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1.生命从何而来∮∮?

　　距地球上第一种生物从无生命物质中诞生，至今已近40亿年，但最初的生命是如∴何出现的，至今仍是个谜。那些相对简单的分子，最初如何从“原始汤”里创生出来，并形成越来越复杂的化合物?这些化合物又如何开始进行能量代谢，并完成自我复制(这两者是定义生命的两个特性)?当然，在分子水平上，所有这些步骤都是化学反应，也正因为如此，“生命从何而来”成了一个化学问题。

　　关于这个问题，对科学家的挑战不再是々构想出那些看似合【理的假说，因为这样的假说已经太多了。例如，有研究者推断，在第一种能够自我复制∴的聚合物(类似DNA或蛋白质一类的分子，是由许多更小单位构成的长链◤)的形成过程中》，泥土等矿物质可能起到了∞催化剂的作用。还有人√认为，正是因为深海热泉源源不断地提供能量，才会产生结构复杂的化学物质。此外，还有研究者提出，地球上曾存在一个RNA(核糖核酸)世界，这个世界出现在DNA和蛋白质诞生之前。在这个世界中，DNA(脱氧核糖核酸)的近亲RNA(它可以被看作是一种酶，并且可以像蛋白质那样催化化学反应)无处不在。

　　我们现在要做的就是，找到一种▓方法，在加热的试管里面触█发化学反应，验证上面提到的№那些假说。科学家已经☉取得了一些进展，他们的◤研究表明，一些化学物质可以自发排列，形成更加复杂的结构——例如氨基酸，还有众所周知的核苷酸◣(nucleotides，DNA的组成单▃元)。2009年，现供职于英国医学研究委员会剑桥分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰德(John Sutherland)所带领的团队已经证实，在“原始汤”中，确实可能存在自发的核苷酸合成过程。[在2015年最新一期的《自然·化学》(Nature Chemistry)上，萨瑟兰德的团队报道，要生成「核酸前体，只需要氰化氢←(HCN)、硫化氢(H2S)和紫外线(UV)就够了。此外，萨瑟兰还称，能生成核酸前体的反应条件也可◇以生成构成天然氨基酸和脂质的基▆本物质。这意味着一个系列的反应可能就同时生成了生命形成所需的大部分基本构件。]

　　其他一些科学※家则着重研究了特定RNA类似于酶的催化特性，为“RNA世界假说”提供了一些ㄨ证据。通过这╱些步骤，科学家也↑许可以弄清楚，无■生命物质如何转变成能自我复制、自我维持的系统，从而填补生命进化史上的这个缺失环节。

　　由于科学家对太阳系奇特而丰饶的环境有了更深的认识——火星上曾经存在过液态水;土星卫星泰坦(Titan，土卫六)上有着甲烷海洋;木星卫星欧罗巴(Europa，木卫二)和加尼米德(Ganymede，木卫三)的冰层之下，似乎潜藏着冰冷的咸海，因此地球☆生命的起源似乎只是一些宏大问□　题的一部分→：在哪』些环境中，生命才会出现⌒?生命的化学基础可以有多大的不〗同?过去16年，科学家已经发现了№500多颗围绕着其他恒星运转的太阳系外行星，这些光怪陆离的外星世界也让前述问题变得更〇加迷人。

　　这些发现促→使化学家展开想象，去创想原始生命可能的化学构成。例如，美国航空航天局(NASA)一直认为，液态水是生命存在的先决条件，但现在科学家却认为不一定非得这样。液态氨、甲酰胺(formamide，一种油状溶剂，类似液态甲烷)或者木星上的超临界ζ氢(super-critical hydrogen)可不可以充当其他生命的“水”?为什么生命必须要以DNA、RNA和蛋白质∩为基础?毕竟，科学家已经研制出了ω　一些人造化学系统，只要有合适的组成成分，它们不需要核酸就能完成复制。从本质上说〖，一个可以充当模板进行自我复▲制，并能与“复制品”分开的分●子系统似乎就算是生命。

　　美国应用分子进化基金会的化学∏家史蒂文·班纳(Steven Benner)说，当我们的研究只局限于地球生命∑　时，“我们没法说△清楚，它们之间的那些相似性(比如都会使用DNA和蛋白质)到底代表了它们来自同一祖先，还是说生命都需要是这样”。不过，如果我们坚持认为，我们看到的才是真实的，“那我们的研究就太没意思了”。

2.分子如何形成?

