1 生命是如何起源的？
大約四十億年前，第一個生物從無生命的物質中誕生的那一刻，仍然籠罩在神秘之中。原始湯中的相對簡單的分子是如何產生越來越複雜的化合物的？這些化合物中的一些又是如何開始處理能量和複製（生命的兩個定義性特徵）的？在分子水平上，所有這些步驟當然都是化學反應，這使得生命起源的問題成為化學問題之一。
對於化學家來說，挑戰不再是提出模糊但看似合理的設想，這方面已經有很多了。例如，研究人員推測，粘土等礦物質可以作為催化劑，促進第一個自我複製的聚合物（像 DNA 或蛋白質一樣，是由較小單元組成的長鏈分子）的形成；深海熱液噴口提供的能量推動了化學複雜性；以及“RNA 世界”，其中 DNA 的近親 RNA——它可以像酶一樣發揮作用並催化反應——在 DNA 和蛋白質出現之前，可能是一種普遍存在的分子。
不，現在的目標是弄清楚如何在試管中精心控制的反應中測試這些想法。例如，研究人員已經表明，某些相對簡單的化學物質可以自發反應，形成更復雜的生命系統構建塊，例如氨基酸和核苷酸，DNA 和 RNA 的基本單元。2009 年，由約翰·薩瑟蘭領導的團隊（當時在英國劍橋的 MRC 分子生物學實驗室）成功地證明了核苷酸是由可能存在於原始湯中的分子形成的。其他研究人員則專注於某些 RNA 鏈充當酶的能力，為 RNA 世界假說提供了證據。透過這些步驟，科學家們可能會逐步彌合從無生命的物質到自我複製、自我維持的系統之間的差距。
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現在科學家們對我們太陽系中奇異且可能肥沃的環境有了更好的瞭解——火星上偶爾出現的水流、土星衛星泰坦的石油化學海洋，以及木星衛星歐羅巴和木衛三冰層下似乎潛伏著的寒冷鹹水海洋——地球生命的起源似乎只是更宏大問題的一部分：生命在什麼情況下可以產生？它的化學基礎可以有多大的變化範圍？過去 16 年來，我們發現了 500 多顆繞其他恆星執行的太陽系外行星——這些世界千奇百怪，這使得這個問題更加豐富。
這些發現促使化學家們拓寬他們對生命可能存在的化學性質的想象力。例如，美國宇航局長期以來一直認為液態水是先決條件，但現在科學家們不太確定了。液態氨、甲醯胺、油性溶劑（如液態甲烷）或木星上的超臨界氫氣怎麼樣？為什麼生命應該將自身限制在 DNA、RNA 和蛋白質上？畢竟，現在已經制造出幾種人工化學系統，它們在不依賴核酸的情況下，從組分部分表現出某種複製形式。似乎你所需要的只是一個分子系統，它可以作為製造副本的模板，然後自行脫離。
佛羅里達州蓋恩斯維爾應用分子進化基金會的化學家史蒂文·本納說，看看地球上的生命，“我們無法判斷[如 DNA 和蛋白質的使用]等相似之處反映的是共同祖先還是普遍的生命需求。”但如果我們要退縮到說我們必須堅持我們所知道的，他說，“我們就沒有樂趣了。”
2 分子是如何形成的？
分子結構可能是高中科學課程的主要內容，但用球和棒代表原子以及原子之間鍵的常見圖片在很大程度上是一種傳統的虛構。問題在於，科學家們對分子更準確的表示應該是什麼樣子存在分歧。
在 20 世紀 20 年代，物理學家沃爾特·海特勒和弗裡茨·倫敦展示瞭如何使用當時新興的量子理論方程來描述化學鍵，偉大的美國化學家萊納斯·鮑林提出，當不同原子的電子軌道在空間中重疊時，就會形成鍵。羅伯特·馬利肯和弗里德里希·洪德提出的競爭理論認為，鍵是原子軌道合併成“分子軌道”的結果，分子軌道延伸到多個原子之上。理論化學似乎即將成為物理學的一個分支。
近 100 年後，分子軌道圖已成為最常見的圖，但化學家們仍然沒有達成共識，認為它始終是觀察分子的最佳方式。原因是這種分子模型和所有其他模型都基於簡化的假設，因此是近似的、區域性的描述。實際上，分子是一堆原子核，它們被電子雲包圍，相反的靜電力彼此之間進行著持續的拉鋸戰，所有組分都在不斷地運動和改組。現有的分子模型通常試圖將這種動態實體結晶成靜態實體，並且可能捕獲其某些顯著特性，但忽略其他特性。
