合成我们的未来(上)
20世纪50年代以来，生命科学的研究尺度进入分子水平，这为合成化学拓展了一个巨大的发展空间。随着人类基因组草图的绘制完成而引发的后基因组时代的到来，使蛋白质组的研究成为生命科学的一个重要方向。科学家们不仅希望了解这样一些体内生物过程的机制，更需要具备调控这样一种过程的能力，从而最终有能力控制、治愈疾病甚至延长寿命。虽然现在已经有些许能够通过调控基因达到这一目的的方法，但是遗传信息并不直接参与生命活动，而是通过控制蛋白质的形成间接地指导有机体的新陈代谢。也就是说，一个基因所含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终导致了相应蛋白质的形成，蛋白质再参与到生命的各种活动中去。因此我们可以而且更容易从蛋白质水平去进行调控，通过合成一系列的有机小分子或者小肽进行筛选，以调控某些生物过程。这一方法已经成为现代药物发现的主要途径之一。单从数量上看，我们大约需要30万个小分子来调控不同的基因及其下游的生物过程。由于一个合适的调控剂可能要从成百、上千乃至数万个小分子中才能筛选得到，这就需要合成化学家提供300万个甚至3亿个候选的化合物，合成化学大显身手的时代就这样又一次出现在了生命科学领域，这也自然而然地导致了又一个交叉前沿学科—化学生物学的诞生。
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化学生物学是研究生命过程中化学基础的科学，它主要是使用小分子作为工具解决生物学的问题或通过干扰/调节正常过程而了解蛋白质的功能。显然这为新世纪化学的发展，特别是充分发挥合成化学的创造力提供了更为广阔的舞台。最近，著名杂志《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)刊载了一篇利用化学小分子替代基因诱导“皮肤干细胞”的文章。通常情况下，要将成人的皮肤细胞重编程转化为胚胎干细胞(即皮肤干细胞)需要4个基因参与。研究人员利用一种合成的小分子化学物质代替了其中的Sox2和cMyc基因的功能。由于cMyc基因能够促进肿瘤的发生，因此利用其转化成的皮肤干细胞并不能用于人类疾病治疗，那么利用这种合成的小分子化学物质取代cMyc基因产生皮肤干细胞的方法就具有了重要的生物学意义。这一化学物质为某些需要做移植手术的患者培养更安全的干细胞提供了一种可能的有效途径。更大的惊喜来自于2010年5月，美国遗传学家文特尔宣布第一个人造合成细胞问世。科学家对丝状支原体细菌进行基因复制，产生合成基因组，然后移植给另一个活细菌山羊支原体，使其成为创造新生命的器皿。这一成果的出现使得人类在未来很可能能够按照需要创造合成基因组，产生“人造生命”，用以制造生物燃料、药物或其他化学品。这一“人造生命”的诞生正是合成化学、分子生物学和其他一系列学科共同作用的结果，体现了人类对改造自然的无限能动性。
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合成化学：现代农业的基石
合成化学为人类的生存发挥了不可替代的作用。19世纪以前，农业上所需氮肥的来源主要是有机物的副产品，如粪类、种子饼及绿肥等，这显然不能满足当时农业的需求。由于大气主要成分就是氮气，因此如何将大气中极其稳定的氮气转化成可以被植物利用的物质形式即所谓的“固氮”，一直是科学家关注的重大课题。
利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个挑战性课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了150多年的时间。1909年，德国人哈伯在600℃、200个大气压下，用金属锇作催化剂，以6%的收率成功地在实验室中获得合成氨，开启了合成氨的新纪元。后来德国人博施进一步改进了这一技术(以铁为催化剂)，成为著名的“哈伯—博施法”合成氨过程。合成氨的原料来自空气、煤和水，是最经济的人工固氮方法。今天，合成氨已经成为最为重要的化工产品之一，世界上每年合成氨产量超过2亿吨，以合成氨为原料的尿素产量达到1.5亿吨，在国民经济和社会发展中占有重要地位。合成氨的工业技术结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，农业上使用的其他氮肥，例如硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，也都是以合成氨为原料的。合成氨技术作为20世纪最重要的发明，显然是当之无愧的。由于这项革命性的合成技术，哈伯和博施分别获得了1918年和1931年诺贝尔化学奖，而德国化学家埃特尔通过研究“哈伯—博施法”，阐明了合成氨相关表面的反应机理，为合成氨催化剂的研究以及反应的控制指明了更为理性的途径，因此获得2007年度诺贝尔化学奖。
