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世界化学10大未解之谜 你看不懂的一些化学方程式

时间:2017-06-13 10:07:20 作者:超人 来源:51区未解之谜网 手机阅读

化学世界的10大未解之谜绝大部分最精深的科学问题,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。不论是前史方面,仍是地舆方面,国际上都存在着很多未解之谜。而在化学国际里,也有一些未解之谜。下面就跟着51区小编一起来看看化学国际的10大未解之谜。

1 生命从何而来?


世界化学10大未解之谜 你看不懂的一些化学方程式

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。

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。

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。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。

2 分子如何形成?


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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。

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。

现在,科学家可以根据量子第一性原理(quantum firstprinciples),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 环境如何影响人类基因?


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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。

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。

现在比较清楚的是,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?


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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?

我们日常的陈述性记忆往往是通过一种叫做“长时程增强”(long-termpotentiation,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。

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。”

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