量子理論無法提供與化學家直覺相符的化學鍵的獨特定義，而化學家的日常工作就是製造和破壞化學鍵。現在有很多方法可以將分子描述為由鍵連線的原子。德國波鴻魯爾大學的量子化學家多米尼克·馬克思表示，幾乎所有這些描述“在某些情況下都很有用，但在另一些情況下則失敗”。
計算機模擬現在可以從量子第一性原理非常準確地計算分子的結構和性質——只要電子數量相對較少。“計算化學可以被推到最現實和最複雜的水平，”馬克思說。因此，計算機計算越來越可以被視為一種預測反應過程的虛擬實驗。然而，一旦要模擬的反應涉及超過幾十個電子，即使是最強大的超級計算機，計算也很快會不堪重負，因此挑戰將在於模擬是否可以擴充套件——例如，細胞中複雜的生物分子過程或複雜的材料是否可以用這種方式建模。
3 環境如何影響我們的基因？
舊的生物學觀點認為，你的身份取決於你擁有的基因。現在很清楚，同樣重要的問題是你使用哪些基因。與所有生物學一樣，這個問題的核心是化學。
早期胚胎的細胞可以發育成任何組織型別。但是隨著胚胎的生長，這些所謂的全能幹細胞會分化，獲得特定的角色（例如血液、肌肉或神經細胞），這些角色在它們的後代中保持不變。人體的形成是在化學上修飾幹細胞的染色體，從而改變基因的排列，這些基因會被開啟和關閉。
然而，克隆和幹細胞研究中的革命性發現之一是，這種修飾是可逆的，並且可以受到身體經歷的影響。細胞在分化過程中不會永久性地停用基因，而只是保留它們在“準備工作”狀態下需要的基因。相反，被關閉的基因保留著發揮作用的潛在能力——產生它們編碼的蛋白質——並且可以重新啟用，例如，透過暴露於從環境中攝取的某些化學物質。
對於化學家來說，特別令人興奮和具有挑戰性的是，對基因活動的控制似乎涉及在大於原子和分子尺寸尺度上發生的化學事件——在所謂的介觀尺度上——大型分子基團和元件相互作用。染色質是構成染色體的 DNA 和蛋白質的混合物，具有分層結構。雙螺旋纏繞在由稱為組蛋白的蛋白質製成的圓柱形顆粒上，而這條珠鏈然後捆綁成更高階的結構，這些結構尚不為人知。細胞對這種包裝施加了很大的控制——基因在染色質中的包裝方式和位置可能決定了它是否活躍。
細胞具有專門的酶來重塑染色質結構，這些酶在細胞分化中起著核心作用。胚胎幹細胞中的染色質似乎具有更鬆散、開放的結構：隨著一些基因變得不活躍，染色質變得越來越塊狀和有組織。“染色質似乎固定並維持或穩定細胞的狀態，”馬薩諸塞州總醫院的病理學家布拉德利·伯恩斯坦說。
更重要的是，這種染色質雕刻伴隨著 DNA 和組蛋白的化學修飾。附著在它們身上的小分子充當標籤，告訴細胞機制沉默基因，或者相反，釋放它們以發揮作用。這種標記被稱為“表觀遺傳”，因為它不會改變基因本身攜帶的資訊。
成熟細胞可以在多大程度上恢復全能性——它們是否與真正的幹細胞一樣好，這對於它們在再生醫學中的應用至關重要——這個問題似乎主要取決於表觀遺傳標記可以重置到什麼程度。
現在很清楚，除了拼寫出細胞許多關鍵指令的遺傳密碼之外，細胞還使用完全獨立的遺傳化學語言——表觀遺傳學的語言。“人們可能對許多疾病（包括癌症）具有遺傳傾向，但疾病是否會顯現出來，通常取決於透過這些表觀遺傳途徑發揮作用的環境因素，”英國伯明翰大學的遺傳學家布萊恩·特納說。
4 大腦如何思考和形成記憶？
大腦是一臺化學計算機。構成其電路的神經元之間的相互作用是由分子介導的：具體而言，是神經遞質，它們穿過突觸，即一個神經細胞與另一個神經細胞連線的接觸點。這種思維化學在其記憶運作中可能最為令人印象深刻，在記憶中，抽象的原理和概念——例如電話號碼或情感關聯——透過持續的化學訊號印在神經網路的狀態中。化學如何創造出既持久又動態，又能回憶、修改和遺忘的記憶？
