化學家通常關注原子和分子層面的物質屬性。這種關注看似狹隘，但實際上恰恰相反。化學揭示了我們周圍世界的許多奧秘，包括生命的起源、人體如何運作以及微小分子如何深刻地改變地球大氣層。當然，化學也使得創造自然界中不存在的有用材料成為可能。
此類真知灼見已受到一個多世紀的讚譽，化學領域諾貝爾獎的悠久歷史便是明證。今年夏天，往屆獲獎者將與來自德國林道的後起之秀科學家們齊聚一堂，探討過去的突破和未來的前景。為了紀念這一盛事——第63屆林道諾貝爾獎獲得者大會，《大眾科學》將刊登多年來化學領域諾貝爾獎得主撰寫的文章節選，從第70頁開始。許多片段與當今研究人員的優先事項產生共鳴。
科學家們直到20世紀初才將最初抽象的原子和分子概念置於堅實的實驗基礎上，這或許會令人驚訝。西奧多（The）·斯維德貝格在1913年《大眾科學》上撰文，描述了歐內斯特·盧瑟福對α粒子（氦原子核）的研究以及其他研究如何確鑿地證實了原子和分子的存在。快進100年，原子力顯微鏡等技術可以生成分子的影像，其中原子以及原子之間的化學鍵清晰可見。眼見為實，這樣的圖片幾乎不容置疑。
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早在20世紀初，X射線晶體學的發展使科學家們能夠生成各種分子中原子三維排列的首批影像。約翰·C·肯德魯在1961年《大眾科學》上將瞥見氧結合蛋白肌紅蛋白三維結構的體驗比作歐洲探險家首次發現美洲。
即使在今天，許多研究人員仍然依靠X射線晶體學來視覺化生物體中蛋白質和其他分子的結構。最近四屆化學諾貝爾獎中的兩屆（2009年和2012年）授予了部分基於細胞中大分子組裝體（即核糖體和G蛋白偶聯受體（GPCRs））的X射線結構研究。就核糖體而言，X射線晶體學不僅讓我們看到了這種精密的分子機器如何將氨基酸串成蛋白質，而且還幫助研究人員開發出更有效的抗生素，干擾細菌核糖體。更詳細地瞭解GPCRs可能同樣有助於研究人員設計更精密的藥物，因為據認為，三分之一的商業藥物作用於這些嵌入細胞壁中的豐富蛋白質。2011年，科學家們製作了第一個處於活動狀態的GPCR的X射線影像，揭示了有關透過細胞膜傳輸訊號的精心編排的步驟的新細節。
儘管X射線晶體學和其他新工具使研究人員能夠更詳細地檢查生物體的生物化學，但生命本身的起源仍然更加神秘。1952年，哈羅德·C·尤里和他的學生斯坦利·L·米勒進行了現在被認為是經典的化學生命起源實驗。透過在實驗室中重現表面上代表地球早期大氣層的條件，他們表明簡單化合物可以形成氨基酸——蛋白質和地球上所有生命的基石。研究人員繼續研究生命最初是如何產生的。一種學派認為，我們今天所知的生物化學機制（DNA製造RNA，RNA反過來製造蛋白質）早於RNA世界，在RNA世界中，RNA獨自完成一切。
在尤里主持生命起源實驗的同一年，他在《大眾科學》上發表了一篇關於地球大氣層起源的文章。隨著時間的推移，越來越清楚的是，我們已經用人造化學物質極大地改變了我們星球的大氣層。例如，氯氟烴（CFCs）助長了臭氧層的消耗。大氣層的化學複雜性繼續讓科學家感到驚訝。去年剛剛發表的一項研究重點是在大氣中發現一種以前未被探測到的物質，它可以將二氧化硫轉化為硫酸，硫酸是酸雨的成分之一。反過來，新大氣化合物的發現有助於研究人員改進他們的大氣過程模型，我們依靠這些模型來預測未來的變化。
透過化學產生的合成物質也極大地改善了人們的日常生活。在過去的一個世紀裡，日益精密的合成化學產生了自然界中不存在的有用材料和藥物。合成聚合物就是一個很好的例子：它們是由重複單元（單體）組成的大分子，單體通常以鏈狀連線在一起。它們的商標名稱可能非常熟悉：特氟隆、泡沫塑膠和凱夫拉。為了表彰朱利奧·納塔和卡爾·W·齊格勒在開發控制單體方向的催化劑（當單體新增到不斷增長的聚合物鏈中時）方面所做的貢獻，他們於1963年獲得了化學諾貝爾獎。使用齊格勒-納塔（及相關）催化劑製造的商業塑膠至今仍在大規模生產。
由於化學非常廣泛，人們可以設想許多未來值得獲得諾貝爾獎的突破。也許科學家們將從頭開始構建一個功能細胞，或者構建一種比植物更有效地從陽光中提取能量的人造葉片。無論接下來會發生什麼發現，歷史表明，它們將揭示我們周圍世界的隱藏運作方式，並將幫助我們在自然界無法提供時創造我們所需的東西。
— 斯圖爾特·坎特里爾，《自然化學》首席編輯
