1 生命是如何起源的？
大约四十亿年前，第一个生物从无生命的物质中诞生的那一刻，仍然笼罩在神秘之中。原始汤中的相对简单的分子是如何产生越来越复杂的化合物的？这些化合物中的一些又是如何开始处理能量和复制（生命的两个定义性特征）的？在分子水平上，所有这些步骤当然都是化学反应，这使得生命起源的问题成为化学问题之一。
对于化学家来说，挑战不再是提出模糊但看似合理的设想，这方面已经有很多了。例如，研究人员推测，粘土等矿物质可以作为催化剂，促进第一个自我复制的聚合物（像 DNA 或蛋白质一样，是由较小单元组成的长链分子）的形成；深海热液喷口提供的能量推动了化学复杂性；以及“RNA 世界”，其中 DNA 的近亲 RNA——它可以像酶一样发挥作用并催化反应——在 DNA 和蛋白质出现之前，可能是一种普遍存在的分子。
不，现在的目标是弄清楚如何在试管中精心控制的反应中测试这些想法。例如，研究人员已经表明，某些相对简单的化学物质可以自发反应，形成更复杂的生命系统构建块，例如氨基酸和核苷酸，DNA 和 RNA 的基本单元。2009 年，由约翰·萨瑟兰领导的团队（当时在英国剑桥的 MRC 分子生物学实验室）成功地证明了核苷酸是由可能存在于原始汤中的分子形成的。其他研究人员则专注于某些 RNA 链充当酶的能力，为 RNA 世界假说提供了证据。通过这些步骤，科学家们可能会逐步弥合从无生命的物质到自我复制、自我维持的系统之间的差距。
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现在科学家们对我们太阳系中奇异且可能肥沃的环境有了更好的了解——火星上偶尔出现的水流、土星卫星泰坦的石油化学海洋，以及木星卫星欧罗巴和木卫三冰层下似乎潜伏着的寒冷咸水海洋——地球生命的起源似乎只是更宏大问题的一部分：生命在什么情况下可以产生？它的化学基础可以有多大的变化范围？过去 16 年来，我们发现了 500 多颗绕其他恒星运行的太阳系外行星——这些世界千奇百怪，这使得这个问题更加丰富。
这些发现促使化学家们拓宽他们对生命可能存在的化学性质的想象力。例如，美国宇航局长期以来一直认为液态水是先决条件，但现在科学家们不太确定了。液态氨、甲酰胺、油性溶剂（如液态甲烷）或木星上的超临界氢气怎么样？为什么生命应该将自身限制在 DNA、RNA 和蛋白质上？毕竟，现在已经制造出几种人工化学系统，它们在不依赖核酸的情况下，从组分部分表现出某种复制形式。似乎你所需要的只是一个分子系统，它可以作为制造副本的模板，然后自行脱离。
佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的化学家史蒂文·本纳说，看看地球上的生命，“我们无法判断[如 DNA 和蛋白质的使用]等相似之处反映的是共同祖先还是普遍的生命需求。”但如果我们要退缩到说我们必须坚持我们所知道的，他说，“我们就没有乐趣了。”
2 分子是如何形成的？
分子结构可能是高中科学课程的主要内容，但用球和棒代表原子以及原子之间键的常见图片在很大程度上是一种传统的虚构。问题在于，科学家们对分子更准确的表示应该是什么样子存在分歧。
在 20 世纪 20 年代，物理学家沃尔特·海特勒和弗里茨·伦敦展示了如何使用当时新兴的量子理论方程来描述化学键，伟大的美国化学家莱纳斯·鲍林提出，当不同原子的电子轨道在空间中重叠时，就会形成键。罗伯特·马利肯和弗里德里希·洪德提出的竞争理论认为，键是原子轨道合并成“分子轨道”的结果，分子轨道延伸到多个原子之上。理论化学似乎即将成为物理学的一个分支。
近 100 年后，分子轨道图已成为最常见的图，但化学家们仍然没有达成共识，认为它始终是观察分子的最佳方式。原因是这种分子模型和所有其他模型都基于简化的假设，因此是近似的、局部的描述。实际上，分子是一堆原子核，它们被电子云包围，相反的静电力彼此之间进行着持续的拉锯战，所有组分都在不断地运动和改组。现有的分子模型通常试图将这种动态实体结晶成静态实体，并且可能捕获其某些显著特性，但忽略其他特性。
