本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
人们常说，化学缺乏像物理学和生物学那样的“大问题”。但这并不完全正确。生命的起源是一个典型的化学问题，而且它是最根本的问题之一。更重要的是，化学可能在宏大问题方面有所欠缺，但在直接影响地球居民日常生活的重大问题方面却绰绰有余。从废物处理到食品生产，从新药到太阳能，化学是人类在新千年将面临的许多关键问题的驱动力。
化学家们都在思考什么？化学家们希望在接下来的几分钟内得到解答的问题是什么？有很多，但以下是我最喜欢的一些，从我最喜欢的开始。
1. 我们能解开生命起源之谜吗？
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这是终极的起源问题。达尔文告诉我们生命是如何进化的，但他没有告诉我们生命是如何开始的。自从斯坦利·米勒开启了生命起源的严肃研究时代以来，化学家们一直站在回答这个关键问题的最前沿：早期地球上的简单原始分子是如何自组装成自我复制的、稳健的化学结构，从而受到达尔文自然选择的影响？
四十年前，这个问题会被视为科学家们在洗完最后一个烧瓶，喝着啤酒后才会沉溺其中的那种慵懒的智力漫游的产物。但在过去的四十年里，一系列引人注目的发现使生命起源成为一个具有明确潜在答案的硬科学问题。虽然米勒已经通过证明闪电催化的一系列还原性气体如何形成一些生命的关键分子而启动了该领域，但深海黑烟囱的发现概述了生命起源的另一种途径。自 80 年代以来，一系列突破巩固了该领域的基本假设。最值得注意的是，托马斯·切赫关于自我复制 RNA 的开创性研究为 RNA 世界奠定了基础，这是该学科最广泛接受的论点。
更重要的是，化学家们现在已经找到了合成生命基本构建模块的可靠潜在化学途径；核苷酸、核糖、氨基酸和脂质。几年前，约翰·萨瑟兰发现了一种潜在的与构成 DNA 和 RNA 的碱基结合的核糖的联合合成方法，引起了该领域的轰动。史蒂夫·本纳最近记录了硼酸盐（地球和火星岩石中普遍存在的成分）如何利用有机化学家熟悉的化学反应催化核糖的形成。类似的合成途径也已被发现用于脂质和氨基酸。
事实是，生命的分子起源不再是异想天开的推测领域。现在已经存在合理的途径来形成几乎所有生命的构建模块。下一个挑战是找出这些构建模块如何组合在一起，形成一个自包含的、自我复制的系统，该系统可以通过达尔文自然选择进化，并产生驱动细胞功能的生化途径。这方面已经取得了一些进展；例如，杰克·绍斯塔克的团队发现RNA可以在原始脂肪酸囊泡内复制。事实是，即使我们不知道哪一条单一途径在早期地球上起作用（而且由于进化是多方向进行的，这个问题甚至可能毫无意义），我们也可以在不久的将来非常接近缩小明确的可能性范围。
2. 我们能超越光合作用吗？
这是能量的神圣目标之一；提出一种捕获太阳能量的材料，其效率可以超越光合作用。至少可以说，这是一个极具挑战性的问题。它可能会对我们的生活方式产生巨大的影响，从而导致从水分解中获取能量以及从能量转化中获取生物质。
进化已经拥有数十亿年的时间来修修补补，然后才找到一个卓越的解决方案，使地球上的多细胞生命成为可能。然而，这个奇妙的解决方案仍然非常低效；虽然光合作用的理论效率约为 11%，但实际上各种因素将其限制在不超过 6%。显然，即使是自然界也没有真正设法利用太阳的能量，考虑到它必须调动复杂的生化装置来实现合成同样复杂的碳基有机化合物的目标，这一事实或许并不令人惊讶。
人类可以通过做两件事来实现与植物相同的目标；构建模仿光合作用装置的化学系统，并通过基因工程改造植物本身，使其成为更好的光合作用者。第二个选择虽然诱人，但面临着一些严重的障碍。去年，诺贝尔奖获得者哈特穆特·米歇尔指出，为了克服植物光合作用机制中的一些非常基本的缺陷，我们将必须进行何种深刻的生物再工程。这并非不可能，但在尝试的过程中，我们将与 35 亿年的进化作斗争。另一个异想天开的选择是尝试设计含硅的叶子；我们已经知道光伏发电已经可以达到 45% 的效率，尽管它们的工作要简单得多，只是将太阳能转化为电力。没有人知道硅碳混合植物会表现如何，但我们已经开始将生物学与电子学结合起来，因此绝对值得尝试。