　　在高中化学课本里面，分子结构可算是最主要的内容之一。但是，这些看上去由“球”(代表原子)和“棍”(代表化ω　学键)构成的模型已经有些年头¤了。并不是没有更新的模〓型，问题在于，科学家在更为准确的★分子外观模型方面，并未取◎得一致意见。

　　20世纪20年代，沃尔特·海特勒(Walter Heitler)和弗里茨·伦敦(Fritz London)应用刚刚兴起的量子力学理论，向人们展示了如何描述化学键的形成。此后不久，美国著名化学家鲍林(Linus Pauling)又提出了杂化轨道理＠论，认为当不同原子的电子轨道在空间上重合时，就会形成化学键。而罗伯特·马利肯(Robert Mulliken)和弗雷德里希·洪德(Friedrich Hund)却提出了截然不同的理论：化学键的形成，是原子轨道并入一个包括多个原子的“分子轨道”的结果。那时的理论化学看起来就像物理学的一个』分支。

　　近100年后，分子轨道模型成为认可度最高的一种。但对于这种模型是否研究分子的最佳工具，化学家∞仍然没有达成一致。原因在于，这类¤分子模型，以及其他所有简化了的假想模型都不够精确，只能部分描述分子结构。事实上，分子就是电子云中○的一团原子核，并通过♀相反的静电力，与另外一团原子核进行着一场♀永不停止的“拔河游戏”，而且所有的组成部分∏都在不停地运动和重组。现有的分子模型通〖常试图将这样一种处于动＠态的实体变为静态，并且明确各个组分之间的关系，这种做法会显示出分子的一些突出性质，但同时也会将其他信息忽略掉。

　　而对于每天的工作就是破坏和构建化学键的化学家来说，量子理论又无法为化学键提供一个符合他们直觉的独特定义。现在，很多人定义分子的方法，都是把分子看作是一堆通过化学键结合在一起的原子。在德国波鸿-鲁尔大学︾的量子化学家多米尼克·马克斯(Dominik Marx)看来，这些描述都有一◥个共同的毛病，那就是“在某些▲情况下是正确的，但换♀到其他条件下，就是错误的々”。

　　现在，科学家可以根据量子第一性原理(quantum first principles)，通过计算机模拟来计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少，就能获得精确度♀很高的结果。“计算化学可以极度现实化和复杂化，”马克斯说。因此，计算机模拟越来越被看作是一种虚拟实验，用来预测一个化学反应的过程。但是，一旦某个反应的模拟计算不再局限于几十个电子，计算量就将变得巨大无比，即使最先进的计算机恐怕也无法胜任。因此，我们面临的挑战将会是能否放」大模拟范围，比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。

3.环境如何影响人类Ψ基因?

　　以前的生物学观点█认为，你体内的基因决定了你是谁。现在，另一个事实已经清晰地摆在我们面前：在“你是谁”这个◤问题上，你使用了哪些基√因，与你携带了哪些≡基因同样重要。跟所有↓的生物学问题一样，这个问题的核心依旧是化学∴问题。

　　早期胚胎中，细胞可以发育成各种类型的组织。但随着胚胎发育，所谓的“多能干细胞”(pluripotent stem cell)则会发生分化，朝着不同的方向发展(例如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞)。这样，它们后代的“角色”就被固定下来。人体的形成，是干细胞中的染色体受到化学修饰，基因表达按特定▆规则“开启”和“关闭”的结果。

　　但是，上述化学修饰是可№逆的，而且会受到人体环境的々影响，这是克隆和干细胞研究领域【的一项颠覆性≡发现。在干细胞的分化期，细胞不能永久地关闭某一基因，而只能是将它们需要的基因维持在一种“准备”状态。也就是说，被关闭》的基因也有参与工作的潜力(即合成它们所编码的蛋白质)，当它们遇到周围环境中特定化学物质时，这种潜力就可以激活。