量子理论无法提供与化学家直觉相符的化学键的独特定义，而化学家的日常工作就是制造和破坏化学键。现在有很多方法可以将分子描述为由键连接的原子。德国波鸿鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克思表示，几乎所有这些描述“在某些情况下都很有用，但在另一些情况下则失败”。
计算机模拟现在可以从量子第一性原理非常准确地计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少。“计算化学可以被推到最现实和最复杂的水平，”马克思说。因此，计算机计算越来越可以被视为一种预测反应过程的虚拟实验。然而，一旦要模拟的反应涉及超过几十个电子，即使是最强大的超级计算机，计算也很快会不堪重负，因此挑战将在于模拟是否可以扩展——例如，细胞中复杂的生物分子过程或复杂的材料是否可以用这种方式建模。
3 环境如何影响我们的基因？
旧的生物学观点认为，你的身份取决于你拥有的基因。现在很清楚，同样重要的问题是你使用哪些基因。与所有生物学一样，这个问题的核心是化学。
早期胚胎的细胞可以发育成任何组织类型。但是随着胚胎的生长，这些所谓的全能干细胞会分化，获得特定的角色（例如血液、肌肉或神经细胞），这些角色在它们的后代中保持不变。人体的形成是在化学上修饰干细胞的染色体，从而改变基因的排列，这些基因会被打开和关闭。
然而，克隆和干细胞研究中的革命性发现之一是，这种修饰是可逆的，并且可以受到身体经历的影响。细胞在分化过程中不会永久性地禁用基因，而只是保留它们在“准备工作”状态下需要的基因。相反，被关闭的基因保留着发挥作用的潜在能力——产生它们编码的蛋白质——并且可以重新激活，例如，通过暴露于从环境中摄取的某些化学物质。
对于化学家来说，特别令人兴奋和具有挑战性的是，对基因活动的控制似乎涉及在大于原子和分子尺寸尺度上发生的化学事件——在所谓的介观尺度上——大型分子基团和组件相互作用。染色质是构成染色体的 DNA 和蛋白质的混合物，具有分层结构。双螺旋缠绕在由称为组蛋白的蛋白质制成的圆柱形颗粒上，而这条珠链然后捆绑成更高阶的结构，这些结构尚不为人知。细胞对这种包装施加了很大的控制——基因在染色质中的包装方式和位置可能决定了它是否活跃。
细胞具有专门的酶来重塑染色质结构，这些酶在细胞分化中起着核心作用。胚胎干细胞中的染色质似乎具有更松散、开放的结构：随着一些基因变得不活跃，染色质变得越来越块状和有组织。“染色质似乎固定并维持或稳定细胞的状态，”马萨诸塞州总医院的病理学家布拉德利·伯恩斯坦说。
更重要的是，这种染色质雕刻伴随着 DNA 和组蛋白的化学修饰。附着在它们身上的小分子充当标签，告诉细胞机制沉默基因，或者相反，释放它们以发挥作用。这种标记被称为“表观遗传”，因为它不会改变基因本身携带的信息。
成熟细胞可以在多大程度上恢复全能性——它们是否与真正的干细胞一样好，这对于它们在再生医学中的应用至关重要——这个问题似乎主要取决于表观遗传标记可以重置到什么程度。
现在很清楚，除了拼写出细胞许多关键指令的遗传密码之外，细胞还使用完全独立的遗传化学语言——表观遗传学的语言。“人们可能对许多疾病（包括癌症）具有遗传倾向，但疾病是否会显现出来，通常取决于通过这些表观遗传途径发挥作用的环境因素，”英国伯明翰大学的遗传学家布莱恩·特纳说。
4 大脑如何思考和形成记忆？
大脑是一台化学计算机。构成其电路的神经元之间的相互作用是由分子介导的：具体而言，是神经递质，它们穿过突触，即一个神经细胞与另一个神经细胞连接的接触点。这种思维化学在其记忆运作中可能最为令人印象深刻，在记忆中，抽象的原理和概念——例如电话号码或情感关联——通过持续的化学信号印在神经网络的状态中。化学如何创造出既持久又动态，又能回忆、修改和遗忘的记忆？
