本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
一种微小的分子，从复活节岛上的土壤细菌中提取，在数十亿年前进化而来，目的并不明显，但它应该与人类无关。然而，奇迹般地，它被证明具有强大的免疫抑制特性，使医生能够成功地为一个年轻女孩进行肝脏移植手术。
图 1：复活节岛上的一块牌匾，纪念发现产生雷帕霉素的细菌，雷帕霉素是一种有效的免疫抑制剂。自从被发现以来，雷帕霉素已经使数百万患者成功进行了器官移植（图片来源：维基百科）
在印度，一位兴奋的年轻新娘通过用姜黄将她的手染成鲜黄色来庆祝她即将到来的婚礼，姜黄是一种几个世纪以来一直被用作关键烹饪成分的香料。在法国，一个类似的古老传统要求在婚礼上大量饮用红酒。在中国，新娘和新郎向他们的父母敬献人参茶作为仪式的一部分。
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在数千英里之外的美国，科学家们对姜黄、红酒和人参茶中的活性成分似乎对从癌症到阿尔茨海默病等多种疾病产生的显著效果感到震惊。他们热切地希望，其中可能存在某种治愈方法。
化学是人类的科学。公众通常所说的“化学物质”对我们的生活方式有着深刻的影响。它们可以在数十亿年前的海绵代谢与一位母亲对其女儿生命的殷切希望之间，在传统婚礼和食物的喜悦与看到亲人从可怕的疾病中痊愈的喜悦之间架起桥梁。物理学可能关注深邃时间的开端，生物学则将目光投向人类自身的起源。物理学和生物学的奇迹无疑是壮观的，但化学是最直接地与我们的感官相关的科学，是每天都正面面对我们并要求我们做出反应的学科。
化学物质像人类一样直接而戏剧性地令人愉悦、激怒、挑逗、迷惑、激怒、征服、奖励、欺凌、安慰、惩罚、杀死和拯救。就像人类一样，它们在适当的情况下会表现出个性。就像久违的朋友一样，它们可以以救命药物、暗淡日子里的一抹色彩或特别舒适的新床垫中的材料的形式出现在我们的生活中。就像不共戴天的仇敌一样，它们可以在战场上使我们丧失能力，使我们的孩子畸形，并引发我们对环境中微量化学物质影响的无休止的辩论和政治斗争。化学是中间王国，这片土地以其亲切感在各个层面上与我们互动，从琐碎到改变人生。就像中土世界的风景一样，它充满了迷人而令人费解的好奇事物、胜利和悲剧、愚蠢和智慧。
当我们今年庆祝国际化学年时，值得思考一下这门“中心科学”[1]的本质。化学的独特之处在于其定义的组成部分——分子——可以在个体基础上与世界大事以及国家的兴衰建立惊人的直接关系。没有其他科学可以声称在其少数构建模块与历史、经济、文化的关键方面之间存在如此明确和强大的联系。仅考虑两个事实。即使在今天，一个国家的经济实力也可以通过其单一化学物质——硫酸[2]的产量来判断。
或者考虑一下，正是纤维素——以棉花的形式——是奴隶制和美国内战的根源。在帝国主义早期，对少数几种材料（如靛蓝染料和丝绸）的贪婪导致了东方[3]的扩张和贸易。战争也曾因南美洲的硝石[4]和中国的鸦片[5]等物质而爆发，这些物质的特性和诱惑力是由一两个主要分子定义的；硝石是硝酸钠，鸦片是吗啡。毫不夸张地说，单个分子对整个经济、文化和政治关系产生了显着的影响。纵观历史，化学通过其对原子珍贵而独特的排列的锻造，以发自内心且生动的方式影响了人类的命运。
图 2：十九世纪中叶鸦片战争的战斗场面。从罂粟植物的种子中提取的鸦片，其特性归功于一种主要分子——吗啡。（图片）
正是因为化学是人类的科学，人们才对它有着明显矛盾且常常困惑的关系。您不会在电视上听到关于宇宙学常数的微调或对生拇指的进化的激烈辩论，但媒体充斥着关于心脏病药物副作用、环境中双酚A的明显扩散[6]或“设计师”麻醉品兴起提供“合法兴奋剂”[7]的激烈争议。这些争议中的每一项都直接围绕着一个分子或一个分子家族，每一项都每天亲自影响着数百万人。
这种与我们所有问题和承诺的直接联系使化学脱颖而出，并将其从物理学的还原论根基中提升出来。分子不仅仅是其组成原子的总和，它们以比能量、力场和场更切实和多样的方式与我们的感官联系起来。
当我闻到刚割过的草的味道时，我直接闻到了一种叫做顺式-3-己烯醇的简单分子；当我第一次闻到这种化合物，然后闻到割草的味道时，它在我脑海中刻下了一个难忘的联系。引力可能是包罗万象的，但你不能把一小块引力放在盒子里送给某人作为生日礼物，然后他们可以把它喷在衣服上。夸克可能是物质普遍存在的构建模块，但夸克不能让你轻易区分两种具有完全相同化学式的化合物，其中一种可以治愈你的糖尿病，而另一种则会通过麻痹你的神经而杀死你。