原子與分子：基本發現
現代電學和物質理論
作者：瑪麗·居里
發表於1908年6月
1911年諾貝爾獎
當回顧過去十年物理學領域取得的進展時，人們會被關於電和物質性質的基本思想所發生的變化所震驚。這種變化部分是由於對氣體導電性的研究，部分是由於放射現象的發現和研究。我相信，這種變化遠未結束，我們完全可以對未來的發展充滿信心。今天看來已經明確解決的一個問題是對電的原子結構的看法，這種看法符合並完善了我們長期以來持有的關於物質原子結構的觀點，而物質原子結構構成了化學理論的基礎。
與此同時，電原子（我們目前的研究所無法分割）的存在似乎已得到確鑿證實，這些原子的重要性質也已顯示出來。我們稱之為電子的負電原子被發現以自由狀態存在，獨立於所有物質原子，並且不具有與它們相同的任何性質。在這種狀態下，它們在空間中具有一定的尺寸，並被賦予一定的慣性，這讓人聯想到將相應的質量歸因於它們的想法。
實驗表明，它們的尺寸與物質分子的尺寸相比非常小，並且它們的質量僅為一小部分，不超過氫原子質量的千分之一。它們還表明，如果這些原子可以孤立存在，它們也可能存在於所有普通物質中，並且在某些情況下可能由金屬等物質發射，而其性質不會發生我們可感知的變化。
那麼，如果我們將電子視為一種物質形式，我們就傾向於將它們的分裂置於原子之上，並承認存在一種極小的粒子，能夠進入原子的組成，但不一定透過它們的離開而導致原子破壞。從這個角度來看，我們傾向於將每個原子都視為複雜的結構，並且這種假設因表徵不同原子的發射光譜的複雜性而變得可能。因此，我們對負電原子有一個足夠精確的概念。
正電的情況並非如此，因為兩種電之間似乎存在很大的差異。正電似乎總是與物質原子聯絡在一起，到目前為止，我們沒有理由相信它們可以分離。我們對物質的認識也因一個重要的事實而增加。物質的一種新性質被發現，並被命名為放射性。放射性是某些物質的原子所具有的一種性質，即射出粒子，其中一些粒子的質量與原子本身的質量相當，而另一些粒子則是電子。鈾和釷以輕微程度擁有的這種性質導致了一種新的化學元素鐳的發現，鐳的放射性非常強。鐳排出的粒子中，有些粒子以極高的速度被射出，並且它們的排出伴隨著大量的熱量釋放。因此，放射性體構成了一種能源。
根據最能解釋放射現象的理論，放射性體的某些比例的原子會在給定的時間內發生轉變，產生原子量較小的原子，在某些情況下還會排出電子。這是一種元素嬗變理論，但與鍊金術士的夢想不同之處在於，我們宣告我們目前至少無法誘導或影響嬗變。某些事實表明，放射性以輕微程度屬於所有型別的物質。因此，物質可能遠非以前認為的那樣不變或惰性，相反，物質處於持續轉變之中，儘管這種轉變因其相對緩慢而逃脫了我們的注意。因此，我們面前出現的電原子的存在概念在現代電學理論中起著至關重要的作用。
分子的真實性
作者：西奧多（The）·斯維德貝格
發表於1913年2月
1926年諾貝爾獎
任何人查閱十九世紀末撰寫的化學或物理學手冊，以獲取有關分子的資訊，在許多情況下都會遇到對其真實存在的相當懷疑的陳述。一些作者甚至否認有可能透過實驗來解決這個問題。而現在，僅僅十年之後，事情的面貌發生了怎樣的變化！今天，分子的存在可以被認為是牢固確立的。這種徹底轉變的原因必須在年輕的二十世紀的實驗研究中尋找。[歐內斯特·]盧瑟福對α射線的傑出研究，以及對液體和氣體中小顆粒懸浮液的各種研究，為物質的原子概念提供了實驗證實。
現代證明分子存在的基礎部分是基於直接讓我們深入瞭解物質不連續（離散）結構的現象，部分是基於膠體溶液中提供的動力學理論的“工作模型”。這些後者已被證明與“真”溶液的不同之處僅在於，在膠體的情況下，溶解物質的顆粒要大得多。在所有方面，它們的行為都像真溶液，並遵循與後者相同的定律。第三，最近直接證明了不可分割的基本電荷的存在，這使我們能夠得出關於可稱重物質原子結構的結論。
在第一類證明中，盧瑟福的偉大發現（1902-1909年）是，許多放射性物質會發射小粒子，這些粒子在失去速度後，例如透過撞擊容器壁，會表現出氦氣的性質。透過這種方式，實驗證明氦是由小的離散粒子分子構成的。事實上，盧瑟福實際上能夠計算出在0攝氏度和一個大氣壓下每立方厘米氦氣中包含的α粒子或氦分子的數量（1908年）。
第二類分子存在證明包括許多關於在膠體懸浮液中觀察到的濃度隨水平變化的現象的研究，以及關於擴散、布朗運動和此類系統中光吸收的相關現象的研究。