我们现在知道部分答案。一系列生化过程，导致突触中神经递质分子数量的变化，触发了习惯性反射的学习。但即使是学习的这个简单方面也具有短期和长期阶段。与此同时，更复杂的所谓陈述性记忆（关于人、地点等等）在大脑中具有不同的机制和位置，涉及某些神经元上称为 NMDA 受体的蛋白质的激活。用药物阻断这种受体可以阻止许多类型陈述性记忆的保留。
我们日常的陈述性记忆通常通过称为长时程增强的过程进行编码，该过程涉及 NMDA 受体，并伴随着形成突触的神经元区域的扩大。随着突触的生长，它与邻近神经元的连接“强度”也会增加——到达的神经冲动在突触连接处引起的电压。过去几年，这一过程的生物化学已被阐明。它涉及神经元内由蛋白质肌动蛋白制成的细丝的形成——肌动蛋白是细胞基本支架的一部分，也是决定细胞大小和形状的物质。但是，如果在变化巩固之前的短时间内，生化试剂阻止新形成的细丝稳定，那么该过程就可以被撤销。
一旦编码，简单和复杂学习的长期记忆都通过开启产生特定蛋白质的基因来积极维持。现在看来，这个过程可能涉及一种叫做朊病毒的分子。朊病毒是可以在两种不同构象之间切换的蛋白质。其中一种构象是可溶的，而另一种构象是不可溶的，并充当催化剂，将其他与其类似的分子切换到不可溶状态，从而导致这些分子聚集。朊病毒最初因其在神经退行性疾病（如疯牛病）中的作用而被发现，但现在发现朊病毒机制也具有有益的功能：朊病毒聚集体的形成标志着特定的突触以保留记忆。
记忆如何运作的故事中仍然存在很大的空白，其中许多空白等待着化学细节来填补。例如，记忆一旦存储后是如何被回忆起来的？“这是一个深刻的问题，对其分析才刚刚开始，”哥伦比亚大学的神经科学家和诺贝尔奖获得者埃里克·坎德尔说。
理解记忆的化学性质为药理学增强提供了诱人且有争议的前景。一些记忆增强物质已经为人所知，包括性激素和作用于尼古丁、谷氨酸、血清素和其他神经递质受体的合成化学物质。事实上，加州大学欧文分校的神经生物学家加里·林奇认为，导致长期学习和记忆的复杂步骤序列意味着这种记忆药物有很多潜在的目标。
5 存在多少种元素？
装饰教室墙壁的元素周期表必须不断修订，因为元素的数量在不断增加。科学家们使用粒子加速器将原子核碰撞在一起，可以创造出新的“超重”元素，这些元素的原子核中的质子和中子数量比自然界中发现的 92 种左右的元素更多。这些膨胀的原子核不是很稳定——它们会放射性衰变，通常在极短的时间内。但是，当它们存在时，新的合成元素（如𨭎（元素 106）和𬭶（元素 108））与任何其他元素一样，因为它们具有明确的化学性质。在令人眼花缭乱的实验中，研究人员在少量的难以捉摸的𨭎和𬭶原子在解体前的短暂瞬间研究了它们的一些性质。
此类研究不仅探索了物理极限，还探索了元素周期表的概念极限：超重元素是否会继续显示出使该表首先具有周期性的化学行为的趋势和规律性？答案是有一些会，有一些不会。特别是，如此巨大的原子核紧紧抓住原子最内层的电子，以至于电子以接近光速的速度运动。然后，狭义相对论效应会增加电子的质量，并可能破坏量子能态，而量子能态是其化学性质——以及周期表的周期性——所依赖的。
由于原子核被认为可以通过特定的“幻数”质子和中子来稳定，因此一些研究人员希望找到他们称之为稳定岛的东西，这是一个略微超出当前元素合成能力的区域，超重元素在其中寿命更长。然而，它们的尺寸有根本限制吗？一个简单的计算表明，相对论禁止电子与超过 137 个质子的原子核结合。更复杂的计算反驳了这一限制。“周期系统不会在 137 处结束；事实上，它永远不会结束，”德国法兰克福约翰·沃尔夫冈·歌德大学的核物理学家沃尔特·格赖纳坚持认为。对这一说法的实验验证还有很长的路要走。
6 可以用碳制造计算机吗？
用石墨烯（一种碳原子网）制成的计算机芯片可能比硅基芯片更快、更强大。石墨烯的发现获得了 2010 年诺贝尔物理学奖，但这种形式和其他形式的碳纳米技术的成功可能最终取决于化学家以原子精度创造结构的能力。
