化学学科发展

化学学科的发展历程

□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。