过程；（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，据以创造具有预期特色的新物质；（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。这两个学科都与化学处在原子-分子层次上，可以分享相当部分的原理和方法学，而且涉及的既有需要更新的传统产业以及信息和健康等新兴产业。在最近20年中，新物质的创制确实也是十分可观的，其中最为突出的是高Tc超导氧化物、以C₆₀为代表的富勒烯类物以及一系列新药物和新材料。分子筛、金属有机物和复杂天然产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，基因总谱工作的进展顺利，后续的蛋白质总谱当可为化学提供更多发挥作用的机会。揭示蛋白质等生物大分子结构的方法已从X射线晶体学方法扩展到核磁共振和质谱方法，这是化学生物学揭示生物学中很多奥秘的好机会。

图为罗莎琳德 · 富兰克林

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电源和新能源物质已是当务之急了。

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难像生命过程那样平易而专一。

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各种化学过程开发出分子机器般的催化剂。这方面的工作已经有了可喜的开端了。

我们也不可无视化学固有的优势。在非生命化学过程中，温度和压力等反应条件以及化学元素组成不像在生命过程中那么受到限制，变化的空间要广阔得多。这个额外的空间也是化学创造具有新奇性能的新物质的有利条件。展望今后科学、技术层出不穷的发展一定会让人感到眼花缭乱，化学学科中人有时还要懂得“临渊羡鱼，不如退而结网”的道理。