这种多样性仅凭物理学是无法捕捉的。尽管热力学第二定律对生命、自由和追求幸福有着深刻的意义，但很难与熵建立个人关系。同样难以理解驱动进化的地质时间年龄，或者直接看到DNA在日常生活中的折叠和展开。但是，要体验化学的灵魂，即没有它科学就不存在的实际分子，你只需要伸出手到你的药柜、厨房、杀虫剂抽屉和洗衣房。在这些地方的每一个地方，你都会发现一个分子的缩影，它们直接影响着你所看到的一切的外观、气味、触感和声音。
正是分子结构对我们的感官和情感的这种非常个人的影响，造成了对一切“化学物质”的感知和真实的恐惧。这种恐惧常常导致困惑，使我们将任何“天然”的东西（据称包括蛇毒）贴上好的标签，将任何“人造”的东西（据称包括治疗心脏病的合成药物）贴上坏的标签。它导致化学的词汇与流行文化发生碰撞，让化学家感到困惑；例如，“有机”这个词，尤其是与有机食品运动联系在一起时，已经完全超越了其在化学家词典中的原始含义。对于化学家来说，许多有机化合物，如二恶英和肉毒杆菌毒素，都具有剧毒，而无机化合物，如氯化钠或锂，则无害甚至有益。
对化学物质的恐惧常常是不合理的，但它的根源深入到化学物质的本质，甚至深入到人性的本质。杰基尔和海德的故事之所以能够超越文化和时代，是有其深刻原因的。这是因为我们理解，我们每个人心中都有一个杰基尔和海德，等待着合适的时机从阴影中走出来。人类行为中的这种歧义忠实地转化为化学行为；就像杰基尔和海德一样，几乎每一种原子排列都固有地向我们展示了两张面孔，这导致我们与化学物质保持着爱恨交织的关系。
但这取决于我们来决定我们想看到哪张面孔。我们是想看到在第一次大规模化学战期间，第一次世界大战中使用的芥子气毒气的杀人面孔吗？还是想看到爱好和平的男男女女在几十年后将芥子气类似物驯化为第一批抗癌药物[8]的崇高面孔？
一些最有效的抗癌疗法化合物的起源可以追溯到战争中使用的一些最可怕的制剂。“杀不死你的东西会让你更强大”这句格言更适用于我们能够想象的化学。磷肥是化学的杰基尔和海德的另一个例子；这些化合物确实拯救了数十亿人免于饥饿，但也导致了溪流和河流中的藻类大量繁殖，藻类大量繁殖会通过窒息其营养和氧气供应而杀死整个生态系统。
有时，原子方向的简单改变就足以将一种治疗方法变成怪物。沙利度胺臭名昭著地导致了出生缺陷，当时它被作为孕妇的晨吐药服用。在这种情况下，罪魁祸首不是不同的分子，而仅仅是化合物的镜像对应物（由体内代谢产生），这种对应物造成了如此严重的伤害。
爱丽丝本人也无法想象在镜子的另一边等待着她的噩梦。但具有讽刺意味的是，沙利度胺最近以有限的规模重新出现，作为多发性骨髓瘤（一种致命疾病）的疗法。就像一些人一样，分子在被抛弃为贱民之后，也可以被原谅并为有用的目的而复活。我们都值得第二次机会。
图 3：杰基尔和海德的故事——这里在一张电影海报中戏剧化地呈现——可以作为分子的准确隐喻，其中许多分子可以根据形状、浓度或原子排列的细微变化而表现出截然不同的性质。（图片）
如果没有化学的一个特性使其成为一门独特的科学，我们可能不会目睹如此众多的分子表现出如此多的有益和有害的品质。化学是唯一真正能够创造出以前从未存在过的东西的人类活动，其质量和数量都令人震惊[1]。
在过去的一百年左右，化学家，特别是有机化学家，已将创造分子的科学转变为精湛的艺术水平。按需制造任意复杂度的分子这种能力，与任何其他能力一样，巩固了人类作为地球上优势物种的地位。它体现了莎士比亚、贝多芬、米开朗基罗和牛顿所代表的那种最高形式的创造力。毫不夸张地说，从概念的角度来看，化学合成一直是支撑现代文明的世界性范式，其重要性与微积分的发明和电的发现相当。
合成化学物质如此充分地渗透到我们的环境中，以至于人们很容易忘记有人必须发现它们。从我们坐的椅子到我们穿的衣服，到我们吃的食物，到我们开的药，到我们居住的建筑物，到我们上班的交通方式，在很大程度上都由自然界以前不存在的合成分子组成。化学家设计和制造这些分子的能力几乎令人恐惧地高效和通用。对化学物质的部分恐惧源于新化学物质的纯粹新颖性及其在我们生活中的普遍存在。有时我们倾向于最害怕那些我们最熟悉的东西。
图 4：这一系列步骤说明了合成一种有用的分子通常所需的复杂反应系列——涉及数十种试剂和中间化合物。在本例中，分子是美瑞内酯 A，一种从中国八角茴香香料中分离出来的化合物，可能对神经退行性疾病具有治疗价值。（图片来源：维基百科）
