生物化学与生活
化学对现代生活的影响
摘要：２１世纪人类的生活与化学有密切的关系，化学在信息与生命科学中有着及其重要的作用，化学学科这些学科交叉，会给人类的生活带来深刻的变革。化学与国民经济各个部门、各尖端科学技术领域以及人
民生活各个方面都有着密切联系。２１世纪人们越来越多地享受和依赖化学带给我们生活的方便和高质量。
关键词：化学与生活；生物技术；信息技术
二十一世纪是信息与生命科学的世纪。在过围从１０—２２ｓ（共振态粒子）到１０１８Ｓ（１００亿年），横
去的一个世纪里，以新能源、新材料、环保、生命科穿４０个数量级；新技术的生命周期从２０世纪４０
学等为代表，科学技术日新月异，已经极大地改变年代的２０～２５年下降到目前的４～５年；集成电
了我们生存的世界。跨入二十一世纪，化学与不路在短短３０年中更新五代；ＧａＡｓ器件问世使计
同学科深入交叉、渗透、融合，在各科技领域已经算机快速运转超过１亿次缈；停滞７５年不前的
取得了引人注目的成绩，二十一世纪化学与材料、超导技术，因１９８６年发现ｋ陆Ｃｕ．０化合物的
能源、信息、环境、生命等社会发展关键领域的广超导ＩＩ缶界温度高达３５Ｋ而突破，近年来又有高达
泛交叉渗透必将爆发出更为惊人的综合效果。
１５６Ｋ的超导材料合成；１９８５年簇状化合物有了
二十世纪中叶以来现代科技已进入相当迅猛新发现，碳素多面体原子簇Ｃ６０、Ｇｏ及Ｃ３２、Ｃ４４、
的发展期，它对物质世界奥秘的探索至广至深，所ｃ５０、Ｃ；５８、ｃｓ４……Ｃ２４０、Ｃ５４０、Ｃ％０……等，形成
涉及的空间维度从１０叫６ｃｍ（电子半径）到１０２ＳｅｍＦｕｌｌｅｒｅｎｃｅ家族和它们的各种衍生物。航天技术
（１００亿光年），纵贯４４个数量级；涉及的时间范发展迅速，已有１００多颗空间探测器送往月球、火
星和其他行星，在宇宙空间失重的条件下已进行
晶体生长，空问化学由此应运而生。物质的第四
态一等离子态在化学合成、制膜技术、表面处
理、超微量分析和精细化学品的加工等领域开拓
出一系列新技术、新工艺，取得了诸多令人瞩目的
应用成果，等离子体化学和工艺蓬勃发展。化学
已成为高科技发展的强大支柱，已渗入社会、技术
和科学的各个领域。
２１世纪的生活对化学的要求和利用会日益
加大，人们对衣、食、住、行等各个方面新的需求都
与化学紧密相连。基因疗法、转基因食品、干细胞
技术、生态环保型服装、智能材料、生物质洁净能
源、
纳米生物技术等，人们要用化学方法不断创造
新的化学产品；创造新药品战胜癌症、艾滋病、
ＳＡＲＳ等病毒性疾病；战胜老年性痴呆、心脏病与
中风等影响健康长寿的顽疾。
在２１世纪，生物化学领域对于生物结构的研
究已经从静态进入动态，从分子结构进入分子以
上甚至细胞层次的复杂结构研究，对生物功能分
子的结构、性质、功能三者关系的研究从单一分子
进入多分子体系以至细胞体系的研究。现代技术
已经能够分离和鉴定对制造特殊蛋白质有指令作
用的基因，然后把这些基因结合到生物体如酵母
菌中以制造人们所期望的蛋白质。例如对人类有
重要作用的胰岛素或人体生长素，科学家可以通
过化学的方法来改变基因以修饰其序列，生成更
好性质的蛋白质。二十一世纪有一个特别受到关
注的领域，即人体基因组的序列化问题，人体中所
有重要蛋白质都是在基因的指导下制造出来的，
基因组指在细胞核中的遗传性ＤＮＡ的全部物
质。它携带着成千上万单独的基因，每一个都包含
有数百个或更多的ＤＮＡ单元，起着密码信的作
用；人体中有数以亿计的这种单元，要找出人体这
种基因序列并对每种基因中的化学序列进行测
定。进一步了解生命的化学本质和重要性以及对