我們現在知道部分答案。一系列生化過程，導致突觸中神經遞質分子數量的變化，觸發了習慣性反射的學習。但即使是學習的這個簡單方面也具有短期和長期階段。與此同時，更復雜的所謂陳述性記憶（關於人、地點等等）在大腦中具有不同的機制和位置，涉及某些神經元上稱為 NMDA 受體的蛋白質的啟用。用藥物阻斷這種受體可以阻止許多型別陳述性記憶的保留。
我們日常的陳述性記憶通常透過稱為長時程增強的過程進行編碼，該過程涉及 NMDA 受體，並伴隨著形成突觸的神經元區域的擴大。隨著突觸的生長，它與鄰近神經元的連線“強度”也會增加——到達的神經衝動在突觸連線處引起的電壓。過去幾年，這一過程的生物化學已被闡明。它涉及神經元內由蛋白質肌動蛋白製成的細絲的形成——肌動蛋白是細胞基本支架的一部分，也是決定細胞大小和形狀的物質。但是，如果在變化鞏固之前的短時間內，生化試劑阻止新形成的細絲穩定，那麼該過程就可以被撤銷。
一旦編碼，簡單和複雜學習的長期記憶都透過開啟產生特定蛋白質的基因來積極維持。現在看來，這個過程可能涉及一種叫做朊病毒的分子。朊病毒是可以在兩種不同構象之間切換的蛋白質。其中一種構象是可溶的，而另一種構象是不可溶的，並充當催化劑，將其他與其類似的分子切換到不可溶狀態，從而導致這些分子聚集。朊病毒最初因其在神經退行性疾病（如瘋牛病）中的作用而被發現，但現在發現朊病毒機制也具有有益的功能：朊病毒聚集體的形成標誌著特定的突觸以保留記憶。
記憶如何運作的故事中仍然存在很大的空白，其中許多空白等待著化學細節來填補。例如，記憶一旦儲存後是如何被回憶起來的？“這是一個深刻的問題，對其分析才剛剛開始，”哥倫比亞大學的神經科學家和諾貝爾獎獲得者埃裡克·坎德爾說。
理解記憶的化學性質為藥理學增強提供了誘人且有爭議的前景。一些記憶增強物質已經為人所知，包括性激素和作用於尼古丁、穀氨酸、血清素和其他神經遞質受體的合成化學物質。事實上，加州大學歐文分校的神經生物學家加里·林奇認為，導致長期學習和記憶的複雜步驟序列意味著這種記憶藥物有很多潛在的目標。
5 存在多少種元素？
裝飾教室牆壁的元素週期表必須不斷修訂，因為元素的數量在不斷增加。科學家們使用粒子加速器將原子核碰撞在一起，可以創造出新的“超重”元素，這些元素的原子核中的質子和中子數量比自然界中發現的 92 種左右的元素更多。這些膨脹的原子核不是很穩定——它們會放射性衰變，通常在極短的時間內。但是，當它們存在時，新的合成元素（如𨭎（元素 106）和𨭆（元素 108））與任何其他元素一樣，因為它們具有明確的化學性質。在令人眼花繚亂的實驗中，研究人員在少量的難以捉摸的𨭎和𨭆原子在解體前的短暫瞬間研究了它們的一些性質。
此類研究不僅探索了物理極限，還探索了元素週期表的概念極限：超重元素是否會繼續顯示出使該表首先具有周期性的化學行為的趨勢和規律性？答案是有一些會，有一些不會。特別是，如此巨大的原子核緊緊抓住原子最內層的電子，以至於電子以接近光速的速度運動。然後，狹義相對論效應會增加電子的質量，並可能破壞量子能態，而量子能態是其化學性質——以及週期表的週期性——所依賴的。
由於原子核被認為可以透過特定的“幻數”質子和中子來穩定，因此一些研究人員希望找到他們稱之為穩定島的東西，這是一個略微超出當前元素合成能力的區域，超重元素在其中壽命更長。然而，它們的尺寸有根本限制嗎？一個簡單的計算表明，相對論禁止電子與超過 137 個質子的原子核結合。更復雜的計算反駁了這一限制。“週期系統不會在 137 處結束；事實上，它永遠不會結束，”德國法蘭克福約翰·沃爾夫岡·歌德大學的核物理學家沃爾特·格賴納堅持認為。對這一說法的實驗驗證還有很長的路要走。
6 可以用碳製造計算機嗎？
用石墨烯（一種碳原子網）製成的計算機晶片可能比矽基晶片更快、更強大。石墨烯的發現獲得了 2010 年諾貝爾物理學獎，但這種形式和其他形式的碳奈米技術的成功可能最終取決於化學家以原子精度創造結構的能力。
