化学学科发展.doc

化学学科的发展历程 窗体顶端 窗体底端 HYPERLINK /html/Dir/2001/12/05/e1001 □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