化學家（Chemists）的迷惘何在

Posted on 2009/11/29 in 化學, 化學新知, 化學與社會, 知識通訊評論, 科技報導 with 尚無留言 6,034 views

化學家的迷惘何在
知識通訊評論第42期

化學是所有科學學門的關鍵成分，但這是否意味著它只是一把好用的工具，或是還有一些主要的化學問題需要破解？一些化學家提出了他們認為的化學大哉問。

物理學家一點也不會迴避探討推動他們研究領域的那些大哉問，像是「宇宙怎麼開始的」，或是「從原子到宇宙，主宰時空與物質行為的是什麼」。生物學家也是一樣，樂於指向薛丁格 (Erwin Schrödinger) 的著名問題「什麼是生命」，嘗試以揭露 DNA ，繪出蛋白質結構與互動情形，來予以解答。

但是在課程表上的第三個基礎科學又是如何呢？若是透過大眾媒體對化學不怎麼關注的報導來進行判斷，會認為這個學門風光不再，主要謎團均已得解，也就不足為奇了。化學還有什麼真正的未解之謎嗎？

化學家的迷惘何在

確認這些前沿問題似乎格外緊急，因為各大學的化學系面臨著不確定的未來。諾貝爾化學獎得主克洛托 (Harry Kroto) 落腳多年的英國索塞克斯大學化學系，最近才遭遇關門大吉的威脅；它到目前為止拒絕以「化學生物學」之名被併入生命科學系，但其他幾所英國大學的化學系可就沒這麼好運了（詳見《知識通訊評論》第三十六期〈英國關閉化學系的風潮〉）。類似的情況也發生在美國，由美國化學學會 (ACS) 出版的《化學與工程新聞》 (Chemical and Engineering News) 一篇2004年的社論，提議將該組織改名為「分子科學與工程學會」。

隨著各化學系紛紛關門歇業，學生數量日漸減少，今日的化學家還能確定他們的學門會繼續被視為核心科學嗎？有些化學家抱怨說，許多最重要的化學問題被歸類為另一個學門的「化學層面」問題，而不認為它是化學本身的中心議題。化學事實上是否需要這些問題，來維持它的一致性及其定位？

許多化學家認為化學這門學科有其獨到之處。化學強烈的合成特質，使它與像是物理學、生物學、天文學與地球科學這些「發現科學」區分開來。就像法國化學家伯塞洛特 (Mercelin Berthelot) 在1860年所寫下的名句：化學創造其對象。美國紐約哥倫比亞大學有機化學家，也是美國化學學會前任主席的布瑞斯洛 (Ron Breslow) 說，因為這份獨特的創造性，化學能夠設定其他科學無法企及達成的目標。這麼說吧，有沒有「合成天文學」這種東西？你能夠把重力常數改一改，看看它對宇宙特性有何影響，然後著手改善它嗎？

化學的「合成性」使它有別於其他發現性的科學，長於創造其研究標的

化學家可被比喻為「執著的修補匠」，老是在分子世界裡東敲西補的，有時是為了好玩，有時則是為了利益。這使得「產業化學」與「學術化學」的分野特別難辨，因為實用上的重要挑戰會提供學術創新的強烈動機。美國帕沙第納市加州理工學院的核酸化學家芭頓 (Jacqueline Barton) 表示，化學是給產業添加燃料的科學企業；布瑞斯洛也同意說，化學面臨的大問題並沒有實用挑戰來得多，像是「設計出一個可得到所需太陽能的實用方法」、「創造出一個可承載大量電流的室溫超導體」、「學著怎麼以不傷害環境的方式進行生產」。

明確特定

沒人會否認應用化學與產業化學的重要性，但如果化學的問題主要不是在我們能「知道」什麼，而在我們能「做」什麼，這個為特定問題找尋特定答案的事實，難道不會把化學變成某種工程學嗎？英國倫敦皇家協會無機化學家湯瑪斯 (John Meurig Thomas) 認為，化學的本質就是探究特定事項的科學，找尋適用所有酵素、物質、表面的通論會很荒誕。有這麼多化學家樂於專注在特定目標上，又有這麼多其他的學門啃食化學領域的邊緣，這個科目的學術核心還留存有任何宏大的問題嗎？就算有好了，能跟物理學或生物學的那些相提並論嗎？

化學家確實手握許多有助於解答其他學門前沿問題的工具與概念，而化學家之間最清楚的共識，就是許多化學最緊急的問題與生物有關。史丹佛大學物理化學家薩爾 (Richard Zare) 表示對他而言，懸而未決的化學大問題都與生物演進有關；芭頓也同意這樣的觀點，表示對生物演進的真正瞭解總是落到瞭解化學。哈佛大學化學家懷塞德 (George Whitesides) 說得更前衛一點，表示細胞的本質完全就是個分子問題，跟生物學實在沒啥關係。不過生物學家可能會對這些強烈的聲明表示異議，畢竟如果你能說細胞跟生物學無關，你也可以說所有的化學不過就是量子力學而已。

生命本質

分子生物學基礎過程，其科學瞭解中的許多罅漏，諸如蛋白質折疊、生物分子功能基因編碼、高選擇性分子辨識等等，基本上都是化學問題。雖然分子生物學家假設對這些事情都有大致上的理解，然而從化學的角度來看，問題愈是深入就愈撲朔迷離。