1985 年富勒烯（完全由碳原子製成的空心籠狀分子）的發現，標誌著一些真正更大的事物的開始。六年後的 1991 年，碳原子管首次亮相，這些管以雞籠狀的六邊形圖案排列，類似於石墨碳片中的圖案。由於是空心的、非常堅固和剛硬的，並且具有導電性，這些碳奈米管有望應用於從高強度碳複合材料到微小導線和電子裝置、微型分子膠囊和水過濾膜等領域。
儘管碳奈米管前景廣闊，但尚未帶來許多商業應用。例如，研究人員尚未解決如何將奈米管連線到複雜的電子電路中的問題。最近，石墨已成為中心舞臺，因為發現它可以分離成單獨的雞籠狀薄片，稱為石墨烯，它可以為超小型化、廉價且堅固的電子電路提供基材。人們希望計算機行業可以使用原子精度定製的狹窄石墨烯帶和網路來製造效能優於矽基晶片的晶片。
“石墨烯可以進行圖案化，從而克服碳奈米管的互連和放置問題，”佐治亞理工學院的碳專家沃爾特·德希爾說。德希爾指出，然而，蝕刻等方法對於將石墨烯電路圖案化到單個原子來說太粗糙了，因此，他擔心石墨烯技術目前更多的是炒作而不是硬科學。使用有機化學技術從下往上構建石墨烯電路——將含有幾個六邊形碳環的“多芳烴”分子連線在一起，就像石墨烯薄片的小碎片一樣——可能是實現這種精確原子級工程的關鍵，從而開啟石墨烯電子的未來。
7 我們如何利用更多的太陽能？
每次日出都在提醒我們，我們目前僅利用了太陽這一巨大清潔能源資源中可憐的一小部分。主要問題是成本：由矽製成的傳統光伏面板的成本仍然限制了它們的使用。然而，地球上的生命（幾乎所有生命最終都由光合作用提供太陽能）表明，如果像樹葉一樣，太陽能電池可以大量且廉價地製造出來，那麼它們不必非常高效。
亞利桑那州立大學的德文斯·古斯特說：“太陽能研究的聖盃之一是利用陽光生產燃料。”用太陽能製造燃料最簡單的方法是分解水以產生氫氣和氧氣。內森·S·劉易斯和他在加州理工學院的合作者正在開發一種人造葉片，它將使用矽奈米線來做到這一點。
今年早些時候，麻省理工學院的丹尼爾·諾塞拉和他的同事推出了一種矽基膜，其中一種鈷基光催化劑可以分解水。諾塞拉估計，一加侖水將提供足夠的燃料，供發展中國家的家庭使用一天。“我們的目標是讓每個家庭都成為自己的發電站，”他說。
用催化劑分解水仍然很困難。“像諾塞拉使用的鈷催化劑以及新發現的基於其他常見金屬的催化劑很有前景，”古斯特說，但尚未有人找到理想的廉價催化劑。“我們不知道天然光合催化劑（它基於四個錳原子和一個鈣原子）是如何工作的，”古斯特補充道。
古斯特和他的同事一直在研究製造用於人工光合作用的分子元件，這些元件更接近於模仿它們的生物學靈感，他的團隊已經成功合成了可以用於這種元件的一些元素。儘管如此，這方面還需要做更多的工作。自然界使用的有機分子往往會很快分解。雖然植物不斷產生新的蛋白質來取代分解的蛋白質，但人造葉片（尚未）擁有活細胞的完整化學合成機制。
8 製造生物燃料的最佳方法是什麼？
與其透過捕獲太陽光線來製造燃料，不如讓我們讓植物為我們儲存太陽的能量，然後將植物物質轉化為燃料？用玉米制成的乙醇和用種子製成的生物柴油等生物燃料已經在能源市場找到了一席之地，但它們威脅要取代糧食作物，尤其是在發展中國家，在發展中國家，在國外銷售生物燃料可能比養活國內人民更有利可圖。這些數字令人望而生畏：滿足當前的石油需求意味著徵用大片耕地。
因此，將食物轉化為能源可能不是最佳方法。一種答案可能是利用其他不那麼重要的生物質形式。美國產生的農業和森林殘留物足以供應每年三分之一的汽油和柴油運輸消耗量。
將這種低等級生物質轉化為燃料需要分解堅韌的分子，如木質素和纖維素，它們是植物的主要組成部分。化學家已經知道如何做到這一點，但現有的方法往往過於昂貴、效率低下或難以擴大規模，以滿足經濟所需的巨大燃料量。
分解木質素的挑戰之一——開啟連線“芳香族”或苯型碳原子環的碳氧鍵——最近由伊利諾伊大學的約翰·哈特維希和阿列克謝·謝爾蓋耶夫解決。他們找到了一種能夠做到這一點的鎳基催化劑。哈特維希指出，如果生物質要供應非化石燃料化學原料以及燃料，化學家還需要從中提取芳香族化合物（那些具有芳香環骨架的化合物）。木質素是生物質中此類芳香族化合物唯一的主要潛在來源。