健康的重要性是十分重要的。在二十一世纪医疗
卫生领域内可能最令人感兴趣的新领域之一是基
因疗法。人体有些疾病并不是由于某种微生物的
侵害而引起的，而是和我们自身的基因缺陷有关。
药物化学家正在尝试着发展一种用向细胞释放
ＤＮＡ片段的方法，使其替代有缺损的部分；这是
在二十一世纪充满竞争的领域，未来的基因疗法
将有助于目前尚不能解决的与健康有关的问题。
美国前总统克林顿曾向公众展示了未来个性化医
疗的蓝图：如果你到了医院，经过医生和系列化验
诊断为某种疾病，医生只给你提供一组治疗信息
供选择，你只要将带有自己遗传档案的软盘插入
电脑，同时输入疾病和治疗相关信息，电脑就会提
示应该选择什么药、最佳剂量和剂型、服用的效
果。这样，人们将会获得最佳的治疗效果，药物的
毒副作用避免到最小。
引起艾滋病（ＡＩＤＳ）的人体免疫缺陷病毒
（ＨＩＶ）是摆在我们面前的一大难题。这种病毒使
细胞产生一种特殊的酶，在病毒的生命循环中是
关键的一步。药物化学家正致力于设计能阻断这
种酶的药物，从根本上控制并阻断感染。人们期
待在二十一世纪干细胞给我们带来战胜疾病的方
法，其中调控干细胞分化和增殖是关键，影响细胞
增殖、分化和凋亡的因素以及对生
物体的相互依
靠和制约原理的研究显然也是一个重要方面，也
会给我们带来突破。建造纳米机器人是二十一世
纪极具诱惑的领域。利用２０种氨基酸为原料，按
分子设计组成线状肽链，合成所需的蛋白质“零
件”；由于线状肽链能在一定的条件下自动转变成
特定功能的生物零件。进一步利用肌肉细胞的纤
维结构骨架和纤毛结构（运动部件），还可以制备
有支撑、牵引和杠杆功能的零件并以酶为核心统
一成具有特定功能的结构，即形成生物机器。除
此以外，生物零件还可能要结合一些无机结构和
晶体结构，利用微电子或钠电子工艺方法，将生物
系统和微机械有机地结合起来。这种技术的诱人
应用是将有多种功能的微型机器注入人体血管
内，进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中
的血栓、清除心脏动脉脂肪沉积物等。
人体器官移植是另一个可以极大改变人们的
生活质量的领域。有两方面的内容是人们密切关
注的：一个是将健康器官移植到患者体内的，人体
能否成功地克服或者阻碍排异性的问题；另一个
是如何获得没有排异性的健康器官。现在克隆技
术已经取得了比较大的成绩，虽然克隆人存在着
许多伦理道德以及严重的社会问题而遭到国际社
会的普遍反对，但是如果能够成功地克隆人体自
身的器官，这在医学上将是一个重大的突破。对
于生物体系的复杂化学过程研究，对无机小分子、
离子和自由基在细胞内和细胞问信号传导网络中
的作用研究，对生物体中反应间的相互依靠和相
互制约原理的研究成果，会是生命科学发展的新
动向。
提高生活的质量，是二十一世纪的一个重要
方面。很多非致命的疾病是目前主要的研究对
象，健康长寿是人们长期的愿望。研究对人类最
致命的疾病的有效处理方法，如癌症、艾滋病等可
望取得更大进展，人类最终必将战胜这些疾病。
科学家正在从两个方面寻求医治癌症，一个是发
明新的能杀死癌细胞而不损伤正常细胞行为的药
物；另一种是致力于开发能改变癌细胞行为的药
物，使它的活动趋于正常。有些疾病与新的药物
治疗有关，而有些疾病部分与人们的生活习惯有
关，更加健康的生活方式是二十一世纪人们的追
求。
在２１世纪，人类面临着人口、粮食、能源、环
境等问题的威胁。解决这些问题的途径，无不有
赖于生物技术的应用与开发。生物化学反应是在
活细胞中进行的，它的特点是：反应条件温和、具
有严格的细胞内定位、反应可被有序严密地调节