最後，現代對氣體導電和所謂的β射線的調查已最終證明，電荷像物質一樣具有原子性質，即由最終的基本帶電粒子組成，這些粒子的質量僅約為氫原子的1/700。[羅伯特·安德魯斯]密立根和[埃裡希]雷根納最近透過完全不同的方法成功地分離出電子並對其進行直接研究。
因此，我們看到，過去十年的科學工作為分子的存在帶來了最有力的證明。不僅物質的原子結構得到了無可置疑的證明，而且實際上已經找到了研究單個原子的方法。我們現在可以直接計數和稱重原子。懷疑論者還能要求更多嗎？
熱原子化學
作者：威拉德·F·利比
發表於1950年3月
1960年諾貝爾獎
初學化學的學生最先學到的事情之一是，原子的化學行為完全取決於圍繞原子核迴圈的電子，而與原子核本身無關。事實上，同位素的經典定義指出，給定元素的所有同位素在化學活性方面都是相同的，即使原子核不同也是如此。像所有概括一樣，即使是這一概括也帶有一點虛假性。事實是，如果原子核具有放射性，則原子的化學行為可能會受到原子核內部事件的強烈影響。放射性原子有時產生的奇異化學效應催生了一個引人入勝的新研究分支，稱為熱原子化學。
在放射性被發現後不久，就注意到熱原子之間不尋常的化學反應。早在1934年，當英國的利奧·西拉德和T.A.查爾默斯設計了一種稱為西拉德-查爾默斯過程的方法時，就開始了對熱原子化學的認真研究，該方法利用此類反應來獲得用於研究目的的某些放射性化合物的濃縮樣品。但是直到最近戰爭結束，化學家開始使用大量放射性材料時，該主題才開始引起廣泛關注。自戰爭以來，來自世界所有主要科學國家實驗室的關於這一有趣領域的研究報告紛紛湧現。
我們將要考慮的特定反應集是放射性碘在化合物碘乙烷—Ch3CH2I中的行為。我們從普通液態化合物樣品開始，並透過用鏈式反應堆或迴旋加速器的中子照射樣品中的一些碘原子，將它們轉化為放射性變體。中子沒有化學性質，因為它們由純核物質組成，沒有相關的外部電子。由於它們沒有外部電子，並且自身呈電中性，因此它們的穿透力驚人。它們很容易穿過幾英寸的固體材料，直到它們偶然與路徑中的一些微小原子核相互作用。
那麼，假設我們將一瓶液態碘乙烷暴露於中子源。中子穿透玻璃，其中一部分被碘原子捕獲。當正常碘原子I-127的原子核吸收一箇中子時，它會轉化為放射性同位素I-128。這個新物種非常不穩定：在不到百萬分之一百萬分之一秒的時間內，它會發射出能量巨大的伽馬射線——數百萬電子伏特。在釋放出如此巨大的能量後，I-128原子被還原到較低的激發態。它仍然不穩定；原子繼續衰變，並逐漸以25分鐘的半衰期，I-128原子透過發射β粒子退化為氙128。這種能量的釋放使碘乙烷分子中的I-128原子具有很大的反衝能量，就像從槍中發射子彈使槍後坐一樣。據計算，原子的反衝能量約為2億電子伏特。現在，碘原子在碘乙烷分子中結合的化學能僅約為三到四個電子伏特。反衝能量遠大於化學鍵的強度，以至於每個I-128原子都以相當大的力從其分子中噴射出來。熱原子化學關注的是這些高速碘原子從分子中排出後經歷的不尋常的化學反應。由於1-128原子具有放射性，因此相對容易追蹤它們隨後的活動。
熱原子化學可以用於什麼用途？顯而易見的用途之一是製備極高濃度的放射源。這項技術應有助於放射性材料的許多用途，尤其是在生物學中。當將放射性同位素注射到體內時，無論是作為示蹤劑還是用於疾病治療，通常都必須將注射的物質量保持在最低限度，以避免擾亂血液的正常成分或身體的正常新陳代謝。
生物學：生命化學
蛋白質分子的三維結構
作者：約翰·C·肯德魯
發表於1961年12月
1962年諾貝爾獎
當早期的美洲探險家首次登陸時，他們擁有難忘的體驗，即瞥見歐洲人以前從未見過的全新世界。諸如此類的時刻——新世界的首次景象——是探索的主要吸引力之一。科學家們不時有幸分享同樣的興奮。1957年一個星期天的早晨，我和我的同事們迎來了這樣一個時刻，當時我們看到了一些以前沒有人看到過的東西：一個蛋白質分子的三維影像，它展現了所有的複雜性。第一張圖片很粗糙，兩年後，我們又經歷了一次幾乎同樣令人興奮的體驗，持續了許多天，這些天都花在了向一臺快速計算機輸入資料上，以便逐步構建出同一分子的更清晰的影像。該蛋白質是肌紅蛋白，我們的新影像足夠清晰，使我們能夠推斷出其近2,600個原子的實際空間排列。我們之所以選擇肌紅蛋白作為我們的首次嘗試物件，是因為儘管它很複雜，但它是蛋白質分子中最小且可能最簡單的一種，其中一些蛋白質分子比它大10倍甚至100倍。