小至生物學的細胞，大至天文學的星球，在化學家眼中其本質都是分子問題。

自我裝配背後的概念，使得化學家習於分子可以被設定成以非常特定的方式，進行互動與聚合的觀念，而人工複製分子展示了這樣的原理，化學資訊藉此傳導增強。法國史特拉斯堡路易巴斯特大學超分子化學家暨諾貝爾獎得主萊恩 (Jean-Marie Lehn) 相信，下一步就是設計不只能夠設定為自我裝配，還能受訓的化學「學習系統」。

誠然，在化學生物學中由數名化學家提出的關鍵問題之一，就是記憶的化學基礎。芭頓說一旦他們知道了答案，也許就能設計出新的思想與記憶，甚至學到如何保存舊有思想記憶。懷塞德則想知道如何利用化學，將電腦與大腦連結起來。雖然這些聽起來像是神經科學家跟電子工程師的事情，但既然神經元之間的訊號是以化學傳導，這樣的介面需求說的就是化學語言。

這些對化學家來說，是令人心動的研究方向，但它們算是正格的化學問題嗎？對懷塞德而言，再沒比這更化學的問題了；他爭論說即便是某些看似距離化學很遠的領域，比方說天文學吧，某些像是「有多少與地球類似的星球」或「土星的泰坦衛星上面有些什麼」之類的關鍵問題，基本上也都是分子問題。

化學家的迷惘何在

在探討跨學門的問題時，真正將化學家與物理學家或生物學家區分開來的，是他們不願忽略分子尺度的機制。處理這些議題讓化學家面對也許是這個學門最核心的挑戰：瞭解並預測分子結構與功能之間的關係。

舉例來說，對於化學主要發展之一的藥物設計，關鍵是在結構與特性之間的關係，如何使分子依照設計者的意願行動；設計可供工業合成之用的催化劑也很重要。但是目前要全盤瞭解結構與功能之間的關連，時常只有在相對較簡單的小型分子才有可能，而且即使是小型分子，也還有很多細節不甚明朗。

行動英雄

舉例來說，加州理工學院物理化學家，也是諾貝爾獎得主的齊威爾 (Ahmed Zewail) 就指出，分子的動態行為對其反應性的影響，扮演跟分子結構一樣重要的角色。化學家如今將化學反應想成是發生在一個複雜、多維度的能量表面或「地貌」上，這可能會跟山脈一樣崎嶇不平。湯瑪斯說僅僅考慮結構與功能之間的關係並不足夠，還要考量到能量地貌上的運動情況；換句話說，動態才是關鍵。

對齊威爾來說，真正的大問題在於如何透過動態過程控制化學功能。相較於掌控分子結構的能力，化學家才剛開始瞭解能量地貌上的分子路徑。即使化學家破解了分子設計的原理，要怎麼應用它們還是個問題；芭頓表示，除非能夠做到隨便一個人走進實驗室，就能合成任意一個達到百分之百純度形式的分子，而且不需要一個研究生花上一年來搞出這點名堂，不然就不算是真正精通化學合成之道。

對分子尺度的關注，是讓化學家有別於其他科學家的主要特質。

創新力量

只有化學家才知道，要操控原子與分子有多困難，這卻是許多其他科學學門所倚賴的；假如室溫超導體或合成細菌哪天真的做出來了，必定不是物理學家或生物學家所為。倘若化學被切割開來，併到其他學門裡，就不會有地方來訓練出精通物質的大師。

布瑞斯洛表示，已知的化學世界佔真正的化學世界比例，還不到百分之一；就是這樣的豐富性，在對要將化學減損成寥寥幾個目標的意圖說不。美國紐約綺色佳康乃爾大學理論化學家，也是諾貝爾獎得主的霍夫曼 (Roald Hoffmann) 說，化學世界的定義不是靠簡約成一些基本粒子或元素，而是靠達到可以合成的無數分子。分子可展現的結構與功能無所盡止。

化學的招牌應該繼續掛在大學校園內，而不是夜總會外頭。

我的天生哲學氣質就是不要在大問題上下功夫，我喜歡在這美好的化學花園裡，處理許多鉅細靡遺的小難題，同時保持眼界開放，隨時找尋箇中關連。

—–諾貝爾獎得主霍夫曼 (Roald Hoffmann)

大部分的化學家似乎對於沒有高懸於堂的前沿大問安之若飴。這樣的問題可能有助於一個學門維持其定位與方向，卻也有侷限天生就具有創造性的學門之風險。此外，化學就像其他任何科學一樣，最偉大的突破經常起於未料之處。德國慕尼黑科技大學無機化學家史密包爾 (Hubert Schmidbaur) 坦承說，過去五十年內他從未事先預測到重大的化學研究進展，看來這個情況在未來五十年裡也不會有什麼不同。

霍夫曼很開心地承認說，化學裡面沒有聖杯；偶爾會有幾個顯露出來以供公評，不過它們只不過是吸引目光用的候選者罷了。他補充說在一個本質上創意無限的領域，滿足源自於追求的過程而非結果。他表示他的天生哲學氣質就是不要在大問題上下功夫，他喜歡在這美好的化學花園裡，處理許多鉅細靡遺的小難題，同時保持眼界開放，隨時找尋箇中關連。