　　对化学家而言，最让人兴奋、也最具挑战性的是，基因表达的调控似乎涉及一些化学事件。这些事件△发生在“中尺度”(mesoscale)水平上，主角是比原子和⊙分子更大的分子复合体，涉及复合体之间的相互作用。染色质(chromatin)是由DNA和蛋白质组「成的复合物，具有←一种层级结构。DNA双螺旋缠绕在一个个圆柱形的、由组蛋白(histones)构成的蛋白颗粒上，然后这些蛋白颗粒会聚ㄨ集起来，形成更高╱级的结构。目前我们对这种结构还知之不多(请参见对页插卐图)。细胞活动极好地控※制了这种组装过程——一个基因以何种方式，被定位到染色质的哪个位置，也许就决定了它能否正常表达。

　　细胞里，有些酶专门用于重塑染色质结构，它们在细胞分化过程中起着核心作用。胚胎干细胞中，染色质的结构看上去更松散、开放性更高，但随着一些基因进入“沉默”状态，染色质会变得更加紧凑、有序。“染色质似乎可以决定并维持(或者说稳定)细胞的№状态，”美国麻』省总医院的病理学家布拉德利·伯恩斯坦(Bradley Bernstein)说。

　　此外，染色质在形成高◇级结构的过程中，DNA和组蛋白还☆会发生化学修饰。一些№小分子会结合到DNA和组蛋白上，就像标签一样，告诉细胞里的分子机器该对基因采取何种措╱施：应该阻止还是放任基因的表达。这种“标记过程”叫做“表观遗传”(epigenetic)现象，因为该过程不会改变基因携带的遗传信息。

　　至于成熟细胞能在多大程度上重获分化能力(不管它们能否变得像真正的干细胞那样，在再生医学中，诱导性干细胞的使用都是一个非常重要的问题)，这在◆很大程度上取决于在表观遗传标＠ 记的重置上，科学家能走多远。

　　现ω在比较清楚的是，在遗传上，除了遗传密码里的关↓键信息，细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。英国伯明翰大学→的遗传学家布莱恩·特纳(Bryan Turner)说：“人类的很多疾』病都与遗传相关，包括癌症在内，但是一种潜在的⌒疾病最终是否发作，通常还〗要看环境因素能否通过表观遗传的方式起作用。”

4.大脑如何思考，并形成记忆?

　　大脑就像是一台化学计算机。神经元之间相互作用所构成的“环路”是通过分子介导的。具体来说，就是神经递质(neurotransmitter)在突触(synapse)间的传递，突触指的就是两个神经细胞相连接的地方。而在这种大脑的化学反应中，最令人印象深刻的，当数记忆的运作。对记忆而言，抽¤象的原理与概念——比如一串电话▽号码，或∩者是一段情感体验——都会“印刻”在大脑里，持续不断的化学信号形成ω　了神经网络的各种特定♀状态，从而实现了这种“印刻”。那么，化学物质是如何创造出一段既持续又动态，还能够被回忆、修改以及遗『忘的记忆的呢?

　　我们现在已经知道了部分答案。一连串生物化学过程，改变了突触神经递质分子的数量，从而触发对习惯性反射的学习。但是，即便是这么简单的学习，也有短期和长期之分。与此同时，一种复杂的“陈述性记卐忆”(declarative memory，即对人、地点等内容的记忆)拥有另外一种工作机制，在大脑中的定位也◆不一样。陈述性记★忆与一种叫做NMDA受体的蛋白质的活化有关，它分布在特定的大脑神经元里。如果用药物阻断这种♀受体，好几〓种不同类型的陈述性记忆都会受到影响。

　　我们日常的陈述性记忆往往是通过一种叫做“长★时程增强”(long-term potentiation，缩写为LTP)的过程来编◎码的，LTP与NMDA受体有关，并伴随着神经元突触形成部位的增大。随着突触的∏生长，它与相邻神经元的连接也逐渐增强，具体表现就是到达突触间隙的神经脉冲所引起的电压升高。这一过程的生物化学机制在过去数年内业已阐明。其中涉及了神经细胞内的肌动蛋白纤维的形成，肌动蛋白作为细胞的一种基础骨架成分，是决定细胞大小形状的材料。如果用生化药物阻碍新形成的纤维进一步稳◥固，在突触发生的▲改变还没有得到巩固之前，这些纤维会在很短的时∞间内再次解散。

