第14篇结束语——海洋化学21世纪的五大难题.doc

第14章 结束语——海洋化学21世纪的五大难题 教材与一般专著不同，它不仅给读者以知识，而且要给读者以智慧，培养学生的科学创新精神和能力。让学生听课后有绕梁九日之余音，读后有回味无穷的乐趣，还要让读者阅后有进一步思索和探讨的欲望，对科学发展充满信心和希望。为此，最后本书愿意谈谈海洋化学21世纪的发展将面临的五大海洋化学难题。 科学研究起始于问题的提出，科学地论证和确认问题，及最后解决问题是科学发展的真正动力。20世纪最伟大的数学家Hibert在1900年提出23个数学难题，每个难题的解决就诞生一位世界级著名的数学家。对21世纪，世界数学家协会提出七个数学难题。21世纪物理难题五个，其中包括四种作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题，等等。21世纪的生物学的重大难题四个，即后基因组学，蛋白质组学，脑科学和生命起源。21世纪化学的四大难题是：（1）化学反应理论和定律是化学的第一根本定律，但至今是不彻底的半经验理论。人们希望建立真正的化学反应理论，即建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论，能预示反应是否发生？预示反应生成何种分子？如何控制化学反应？如何计算反应速率？如何确定化学反应途径？等等。（2）精确的预计结构和性能定量关系。这是解决分子设计和实用问题的关键。（3）纳米尺度分子和材料的结构和性能的基本规律问题。（4）人类和生物体内活分子（living molecules）运动的基本规律问题，即揭示生命现象的化学理论。后两难题也是海洋化学难题所共同的。 因为海洋化学过程涉及化学、生物学、地球科学和物理学等诸学科，所以碰到的难题就更多更复杂一点。下面尝试提出21世纪五大海洋化学难题，供大家一起探讨。 1、关于海洋化学反应的理论之探讨。例如：20世纪60年代，以Sillén教授为代表的物理化学家把化学平衡原理引入海洋，解决了一系列重大化学问题。但是海水体系十分复杂，又受生物的控制、人类的影响，海洋不是真正的热力学平衡体系。海洋中发生的过程可能是不可逆过程。如何建立在不可逆过程热力学基础上的化学过程理论已经提上日程。又例如海洋中的化学动力学理论的建立问题，以此来了解和解释海洋中发生的主要问题，例如光合作用、海洋中生物固氮等等。海洋中的催化反应目前探讨极少，而海洋中酶的催化反应可能会引发许多重大海洋事件。因为酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性可达100%。如何模拟海洋中天然酶，进而控制海洋中的酶反应，是海洋化学家面临的重大海洋生物地球化学难题。 2、海洋中的“溶解态——纳米态或胶态——颗粒态”问题。这个问题也是如何揭示海洋中纳米尺度的基本规律，称为尺度效应。纳米尺度效应在海洋化学中至少包含两层含义。一是大小尺度，纳米是处于量子尺度和经典尺度的模糊边界处，此时热运动的涨落和布朗运动将起重要作用。尺度不同，常引起主要相互作用力的不同，导致体系性能及其运动规律和原理的质的区别。在传统的海洋化学上，通常用0.45μm膜过滤来划分，这是一种人为的划分。过滤所得者称为“溶解态”，留在滤膜上的称为颗粒态。但是所谓的“溶解态”并非是真正的溶解态，其中含有不少是胶态粒子或称纳米粒子，其中海洋中的金属水合氧化物和粘土矿物是早已知道的无机胶体，在溶解有机物中大约50%是有机胶体。胶体在海洋生物地球化学循环中不仅起了所谓“胶体泵”的作用，而且还在“金属-有机配体-固体微粒”三元络合物生成等海洋中化学过程研究中起重要作用。海洋自古就被称为“胶体王国”，目前正处在现代的第二次发展浪潮之中。纳米尺度含义之二是浓度尺度。10-9浓度在生物化学上常常是一个微妙的浓度，许多物质在这个浓度上下“利”“害”关系发生的转变，例如重金属对海水中浮游植物生长的影响，NO对赤潮藻引发海洋赤潮的影响等等，皆可为例。 3、海洋生物地球化学过程和循环理论。海洋生物地球化学是体现海洋中化学过程，生物过程和地学过程的一种综合过程。应当说，目前对它的一些理论研究仅是初始阶段，尚不能对海洋中发生的十分复杂的化学过程进行描述。对这一难题研究的课题包括：（1）光合作用是海洋发生的最重要的化学反应，是海洋生产力的基础，要搞清楚光合作用和生物固氮的机理和反应途径。搞清楚浮游植物如何利用太阳能把稳定的CO2和H2O分子化学键打开，合成(CH2O)n，同时放出氧气的？在这一过程中浮游植物的活分子（living molecules）是起了怎样的关键作用的？（2）海洋中的若干植物的根瘤菌能打开非常稳定的CO2和H2O分子的化学键，先生成含氮小分子，再进一步合成蛋白质和核酸，甚至最后变成有“长生不老”功效的海洋高分子聚合物。在21世纪人们能否把过程的全部机理都搞清楚？等等。 4、海洋中元素物种的化学存在形式的理论和实验测定。自20世纪60年代Sillén教授、Garrels教授提