1985 年富勒烯（完全由碳原子制成的空心笼状分子）的发现，标志着一些真正更大的事物的开始。六年后的 1991 年，碳原子管首次亮相，这些管以鸡笼状的六边形图案排列，类似于石墨碳片中的图案。由于是空心的、非常坚固和刚硬的，并且具有导电性，这些碳纳米管有望应用于从高强度碳复合材料到微小导线和电子设备、微型分子胶囊和水过滤膜等领域。
尽管碳纳米管前景广阔，但尚未带来许多商业应用。例如，研究人员尚未解决如何将纳米管连接到复杂的电子电路中的问题。最近，石墨已成为中心舞台，因为发现它可以分离成单独的鸡笼状薄片，称为石墨烯，它可以为超小型化、廉价且坚固的电子电路提供基材。人们希望计算机行业可以使用原子精度定制的狭窄石墨烯带和网络来制造性能优于硅基芯片的芯片。
“石墨烯可以进行图案化，从而克服碳纳米管的互连和放置问题，”佐治亚理工学院的碳专家沃尔特·德希尔说。德希尔指出，然而，蚀刻等方法对于将石墨烯电路图案化到单个原子来说太粗糙了，因此，他担心石墨烯技术目前更多的是炒作而不是硬科学。使用有机化学技术从下往上构建石墨烯电路——将含有几个六边形碳环的“多芳烃”分子连接在一起，就像石墨烯薄片的小碎片一样——可能是实现这种精确原子级工程的关键，从而开启石墨烯电子的未来。
7 我们如何利用更多的太阳能？
每次日出都在提醒我们，我们目前仅利用了太阳这一巨大清洁能源资源中可怜的一小部分。主要问题是成本：由硅制成的传统光伏面板的成本仍然限制了它们的使用。然而，地球上的生命（几乎所有生命最终都由光合作用提供太阳能）表明，如果像树叶一样，太阳能电池可以大量且廉价地制造出来，那么它们不必非常高效。
亚利桑那州立大学的德文斯·古斯特说：“太阳能研究的圣杯之一是利用阳光生产燃料。”用太阳能制造燃料最简单的方法是分解水以产生氢气和氧气。内森·S·刘易斯和他在加州理工学院的合作者正在开发一种人造叶片，它将使用硅纳米线来做到这一点。
今年早些时候，麻省理工学院的丹尼尔·诺塞拉和他的同事推出了一种硅基膜，其中一种钴基光催化剂可以分解水。诺塞拉估计，一加仑水将提供足够的燃料，供发展中国家的家庭使用一天。“我们的目标是让每个家庭都成为自己的发电站，”他说。
用催化剂分解水仍然很困难。“像诺塞拉使用的钴催化剂以及新发现的基于其他常见金属的催化剂很有前景，”古斯特说，但尚未有人找到理想的廉价催化剂。“我们不知道天然光合催化剂（它基于四个锰原子和一个钙原子）是如何工作的，”古斯特补充道。
古斯特和他的同事一直在研究制造用于人工光合作用的分子组件，这些组件更接近于模仿它们的生物学灵感，他的团队已经成功合成了可以用于这种组件的一些元素。尽管如此，这方面还需要做更多的工作。自然界使用的有机分子往往会很快分解。虽然植物不断产生新的蛋白质来取代分解的蛋白质，但人造叶片（尚未）拥有活细胞的完整化学合成机制。
8 制造生物燃料的最佳方法是什么？
与其通过捕获太阳光线来制造燃料，不如让我们让植物为我们储存太阳的能量，然后将植物物质转化为燃料？用玉米制成的乙醇和用种子制成的生物柴油等生物燃料已经在能源市场找到了一席之地，但它们威胁要取代粮食作物，尤其是在发展中国家，在发展中国家，在国外销售生物燃料可能比养活国内人民更有利可图。这些数字令人望而生畏：满足当前的石油需求意味着征用大片耕地。
因此，将食物转化为能源可能不是最佳方法。一种答案可能是利用其他不那么重要的生物质形式。美国产生的农业和森林残留物足以供应每年三分之一的汽油和柴油运输消耗量。
将这种低等级生物质转化为燃料需要分解坚韧的分子，如木质素和纤维素，它们是植物的主要组成部分。化学家已经知道如何做到这一点，但现有的方法往往过于昂贵、效率低下或难以扩大规模，以满足经济所需的巨大燃料量。
分解木质素的挑战之一——打开连接“芳香族”或苯型碳原子环的碳氧键——最近由伊利诺伊大学的约翰·哈特维希和阿列克谢·谢尔盖耶夫解决。他们找到了一种能够做到这一点的镍基催化剂。哈特维希指出，如果生物质要供应非化石燃料化学原料以及燃料，化学家还需要从中提取芳香族化合物（那些具有芳香环骨架的化合物）。木质素是生物质中此类芳香族化合物唯一的主要潜在来源。