控制。利用生命中的这些反应特点与工程技术相
结合，由此而产生了生
物工程或生物技术，它对传
统工业产生了巨大的冲击。生物技术的特点是利
用生物资源的可再生性，在常温、常压下生产人类
所需的各种产品，节约资源和能源。现在，在常
温、常压下进行反应的生物反应器正在逐步代替
传统的化学反应器。据估计，在近几年内，将有
２０％的化工过程可能被生物反应器取代，那时设
备的费用将节省８０％，能源的消耗将减少５０％，
化学工业的效益将大大提高。
进入２１世纪，我们正在经历着一场新的技术
革命，其核心和主流是信息科学技术革命，它必将
对我们的生活产生巨大的影响。在信息科学和信
息技术中比较典型的是传感技术、通信技术和计
算机技术。它们大体相当于人的感觉器官、神经
系统和思维器官。将传感、通信和计算机技术连
接成网，融为一体，标志着信息化社会的到来。
传感技术的任务是要精确、高效、可靠地采集
各种形式的信息。因此，需要努力发展遥感、遥测
及各种高性能的传感器、换能器和显示器，如卫星
遥感技术，红外遥感技术，次声和超声检测技术，
各种热敏、声敏、味敏、嗅敏及智能传感系统。
信息技术的发展正日益改变着人们的生活水
平。信息技术与化学的紧密联系集中表现在通过
各种化学合成手段，制造出功能各异的信息材料，
主要包括电子材料和光电子材料。各种电学、磁
学和光学性能不断改进的新材料推动着电子学的
发展。计算机的功能和速度将来会变成什么样
子。是否真的有一天能够达到和人脑相比拟，甚至
于超过人脑的水平？这恐怕要取决于是否能够把
计算机电路的微型化继续做下去，同时不断提高
芯片的集成度。以半导体硅为基础的微电子技
术，遵循着一个非常著名的定律：摩尔定律，即每
经过１８至２４个月，电路的运算速度大约翻一番，
历经４０年的变化后，固态微电子学已经发展到在
面积小到几个平方厘米的硅片上，可以做出几百
万个尺寸为０．１８（微米）的晶体管的水平。但是
如果和分子器件相比，它仍然是太大了。假设现
在的晶体管相当于布满文字的一页纸，分子器件
大约只相当于其中的一个句点，即使像现在技术
界提出的，１２年内硅晶体管的尺度可能缩小到
１２０ｎｍ（纳米）的水平，但是硅芯片和分子器件相
比，仍然要大６００００倍！再者，没有人认为传统的
硅基微电子学会继续按照摩尔定律发展下去，这
和芯片制造专家认为继续做下去经济上不再合算
有关。当把更多的晶体管做在一张芯片上时，杂
散信号、因为器件过于密集而带来的芯片散热问
题以及制
造器件本身的困难等等，都将影响到这
项技术的进展。事实上，制造有效的超小型硅晶
体管以及它们之问的连接等技术的革新，已经是
越来越困难了。不少专家认为，当晶体管达到０．１
微米的水平时，挑战将变得更加激烈，因为集成电
路由Ｄ－ｒ＿技术所遇到的困难是随着晶体管密度的增
加呈指数增长的，但是它的经济效益却不一定能
够达到同样的增长速度。不少专家认为在２０１５
年左右，芯片的产值将达到２０００亿美元，此时它
的不断小型化的势头也将停滞，因为这时用来提
高芯片能力的成本实在太高了。近年来在分子计
算机研究方面的巨大进步，为解决这个问题提供
了另一个可能的方向。虽然目前预言它的成功还
为时过早，但是近年来在这个领域内取得的许多
成果所展示的前景却是极其鼓舞人心的。
分子电子学和分子电子器件的研究，近年来
有ｊ”长足的进步。利用单个分子实现二极管、三
极管、导线和其他关键部件功能的成功，使得制造
超小型、超密集型的新一代计算机的理想，经过一
度的沉寂与困惑之后，再一次激发了新的希望和
研究的热情。化学家、物理学家和工程学家的一
系列演示，已经表明单个分子可以实现导电、开关
