本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
人們常說，化學缺乏像物理學和生物學那樣的“大問題”。但這並不完全正確。生命的起源是一個典型的化學問題，而且它是最根本的問題之一。更重要的是，化學可能在宏大問題方面有所欠缺，但在直接影響地球居民日常生活的重大問題方面卻綽綽有餘。從廢物處理到食品生產，從新藥到太陽能，化學是人類在新千年將面臨的許多關鍵問題的驅動力。
化學家們都在思考什麼？化學家們希望在接下來的幾分鐘內得到解答的問題是什麼？有很多，但以下是我最喜歡的一些，從我最喜歡的開始。
1. 我們能解開生命起源之謎嗎？
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這是終極的起源問題。達爾文告訴我們生命是如何進化的，但他沒有告訴我們生命是如何開始的。自從斯坦利·米勒開啟了生命起源的嚴肅研究時代以來，化學家們一直站在回答這個關鍵問題的最前沿：早期地球上的簡單原始分子是如何自組裝成自我複製的、穩健的化學結構，從而受到達爾文自然選擇的影響？
四十年前，這個問題會被視為科學家們在洗完最後一個燒瓶，喝著啤酒後才會沉溺其中的那種慵懶的智力漫遊的產物。但在過去的四十年裡，一系列引人注目的發現使生命起源成為一個具有明確潛在答案的硬科學問題。雖然米勒已經透過證明閃電催化的一系列還原性氣體如何形成一些生命的關鍵分子而啟動了該領域，但深海黑煙囪的發現概述了生命起源的另一種途徑。自 80 年代以來，一系列突破鞏固了該領域的基本假設。最值得注意的是，托馬斯·切赫關於自我複製 RNA 的開創性研究為 RNA 世界奠定了基礎，這是該學科最廣泛接受的論點。
更重要的是，化學家們現在已經找到了合成生命基本構建模組的可靠潛在化學途徑；核苷酸、核糖、氨基酸和脂質。幾年前，約翰·薩瑟蘭發現了一種潛在的與構成 DNA 和 RNA 的鹼基結合的核糖的聯合合成方法，引起了該領域的轟動。史蒂夫·本納最近記錄了硼酸鹽（地球和火星岩石中普遍存在的成分）如何利用有機化學家熟悉的化學反應催化核糖的形成。類似的合成途徑也已被發現用於脂質和氨基酸。
事實是，生命的分子起源不再是異想天開的推測領域。現在已經存在合理的途徑來形成幾乎所有生命的構建模組。下一個挑戰是找出這些構建模組如何組合在一起，形成一個自包含的、自我複製的系統，該系統可以透過達爾文自然選擇進化，併產生驅動細胞功能的生化途徑。這方面已經取得了一些進展；例如，傑克·紹斯塔克的團隊發現RNA可以在原始脂肪酸囊泡內複製。事實是，即使我們不知道哪一條單一途徑在早期地球上起作用（而且由於進化是多方向進行的，這個問題甚至可能毫無意義），我們也可以在不久的將來非常接近縮小明確的可能性範圍。
2. 我們能超越光合作用嗎？
這是能量的神聖目標之一；提出一種捕獲太陽能量的材料，其效率可以超越光合作用。至少可以說，這是一個極具挑戰性的問題。它可能會對我們的生活方式產生巨大的影響，從而導致從水分解中獲取能量以及從能量轉化中獲取生物質。
進化已經擁有數十億年的時間來修修補補，然後才找到一個卓越的解決方案，使地球上的多細胞生命成為可能。然而，這個奇妙的解決方案仍然非常低效；雖然光合作用的理論效率約為 11%，但實際上各種因素將其限制在不超過 6%。顯然，即使是自然界也沒有真正設法利用太陽的能量，考慮到它必須調動複雜的生化裝置來實現合成同樣複雜的碳基有機化合物的目標，這一事實或許並不令人驚訝。
人類可以透過做兩件事來實現與植物相同的目標；構建模仿光合作用裝置的化學系統，並透過基因工程改造植物本身，使其成為更好的光合作用者。第二個選擇雖然誘人，但面臨著一些嚴重的障礙。去年，諾貝爾獎獲得者哈特穆特·米歇爾指出，為了克服植物光合作用機制中的一些非常基本的缺陷，我們將必須進行何種深刻的生物再工程。這並非不可能，但在嘗試的過程中，我們將與 35 億年的進化作鬥爭。另一個異想天開的選擇是嘗試設計含矽的葉子；我們已經知道光伏發電已經可以達到 45% 的效率，儘管它們的工作要簡單得多，只是將太陽能轉化為電力。沒有人知道矽碳混合植物會表現如何，但我們已經開始將生物學與電子學結合起來，因此絕對值得嘗試。
