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2023年化学在生命科学中的作用 化学在生命科学中的作用 摘要：化学贯穿于人类活动与环境的相互作用之中，与能源、材料、环境、生命和人类生活紧密相连。生命过程中的大量化学问题亟待化学知识的协助和解决。本文对化学在生命科学中起到的至关重要的作用进行了初步的探索，并从能源、材料、环境、生命和人类生活等方面进行了全面的讨论，阐述了化学与生命科学的密切结合将促进和推动化学和生命科学的共同发展。 正文：近年来，随着科学技术的飞速发展，化学与生命科学之间的联系日趋紧密，产生了许多分支学科，化学在生命科学中也越来越重要。 一些著名的科学家在论述今后发展的趋势时，提出了“化学是中心科学”的论点。化学是在分子水平上研究物质世界的科学，说它是中心科学，是因为它联系着物理学和生物学、材料科学和环境科学、农业科学和医学，它是所有处理化学变化的科学的基础。 而生物学在20世纪取得了巨大的进展，以基因重组技术为代表的一批新成果标志着生命科学研究进入了一个崭新的时代，人们不但可以从分子水平了解生命现象的本质，而且可以从更新的高度去揭示生命的奥秘。生命科学的研究从宏观向微观发展，从最简单的体系去了解基本规律，从最复杂的体系去探索相互关系。在这一切的背后，化学扮演着重要的角色。可以说，化学为生命科学提供了一种可以精确描述生命过程的化学语言，从而使生物学从描述性科学成为精确的定量科学，使生物学能利用生物体内的化学反应阐述生命过程的种种现象。 由于现代工业、农业的发展，产生了许多新的威胁人类生存的重要问题，如能源、资源、环境、粮食与农业、人口与健康、等。这些问题很大程度上要依靠生命科学和化学技术的融合。 第一，化学与能源。近年来，技术和经济的发展以及人口的日趋增长，使得人们对能源的需求越来越大。目前以石油, 煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源。 一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，大量的CO2, SO2, NOx气体以及其他污染物， 导致了温室效应的产生和酸雨的形成。 另一方面，由于化石燃料的不可再生性和有限的储量,日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机，发展清洁的，可再生的新能 源的要求越来越迫切。 太阳能、风能、生物质、地热能、潮汐能，具有丰富、清洁、可再生的优点， 今年来受到了国际社会的广泛关注。 尤其以太阳能、风能以及生物质能，更被视为未来能源的主力军。然而，这些可再生资源具有间歇性、地域特性，并且不易储存和运输的特点。氢，以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。目前各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统。而在这一系列新能源的开发和利用中，化学的作用是显而易见的。 第二，化学与材料。经典化学分析根据各种元素及其化合物的独特化学性质，利用与之有关的化学反应，对物质进行定性或定量分析。同时，利用化学工程，也能提取和制造众多材料。 酚醛树酯的合成，开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成，使高分子的概念得到广泛的确认。后来，高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配合和促进，使高分子化学得以迅速发展。各种高分子材料合成和应用，为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术，以及人们衣食住行各方面，提供了多种性能优异而成本较低的重要材料，成为现代物质文明的重要标志。 自19世纪Fischer开创不对称合成反应研究领域以来，材料化学的不对称反应技术得到了迅速的发展。其间可分为四个阶段： 手性源的不对称反应、手性助剂的不对称反应、手性试剂的不对称反应、不对称催化反应。 传统的不对称合成是在对称的起始反应物中引入不对称因素或与非对称试剂反应，这需要消耗化学计量的手性辅助试剂。不对称催化合成一般指利用合理设计的手性金属配合物(催化剂量)或生物酶作为手性模板控制反应物的对映面，将大量前手性底物选择性地转化成特定构型的产物，实现手性放大和手性增殖。简单地说，就是通过使用催化剂量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量手性特征的产物。它的反应条件温和，立体选择性好，(R)异构体或(S)异构体同样易于生产，且潜手性底物来源广泛，对于生产大量手性化合物来讲是最经济和最实用的技术。因此，不对称催化反应(包括化学催化和生物催化反应)已为全世界有机化学家所高度重视。 这些化学反应为现代物质文明提供了重要的原材料，并将开发出更多更加先 进，更加实用的新型材料。 第三，化学与环境。由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够,预防不利，导致了全球性的三大危机:资源短缺、环境污染、生态破坏.人类不断的向环境排放污染物质。但由于大气、水、土壤等的扩散、稀释、氧化还原、生物降解等的作用。污染物质的浓度和毒性会自然降低，这种现象叫做环境自净。如果排放的物质超过了环境的自净能力，环境质量就会发生不良变化，危害人类健康和生存，这就发生了环境污染。 例如大气污染中，火山爆发喷出大量之硫化物及悬浮固体物，自然水域表面释放之硫化氢，动植物分解产生有机酸，土壤微生物及海藻释放之硫化氢、二甲基硫及氮化物等，都会使雨水之pH值降至5.0左右;后者则为工业化后，燃料之大量使用，燃烧过程中产生一氧化碳、氯化氢、二氧化硫、氮氧化物及有机酸及悬浮固体物，排放至大气环境中，经光化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质使得雨水之pH值降低，形成酸雨。温室效应是由于大气里温室气体（二氧化碳、甲烷等）含量增大而形成的。 在对流层相当稳定的氟利昂，在上升进入平流层后，在一定的气象条件下，会在强烈紫外线的作用下被分解，分解释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子，从而形成臭氧层空洞。 