昨日，2020年諾貝爾化學獎公佈，發展了基因編輯技術的科學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶與詹妮弗·杜德娜獲獎（詳見《一個重寫生命密碼的工具》）。回顧近年諾貝爾化學獎得主的名單，不少人調侃，諾貝爾化學獎已經越來越像“理綜獎”。
過去，人們通常把化學分為“四大化學”，也就是有機化學、無機化學、物理化學和分析化學。而現如今，化學在更多交叉前沿領域有了更多發展的空間。
2015年，哈佛大學化學家
喬治·M. 懷特塞茲（George M. Whitesides）在頂級化學期刊《應用化學》上發表文章Reinventing Chemistry（重塑化學），闡述了他對未來化學發展的理解。懷特塞茲寫道：“化學現在面臨著各種各樣的機會和對社會的義務。（化學）科學一直在研究原子、鍵、分子和反應。那麼50年後呢？它還會是對分子及其行為的研究嗎？又或者，它會涉及包含分子的複雜系統，包括材料科學、生物學、地質學、城市管理等等，成為任何形式的‘化學’？對任何化學領域的簡單定義，或者至少是簡單如‘原子、分子和反應’這樣的定義，似乎都不再適合化學的潛力，以及它對社會的義務，還有它所面臨的挑戰的複雜性。”
懷特塞茲在文中列舉並詳細討論了二十多個未來發展方向的問題，在此摘選總結了一些化學中具有代表性的交叉領域，化學與其他學科在這些領域中融合發展。從中，或許可以窺探未來化學的一隅。
生物化學是近年來最熱門、發展最為迅速的領域之一，它涉及的範圍非常廣泛，從理解生命的機制，到了解疾病，甚至延伸到公共健康等領域。在更微觀的層面上，生命也可以理解為分子化學的一種表現形式，它是分子、催化劑和反應構成的驚人的網絡。它其實同樣是一種我們不甚理解的“化學”。
從另一種意義上來說，生命其實也可以說是“起源於化學”。在前生命時代的混亂地球上，一些簡單而基本的化學小分子逐漸構成了更復雜的“部件”，慢慢發展出了紛繁的生物世界。我們對這個神秘的過程知之甚少，它同樣吸引著一批又一批科學家深入探究。
想到生命的本質其實只是分子的行為，似乎總會有些令人不安。但或許更驚人的事實是，人類的思想其實同樣如此。在大腦中存在著許多更為細節、也更加引人入勝的生化問題，比如神經遞質、受體、蛋白質合成和跨膜電化學等等，在化學、生物學以及物理學的交界處，甚至還有一些更為深入的問題，比如感知和自我意識的基礎。在神經生物學的研究中，神經生物化學佔據了非常重要的一部分。
雖然我們可能很難直觀感受到，但我們的地球家園從來不是一個靜止的星球。地球與太陽系的開端可以追溯到46億年前，這個數字就是我們通過化學元素隨時間變化的規律而探測出來的。地球化學的研究對理解地球組成，及其形成和演化等方面做出了關鍵的貢獻。我們腳下的每一塊岩石、每一寸土地，都帶著許多歷史的故事。還有一些情況下，地球化學的領域會跨越地球之外，延伸至整個太陽系。
地球的大氣層與生命息息相關，大氣的化學組成會受到自然過程的影響（比如劇烈的火山噴發）以及人類活動的影響（比如溫室氣體水平、臭氧層的破壞等等）。隨著系外行星的發現，科學家也開始將眼光從地球移到了其他星球上。在系外行星探測的過程中，人們同樣藉助對行星大氣的特定分子的探測，來推測系外行星環境以及系外生命存在的可能性。
懷特塞茲教授還特別提到了有關大氣系統的另一個獨特之處。化學一直傾向於研究處於熱力平衡，或者向熱力平衡移動的系統，這些系統看起來已經很複雜 ，但我們周圍最有趣的系統還不止這些。還有一類系統是“耗散”的，也就是說，它們的特點和最有趣的特徵只有在能量通過時才會顯現出來，大氣、海洋、代謝等都屬於這類“耗散”系統。研究耗散系統幾十年來一直是物理學研究的主題之一，但與平衡系統不同的是，我們對耗散系統的理論與經驗認識都還非常淺薄。
隕石是宇宙化學研究中最關鍵的“證人”和工具之一，這些天外來客身上往往帶有非常關鍵的信息，不少隕石的年齡甚至和太陽系的年齡相當，它們能提供來自早期太陽星雲的秘密，這對我們理解早期太陽系演化非常具有幫助。隨著越來越多隕石樣本的出現，以及越來越精細的探測，人們在隕石中甚至發現了許多出乎意料的分子，水的起源甚至生命起源，或許都有望從隕石中獲得答案。
有研究顯示，自2010年起，FDA批准的新藥數量出現了顯著增長。我們再也無法寄希望於偶然發現某種藥來滿足我們對藥物的需求了。藥物化學的背後，其實包含了對生物與化學等諸多領域的綜合理解，它不僅需要對疾病、代謝等方面有足夠的認識，還要設計的化學物質有足夠的瞭解。
近幾十年來，隨著計算機和基因組學的發展，合理藥物設計（rational drug design）也成了一個經常被討論的話題。簡單來說，這可以理解成一種基於結構的更精準的藥物設計，它從基因（組）出發，針對藥物作用的精確位置來尋找和設計藥物分子。
我們對DDT被禁用的故事應該都耳熟能詳。20世紀上半葉，人們發現DDT可以作為一種有效的殺蟲劑快速殺害害蟲，它因此被作為一種農藥廣泛使用。但後來人們發現，這種物質在自然界分成難以分解，會在動物體內累積，對生態造成非常不利的影響。因此從20世紀70年代起，許多地區開始逐漸禁止這種物質的使用。
這是環境化學中典型的案例之一。環境化學通常研究的是化學物質在環境中遷移、轉化和降解的規律，它時常與“汙染”一詞聯繫在一起。隨著社會和科技的發展，環境問題日益成為關注的焦點。環境化學也成了理解環境問題以及環境保護的重要基礎。
科技越來越尖端，我們對材料的需求越來越高。我們希望材料在更輕薄的同時變得更堅韌，甚至還帶有諸多獨特的性能。我們最終有可能製造出高溫的超導體嗎？那麼透明的液態鐵磁體，或者一種真正具有生物相容性的神經假體是否有可能呢？如果有一種比金剛石更好的熱導體材料，同時價格又便宜，還具有氧化穩定，那就再好不過了。人們正在朝著許多過去認為“不可能”的材料邁進，化學在這個過程中自然功不可沒。
在Reinventing Chemistry這篇文章中，懷特塞茲教授提及的問題遠不止這些。他甚至提到了全球人口、國際衝突等許多看似更“不相關”的問題背後的“化學”。
他相信，化學正在經歷一場重要的變革，儘管化學中那個知識層面和商業層面飛速發展的時代已經過去，但未來化學所面臨的挑戰，會將化學帶到一個新的舞臺。
參考來源：
G. M. Whitesides. 2015. “Reinventing Chemistry.” Angew. Chemie., 54, Pp. 3196-3209.
https://www.biochemistry.org/education/careers/becoming-a-bioscientist/what-is-biochemistry
http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/6/20160605.htm
封面&動畫&插圖設計：雯雯子
封面及插圖素材來源：
封面&神經生物化學&地球化學&大氣化學&環境化學：Pixabay
生物化學：NIH
宇宙化學：NASA/Lynette Cook
藥物化學：Daniel Foster/Flickr