為了實用，這種生物質轉化還需要與主要為固體生物質一起工作，並將其轉化為液態燃料，以便沿管道輕鬆運輸。液化需要在收穫植物的現場進行。催化轉化的難點之一是原材料的極端雜質——經典的化學合成通常不處理像木材這樣的髒亂材料。“關於這一切最終將如何完成，還沒有共識，”哈特維希說。可以肯定的是，任何解決方案的很大一部分都在於化學，尤其是尋找合適的催化劑。“幾乎每個大規模的工業反應都與催化劑有關，”哈特維希指出。
9 我們能否設計出創造藥物的新方法？
化學的核心業務是一項實際的、創造性的業務：製造分子，這是創造從新材料到可以超越耐藥細菌興起的新抗生素的一切事物的關鍵。
在 20 世紀 90 年代，一個很大的希望是組合化學，其中透過隨機組裝構建模組來製造數千種新分子，然後篩選這些分子以識別那些工作良好的分子。一旦被譽為藥物化學的未來，“組合化學”就失寵了，因為它幾乎沒有產生任何有用的東西。
但組合化學可能會迎來更光明的第二階段。只有當你可以製造足夠廣泛的分子，並找到好的方法來挑選出微量的成功分子時，它似乎才有可能奏效。生物技術可能在這裡有所幫助——例如，每個分子都可以連線到一個基於 DNA 的“條形碼”，該條形碼既可以識別它，又可以幫助提取它。或者，研究人員可以透過在試管中使用一種達爾文進化來逐步改進候選分子庫。他們可以將潛在的基於蛋白質的藥物分子編碼到 DNA 中，然後使用易錯複製來生成成功分子的新變體，從而在每一輪複製和選擇中找到改進。
其他新技術借鑑了自然界在預定排列中結合分子片段的精湛技藝。例如，蛋白質具有精確的氨基酸序列，因為該序列是由編碼蛋白質的基因拼寫出來的。使用這種模型，未來的化學家可能會程式設計分子以自主組裝。這種方法的優點是“綠色”，因為它減少了傳統化學制造中典型的副產品以及相關的能源和材料浪費。
哈佛大學的大衛·劉和他的同事正在追求這種方法。他們用短 DNA 鏈標記構建模組，這些短 DNA 鏈程式設計了聯結器的結構。他們還創造了一種分子，它可以沿著 DNA 行走，讀取其程式碼並按順序將小分子連線到構建模組以製造聯結器——這個過程類似於細胞中的蛋白質合成。劉的方法可能是定製新藥的一種便捷方式。“許多分子生命科學家認為，大分子將在未來的治療學中發揮越來越核心的作用，如果不是主導作用的話，”劉說。
10 我們能否持續監測我們自身的化學成分？
越來越多的化學家不僅想製造分子，還想與它們交流：使化學成為一種資訊科技，它可以與從活細胞到傳統計算機和光纖電信的任何事物介面。
在某種程度上，這是一個老想法：利用化學反應報告血液中葡萄糖濃度的生物感測器可以追溯到 20 世紀 60 年代，儘管直到最近，它們在監測糖尿病方面的應用才變得廉價、便攜且廣泛。化學感測可以有無數的應用——例如，以極低的濃度檢測食品和水中的汙染物，或監測大氣中存在的汙染物和痕量氣體。更快、更便宜、更靈敏、更普及的化學感測將會在所有這些領域取得進展。
然而，在生物醫學領域，新型化學感測器將具有最引人注目的潛力。例如，癌症基因的一些產物在病情變得明顯之前很久就在血液中迴圈，以至於常規臨床檢查無法發現。早期檢測這些化學物質可能會使預後更加及時和準確。快速基因組分析將使藥物治療方案能夠根據個體患者量身定製，從而降低副作用的風險，並允許使用今天因其對遺傳少數群體的危害而受到阻礙的某些藥物。
一些化學家預見到對健康和疾病的所有生物化學標誌物進行持續、不引人注目的監測，或許可以在手術期間為外科醫生或為用於提供補救藥物治療的自動化系統提供即時資訊。這種未來主義的願景取決於開發化學方法，以便有選擇地感知特定物質，並在即使目標物質僅以非常低的濃度出現時也發出訊號。
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