和存贮信息等功能。
新的化学研究使硅芯片的速度更快、尺寸更
小；新磁性材料的开发，使计算机存储器可以在更
小的空间储存更多的信息；近些年还发现有些化
学制品可以在某种光线照射下变色，而在另一种
光照下变回来，这种材料有可能作为计算机储存
信息的一种新方法而引起人们的关注，它们可能
是另一类由光代替了电的“电子管”，因而称之为
“光学计算机”。光速比电子流动快的多，化学家
正在设计和改进激光器，使它能作为这种新型计
算机的光源。
单个分子即使是由许多原子所组成，也还是
非常小的。现代技术让化学家在某种场合下“看
见”了单个分子，甚至还能判定它的颜色，能否用
光子和电子来改变这种单分子，而作为一种储存
信息的方法？能否读出这些信息？这在目前还是
一个梦想，如果在２１世纪能够实现这个梦想，我
们就可以将大量信息储存在一个很小的空间中。
研制越来越小的电子器件和计算机是纳米化
学领域的组成部分。在这个领域的化学家正在试
制真正很小的电学、光学和机械元件，如许多细菌
具有微小的“马达”而能浮游，我们能否制造这种
小“马达”呢？
另外一个重要的相关领域是分子电子学。化
学家希望元件能通过自组装在一个很小的区域里
形成有用的电子线路。在化学现象中一般
分子间
的相碰和结合是自发的，而不是靠外力的。我们
能否利用这种自发性，让电子元件按指定的形式
进行组装？我们能否制造高聚物导电体，用以取
代金属电子线路？我们能否用光来促发某些化学
反应，用于组装电路？如果可行的话，那么光束聚
集到很小的图像上，便能产生所需的电路。
聚焦光源早已用于制造电路。即利用光来促
发某些化学反应产生聚合物，使它在硅晶片表面
形成保护层，然后按照设计要求对晶片进行化学
刻蚀而成线路。我们希望的是利用光化学直接制
造电路来取代上述间接法。
液晶已广泛用于手表和便携式计算机的显
示，它们是由一类在电场中呈现取向性的分子所
组成，其光学性能又依赖于这类取向性，所以它们
能将电信号转化为可见图像。这个领域可望得到
不断的发展。
另一方面，某些分子与其它化合物结合时，会
产生电学或光学性质的变化。这种分子可用于制
作化学传感器。用它可以检测毒物或监视激素和
其它生物化合物水平。在某种意义上说，它们就
是电鼻子或电味觉器，一旦有化学结合发生，即有
信号响应。
总之，在２１世纪，化学与国民经济各个部门、
尖端科学技术各个领域以及人民生活各个方面都
有着密切联系。它是一门重要的基础科学，它在
整个自然科学中的关系和地位，正如［美］Ｐｉ．
ｍｅｎｔｅｌＧＣ在《化学中的机会——今天和明天》一
书中指出的“化学是一门中心科学，它与社会发展
各方面的需要都有密切关系。”化学与其他学科的
交叉将是２１世纪科学发展的必然趋势，生命科
学、材料科学、环境化学、绿色化学、能源化学、药
物化学、计算化学、纳米化学等众多新兴的交叉领
域将大大地改变传统的化学科学的范畴与意义，
并已经改变且将更大程度上改变社会和个人的生
存、发展及生活方式。
参考文献
［１］［美］Ｒ．布里斯罗．化学的今天与明天［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９８
［２］唐有棋，王夔．化学与社会［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９８．
［３］朱裕贞等．现代基础化学［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００１．
［４］江元汝．生活中的化学［Ｍ］．北京：中国建材工业出版社，２００２．