從真正的意義上講，蛋白質是活細胞的“工作”。細胞中發生的所有化學反應幾乎都由酶催化，所有已知的酶都是蛋白質；一個細胞可能包含大約1,000種不同的酶，每種酶催化不同的特定反應。蛋白質還有許多其他重要功能，是骨骼、肌肉和肌腱、血液、頭髮、皮膚和膜的組成部分。除此之外，現在顯而易見的是，從一代傳到下一代的染色體核酸中的遺傳資訊，以每個細胞合成的蛋白質分子的特徵型別來表達。顯然，要理解活細胞的行為，首先必須弄清楚由幾乎相同的幾種基本單元組成的分子如何能夠承擔如此廣泛的各種功能。
這些單元是氨基酸，大約有20種，它們連線在一起形成稱為多肽的鏈。紅細胞中的血紅蛋白包含四條多肽鏈。肌紅蛋白是血紅蛋白的初級親屬，由一條多肽鏈組成。
即使在我們目前對肌紅蛋白的研究尚不完善的狀態下，我們也開始從蛋白質分子的三維化學結構的角度來思考，從而為它的化學行為和生理功能找到合理的解釋，理解它與相關蛋白質的親和力，並瞥見解釋生物體內蛋白質合成以及由此過程中錯誤導致的功能障礙所涉及的問題。顯而易見的是，今天的生物體研究者確實站在了一個新世界的門檻上。在新世界能夠被完全入侵之前，還需要分析許多其他蛋白質，並在更高的解析度下進行分析（例如我們希望很快用肌紅蛋白實現的）。活細胞巨大分子之間的多種相互作用必須用充分理解的化學概念來理解。
儘管如此，現在可以清楚地看到為理解健康和疾病生物體的巨大結構複雜性、生物發生和功能奠定堅實基礎的前景。
基因阻遏物
作者：馬克·普塔什內和沃爾特·吉爾伯特
發表於1970年6月
1980年諾貝爾獎（吉爾伯特）
基因是如何被控制的？所有細胞都必須能夠開啟和關閉它們的基因。例如，細菌細胞可能需要不同的酶才能消化新環境提供的新食物。當簡單的病毒經歷其生命週期時，其基因按順序發揮作用，指導一系列定時事件。當更復雜的生物從卵子發育而來時，它們的細胞會開啟和關閉數千個不同的基因，並且這種開關在整個生物體的生命週期中持續進行。這種開關需要許多特定控制的作用。在過去的10年中，一種這樣的控制機制已在分子層面上得到闡明：稱為阻遏物的分子對特定基因的控制。透過對大腸桿菌和感染它的一些病毒的遺傳和生化實驗，主要獲得了對阻遏物控制的詳細理解。
阻遏物結合或附著在它所控制的基因組開頭的DNA分子上，位於稱為操縱子的位點，阻止RNA聚合酶將基因轉錄成RNA，從而關閉基因。每個獨立調控的基因組都由不同的阻遏基因產生的不同阻遏物控制。
阻遏物透過充當基因和適當訊號之間的中介來確定基因何時開啟和關閉。這樣的訊號通常是一個小分子，它粘附在阻遏物上並改變或稍微扭曲其形狀。在某些情況下，這種形狀的變化會使阻遏物失活，也就是說，不再能夠結合到操縱子上，因此基因不再被抑制；當稱為誘導劑的小分子存在時，基因會開啟。在其他情況下，阻遏物和小分子的複合物是活性形式；只有當稱為輔阻遏物的小分子存在時，阻遏物才能結合到操縱子上。
哈佛大學的理查德·伯吉斯和安德魯·特拉弗斯以及羅格斯大學的埃克哈德·鮑茨和約翰·J·鄧恩已經表明，RNA聚合酶（在啟動子處啟動RNA鏈的合成）包含一個易於解離的亞基，該亞基是正確啟動所必需的。這個亞基，即sigma因子，賦予了與之複合的酶讀取正確啟動子的能力。特拉弗斯已經表明，大腸桿菌噬菌體T4產生一種新的sigma因子，該因子與細菌聚合酶結合，使其能夠讀取原始酶-sigma複合物無法讀取的噬菌體基因。這種變化解釋了T4感染後事件的部分時序。
製造的第一批蛋白質是在細菌sigma因子的指導下合成的；在這些蛋白質中，有一種新的sigma因子，它指導酶讀取新的啟動子並製造一組新的蛋白質。這種透過改變sigma因子進行的控制可以調節大塊基因。我們認為，在大腸桿菌中，存在許多類啟動子，並且每一類啟動子都由不同的sigma因子識別，可能與其他大小分子結合使用。
特定基因的開啟和關閉最終都取決於我們在此處討論的相同的基本要素：識別DNA分子上特定序列的能力以及響應來自環境的分子訊號的能力。對阻遏物進行的生化實驗證明了分子層面基因控制的第一個清晰機制。我們在這一領域的詳細知識為我們探索其他機制提供了一些工具。
RNA作為酶
作者：托馬斯·R·切赫
發表於1986年11月
1989年諾貝爾獎