　　无论是上述简︾单的还是复杂的学习过程，长时记∮忆一旦形成，特定基因就会开始表达，合成特定蛋白，极力维持长时记忆。关〓于这个机制，现在发现与一类叫做prion的分子有关。

　　Prion蛋白有两种不同构象，一种可溶，另一种不可溶，可以互相转换。当它是以不可溶的构象存在时，可以作为催化剂促使其他一些和它一样的分子⊙转变为不可溶的状态，从▂而聚集起来。人们最初发现prion蛋白是在」神经退行性疾病中，比如疯牛病≡。但现在人们找到了prion蛋白的作用机制，发现它也∮有有益的功能：突触被prion蛋白聚集物打上特定的▲标记用来储存一段记忆。

　　关于记忆♀是如何工作的，目前还存◤在着大片空白，需要很多化学方面的细节来填补。比方说，如何提取以前储存的记忆?美国哥伦比亚大学的神经科学家、诺贝尔生理学或医学奖得主埃里克·坎德尔(Eric Kandel)表示：“这是个深奥的问题，目前的分析刚刚起步。”

　　回答记忆领域的化学问题为记忆增强药提供了既迷人又充满争议的前景。目前已知的一些可以增强记忆的物质有：性激素和分别作用于尼古丁、谷氨酸、5-羟色胺等神经递质的受体的合成化合物。实际上，按加利福尼㊣亚大学欧文分校的神经生物学家加里·林奇(Gary Lynch)的说法，由于长时程●学习和记忆有一连串复々杂的步骤，也就意味着Ψ为这类记忆增强药的产生提供了很多潜在的靶点█。

5.到底存在多少种元素◥?

　　学校教室墙上贴着的元素周期表々(the periodic table)一直都在不停地修订，这是因为人类发现的元素数量在不停增长。使用粒子加速器让原↑子核对撞，科学家可以制造出新的“超重元素”(superheavy elements)。相比从自然界发现的92种元素，超重元素的原子核拥有更高的质子(proton)数与中子(neutron)数。它们巨大的原子核非常不稳定——在极短的时间内(通常只有几千分之一秒到几分之一秒)，它们就会衰变(这种衰变具有放射】性)。但是，在它们存在的时间内，这些新的人工合成元↙素，例如钅喜(seaborgium，第106号元素)以及钅黑(hassium，第108号元素)，和其他元素△一样，都具有能够被准确定⊙义的化学性质。通过精妙设计的实验，科学家们抓住少量的钅喜和钅黑在衰变之前短暂存在的一瞬间№，测量了它〒们的部分化学性质。

　　这些研究不仅仅是对性质的测量，它们还探索了元素周期表概念上的【限制：超重元素能否延续元素周期表展ㄨ现出来的规律与趋势(这些化学规律在元素周期表诞生【之初便已经被归纳出来)?答案是，有些延续了规律，有些则没有。特别是，如此之大的原子核紧紧抓住了原子最里层的电子，因而这些电子能以接近光速运动。进而根据狭义相对论(special relativity)效应，这些电子的质量会增大，有可能破坏量子化的能量状态(即不连续的⊙能级)，而它们的化学性质——进而以此形成的元素周期ξ　表——都是依赖于能级理论建立¤的。

　　由于物理学←家认为，只要原〒子核拥有“魔数”数目的质子和中子，就会特别稳定，因此他们想在元素周期表中找出一个名为“稳定岛”(island of stability)的区域——在这个区域中卐，超重元素更稳定，寿命更长，目前的合成技术还无法合成出这样的元素。但是，超重元素的大小是否有极限?依据相对论的一项简单计算告诉我们，电子无法被拥有超过137个质子的原子核束缚。更加复杂的计算也证实了这个极限。然而，来自德国法〗兰克福-歌德大学︼的核物理学家沃尔特·格雷纳(Walter Greiner)却坚持◣认为：“元素周◣期表绝对不会在第137号元＠ 素前止步不前;事实上，它永无止境。”但是，要想通过实验来验证格雷纳的断言，从目前的研究』水平来看，这还是一个很遥远的目◆标。

6.我们能用碳元素制造出电脑吗?

