333 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
333 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
334 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 教授提出把络合作用、酸-碱作用、沉淀-溶解作用、氧化-还原作用等化学平衡理论 应用到海洋，解决了海水起源、海水的 pH=8.1，海水的 pE 值、海水的活度系数等一系列重 要问题，奠定了海洋化学理论体系的基础。海水化学模型（chemical model of sea water）和 海洋中元素物种的化学存在形式（chemical speciation, species）研究的发展，由元素的无机 配体存在→有机配体存在形式→胶体（固体配体）存在形式，不仅极大丰富了海洋化学内容， 而且也变成环境水化学的基础之一。但是，迄今海洋中元素物种化学存在形式的研究主要是 化学平衡法和结构参数等理论计算方法，没有从海洋中真正实验测定出其化学存在形式。实 验测定海洋中元素物种的化学存在形式，关键还是海水分析的问题。一般来说，海水中多数 元素的浓度已低于“纳米尺度”，要真正快速、准确、现场实验测定其化学存在形式，要求 能做到：（1）在线化；（2）实时化（real time）；（3）原位化（in site）；（4）立体化（in vivo） 和同时同步测定；（5）微型化、芯片化、仿生化；（6）智能化、信息化；（7）高灵敏化、高 精确化；（8）高选择化；（9）单分子化、单原子化检测，并联合搬运和调控技术；（10）合 成、分离和分析联用，等等。就目前而言，同时做到是不容易的。 5、海洋在宇宙演化和生命起源中的地位——生命起源于海洋？ 宇宙演化和生命起源是自然界的两大奥秘。宇宙演化最先是佛里德曼（1922）提出宇 宙膨胀模型；哈勃认为宇宙处于膨胀中，建立哈勃定律；1948 年伽莫夫提出宇宙起源于热 爆炸的学说，认为宇宙过去比现在小得多，最初可能是一个温度非常高、密度非常大的“原 始大球”，通过大爆炸而迅速膨胀，温度迅速降低，逐渐形成现在的宇宙，直至今日的“大 爆炸宇宙模型（the big bang model）”。宇宙的进化从大爆炸开始到现在已有 150 亿年，可分 为 8 个层次结构和大约 50~70 个时期，如图 1 所示。这种演化，大体上和我国 5000 前伏羲 氏的《河图》或八卦方位图的要义，即“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦生六 十四爻”的二进位哲学观点相符合。海洋的生成处于八个层次结构的中间，涉及化学进化、 天体演化、地质演变和生物进化诸层次，但海洋在其中的地位如何，涉及面极广，十分复杂， 尚待深入探究。 生命起源处于宇宙演化的中间层次——生物进化，它又可分成 11 个时期：（1）微观生 命开始时间（约 38 亿年前始），特点地球大气缺氧，藻类微生物不需要氧。（2）蓝藻微生物 时间（约 25 亿年前始）。蓝藻微生物光合作用释放氧气，慢慢形成富氧大气，这是生物进化 中最重要的里程碑。（3）宏观生命开始形成（约 10 亿年前）。（4）动物开始出现的时间（约 5.8 亿年前）。（5）生物大爆炸时期（约 5.4 亿年前），古生代寒武纪生物大爆炸开始出现。（6） 陆生植物时期（约 4.5 亿年前）。（7）鱼类开始出现时期（约 4 亿年前）。（8）两栖动物开始 出现时期（约 3.5 亿年前）。（9）针叶树和爬行动物时期（约 2.25 亿年前）。（10）哺乳动物 和被子植物时期（约 6500 年前）。（11）人类（猿人）开始时期（约 300~400 万年前）。目前 已有不少报导认为，海洋在生命起源中起了重要作用，生命起始于海洋。例如上面发现原核 藻类微生物和出现蓝藻微生物；直至目前在海底水热流口发现藻类微生物等等都可为例。但