在活細胞中，核酸DNA和RNA包含新陳代謝和繁殖所需的資訊。另一方面，蛋白質是功能分子：作為酶，它們催化細胞新陳代謝所依賴的數千種化學反應中的每一種。直到最近，人們普遍接受這些類別是互斥的。事實上，細胞中資訊分子和催化分子之間的分工是生物化學的一個根深蒂固的原則。然而，在過去幾年中，由於發現RNA可以充當酶，這種整潔的方案已被推翻。
RNA催化的第一個例子是在1981年和1982年發現的，當時我和我的同事們正在研究來自四膜蟲Tetrahymena thermophila的原生動物的RNA。令我們驚訝的是，我們發現這種RNA可以催化導致去除自身長度一部分的切割和剪接。如果可以忽略它不是蛋白質這一事實，那麼四膜蟲Tetrahymena RNA幾乎符合酶的定義。
RNA酶的驚人發現意味著什麼？第一個含義是，人們不能再假設細胞的每種催化活性背後都有一種蛋白質。現在看來，將RNA分子剪裁成最終形式的幾個操作至少部分由RNA催化。此外，核糖體（蛋白質組裝的細胞器）包含幾個RNA分子以及各種蛋白質。核糖體的RNA（而不是其蛋白質）可能是蛋白質合成的催化劑，蛋白質合成是最基本的生物學活動之一。RNA催化也具有進化意義。由於核酸和蛋白質是相互依賴的，因此人們經常認為它們必須一起進化。RNA既可以是催化劑又可以是資訊分子的發現表明，當生命起源時，RNA可能在沒有DNA或蛋白質的情況下發揮作用。
在回到益生元過去之後，展望未來並推測可能在何處找到RNA催化的下一個例子是很有趣的。在所有已知的例子中，RNA酶的底物都是RNA：同一分子的另一部分、不同的RNA聚合物或單個核苷酸。這可能並非偶然。RNA非常適合與其他RNA相互作用，但更難以想象RNA與其他具有生物學意義的分子（如氨基酸或脂肪酸）形成良好的活性位點。因此，我預計未來RNA催化的例子也將涉及RNA作為底物。
我想到了兩種可能性。一種涉及核內小核核糖核蛋白顆粒（snRNPs），它是細胞核中許多操作所必需的。另一種可能性是核糖體。
蛋白質合成由RNA催化的結論將是對所有細胞功能都存在於蛋白質中的觀點的最終打擊。當然，可能並非如此；核糖體可能是蛋白質和核酸的如此緊密的聚集體，以至於其催化活性無法完全歸因於任何一種組分。然而，無論核糖體的合成活性是否可以歸因於核糖體RNA，生物化學在過去五年中都發生了根本性的變化。顯而易見的是，至少在某些情況下，資訊攜帶能力和催化活性都存在於同一分子中：RNA。這種雙重能力的意義才剛剛開始被理解。
[休息]地球科學：空中
地球的起源
作者：哈羅德·C·尤里
發表於1952年10月
1934年諾貝爾獎
愛琴海薩摩斯島的阿里斯塔克斯首先提出地球和其他行星繞太陽執行——這個觀點被天文學家拒絕了，直到哥白尼在2000年後再次提出。希臘人知道地球的形狀和大致大小，以及日食的原因。在哥白尼之後，丹麥天文學家第谷·布拉赫從他在波羅的海赫文島的觀測站觀察了火星的運動；結果，約翰內斯·開普勒得以證明火星、地球和其他行星在橢圓軌道上繞太陽執行。然後，偉大的艾薩克·牛頓提出了他的萬有引力定律和運動定律，從這些定律中可以推匯出對整個太陽系的精確描述。這佔據了隨後幾個世紀一些最偉大的科學家和數學家的思想。
不幸的是，描述太陽系的起源比描述其各個部分的運動要困難得多。實際上，地球和其他行星是透過什麼過程形成的？我們當時都不在那裡，我可能提出的任何建議都很難被認為是絕對真實的。最多隻能概述一個可能發生的事件過程，該過程不違反物理定律和觀察到的事實。
在銀河系空曠區域，一大片塵埃和氣體雲被星光壓縮。 隨後，引力加速了積聚過程。 太陽以某種尚不清楚的方式形成，並像今天一樣產生光和熱。 環繞太陽旋轉的塵埃和氣體雲分解成湍流渦旋，形成了原行星，每個行星一個，可能在火星和木星之間較大的小行星帶也各自有一個。 在這個過程的這個階段，透過水和氨的凝結，發生了大型星子的積聚。 其中有一個相當大的星子構成了月球的主體； 還有一個更大的星子最終形成了地球。 星子最初的溫度很低，但後來升高到足以熔化鐵。 在低溫階段，水在這些物體中積聚，而在高溫階段，碳被捕獲為石墨和碳化鐵。 現在氣體逸出了，星子透過碰撞結合在一起。
所以，也許，地球就是這樣形成的！