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合成氨和合成尿素的发展为农作物的生长提供了充足的养料，而合成化学对农业的贡献远不止于此。大量事实表明，合成材料如农用薄膜、滴灌管材、合成农药等同样为现代农业做出了巨大贡献。如果不施用农药，世界粮食产量将因受病、虫、草害的影响而损失1/3。举例来说，在美国，如果不使用农药，农作物和畜产品将减产30%，而农产品的价格将增长50%～70%。由于美国是最大的粮食出口国，这个幅度的下降，会造成世界性的饥荒。不止如此，如果要弥补单产下降所引起的粮食供给减少，就必须开垦大量的土地，这必然会造成自然环境的破坏，更多的天然雨林或者森林植被要被用来进行农业生产；如果不用除草剂，人工除草不仅会大大增加农产品的生产成本，土壤流失的风险也将急剧增加；如果不用杀菌剂，不仅花生的产量将下降60%多，由病菌产生的天然毒素(毒性可能强于某些农药)的量也可能会急剧增加，对人类的健康产生威胁。随着世界越来越开放，外来生物的入侵愈演愈烈，如果一个外来生物入侵，不用化学农药应急处理，而仅依靠生物方法则很难在短期内实现完全控制。除了依靠改良品种、提高栽培技术、应用转基因技术以及使用农机、化肥等措施以外，使用农药这一不可或缺的生产资料来防治病虫草害，是提高农作物单产的一个十分重要的手段。我国粮食作物由于使用化学农药，每年挽回的粮食损失达5800万吨。对于我国这样一个人口众多、耕地紧张的大国，农药在缓解人口与粮食的矛盾中发挥了极其重要的作用。
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不可否认的是，农药的长期大量使用，对环境、生物安全和人体健康都可能产生较大的不利影响。20世纪曾一度被广泛使用的农药滴滴涕(DDT)就是一个典型的例子，这给科学家们提出了一个不容回避的现实问题：在充分肯定农药的有利作用的同时，如何充分认识农药对生态环境和人体健康产生的危害以及如何防治农药对环境的污染危害。这既是一个挑战，但同时也为合成化学提供了一个更为重要的舞台。纵观农药的发展历史，从所谓的第一代农药到第五代农药，特别是第三代的昆虫生长控制剂、第四代的昆虫行为控制剂和第五代的昆虫心理控制剂，由过去的杀生、高毒、广谱到现在的控制、低毒、选择性农药，这是合成化学与其他科学相互协作、相互促进的结果。
同时我们也应该看到，近些年来提倡的“回归天然”、“有机食品”等概念已经深入人心，使得农药似乎成了一个公众敏感的词汇，尤其是在当今食品安全堪忧的语境下，兼以不断涌现在公众面前的晦涩的化学名词，如“三聚氰胺”、“化学火锅”、“塑化剂”等等，更是将化学推向了“妖魔化”的境地。于是有人建议：人们不要食用任何一种连它的化学名字都读不出来的东西。若真的遵循这样的原则，恐怕没有一个人能存活下去，因为就连我们平日食用的白砂糖都不是所有人能读得出它的化学名称。将一些化学物质用于食品领域并不是化学学科的错误，这不仅需要执法机关的严格筛查，也需要化学家的科普宣传，以减少公众对化学的误解和负面印象。
【责任编辑】庞 云, 百拇医药(丁奎岭 黄少胥)
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化学生物学是研究生命过程中化学基础的科学，它主要是使用小分子作为工具解决生物学的问题或通过干扰/调节正常过程而了解蛋白质的功能。显然这为新世纪化学的发展，特别是充分发挥合成化学的创造力提供了更为广阔的舞台。最近，著名杂志《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)刊载了一篇利用化学小分子替代基因诱导“皮肤干细胞”的文章。通常情况下，要将成人的皮肤细胞重编程转化为胚胎干细胞(即皮肤干细胞)需要4个基因参与。研究人员利用一种合成的小分子化学物质代替了其中的Sox2和cMyc基因的功能。由于cMyc基因能够促进肿瘤的发生，因此利用其转化成的皮肤干细胞并不能用于人类疾病治疗，那么利用这种合成的小分子化学物质取代cMyc基因产生皮肤干细胞的方法就具有了重要的生物学意义。这一化学物质为某些需要做移植手术的患者培养更安全的干细胞提供了一种可能的有效途径。更大的惊喜来自于2010年5月，美国遗传学家文特尔宣布第一个人造合成细胞问世。科学家对丝状支原体细菌进行基因复制，产生合成基因组，然后移植给另一个活细菌山羊支原体，使其成为创造新生命的器皿。这一成果的出现使得人类在未来很可能能够按照需要创造合成基因组，产生“人造生命”，用以制造生物燃料、药物或其他化学品。这一“人造生命”的诞生正是合成化学、分子生物学和其他一系列学科共同作用的结果，体现了人类对改造自然的无限能动性。
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合成化学：现代农业的基石