另一条有希望的途径是制造“人造叶子”，它能够实现光合作用所做的至少一件重要的事情，即分解水形成氢和氧。如果实现，这将是对太阳能和世界能源问题的天赐之物。该领域的领导者之一是丹·诺塞拉，他之前在麻省理工学院，现在在哈佛大学。诺塞拉创造了一种钴基催化剂，当与标准廉价的硅基半导体结合时，该催化剂在室温下放置在水中时会产生氢气和氧气。但是该装置的效率最多也只有 5% 左右，因此还需要做更多的工作。
显然，在模仿光合作用的至少某些方面存在有希望的努力，毫无疑问，这个雄心勃勃的目标应该让化学实验室的深夜油灯继续燃烧。这既是引人入胜的深刻纯科学，又在能源和食品生产方面具有潜在的革命性应用。这无疑是一个应该让化学家夜不能寐的问题。
3. 我们如何使化学环保？
随着全球变暖、森林砍伐、肥料径流和塑料垃圾堆积如山，化学家面临着前所未有的环保责任。化学工业在环境管理方面的记录好坏参半。像爱河和汤姆斯河这样的事件玷污了该行业的声誉，即使这些指控并非都合理。1991 年，保罗·阿纳斯塔斯为实践他所谓的“绿色化学”提出了一系列要求。从那时起，这个术语已经根植于化学家的意识中，但也许还不够。
诸如用水和超临界二氧化碳替代潜在有毒的有机溶剂、部署在室温和压力下工作的催化剂、在进行化学反应时认真考虑产品毒性和用量以及跟踪化学机械和设备的能源需求等发展只是化学家为负责任的化学分析、合成和制造而采用的一些策略。然而，还有很长的路要走。
化学家仍然必须开发出完全可生物降解的塑料（或可以替代塑料的材料），以防止破坏陆地和海洋的塑料堆积。他们必须更加努力地使用安全的肥料和农业产品，使其保持在局部区域并且不会在环境中持续存在。他们还必须创造更好的技术来防止有害温室气体的释放。负责任的环境管理不仅可以拯救地球，而且还将在很大程度上使公众相信化学的价值。因此，这应该始终是化学家的主要关注点。
4. 我们能设计出完美的药物吗？
该领域的大多数化学家可能会立刻说，问题中概述的目标是徒劳的。然而，寻找一种能够完美地治疗或治愈疾病，并且不会产生任何副作用的药物，一直是学术界和工业界的药物研发科学家们追求的目标。问题之一是我们仍然对药物如何影响整个生物系统知之甚少。我们可以在试管和模式生物中进行有限的研究，但把药物放入人体后，我们仍然像在黑暗中摸索一样。然而，没有人会否认，减少副作用是医学领域最重要的目标之一，尤其是在癌症等领域，其副作用往往与疾病本身一样可怕。
要掌握副作用，需要化学家从系统层面上看待生物学。这将需要他们走出舒适区，与生物学家和计算机科学家合作，了解特定药物如何影响细胞赖以生存的复杂的代谢途径网络。这还需要能够计算药物和蛋白质之间相互作用的自由能，这是一个总体的目标，其解决方案可能还需要几十年的时间。最终，可能不可能找到一种没有副作用的药物，但这个目标本身仍然是崇高的，它是旨在治愈痛苦而不造成故意伤害的追求的一部分。这是一个化学家应该与医生一起珍惜的追求，也是一个肯定会让他们不断思考和实验的追求。
5. 我们如何向公众推销化学？
在过去的大约两百年里，化学工业确实改变了人类生活。化学产品——药物、塑料、纺织品、肥料、食品——构成了现代文明的基础。它们在全球范围内拯救和改善了数十亿人的生活。然而，化学家们却面临着一个越来越警惕的公众，他们对化学的反应从轻微的怀疑到极度的歇斯底里不等。
部分问题在于，几乎所有对化学或生物技术的批评都依赖于情感，正如几十年的公关和宣传所教导我们的那样，销售情感远比销售事实容易。大部分效果纯粹是心理上的；大众媒体、狂热的博主、记者、电影制作人以及化学工业本身的一些失误，已将“化学品”、“药物”和“转基因生物”等词汇变成了引发情绪而非理性反应的本能触发器。背景和统计数据经常被忽略，而轶事证据和概括性说法往往占据主导地位。
要反驳对化学的误解并不容易，尤其是在我们用事实对抗情感时。这个问题没有简单的答案，我建议读者参考之前一篇关于这个主题的思考。一种可能的解决方案是建立一个非营利性的、独立的国家化学教育中心，该中心将指导和教育公众，并试图传达这样一个事实，即总体而言，化学所做的好事远多于坏事。但无论采取何种策略，毫无疑问，与化学迷信作斗争将是未来化学家们长期关注的问题。
注：我忘记了菲利普·鲍尔在本杂志上发表的一篇精彩的2011年文章，该文章阐述了化学家关注的其他一些基本问题。我感谢SeeArrOh的提醒。