为了实用，这种生物质转化还需要与主要为固体生物质一起工作，并将其转化为液态燃料，以便沿管道轻松运输。液化需要在收获植物的现场进行。催化转化的难点之一是原材料的极端杂质——经典的化学合成通常不处理像木材这样的脏乱材料。“关于这一切最终将如何完成，还没有共识，”哈特维希说。可以肯定的是，任何解决方案的很大一部分都在于化学，尤其是寻找合适的催化剂。“几乎每个大规模的工业反应都与催化剂有关，”哈特维希指出。
9 我们能否设计出创造药物的新方法？
化学的核心业务是一项实际的、创造性的业务：制造分子，这是创造从新材料到可以超越耐药细菌兴起的新抗生素的一切事物的关键。
在 20 世纪 90 年代，一个很大的希望是组合化学，其中通过随机组装构建模块来制造数千种新分子，然后筛选这些分子以识别那些工作良好的分子。一旦被誉为药物化学的未来，“组合化学”就失宠了，因为它几乎没有产生任何有用的东西。
但组合化学可能会迎来更光明的第二阶段。只有当你可以制造足够广泛的分子，并找到好的方法来挑选出微量的成功分子时，它似乎才有可能奏效。生物技术可能在这里有所帮助——例如，每个分子都可以连接到一个基于 DNA 的“条形码”，该条形码既可以识别它，又可以帮助提取它。或者，研究人员可以通过在试管中使用一种达尔文进化来逐步改进候选分子库。他们可以将潜在的基于蛋白质的药物分子编码到 DNA 中，然后使用易错复制来生成成功分子的新变体，从而在每一轮复制和选择中找到改进。
其他新技术借鉴了自然界在预定排列中结合分子片段的精湛技艺。例如，蛋白质具有精确的氨基酸序列，因为该序列是由编码蛋白质的基因拼写出来的。使用这种模型，未来的化学家可能会编程分子以自主组装。这种方法的优点是“绿色”，因为它减少了传统化学制造中典型的副产品以及相关的能源和材料浪费。
哈佛大学的大卫·刘和他的同事正在追求这种方法。他们用短 DNA 链标记构建模块，这些短 DNA 链编程了连接器的结构。他们还创造了一种分子，它可以沿着 DNA 行走，读取其代码并按顺序将小分子连接到构建模块以制造连接器——这个过程类似于细胞中的蛋白质合成。刘的方法可能是定制新药的一种便捷方式。“许多分子生命科学家认为，大分子将在未来的治疗学中发挥越来越核心的作用，如果不是主导作用的话，”刘说。
10 我们能否持续监测我们自身的化学成分？
越来越多的化学家不仅想制造分子，还想与它们交流：使化学成为一种信息技术，它可以与从活细胞到传统计算机和光纤电信的任何事物接口。
在某种程度上，这是一个老想法：利用化学反应报告血液中葡萄糖浓度的生物传感器可以追溯到 20 世纪 60 年代，尽管直到最近，它们在监测糖尿病方面的应用才变得廉价、便携且广泛。化学传感可以有无数的应用——例如，以极低的浓度检测食品和水中的污染物，或监测大气中存在的污染物和痕量气体。更快、更便宜、更灵敏、更普及的化学传感将会在所有这些领域取得进展。
然而，在生物医学领域，新型化学传感器将具有最引人注目的潜力。例如，癌症基因的一些产物在病情变得明显之前很久就在血液中循环，以至于常规临床检查无法发现。早期检测这些化学物质可能会使预后更加及时和准确。快速基因组分析将使药物治疗方案能够根据个体患者量身定制，从而降低副作用的风险，并允许使用今天因其对遗传少数群体的危害而受到阻碍的某些药物。
一些化学家预见到对健康和疾病的所有生物化学标志物进行持续、不引人注目的监测，或许可以在手术期间为外科医生或为用于提供补救药物治疗的自动化系统提供实时信息。这种未来主义的愿景取决于开发化学方法，以便有选择地感知特定物质，并在即使目标物质仅以非常低的浓度出现时也发出信号。
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