含有氮氧化物和碳氧化物等一次污染物的大气，在阳光的照射下，发生光化学反应而产生二次污染物，这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾。 这些环境问题都于化学息息相关，要想改善环境，就要合理利用化学。 第四，化学与生命。糖类：糖是自然界存在的一大类具有生物功能的有机化合物。它主要是绿色植物光合作用形成的。包括多糖、淀粉、糖原、纤维素。 蛋白质、氨基酸：蛋白质是细胞结构里最复杂多变的一类大分子，它存在于一切活细胞中。构成蛋白质的氨基酸是-氨基酸，为方便起见，简称氨基酸。它们是-碳羧基(COOH)旁边的碳上有一个氨基(NH2)的有机酸。 蛋白质分子是由一条或多条多肽链构成的生物大分子。蛋白质的种类很多，以前认为蛋白质都是天然的，但现在差不多任何顺序的肽链都能合成，包括自然界里没有的。所以种类是无限的，其中有的已知有生物功能和活性。 酶：科学实验证明了酶的化学组成同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的，它们都具有蛋白质的化学本性。至今，人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。酶是一类由生物细胞产生的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。 核酸：核酸是一类多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。 核酸中的碱基分两大类：嘌呤碱与嘧啶碱。核酸中的戊糖有两类：D-核糖和D-2-脱氧核糖。核酸的分类就是根据核酸中所含戊糖种类不同而分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。 这五种物质是构成生命的基本营养物质，因为生命本身就是由化学物质组成的，没有化学物质就没有生命。 第五，化学与人类生活。随着生活水平的提高，人们越来越追求健康、高品位的生活，化学与生活的联系也日趋密切。化学是一门基础自然科学，它是人类认识世界、改造世界的锐利武器。只要你留心观察、用心思考，就会发现生活中的化学知识到处可见。人类的生活离不开衣、食、住、行，而衣、食、住、行又离不开物质。在这些物质中，有的是天然存在的，比如我们喝的水、呼吸的空气；有的是有天然物质改造而成的，如我们吃的酱油、喝的酒，是由粮食加工和经过化学处理得到的。更多的物质不是天然生成的，而是由化学方法由人工合成的，如化肥、农药、塑料、合成橡胶、合成纤维等。他们形形色色、无所不在，使人类社会的物质生活更加丰富多彩。放眼四顾，我们都会看到各种各样的化学变化、五光十色的化学现象。 具体说来，化学对生命科学的深刻影响反映在与其关系比较密切的细胞学、微生物学、遗传学、生理学等领域。通过对生物高分子结构与功能进行的深入研究，揭示了生物体物质代谢、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收缩、激素作用、免疫和细胞间通讯等许多奥秘，使人们对生命本质的认识跃进到一个崭新的阶段。 进入分子水平以来，生命科学在近几年来发展迅速。有人认为，二十一世纪是生物学世纪。生命科学中很多分支学科都已成为分子学科。作为一个传统的分子学科，化学仍将大力参与生命科学的发展并将生机勃勃地继续发挥其重要作用。这也是为了化学本身发展的需要。 参考文献： 1 Kazim A, Veziroglu TN.Utilization of Solar-Hydrogen Energy in the UAE to Maintain its Share in the World Energy Market for the 21st Century J.Renewable Energy 2023, 24(2):259-274. 2 Abdallah MAH, Asfour SS, Veziroglu TN.Solar-Hydrogen Energy System for Egypt J,International Journal of Hydrogen Energy 1999, 24(6): 505-517. 3 Mao.ZQ.Hydrogen-a Future Clean Energy in China A, Symposium on Hydrogen Infrastructure Technology for Energy & Fuel Applications, November 18, 2023.The HongKong Polytechnic University, Hong Kong, 27-33. 4 Steinfeld A, Palumbo R.Solar thermochemical proce technology J, Encyclopedia of Physical Science & Technology 2023, 15: 237-256. 5 Middleton P, Larson R, Nicklas M, Collins B.Renewable Hydrogen Forum: A summary of expert opinions and policy recommendations Z, National Pre Club, Washington DC,October 1, 2023. 6 Wen Feng, Shujuan Wang, Weidou Ni, Changhe Chen, The future of hydrogen infrastructure for fuel cell vehicles in China and a case of application in Beijing J,International Journal of Hydrogen Energy 2023, article in pre. 化学在生命科学中的作用 化学在生命科学的作用 化学在生命科学中的重要性 探讨在生命科学领域中机遇所起的作用 化学与生命科学 化学与生命科学系 生命科学未来的科学 生命科学试题 生命科学协会 关于生命科学的感悟