另一條有希望的途徑是製造“人造葉子”，它能夠實現光合作用所做的至少一件重要的事情，即分解水形成氫和氧。如果實現，這將是對太陽能和世界能源問題的天賜之物。該領域的領導者之一是丹·諾塞拉，他之前在麻省理工學院，現在在哈佛大學。諾塞拉創造了一種鈷基催化劑，當與標準廉價的矽基半導體結合時，該催化劑在室溫下放置在水中時會產生氫氣和氧氣。但是該裝置的效率最多也只有 5% 左右，因此還需要做更多的工作。
顯然，在模仿光合作用的至少某些方面存在有希望的努力，毫無疑問，這個雄心勃勃的目標應該讓化學實驗室的深夜油燈繼續燃燒。這既是引人入勝的深刻純科學，又在能源和食品生產方面具有潛在的革命性應用。這無疑是一個應該讓化學家夜不能寐的問題。
3. 我們如何使化學環保？
隨著全球變暖、森林砍伐、肥料徑流和塑膠垃圾堆積如山，化學家面臨著前所未有的環保責任。化學工業在環境管理方面的記錄好壞參半。像愛河和湯姆斯河這樣的事件玷汙了該行業的聲譽，即使這些指控並非都合理。1991 年，保羅·阿納斯塔斯為實踐他所謂的“綠色化學”提出了一系列要求。從那時起，這個術語已經根植於化學家的意識中，但也許還不夠。
諸如用水和超臨界二氧化碳替代潛在有毒的有機溶劑、部署在室溫和壓力下工作的催化劑、在進行化學反應時認真考慮產品毒性和用量以及跟蹤化學機械和裝置的能源需求等發展只是化學家為負責任的化學分析、合成和製造而採用的一些策略。然而，還有很長的路要走。
化學家仍然必須開發出完全可生物降解的塑膠（或可以替代塑膠的材料），以防止破壞陸地和海洋的塑膠堆積。他們必須更加努力地使用安全的肥料和農業產品，使其保持在區域性區域並且不會在環境中持續存在。他們還必須創造更好的技術來防止有害溫室氣體的釋放。負責任的環境管理不僅可以拯救地球，而且還將在很大程度上使公眾相信化學的價值。因此，這應該始終是化學家的主要關注點。
4. 我們能設計出完美的藥物嗎？
該領域的大多數化學家可能會立刻說，問題中概述的目標是徒勞的。然而，尋找一種能夠完美地治療或治癒疾病，並且不會產生任何副作用的藥物，一直是學術界和工業界的藥物研發科學家們追求的目標。問題之一是我們仍然對藥物如何影響整個生物系統知之甚少。我們可以在試管和模式生物中進行有限的研究，但把藥物放入人體後，我們仍然像在黑暗中摸索一樣。然而，沒有人會否認，減少副作用是醫學領域最重要的目標之一，尤其是在癌症等領域，其副作用往往與疾病本身一樣可怕。
要掌握副作用，需要化學家從系統層面上看待生物學。這將需要他們走出舒適區，與生物學家和計算機科學家合作，瞭解特定藥物如何影響細胞賴以生存的複雜的代謝途徑網路。這還需要能夠計算藥物和蛋白質之間相互作用的自由能，這是一個總體的目標，其解決方案可能還需要幾十年的時間。最終，可能不可能找到一種沒有副作用的藥物，但這個目標本身仍然是崇高的，它是旨在治癒痛苦而不造成故意傷害的追求的一部分。這是一個化學家應該與醫生一起珍惜的追求，也是一個肯定會讓他們不斷思考和實驗的追求。
5. 我們如何向公眾推銷化學？
在過去的大約兩百年裡，化學工業確實改變了人類生活。化學產品——藥物、塑膠、紡織品、肥料、食品——構成了現代文明的基礎。它們在全球範圍內拯救和改善了數十億人的生活。然而，化學家們卻面臨著一個越來越警惕的公眾，他們對化學的反應從輕微的懷疑到極度的歇斯底里不等。
部分問題在於，幾乎所有對化學或生物技術的批評都依賴於情感，正如幾十年的公關和宣傳所教導我們的那樣，銷售情感遠比銷售事實容易。大部分效果純粹是心理上的；大眾媒體、狂熱的博主、記者、電影製作人以及化學工業本身的一些失誤，已將“化學品”、“藥物”和“轉基因生物”等詞彙變成了引發情緒而非理性反應的本能觸發器。背景和統計資料經常被忽略，而軼事證據和概括性說法往往佔據主導地位。
要反駁對化學的誤解並不容易，尤其是在我們用事實對抗情感時。這個問題沒有簡單的答案，我建議讀者參考之前一篇關於這個主題的思考。一種可能的解決方案是建立一個非營利性的、獨立的國家化學教育中心，該中心將指導和教育公眾，並試圖傳達這樣一個事實，即總體而言，化學所做的好事遠多於壞事。但無論採取何種策略，毫無疑問，與化學迷信作鬥爭將是未來化學家們長期關注的問題。
注：我忘記了菲利普·鮑爾在本雜誌上發表的一篇精彩的2011年文章，該文章闡述了化學家關注的其他一些基本問題。我感謝SeeArrOh的提醒。