合成化学为人类的生存发挥了不可替代的作用。19世纪以前，农业上所需氮肥的来源主要是有机物的副产品，如粪类、种子饼及绿肥等，这显然不能满足当时农业的需求。由于大气主要成分就是氮气，因此如何将大气中极其稳定的氮气转化成可以被植物利用的物质形式即所谓的“固氮”，一直是科学家关注的重大课题。
利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个挑战性课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了150多年的时间。1909年，德国人哈伯在600℃、200个大气压下，用金属锇作催化剂，以6%的收率成功地在实验室中获得合成氨，开启了合成氨的新纪元。后来德国人博施进一步改进了这一技术(以铁为催化剂)，成为著名的“哈伯—博施法”合成氨过程。合成氨的原料来自空气、煤和水，是最经济的人工固氮方法。今天，合成氨已经成为最为重要的化工产品之一，世界上每年合成氨产量超过2亿吨，以合成氨为原料的尿素产量达到1.5亿吨，在国民经济和社会发展中占有重要地位。合成氨的工业技术结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，农业上使用的其他氮肥，例如硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，也都是以合成氨为原料的。合成氨技术作为20世纪最重要的发明，显然是当之无愧的。由于这项革命性的合成技术，哈伯和博施分别获得了1918年和1931年诺贝尔化学奖，而德国化学家埃特尔通过研究“哈伯—博施法”，阐明了合成氨相关表面的反应机理，为合成氨催化剂的研究以及反应的控制指明了更为理性的途径，因此获得2007年度诺贝尔化学奖。
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合成氨和合成尿素的发展为农作物的生长提供了充足的养料，而合成化学对农业的贡献远不止于此。大量事实表明，合成材料如农用薄膜、滴灌管材、合成农药等同样为现代农业做出了巨大贡献。如果不施用农药，世界粮食产量将因受病、虫、草害的影响而损失1/3。举例来说，在美国，如果不使用农药，农作物和畜产品将减产30%，而农产品的价格将增长50%～70%。由于美国是最大的粮食出口国，这个幅度的下降，会造成世界性的饥荒。不止如此，如果要弥补单产下降所引起的粮食供给减少，就必须开垦大量的土地，这必然会造成自然环境的破坏，更多的天然雨林或者森林植被要被用来进行农业生产；如果不用除草剂，人工除草不仅会大大增加农产品的生产成本，土壤流失的风险也将急剧增加；如果不用杀菌剂，不仅花生的产量将下降60%多，由病菌产生的天然毒素(毒性可能强于某些农药)的量也可能会急剧增加，对人类的健康产生威胁。随着世界越来越开放，外来生物的入侵愈演愈烈，如果一个外来生物入侵，不用化学农药应急处理，而仅依靠生物方法则很难在短期内实现完全控制。除了依靠改良品种、提高栽培技术、应用转基因技术以及使用农机、化肥等措施以外，使用农药这一不可或缺的生产资料来防治病虫草害，是提高农作物单产的一个十分重要的手段。我国粮食作物由于使用化学农药，每年挽回的粮食损失达5800万吨。对于我国这样一个人口众多、耕地紧张的大国，农药在缓解人口与粮食的矛盾中发挥了极其重要的作用。
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不可否认的是，农药的长期大量使用，对环境、生物安全和人体健康都可能产生较大的不利影响。20世纪曾一度被广泛使用的农药滴滴涕(DDT)就是一个典型的例子，这给科学家们提出了一个不容回避的现实问题：在充分肯定农药的有利作用的同时，如何充分认识农药对生态环境和人体健康产生的危害以及如何防治农药对环境的污染危害。这既是一个挑战，但同时也为合成化学提供了一个更为重要的舞台。纵观农药的发展历史，从所谓的第一代农药到第五代农药，特别是第三代的昆虫生长控制剂、第四代的昆虫行为控制剂和第五代的昆虫心理控制剂，由过去的杀生、高毒、广谱到现在的控制、低毒、选择性农药，这是合成化学与其他科学相互协作、相互促进的结果。
同时我们也应该看到，近些年来提倡的“回归天然”、“有机食品”等概念已经深入人心，使得农药似乎成了一个公众敏感的词汇，尤其是在当今食品安全堪忧的语境下，兼以不断涌现在公众面前的晦涩的化学名词，如“三聚氰胺”、“化学火锅”、“塑化剂”等等，更是将化学推向了“妖魔化”的境地。于是有人建议：人们不要食用任何一种连它的化学名字都读不出来的东西。若真的遵循这样的原则，恐怕没有一个人能存活下去，因为就连我们平日食用的白砂糖都不是所有人能读得出它的化学名称。将一些化学物质用于食品领域并不是化学学科的错误，这不仅需要执法机关的严格筛查，也需要化学家的科普宣传，以减少公众对化学的误解和负面印象。
【责任编辑】庞 云, 百拇医药(丁奎岭 黄少胥)