334 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 教授提出把络合作用、酸-碱作用、沉淀-溶解作用、氧化-还原作用等化学平衡理论 应用到海洋，解决了海水起源、海水的 pH=8.1，海水的 pE 值、海水的活度系数等一系列重 要问题，奠定了海洋化学理论体系的基础。海水化学模型（chemical model of sea water）和 海洋中元素物种的化学存在形式（chemical speciation, species）研究的发展，由元素的无机 配体存在→有机配体存在形式→胶体（固体配体）存在形式，不仅极大丰富了海洋化学内容， 而且也变成环境水化学的基础之一。但是，迄今海洋中元素物种化学存在形式的研究主要是 化学平衡法和结构参数等理论计算方法，没有从海洋中真正实验测定出其化学存在形式。实 验测定海洋中元素物种的化学存在形式，关键还是海水分析的问题。一般来说，海水中多数 元素的浓度已低于“纳米尺度”，要真正快速、准确、现场实验测定其化学存在形式，要求 能做到：（1）在线化；（2）实时化（real time）；（3）原位化（in site）；（4）立体化（in vivo） 和同时同步测定；（5）微型化、芯片化、仿生化；（6）智能化、信息化；（7）高灵敏化、高 精确化；（8）高选择化；（9）单分子化、单原子化检测，并联合搬运和调控技术；（10）合 成、分离和分析联用，等等。就目前而言，同时做到是不容易的。 5、海洋在宇宙演化和生命起源中的地位——生命起源于海洋？ 宇宙演化和生命起源是自然界的两大奥秘。宇宙演化最先是佛里德曼（1922）提出宇 宙膨胀模型；哈勃认为宇宙处于膨胀中，建立哈勃定律；1948 年伽莫夫提出宇宙起源于热 爆炸的学说，认为宇宙过去比现在小得多，最初可能是一个温度非常高、密度非常大的“原 始大球”，通过大爆炸而迅速膨胀，温度迅速降低，逐渐形成现在的宇宙，直至今日的“大 爆炸宇宙模型（the big bang model）”。宇宙的进化从大爆炸开始到现在已有 150 亿年，可分 为 8 个层次结构和大约 50~70 个时期，如图 1 所示。这种演化，大体上和我国 5000 前伏羲 氏的《河图》或八卦方位图的要义，即“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦生六 十四爻”的二进位哲学观点相符合。海洋的生成处于八个层次结构的中间，涉及化学进化、 天体演化、地质演变和生物进化诸层次，但海洋在其中的地位如何，涉及面极广，十分复杂， 尚待深入探究。 生命起源处于宇宙演化的中间层次——生物进化，它又可分成 11 个时期：（1）微观生 命开始时间（约 38 亿年前始），特点地球大气缺氧，藻类微生物不需要氧。（2）蓝藻微生物 时间（约 25 亿年前始）。蓝藻微生物光合作用释放氧气，慢慢形成富氧大气，这是生物进化 中最重要的里程碑。（3）宏观生命开始形成（约 10 亿年前）。（4）动物开始出现的时间（约 5.8 亿年前）。（5）生物大爆炸时期（约 5.4 亿年前），古生代寒武纪生物大爆炸开始出现。（6） 陆生植物时期（约 4.5 亿年前）。（7）鱼类开始出现时期（约 4 亿年前）。（8）两栖动物开始 出现时期（约 3.5 亿年前）。（9）针叶树和爬行动物时期（约 2.25 亿年前）。（10）哺乳动物 和被子植物时期（约 6500 年前）。（11）人类（猿人）开始时期（约 300~400 万年前）。目前 已有不少报导认为，海洋在生命起源中起了重要作用，生命起始于海洋。例如上面发现原核 藻类微生物和出现蓝藻微生物；直至目前在海底水热流口发现藻类微生物等等都可为例。但
335 关于生命起源问题还是 21 世纪生物学的重大难题，而确定生命是否真正起源于海洋，更是 难中之难题。 经过 21 世纪的努力，如果解决了我们上面提出的五大难题，十分诱人的美好远景将 呈现在我们眼前：在解决了海洋光合作用，固氮作用和酶反应等的机理之后，就可以实现海 洋农牧化，并在人工控制下生产粮食和蛋白质，使人类生活向海洋迁移，地球可养活人口的 数目将成倍增长。如果我们解决了控制海洋及其环境中发生的化学反应和循环，海洋将变成 蓝色海洋。如果海水淡化已变成国家的重要工业，人类生存的目前最严重的挑战——淡水资 源紧缺也将不复存在，等等。让我们百年之后见分晓吧！
335 关于生命起源问题还是 21 世纪生物学的重大难题，而确定生命是否真正起源于海洋，更是 难中之难题。 经过 21 世纪的努力，如果解决了我们上面提出的五大难题，十分诱人的美好远景将 呈现在我们眼前：在解决了海洋光合作用，固氮作用和酶反应等的机理之后，就可以实现海 洋农牧化，并在人工控制下生产粮食和蛋白质，使人类生活向海洋迁移，地球可养活人口的 数目将成倍增长。如果我们解决了控制海洋及其环境中发生的化学反应和循环，海洋将变成 蓝色海洋。如果海水淡化已变成国家的重要工业，人类生存的目前最严重的挑战——淡水资 源紧缺也将不复存在，等等。让我们百年之后见分晓吧！