但是，從那時起發生了什麼呢？ 當然，發生了很多事情，其中包括地球大氣層的演變。 在地球作為一個固體完成時，很可能擁有由水蒸氣、氮氣、甲烷、一些氫氣和少量其他氣體組成的大氣層。 都柏林大學的 J.H.J. Poole 提出了一個基本的建議，即氫氣從地球逸出導致了地球氧化性大氣層的形成。 甲烷 (CH4) 和氨 (NH3) 中的氫氣可能緩慢逸出，留下氮氣、二氧化碳、水和遊離氧。 我相信這發生了，但在遊離氧出現之前，肯定出現了許多其他含有氫、碳、氮和氧的分子。 最終生命進化了，併產生了光合作用，這是植物將二氧化碳和水轉化為食物和氧氣的基本過程。 然後開始了我們今天所知的氧化性大氣層的發展。 地球及其大氣層的物理和化學演變甚至在今天仍在繼續。
變化中的大氣層
作者：托馬斯·E·格雷德爾和保羅·J·克魯岑
發表於 1989 年 9 月
1995 年諾貝爾獎（克魯岑）
地球大氣層從未停止變化：自地球最初形成以來，其成分、溫度和自淨能力都在不斷變化。 然而，過去兩個世紀的速度是驚人的：特別是大氣層的成分變化速度比人類歷史上任何時候都快。
正在進行的變化日益明顯的後果包括酸雨和其他過程造成的酸沉降、材料腐蝕、城市霧霾以及保護地球免受有害紫外線輻射的平流層臭氧 (O3) 層的變薄。 大氣科學家還預計，由於溫室效應的增強，地球將很快迅速變暖（可能導致劇烈的氣候變化）——溫室效應是指地球被氣體加熱，這些氣體吸收來自太陽照射地球表面後釋放的紅外輻射，然後將輻射返回地球。
當然，大氣成分濃度的某些波動可能源於自然源排放速率的變化。 例如，火山可以將含硫和含氯氣體釋放到對流層（大氣層較低的 10 到 15 公里）和平流層（大致從地表以上 10 到 50 公里處延伸）。 然而，事實仍然是，人類活動是過去 200 年來大部分快速變化的原因。 這些活動包括燃燒化石燃料（煤和石油）以獲取能源、其他工業和農業實踐、生物質燃燒（植被燃燒）以及森林砍伐。
如果我們假設人類活動將繼續向大氣中排放大量有害微量氣體，那麼我們對未來的預測是令人沮喪的。 人類持續不斷的增長和發展不僅正在改變大氣層的化學成分，而且還在將地球迅速推向史無前例的巨大氣候變暖。 這種氣候變化，加上各種氣體濃度的增加，構成了一項潛在的危險實驗，地球上的每個人都在參與其中。
特別令人不安的是，隨著人類活動繼續對我們尚未完全瞭解其內部運作以及與生物和非生物材料相互作用的大氣層施加壓力，可能會出現意想不到的意外。 南極臭氧洞就是一個特別不祥的例子，說明未來可能潛伏著意外。 其出乎意料的嚴重程度無可置疑地表明，大氣層可能對看似微小的化學擾動極其敏感，而且這些擾動的表現可能比最精明的科學家所預期的還要快得多。
然而，可以採取一些措施來應對快速的大氣變化，或許可以減輕已知和未知的威脅。 例如，有證據表明，大幅減少化石燃料的燃燒速度將減緩溫室變暖，減少霧霾，改善能見度並最大限度地減少酸沉降。 其他措施可以針對特定氣體，例如甲烷。 可以透過實施防止甲烷釋放的垃圾填埋作業，以及可能透過採用浪費較少的化石燃料生產方法來減少甲烷排放。 甚至可以透過新的飼養程式來減少牛排放的甲烷。
我們和許多其他人認為，解決地球環境問題的方案在於真正的全球努力，包括科學家、公民和世界領導人前所未有的合作。 技術最發達的國家必須減少其對地球資源的過度使用。 此外，必須幫助發展中國家在提高其人口生活水平的同時，採用環境 sound 技術和規劃策略，因為其人口的快速增長和對更多能源的需求是環境擔憂的主要原因。 如果適當關注維護大氣層的穩定性，或許現在正在發生的化學變化可以控制在能夠維持地球物理過程和生態平衡的限度內。
技術：新用途 [break]
巨分子是如何製成的
作者：朱利奧·納塔
發表於 1957 年 9 月
1963 年諾貝爾獎
一位化學家著手構建一個巨分子，就像一位建築師設計一座建築物一樣。 他有許多具有特定形狀和尺寸的構建塊，他的任務是將它們組合成一個結構以服務於特定目的。 化學家在笨拙的障礙下工作，即他的構建塊是不可見的，因為它們是亞微觀的，但另一方面，他享受著大自然提供了指導模型的幸福優勢。 透過研究生物體制造的巨分子，化學家們學會了構建像它們一樣的分子。 使高分子化學現在更令人興奮的是，幾乎在一夜之間，在過去幾年中，出現了將構建塊組合在一起的新方法的發現——這些發現預示著從未在地球上存在過的新材料的巨大收穫。
我們幾乎無法想象這種新的化學將如何深刻地影響人類的生活。 巨分子在我們的物質經濟中佔據著非常重要的地位。 數千萬男女，以及地球表面廣闊的區域，都致力於天然高分子聚合物的生產，例如纖維素、橡膠和羊毛。 現在看來，可以從煤或石油中快速且經濟地製造出具有同等或甚至更好效能的合成材料。 除此之外，這預示著我們將能夠將現在用於生產纖維的大部分土地轉用於為世界不斷增長的人口生產食物。