　　如果电脑芯片能☆用石墨烯(graphene，一种单层网状碳→单质材料，参见《环球科学》2008年第5期《延续摩尔定律的新材料》一文)来制造，那么，未来的电脑将比现在的硅芯片电脑运行速度更快，性能更加强劲。石墨烯发现于2004年，2010年的诺贝尔物理学奖就颁给了石墨烯的发现者，但要将石墨烯为代表的各种碳纳米材料技术推向实际应♀用，最终还依赖于化学家能否创造出精密度达原子级别的结构。

　　早在1985年，科学家＠ 就发现了巴基球(buckyball，一种由碳原子组成的中空笼形碳单质结构)，这可算是√碳纳米材料研究的开端。6年之后，碳纳米管(carbon nanotube)开始ω了它的首演，碳纳米管¤的管壁由呈六边形整齐连接的碳原子构成◆，就像∩是把单层石墨(graphite)材料卷了起来。这种中空的材料异常坚韧，具有非常优秀⌒的导电性。碳纳米管材料有望被用于从高强度的碳复合材料到微小的导线和电子装置，从微型分子胶囊到滤水薄膜等各个领域。

　　尽管期望中的用途很多，但如今碳纳米管还很少有成功的商业应用。例如，研究者目前还无法解决如何将碳纳米管和复杂的电子芯片连接起来的问题。时间◣再近一些，石墨登上了舞台中◢央，因为∞科学家发现，石墨可以被分离成单层的网状√结构，就像薄板一↘样，这种单层网状结构材料，也就是我们所说的石墨烯，它可以〓用来制备超微小、廉价且坚固稳定Ψ 的电子芯片。现在IT领域都对石墨烯抱以厚望，希望能够ω　将窄带状或网状的石墨烯材料应用到计算机工业♀中，做出达到原子尺度的器件，集成到芯片中，这样新一代计算机就能比目前基于硅技术的产品拥有更强的性能(请参见《环球科学》2010年第2期《未来20年的芯片》一文)。

　　美国佐治亚理工学院的碳材料专家瓦尔特·德希尔(Walt de Heer)说：“石墨烯可以做成各种形状，所以碳纳米管时代的连接、放置问题就不复存在了。”

　　但是，德希尔继续指出，要把石墨烯制作成我们需要的形状，达到单个原子尺≡度，目前的工艺(例如刻蚀技ξ术)都无法企◆及，因此，他也听到一些言◥论，说石墨烯技术目▲前被炒得过热，而真正的技术还差之①甚远。通过有机化学的技巧，由下及上地制备石墨烯电路——也就是将↓含有数个正六边形碳原子环的“多芳烃分子”(polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片层的一个部分)连接起来——或许是一个关键步骤，以此可以达到上述工程学精度，最终开启未来通向石墨烯电子学的大门。

7.如何捕获更多太阳能?

　　每当太阳从东方升起，似乎都在〇提醒人类，对于太阳这个巨大无比的清洁能源来源，我们目前开发利用↑得实在太少太少。经济问题是■最大的障碍：用来获▃取太阳能的传统光伏电池板(photovoltaic panel)的高额成本限→制了它的使用。但是，在地球上，几乎所有的生命最终都由太阳的能量驱动，而能量来自光合作▲用(photosynthesis)。这恰恰说明∞了，太阳能电池并非需要极高的转】换效率，它们只须像树叶那样，通过廉价的方法提∮供充足的能量。

　　美国亚利桑那州立大学的德文斯·加斯特(Devens Gust)说：“太阳能研究的一个♀最值得期待的方向就是，通过阳光来制造燃料。”利用太阳能来制造燃料的最简单方法就是分解水，产生氢气和氧气。美国加州理工学院的内森·S·刘易斯(Nathan S. Lewis)和同事发明的一种人造树叶(参▲见对页框图)就能实现上述想法，他们的工具是硅纳米线阵列(参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：阳光变▂燃料》一文)。

