生物质导向的绿色化学

科学发展的动力既来自社会的需要，也来自对真理的追求。首先是社会需求，几千年来人类依靠以种植少数淀粉类植物为主的传统农业生存。由于人口不断增长，耕地却在减少，人类需要不断努力以提高单位面积产量。化学农药和化学肥料曾使农业增产。但是它们多数不具备环境相容性，造成了严重的环境污染，因此研究高效低毒的农药和肥料是绿色化学近期的紧迫任务。但是病毒和害虫能迅速产生抗药性，而人工种值的作物却已逐渐失去在自然环境中的竞争能力，农业需要无休止地研制新农药才能与农作物的天敌竞争。因此，可能过不了很久，传统农业就不再能满足继续增加的人口的粮食需要，我们必须学会把多种天然植物转化成人类的食物。与此同时，人类还面临能源问题。近百年来煤和石油是主要能源和有机化工原料，这个需求推动了传统化学的发展，给人类社会带来了繁荣，也造成了严重的环境污染。无论污染问题是否可以最终解决，人类迟早需要重新依靠可再生的生物质（例如树木和草）中储存的太阳能，但不是过去那样简单地燃烧它们，而是寻找高效地利用它们的新方法。

满足这些社会需求必须先解开地球生物圈中最重要的生态平衡循环——碳循环的一个奥秘。在碳循环中，绿色植物通过光合作用把二氧化碳和水合成糖类碳水化合物并把太阳能储存在其中，它们又进一步聚合成淀粉、纤维和其他大分子生物质。淀粉类生物质容易被消化，因此迄今一直是人类的主粮。它们也容易被降解，因而在自然界中难以长期存在，无论被消化还是降解，它们都在释放出储存的太阳能后，最终还原为二氧化碳和水，完成一次碳循环；纤维类生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木素。纤维素本身也容易被消化和降解（如蔬菜类食物），但是它们绝大多数在自然界中都处于难以降解的结晶状态中，而且还被半纤维素和木素紧紧地包围着，使微生物和酶难以接近纤维素大分子。这些保护措施使纤维类生物质可以存在较长时间（例如种类繁多的树木），同时也使它们难以被消化，因而不能直接用作食物。植物的自我保护措施是生物圈中碳循环的奥秘环节。木素和半纤维素及纤维素在物理上和化学上是如何联结的？如何才能使它们有效地分开并降解成二氧化碳和水，释放出所储存的太阳能？

由于不了解自然界的这个奥秘，人类迄今还在用粗暴野蛮的方式分离它们。例如造纸工业仍然采用碱法去木素，既造成严重污染，又浪费宝贵资源。长期以来人类无法解开这个奥秘，因为解决问题的条件直到现在才刚成熟。一是基础知识的准备。20世纪物理学得到了巨大的发展，支配原子和分子的基本规律已清楚，二次大战后以薛定格为首的一批物理学家转向生物领域，导致分子生物学和基因工程的诞生。这个成功对科学家们是一个极大的鼓舞，下一个目标就是解开植物世界的这个奥秘。二是需要能精细观测它们的化学和物理结构和联接方式的实验条件。著名物理学家费曼曾预言过一种进行单原子操纵的新技术，现代的扫描探针显微术（扫描隧道显微术和原子力显微术）和光镊技术已把费曼的预言变成了现实。用它们不仅有可能得到具有大量独特性质的物质，还可能直接观察许多物理、化学和生物学的基本过程。它们已经成功地用于基因工程和DNA大分子等研究，现在需要用它们解开植物自我保护措施之秘，进而为人类打开一个丰富的粮食、能源和有机化学原料的天然宝库。