自由基是一種可以透過加成生長聚合物的催化劑； 另一種方法涉及使用離子作為催化劑。 後者是最近的發展，在我看來，它預示著巨分子合成的革命，開闢了廣闊的新視野。 陽離子方法已經產生了一些非常有趣的高分子聚合物：例如，丁基橡膠，用於輪胎內胎的合成橡膠。 但陰離子催化劑是最近的發展，已被證明更強大。 它們產生具有非凡效能的巨大、定製的分子。
1954 年初，我們在米蘭理工學院工業化學研究所的小組，使用某些特殊的催化劑，成功地聚合了乙烯基家族的複雜單體。 我們能夠生成非常長的鏈，分子量達到數百萬（在一個案例中高達 1000 萬）。 我們發現，透過正確選擇催化劑，可以根據預定的規格控制鏈的生長。
我們以這種方式聚合的單體包括苯乙烯和丙烯，兩者都是來自石油的碳氫化合物。 我們製造的聚丙烯說明了該方法的多功能性。 我們可以將它們合成為三種形式：等規聚丙烯、無規聚丙烯或“嵌段等規聚丙烯”，即由嵌段組成的鏈，一個嵌段的所有側基排列在同一側，另一個嵌段排列在另一側。 等規聚丙烯是一種高度結晶性物質，具有高熔點（174 攝氏度）； 它製成非常堅固的纖維，如天然絲或尼龍的纖維。 相比之下，無規產品是無定形的，具有橡膠的彈性特性。 嵌段版本的聚丙烯具有塑膠的中間特性，具有或多或少的剛性或彈性。
從相同的原材料中獲得如此廣泛的不同產品的可能性自然引起了極大的興趣。 此外，新的受控工藝創造了以前無法實現的效能：例如，聚苯乙烯，以前只知道是一種具有低軟化點（低於 93 攝氏度）的玻璃狀材料，現在可以製備成熔點接近 238 攝氏度的堅固結晶塑膠。 陰離子催化劑新發現的力量激發了歐洲和美國聚合物研究的極大活躍性。 從各種單體中製成了新的聚合物。 在我們自己的實驗室中，我們合成了所有規則的聚合物，以及一些無定形的聚合物，這些聚合物可以由丁二烯製成； 一些產品像橡膠，另一些則不像。 大約在同一時間，B. F. Goodrich 公司和 Firestone Tire and Rubber 公司都宣佈，他們已經從異戊二烯合成了與天然橡膠相同的橡膠——全世界的化學家為此問題徒勞地工作了半個多世紀。
在某些方面，我們可以改進自然。 正如我所提到的，我們可能會創造許多生活物質中不存在的新分子。 它們可以由簡單的、廉價的材料製成。 而且，我們製造巨分子的速度比生物體通常的速度更快。 儘管自發現用於控制合成大分子的新方法以來還不到四年，但已經制造出許多新的合成物質——潛在的纖維、橡膠和塑膠。
導電塑膠
作者：理查德·B·卡納和艾倫·G·麥克迪爾米德
發表於 1988 年 2 月
2000 年諾貝爾獎（麥克迪爾米德）
對於大多數人來說，這篇文章的標題在 20 年前似乎是荒謬的，當時概念上的偏見將塑膠嚴格地歸類為絕緣體。 塑膠可以像銅一樣導電的說法似乎更加荒謬。 然而，在過去幾年中，透過對普通塑膠進行簡單的修改，已經實現了這些壯舉。 稱為導電聚合物的新材料將金屬的電氣特性與 20 世紀 30 年代和 40 年代引起如此興奮的塑膠的優點結合在一起。
為了使聚合物導電，透過稱為摻雜的過程將少量某些化學物質摻入聚合物中。 摻雜聚合物的程式比用於摻雜經典半導體（如矽）的程式簡單得多。
一旦聚合物作為導體的潛力得到證明，這個想法就流行起來。 1977 年，合成了第一種導電聚合物； 1981 年，展示了第一個帶有聚合物電極的電池。 去年夏天，導電聚合物的導電性與銅相當，幾個月前，第一個可充電聚合物電池上市。
隨後的進展表明，可以製造出比銅導電性更好的聚合物； 確實，比室溫下任何其他材料都好。 它們甚至可以在重量是限制因素的情況下（如在飛機中）取代銅線。 導電聚合物還具有有趣的光學、機械和化學特性，這些特性與其導電能力相結合，可能使其在銅無法勝任的新穎應用中有效。 例如，窗戶上的薄聚合物層可以吸收陽光，並且可以透過施加電勢來控制著色程度。
人體是導電聚合物有一天可能發揮作用的另一種“裝置”。 因為它們是惰性和穩定的，所以一些聚合物已被考慮用於神經假體——人造神經。 特別是聚吡咯被認為是無毒的，並且可以可靠地傳遞適當的電荷。 此處的摻雜離子可能是肝素，一種抑制血液凝結的化學物質，已知它在聚吡咯中可以充分發揮摻雜劑的作用。 或者，聚合物可以充當體內藥物輸送系統，植入體內並摻雜作為藥物的分子。 當聚合物透過程式化施加電勢而轉變為其中性狀態時，藥物將被釋放。