　　今年年初，美国麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉(Daniel Nocera)和合作Ψ者展示了一种硅基薄膜，在这种」薄膜中，一种以钴(cobalt)为主要成分㊣的光催化剂(photocatalys)能促々进水分子分解。据诺切拉估算，1加仑(约3.8升)水分解，提供的能量就能够满足一个发展中国家家庭一天的用量。诺切拉说：“我们的目标是让每个家庭都拥☉有自己的电站。”

　　通过催化剂来分解水仍然非常困难。“像诺切拉使用的钴催化剂，还有一些新近发现的基于其他常见金属的催化剂，都是值得期待的，”加斯特说，但目前还没有人能够将它们的制作成本降低到理想范围。

　　“我们尚＠不知道自然界中的光合Ψ作用催化剂如何工作，这种∑　催化剂基于4个锰(manganese)原】子和一个钙(calcium)原子，”加斯特补充说道。

　　加斯特和同事已经开始着手通过分子器件来实现人造光合作用，这种方式更加接々近于自然界中生物的光合作用。经过艰█苦努力，他的研究小组已经合成出一些可用于最终←分子器件的基本结构单元。但是，在他们面前还有大量的挑战。有机分子，例如自然界用到的那些，很快就会分解或破坏。然而，植物会不断的生产出新的蛋白质来替代那些被破坏的，但至少目∑前，人造树叶还无法完全模拟一个活细胞进行光合作用的方式及其中的化学机制。

8.制造生物燃料的『最佳途径是什么?

　　除了通过直接采集太阳光的方法来制造燃料，我们还有别的途径利用太阳能吗?先让ξ　植物把太阳能储存起来，然后我们再将植物变为燃料，这个主︽意怎么样?生物燃料(biofuel)，例如△用谷物制得的乙醇，或者由各种种子制成的生⊙物柴油(biodiesel)，都已经在能源市场上占得一◇席之地。但是它们也威胁着粮食供应，尤其是在发展中国家，由于出口生物燃料比出售粮食给本国居民更加赚钱，这有可能加剧粮食危机。现实也让人气馁：要想通过生物燃料来满足现在的原油需求，我们必须征用巨量的耕地。

　　因而，将粮食转变为能源，也许并不是最好的办法。一个解决方案就是，利用其他并非那么重要♀的生物质(biomass)来获取能◣源。如果用美国每年产生的农①业及木料类残渣来制取生〗物燃料，足够满足一个第︼三世界国家在交通方面对汽油和柴油◤的需求。

　　将这些低等级的生物质转化为燃料，需要打破坚硬的植物◆分子，例∩如木质素(lignin)、纤维素(cellulose)，两者←都是植物细胞壁的主要成分。化学家已经知道如何做到这些，但现在的方法成本〒过高，效率低下，因而从经济上讲，还不适合通过这种方法来大量生产生物燃料。

　　打破木质素需要面对的调整之一，就是打断它分子结构中氧原子与苯环上碳原子的连接。美国伊利↑诺伊大学的约翰·哈特维格(John Hartwig)与阿列克塞·塞尔吉福(Alexey Sergeev)最近就完成了这项挑战。他们发现，一种〓基于镍元素的催化剂能够做到这一步。哈◢特维格指出，即使生物质和别的燃料一样，可以提供非化石燃料的︼化学原料，但化学家们依然需要从中提取出芳香族化合◣物(aromatic compounds，即分子结构以苯环为主◣题的结构)。而木质素就是生＠ 物质中潜在的最主要芳香族∩化合物来源。

　　更实际地，这些生物质的转换将越来越多地以最结实的生物质为原料，并将它们转化为液态燃料，这样才能方便快捷地通过管道运输。而液化过程将在作物收割的现场完成。

　　催化转化需要原材料极度纯净，这是横亘在化学家面前的一大难题。他们在进行经典的化学合成的时候，很少用到像木材这类非常“肮脏”的材料。“科学界还没有就所有这些方法的使用达成一致，”哈特∮维格说。但∞有一点可以确定，现在有非常多∴依赖于化学方法的解决方案，尤其是那些◣找到了合适的催化剂的方法。哈特维格指出：“在几乎所有①大规模工业化的化学反应中，都能找到催化剂的踪影。”

9.我们能研制出√全新类型的药物吗?