有一件事是肯定的；无论我们爱还是鄙视这些化学物质，我们都无法想象没有它们的生活。有时人们会大谈特谈化学和制药行业的罪恶，但不会有人否认抗生素和抗病毒药物挽救了无数生命，而这些药物主要由制药行业开发。石油公司可能是每个人最喜欢的恶棍，但谨慎地考虑一下，通过化学方法提炼原油对二十世纪的交通运输和发电产生的巨大净影响。 “塑料是神奇的”，不仅在流行歌曲中，而且在现实生活的各个方面，从外科缝合线到尿布中使用的粉状材料。
有机食品运动避免使用人工肥料，但我们永远不能忘记一个简单的事实；氮肥的实现得益于哈伯-博世法，这是一种真正将空气变成面包的方法，据估计，这种方法维持了世界五分之一人口的生命[4]。无论我们对创造这些分子的人类有何感受，分子本身救命的特性都骄傲地独立存在。化学比任何其他科学都更直接地养活我们、为我们提供衣着，并使我们免于死亡。它极大地促进了我们渴望并视为理所当然的高生活水平。
一个没有化学的世界将是一个反乌托邦，在这个世界中，人类将缺乏保护自己免受自然因素侵害的手段，无法远距离旅行以获取高效燃料，对微生物无能为力，会因简单的针刺而死亡，并会因粮食生产不足而饿死。简而言之，一个没有化学的世界肯定是一个我们大多数人——包括最忠诚的环保主义者和替代医学爱好者——都不想生活的世界。
随着我们迈入二十一世纪，这门最人性的科学将继续以其复杂性、实用性和歧义性令我们惊叹和阻挠。化学将继续成为我们努力解决能源危机、开发个性化药物和改造农业的核心。人类与他们创造的分子之间无疑会存在紧张关系。在这种情况下，公共教育将在消除对分子及其对人类健康和环境影响的不切实际的恐惧方面发挥重要作用，这也是国际化学年正在积极努力促进的目标之一。在这些实际问题得到解决的同时，化学家将继续默默地享受他们数百年来一直享受的事情。他们将凝视色彩鲜艳的晶体，解开青蛙皮肤中生物碱的结构，在计算机上模拟酶的复杂运动，并研究为生命提供动力的细胞反应。
最终，关于这门人类科学的真相更加深刻。我们需要认识到，分子震撼和敬畏的力量在于它们的创造者。物理学家理查德·费曼曾经引用一句古老的日本谚语：“每个人都被赋予了通往天堂的钥匙。同一把钥匙也打开了地狱之门”。有趣的是，小分子药物与促进疾病的酶的活性位点结合并调节其活性的主要模型是“锁和钥匙”模型。许多药物通过成为特定锁的理想钥匙而发挥作用，但它们也可能适合其他不需要的锁并引起毒性副作用；治愈疾病的同一把钥匙也可能通过引起压倒性的副作用来打开地狱之门。设计药物的化学家一直在努力使钥匙只适合一把锁。
这个隐喻延伸到整个化学领域。每一种化学物质都是通往天堂和地狱之门的钥匙。最终，我们才是决定它将打开哪扇门的人。我们希望做出明智的选择。
参考文献
[1] Breslow, R. "Chemistry Today and Tomorrow: The Central, Useful and Creative Science", Jones & Bartlett Learning, 1996
[2] Lee, J. D. "Concise Inorganic Chemistry", Wiley-Blackwell, 1999
[3] La Couteur, P.; Burreson, J. "Napoleon’s Buttons: How 17 Molecules Changed History", Jeremey P. Tarcher, 2004
[4] Hager, T. "The Alchemy of Air", Broadway, 2009
[5] Hanes, W. T.; Sanello, F. "The Opium War", Sourcebooks Inc., 2004
[6] http://pubs.acs.org/cen/coverstory/89/8923cover.html
[8] Mukherjee, S. "The Emperor of All Maladies", Scribner, 2011
关于作者： Ashutosh Jogalekar 是一位化学家，对科学史、科学哲学和社会学感兴趣。他着迷于科学发现的逻辑以及科学与公众情绪和政策的互动。他的博客是 The Curious Wavefunction，可以通过 curiouswavefunction@gmail.com 与他联系。
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