在許多方面，20 世紀 80 年代中期導電聚合物的地位與 50 年前的傳統聚合物相似。 儘管傳統聚合物在世界各地的實驗室中合成和研究，但直到它們經過化學改性（這需要數年時間才能開發出來）之後，它們才成為技術上有用的物質。 同樣，如果產品要在經濟上取得成功，則必須針對每種應用微調導電聚合物的化學和物理特性。 無論可能為導電聚合物找到哪些實際應用，它們肯定會在未來幾年內以新的和意想不到的現象挑戰基礎研究。 只有時間才能證明這些新型塑膠導體的衝擊力是否能與它們的絕緣親戚相提並論。
用四維方式拍攝看不見的事物
作者：艾哈邁德·H·澤韋爾
發表於 2010 年 8 月
1999 年諾貝爾獎
人眼在視覺上是有限的。 我們看不到比人類頭髮（毫米的分數）細得多的物體，也無法分辨比眨眼（十分之一秒）更快的運動。 當然，過去一千年中光學和顯微鏡技術的進步使我們能夠遠遠超出肉眼的限制，看到精美的影像，例如病毒的顯微照片或子彈在穿透燈泡的毫秒內的頻閃照片。 但是，如果向我們展示一部描繪原子晃動的電影，直到最近我們都可以相當肯定地認為我們看到的是卡通片、藝術家的印象或某種模擬。
在過去的 10 年中，我在加州理工學院的研究小組開發了一種新的成像形式，揭示了發生在原子尺寸尺度和短至飛秒（百萬分之一秒的百萬分之一）時間間隔內的運動。 因為該技術能夠進行空間和時間上的成像，並且基於古老的電子顯微鏡，所以我將其稱為四維 (4-D) 電子顯微鏡。 我們已將其用於視覺化諸如石墨中的碳原子片在被雷射脈衝“撞擊”後像鼓一樣振動的運動，以及物質從一種狀態到另一種狀態的轉變等現象。 我們還對單個蛋白質和細胞進行了成像。
儘管 4-D 顯微鏡是一種尖端技術，它依賴於先進的雷射器和量子物理學的概念，但其許多原理可以透過考慮科學家在一個多世紀前如何開發定格攝影來理解。 特別是，在 19 世紀 90 年代，法蘭西公學院的教授 Étienne-Jules Marey 透過將帶有狹縫的旋轉盤放置在運動物體和照相底片或膠片之間來研究快速運動，從而產生了一系列類似於現代電影拍攝的曝光。
在其他研究中，Marey 調查了下落的貓如何自行翻正，使其腳著地。 在沒有任何東西可以推動的情況下，貓是如何本能地完成這種雜技表演而沒有違反牛頓運動定律的？ 下落和腿部的快速擺動不到一秒鐘——太快了，肉眼無法準確看到發生了什麼。 Marey 的定格快照提供了答案，其中包括以相反的方向扭動後軀和前軀，同時伸出和縮回腿。
如果我們希望觀察分子的行為而不是貓科動物的行為，那麼我們的頻閃閃光必須有多快？ 我的小組透過開發單電子成像來應對這一挑戰，該成像建立在我們早期在超快電子衍射方面的工作基礎上。 每個探測脈衝包含一個單電子，因此在最終電影中僅提供一個“光點”。 然而，由於每個脈衝的仔細計時和另一個稱為脈衝相干性的特性，許多光點加起來形成了物體的有用影像。
單電子成像是 4-D 超快電子顯微鏡 (UEM) 的關鍵。 我們現在可以製作分子和材料在響應各種情況時的電影，就像許多受驚的貓在空中扭動一樣。
我和我的同事調查了蛋白質短鏈透過加熱蛋白質浸入的水中（所謂的超快溫度躍變）摺疊成螺旋的一個圈的速度有多快。 （螺旋發生在無數蛋白質中。）我們發現短螺旋的形成速度比研究人員認為的快 1000 多倍——在數百皮秒到幾納秒內出現，而不是通常認為的微秒。 瞭解如此快速的摺疊可能會導致對生化過程的新理解，包括與疾病相關的過程。
最近，我的加州理工學院小組展示了兩項新技術。 其中一項是會聚束 UEM，電子脈衝被聚焦並僅探測樣品中的單個奈米位點。 另一項是近場 UEM，能夠對強雷射脈衝在奈米結構中產生的倏逝電磁波（“等離子體激元”）進行成像——這種現象是一種名為等離子體激元學的令人興奮的新技術的基礎。 這項技術已經產生了細菌細胞膜和蛋白質囊泡的影像，具有飛秒級和奈米級解析度。
電子顯微鏡非常強大且用途廣泛。 它可以以三種不同的域執行：真實空間影像、衍射圖和能量譜。 它用於從材料和礦物學到奈米技術和生物學的應用，以驚人的細節闡明靜態結構。 透過整合第四維度，我們將靜止圖片變成觀看物質行為（從原子到細胞）隨時間展開所需的電影。