　　化学的核心就是实用ζ与创新：制造出¤各种分子，这样我们就能够开发出新材料来构建万事万物，或者研制出新型抗生素，战胜不断出现、不断变强的耐药菌。

　　20世纪90年代，化学家曾对“组合化学”寄予厚望：利用一些基本构建单元，随机组装出成千上万的新分☆子，然后再筛选出需要的分子。这种方法一度被认为是药物化学的未来，如今它的光环却已╱渐渐消退。

　　但是，如果化学家能合成足够多的分子类型，然后找到理想的方法，从中筛选▃出需要的那几种，组◆合化学就有可能迎来第二春。生物技术∞或许能提供帮助——例如，每一种分子√都能够连接到一段DNA“条形码”上，这↘样既能识别有用的分子，又能把它们从大量分子中提取出来ζ。或者，科学家还可以按照达尔文进化论的思想，在实验室中逐步改造候选分子库。他们就可以用DNA编码潜在的蛋白质药物分子，然后通过“易错”复制，制造出成功药物的变异体，从而在每一轮的复制和选择中，寻找效果得到改善的药物分子。

　　还有就是借用自然规则，按指定方式来连接分子片段。以蛋白质为例，它具有严格的氨基酸序列，因为这是由编码这种蛋白质的基╱因所决定的。利用这种※模式，化学家也许可以通过编程的方※式，让化学分子自〇组装。这种方法的优点→在于它是“绿色”的，因为它减少了我们不需要的副产物，相关的能量和材料浪费也更少。

　　哈∞佛大学的戴维·刘(David R. Liu)教授和合作※者正在沿着这条道路前进。他◥们在分子模块上连接短链DNA，而这些DNA可以编码连接分子模块的结构。他们还制备了一种能沿着短链DNA运动的分子，这些分子可读取DNA上的编码信息，把一些小分子连接到分子模块上，从而制造出连接结构——类似于细胞中蛋白质的合成过程。戴维·刘的新方法为新药开发提供了一条捷径。“许多生物学家都相信，在未来∏的医疗领域，大分子(macromolecule)即使不能占据主导地位，它也将扮演越来越重要的角色，”戴维·刘说。

10.我们能实时监测自身的化学变化吗?

　　随着科学的进步，化学家们不再满足于仅仅构建分↙子，他们还希望与分子进行交▼流：即在活细胞与传统计算▃机之间搭起一座桥梁，并通过光纤Ψ来传递这些信息。

　　从一定程度上说，这并非什么全新的概念：早在上世纪60年代，研究者就开始使用生物传感器(化学反应会在传感器中进行)来监测人体血液中的葡萄糖浓度。可以用到化学传感器的场合可谓多之又多——例如，检测食物和水中含量非常低的有害物质，或者监测空气污染物，以及各种气体在大气中的含量。反应更快速、成本更∏低廉、敏感度更高以及分布更广泛的化学传感技术将在上面所〗有这些应用领域发挥越▲来越大的作用。

　　在生物↙医药领域，各式各样的新型化学传感器也拥有最引人注目的潜力。例如，早在癌症病变发展到能Ψ被普通的临床手段检出之前很」久，一些癌细胞基因的产物㊣就已经进入血液循环了。如果能检测到这些早期的化学变化，将有助于医生及时且准确地做出诊断。快速基因组检测技术将使得医生可以根据每个人的自身状况开出调理药方(即个性化医疗)，如此一来就可以降低滥用药物带来的副作用，并让如今使用受限的一些药物派★上大用场(这些药物因会对少数人带来危害而被禁用或限制使用)。

　　一些化学家预∑见，在未来，传感器能够连续不断、静悄悄地监视着与人的健康、疾病有关↘的各种生物化学反应。这或许能够△为手术中的外科医生或者输送治疗药物的自∑　动化系统提供实时数】据和信息。这些未来的ξ　应用都依赖于化学技术的进步，而这些化学技术能够选择性地感「知特定物质和化学信号，甚至在监测对象的浓度处于非常微小的数量级时也能办到。

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